2019-2020数字孪生城市研究报告
智慧城市数字孪生数字孪生城市概况 (一)
智慧城市数字孪生数字孪生城市概况 (一)智慧城市数字孪生数字孪生城市概况随着人们对城市生活要求的不断提高，城市数字化建设逐渐成为城市化发展的重要一环。
而智慧城市数字孪生则是其中突出的一种形式，它能够为城市发展提供全方位的支持和保障。
下面，本文就来简单介绍一下智慧城市数字孪生的概况。
一、什么是智慧城市数字孪生？智慧城市数字孪生是指利用数字技术和数据分析手段，构建出城市实时运行的数字模型，从而提高城市的可视化和智能化程度。
简单来说，就是将城市的实际运行情况和数字技术精准结合，打造一个真实存在而又能够进行数字仿真的城市模型。
二、数字孪生城市有什么特点？1.高度模拟仿真。
数字孪生城市可以将真实世界中的城市环境，例如交通运输、能源供给、环境质量等各方面的情况进行数字化模拟和仿真，达到全方位、多场景、多维度的建模。
2.协同管理能力。
数字孪生城市能够将不同部门的数据进行整合，形成集成式的数字模型，从而实现各部门之间的信息协同和资源共享。
3.精准智能决策。
数字孪生城市可以对城市中的各种数据进行深入挖掘和分析，然后在做出决策时，凭借数据分析结果和数字模型提供更为准确，科学，合理的决策建议。
三、数字孪生城市的应用场景1.交通运输方面。
通过建立数字孪生城市，可以对城市中的交通流量进行实时监控和分析，从而实现车流量可视化、车排爆预测、交通拥堵分析等功能，从而提高城市路况的实时和准确掌握。
2.环境质量方面。
数字孪生城市可以对不同污染源进行数字分析，根据分析结果输出模拟预测，以便城市实时监控和环境管理部门及时发现问题。
3.城市规划方面。
数字孪生城市也可以用于城市规划建设中，帮助城市规划部门更好地掌握城市的发展趋势和演化规律，从而在城市规划环节中提供更加准确、科学、合理的建议。
综上所述，智慧城市数字孪生城市是数字技术与城市发展相结合的重要手段，在未来的城市化发展过程中，有着极为重要的应用价值。
传统城市的运营模式正在发生转变，未来的城市将更加智能化、精准化、高效化。
数字孪生案例报告总结
数字孪生案例报告总结数字孪生是指通过数字技术将物理实体与其数字模型相结合，从而实现对物理实体的仿真、分析和优化。
数字孪生技术已经在各个领域得到广泛应用，为实体的管理和维护提供了新的途径。
以下是一个数字孪生案例的报告总结。
该案例是一个针对某工厂的生产线的数字孪生应用。
该生产线在过去几年中出现了一些问题，如设备故障频繁、生产效率低下等。
为了解决这些问题，工厂决定尝试数字孪生技术来优化生产线运行。
首先，工厂团队使用3D扫描仪对生产线进行了全面扫描，获取了生产线的数字模型。
通过与实际生产线比对，团队确认了数字模型的准确性，并对其进行了细节调整，使其更贴近实际情况。
然后，工厂团队使用了一款数字孪生软件来建立生产线的数字孪生。
软件可以模拟生产线的工作状态、设备使用情况以及物料流动情况。
通过设置不同的参数，团队可以模拟出多种生产情况，并分析其对生产效率的影响。
在数字孪生的基础上，团队进行了一系列优化实验。
他们尝试了多种不同的生产参数，如设备的使用频率、物料的运输路径等。
通过模拟分析，团队发现了一些优化方案，如更换某些老化设备、调整物料运输路径等。
这些优化方案有效地提高了生产线的运行效率，并降低了故障率。
最后，团队使用数字孪生与实际生产线进行了对比测试。
结果显示，通过数字孪生优化的生产线明显提高了生产效率，并减少了故障次数。
工厂决定采纳这些优化方案，并进行了相应的设备更换和工艺调整。
这个案例充分展示了数字孪生技术在工业生产中的应用潜力。
通过数字孪生，工厂团队能够在实际操作之前进行模拟分析，避免了一些不必要的成本和风险。
数字孪生还能为生产线的优化提供了更多的可能性，从而提高生产效率和降低故障率。
工厂决定继续使用数字孪生技术来管理和优化其他生产线，以提高整体生产效率。
总结起来，数字孪生技术通过将物理实体与数字模型相结合，为实体的管理和优化提供了新的途径。
在上述案例中，数字孪生成功地优化了生产线的运行效率，并减少了故障次数。
数字孪生白皮书(2019年)
数字孪生白皮书（2019年）中国电子信息产业发展研究院目录一、数字孪生发展态势二、数字孪生定义内涵三、数字孪生应用场景目录四、数字孪生未来展望数字孪生发展态势1.1 数字孪生正成为全球信息技术发展的新焦点1.2 数字孪生正成为跨国企业业务布局的新方向1.3 数字孪生正成为主要国家数字化转型的新抓手1.1 数字孪生正成为全球信息技术发展的新焦点数字孪生技术➢2016-2018年，Gartner 连续三年将数字孪生列为十大战略科技发展趋势。
➢2019年，Gartner 认为数字孪生处于期望膨胀期顶峰，将在未来5年将产生破坏性创新。
发展阶段重点企业资料来源:赵敏，走向智能研究院数字孪生数字孪生+数字孪生++西门子公司Digital Twin 数字孪生Digital Twin P/P/P 数字孪生产品/生产/绩效Comprehensive Digital Twin 综合数字孪生PTC 公司Digital Twin 数字孪生Digital Twin +K System 数字孪生+知识体系Digital Twin+AR 数字孪生+增强现实达索公司Virtual Twin 虚拟孪生Product lifecycle Twin 产品全生命周期孪生3DEXPERIENCE Twin 3DEXPERIENCE 孪生ESI 公司Physical-Based Virtual Twin基于物理的虚拟孪生Date-Drived Virtual Twin数据驱动的虚拟孪生Hybrid Twin混合孪生1.2 数字孪生正成为跨国企业业务布局的新方向数字世界物理世界物（设备/机器/产品等）数字孪生空间资产层传感器、驱动器集成层网络、协议通信层数据、模型（数字孪生实现）信息层资产功能功能层组织和业务流程业务层德国工业4.0参考架构⚫应用平台⚫数字孪生空间⚫模型平台⚫数据平台图以数字孪生体框架为核心的工业互联网Paas 系统➢美国工业互联网联盟将数字孪生作为工业互联网落地的核心和关键。
CIM与数字孪生城市的关系
C IM与数字孪生城市的关系文、图/刘晓伦随着国家政策的陆续出台以及雄安等国家级新区的示范效应，数字孪生的理念已经从传统的制造业, 向智慧城市的各个环节渗透，极大地拓展了人们对未来城市形态的想象。
从CIM到数字孪生城市数字孪生一词最早诞生于工业界，但是其在智 慧城市方面的应用则来源于2018年通过的《雄安规 划纲要》，纲要提出：“坚持数字城市与现实城市 同步规划、同步建设，适度超前布局智能基础设 施，打造全球领先的数字城市”“建立健全大数据 资产管理体系，打造具有深度学习能力、全球领先 的数字城市”等建设内容。
中国信息通信研宄院智 慧城市首席专家高艳丽教授曾表示：“雄安新区是 数字城市与现实城市同步规划、同步建设的城市，两座城市将开展互动，打造数字孪生城市和智能城Ttr ，，市。
近年来，在城市建设的过程中，CIM通过BIM、三维GIS、大数据、云计算、物联网（IoT)、人工 智能等先进数字技术，同步形成与实体城市“孪 生”的数字城市，实现城市从规划、建设到管理的 全过程、全要素、全方位的数字化、在线化和智能 化，改变城市面貌，重塑城市基础设施。
数字孪生城市是融合统一数据标准、城市信息 模型、城市运行数据、共性支撑平台、数字孪生应 用等多个单元的复杂系统，其中CIM是最重要的环 节，实现将物理城市的实体模型构建为数字孪生 体。
CIM平台是数字孪生城市建设的数字化模型，也是城市建设管理全流程智慧应用的支撑性平台。
依托CIM平台三维城市数字底板，与实时感知、仿 真模拟、深度学习等信息技术高度融合，开展全方 位多维度智慧城市应用建设，将成为实现城市治理 能力现代化的重要驱动力。
CIM对于数字孪生城市的意义数字孪生城市分为物理实体孪生和运行机理孪 生，例如某建筑实体，通过BIM构建实体孪生模 型，通过IoT传感器感知建筑运行机理，所以需要 将模型与运行机理有效地结合才能更好地服务智慧 城市建设和治理，那么物理实体城市孪生的CIM就 变得十分重要。
2019-2020年度数字经济形势研究报告
美国 35%
68%
34.7% 30% 25.3% 26% 36% 69.1%
40% 32.3%
美国
14 中国
13 日本
4 韩国
其他
ICT制造业附加值 19% ICT货物贸易出口额 4%
中国 13%
其他 日本占8%
22% 欧洲占3.6%
47.8% 30% 49.7% 24% 14% 7.7%
英国占3.5% 日本占18%
算法 ➢ 2019年1月，韩国发布了《推动数据、人工智能、
氢经济（“创新发展”三驾马车）发展规划》。 ➢ 2导地月位，》美的国行发政布命了令《。维标护美题国在人工智能领域领 ➢ 6月，俄罗斯公布了《人工智能国家战略》送审稿。
算力
➢ 在云计算领域，Statista发布的《2019年数字经 济指南》提出，2019年云存储的数据量将首次超 过设备存储，并将继续标保题持快速增长。
2019年全球数字经济规模 占GDP比重
4.5%15.5%
2017年美国数字经济规模 占GDP比重
6.9%
2016年日本由数字化带来 的经济规模增长占GDP比重
30%
2019年 1000亿美元
2025年 3000亿美元
（一）全球数字经济持续增长，规模和效益实现双提升
（2/2）
中美两国是全球数字经济的领跑者
3 韩国 46,916,100
93%
4 西班牙 30,120,000
65%
5 加拿大 15,992,400
44%
5G场景化应用全面铺开
据不完全统计，已经有10个国家或地区的21家运营商 开始提供5G业务。此外，还有20个国家的23家运营商 宣布将在2020年之前推出5G商用服务。
数字孪生城市开启城市数字化转型新篇章
数字孪生城市开启城市数字化转型新篇章封顺天1㊀张东2㊀张舒2㊀李力3(1.中国电信股份有限公司研究院,北京102209;2.中国电信政企客户事业部,北京100010;3.中国电信福建分公司政企客户事业部,福州350001)摘要:论述了数字孪生城市起源,指明了数字孪生城市主体结构㊁整体架构和创新应用,提出了数字孪生城市业务发展建议㊂关键词:数字孪生城市;三维城市模型;城市仿真1㊀引言比特是数字世界的基础,城市是人类文明高度发展的产物㊂数字孪生通过虚实映射,将物理世界抽象为比特,绘制出与之对等的数字世界㊂近年来,随着数字孪生概念的兴起,数字孪生呈现出与各个行业融合的趋势㊂数字孪生工业结合提高了工业领域精益生产率,降低了工业领域创新成本;数字孪生医疗降低了新药研发成本,提高了药品研发的成功率㊂数字孪生和城市结合,将开启智慧城市数字化转型新篇章㊂2㊀数字孪生城市产生背景2.1㊀数字孪生城市概念形成2018年,雄安新区规划纲要[1]提出, 要坚持数字城市与现实城市同步规划㊁同步建设 理念,数字孪生城市概念在行业崭露头角㊂2018年,中国信息通信研究院联合各产业参与方,连续两年发布‘数字孪生城市研究报告“[2],对数字孪生城市进行了深入描述,在行业内产生广泛共鸣㊂数字孪生城市在物理世界和数字空间世界之间建立准实时联系,实现物理城市世界和数字城市世界的互联㊁互通㊁互操作㊂这种在数字空间以无限数据资源替代有限城市物理资源的方法为城市发展提供了崭新的方法论,使城市建设和管理在数据空间内 模拟择优 零成本试错 ,为城市管理提供了崭新手段㊂2.2㊀数字孪生城市是新型智慧城市建设的高级阶段2016年,国家发改委在‘关于组织开展新型智慧城市评价工作务实推动新型智慧城市健康快速发展的通知“[3]中提出:新型智慧城市是全面推进新一代信息通信技术与新型城镇化发展战略深度融合,提高城市治理能力现代化水平,实现城市可持续发展的新路径㊁新模式㊁新形态㊂新型智慧城市内容拆解见图1㊂新型智慧城市的各类系统平台产生了大量数据,这些数据来源多样㊁分布广泛㊁结构迥异,跨部门的数据互通实现了 数据多跑路㊁百姓少跑腿 ㊂相比新型智慧城市,数字孪生城市有精准映射㊁虚实交互㊁软件定义㊁智能干预4个特点[4]㊂数字孪生城市的数据基础来自新型智慧城市建设成果,如城市时空大数据平台㊁城市数据交换共享平台等;数字孪生城市中精准映射㊁虚实交互需要借助5G㊁AI㊁AR/VR㊁物联网等新技术;软件定义和智能干预为城市建设提供新理念㊂由此可见,新型智慧城市建设为数字孪生城市打下了坚实基础,数字孪生城市是新型智慧城市建设的高级阶段,将开启城市数字化转型新篇章㊂3㊀数字孪生城市主体结构数字孪生城市的核心是在数字空间构建与物理城市高度一致的城市孪生体,并在孪生体内以数据资源代替物理资源,实现城市各类应用㊂数字孪生城市包含数据㊁模型和服务3部分,结构如图2所示㊂图1㊀新型智慧城市内容拆解图2㊀数字孪生城市主体结构㊀㊀数据是基础㊁模型是核心㊁服务是手段㊂当城市空间数据精度较传统电子地图提升近百倍时,实现高精度的城市三维模型成为可能,城市孪生具备技术条件;当数据的采集㊁处理㊁应用成本低于城市规划㊁建设㊁管理等业务试错成本时,城市孪生成为可能㊂各类业务平台系统数据㊁物联网终端数据㊁城市三维模型通过有序组合形成城市孪生体,在城市孪生体中叠加各类模型算法对数据深化应用形成各类城市孪生服务㊂3.1㊀数据数据是数字孪生城市的基础,包含基础数据㊁业务数据㊁行业数据和其它数据㊂基础数据中时空数据是三维城市模型的基础,三维城市模型是数字孪生城市的外观呈现㊂国家自然资源部2019年发布的‘智慧城市时空大数据平台建设技术大纲“[5]中提出:智慧城市时空大数据平台作为智慧城市的重要组成,既是智慧城市不可或缺的㊁基础性的信息资源,又是其他信息交换共享与协同应用的载体,为其他信息在三维空间和时间交织构成的四维环境中提供时空基础㊂时空数据的传统手段是电子地图,电子地图的理念是把地图变为数据形式,以便计算和处理;数字孪生城市则是把整座城市变为数字形式,以便计算和处理㊂传统电子地图通过卫星拍摄数据的精度和基于地图计算的理念无法满足数字孪生城市要求㊂随着倾斜摄影㊁激光点云等技术的成熟,借助低空飞行器㊁地面采集车,以多镜头方式采集的城市数据分辨率普遍在5cm内,较10m分辨率的传统电子地图提升了近200倍,高分辨率下采集的道路㊁建筑外观轮廓等数字信息与现实中城市高度一致,形成了高精电子地图㊂随着车辆无人驾驶技术的发展,高精电子地图成为无人驾驶车技术中必不可少的一个组成部分[6],高精电子地图不仅包含城市地面交通相关元素,还包含地下管廊㊁城市建筑等各类元素㊂高精电子地图把物理世界映射到数字空间,使城市级孪生在技术上具备条件㊂随着信息技术在城市范围内深度应用,城市基础设施智能化升级和各个行业信息化程度不断提升,各类设备和各个行业产生了大量数据,这些数据为三维城市模型各部件数据更新㊁实时计算㊁虚拟仿真等业务服务提供数据输入㊂3.2㊀模型模型是数字孪生城市的核心,包含三维城市模型㊁共性算法模型和行业算法模型㊂三维城市模型指城市各类元素对象的三维建模,通常通过倾斜摄影㊁激光点云㊁BIM等方式创建,为数字孪生城市提供由外到内的结构化呈现㊂随着物联网终端的普及,井盖㊁垃圾桶㊁消防栓㊁灯杆等越来越多的城市元素部件状态被实时感知,云计算㊁边缘计算㊁大数据㊁人工智能等技术使得海量数据的存储和运算成为常态㊂这些经过标识㊁运算㊁处理后的数据与三维城市模型虚实映射,实时更新城市各类元素在数字空间的状态,使三维城市模型与物理城市保持高度一致性㊂对三维城市模型的处理存在不同的技术路线,这些路线各有优劣㊂如通过游戏类引擎(UE4㊁U3D等)加载出来的三维城市模型对建筑细节呈现效果好,由于占用过多的图形计算资源,往往需要高性能服务器支持且对并发支持存在瓶颈,适合开发区㊁社区等小范围内应用㊂目前主流的做法是通过3Dtiles格式对城市级三维模型数据进行流式传输,在Web浏览器中以流数据方式加载呈现㊂算法模型叠加在三维城市模型之上,是城市孪生体的规则,算法对城市孪生体内各类元素㊁对象㊁事件等按照一定规则归纳呈现㊂共性算法通常使用相对成熟的算法模型,如图片处理领域的卷积神经网络㊁对非结构化数据进行处理的NLP算法等,一般用于城市孪生体内业务分析和规划;行业算法模型是在特定行业中使用,如空气扩散领域的高斯烟流模型㊁城市水资源领域的SWIM模型等,一般用于城市孪生体内业务仿真和预测㊂各类模型算法叠加相关数据输入,可为数字孪生城市各类服务提供计算依据㊂人工智能技术通过超强算力和模型算法,成为了城市孪生体的 大脑 ㊂在数字空间内通过对各类城市元素数据进行实时计算,并把计算结果与三维城市模型互动仿真,模拟城市运行中可能的各种状态,加速了城市在孪生空间内的运行效率㊂3.3㊀服务服务是数字孪生城市的手段,是为了通过无限的数据资源节约叠加模型计算节省有限的城市物理资源,服务涵盖城市治理㊁民生服务㊁产业发展等领域的仿真和预测㊂数字孪生城市服务内容取决于数据和算法模型的构成,是一个运营迭代的过程㊂数字孪生服务可通过PC㊁手机㊁VR/AR㊁全息等方式承载,给用户带来多重体验㊂数字孪生城市服务缺少统一的分类标准㊂按照城市生命周期包括规划㊁建设㊁管理运营等分类;按照行业包含政务㊁交通㊁环保㊁应急等分类;按照政府职能包含社会管理㊁公共服务㊁生态环保等分类㊂不同分类表明数字孪生城市建设切入点存在不同,本文按照新型智慧城市 善政㊁惠民㊁兴业 [7]的目标对服务进行归类㊂城市治理领域,在数字空间对城市给排水系统㊁交通系统㊁能源系统㊁通信系统㊁防灾系统㊁环卫系统等进行数字化规划设计㊁仿真建设,根据模拟建设成果,选择最优建设方案㊂在公共安全中,数字空间模拟城市在应对污染物扩散㊁自然灾害袭击等情况下可能受到的影响范围应提前规划㊂城市以人为本,民生服务领域,通过在数字空间仿真物理城市的各类元素㊁各类事件,围绕人居环境㊁出行环境等进行优化,提升市民在城市内的生活㊁工作体验㊂城市以业为基,产业发展领域,数字孪生城市可直观地对城市㊁园区进行展现,政府在招商引资㊁产业规划等领域可借助数字孪生城市开展相关工作㊂4㊀数字孪生城市整体架构数字孪生城市架构包含城市泛在感知层㊁孪生城市支撑层㊁孪生城市平台层㊁孪生城市应用层和孪生城市规划层,结构如图3所示㊂图3㊀数字孪生城市整体框架4.1㊀城市泛在感知网城市泛在感知网包含城市感知层和城市连接层两部分主要内容㊂城市感知层颗粒度决定了城市孪生体的精细度㊂随着芯片技术发展,各类物联网终端的涌现使得物理城市被立体感知成为可能㊂智慧园区㊁智慧小区㊁智慧车站㊁智慧港口㊁智慧工地㊁智慧道路㊁智慧家庭等场景牵引各类城市基础设施向智能化升级㊂越来越多的路灯㊁井盖㊁消防栓㊁视频监控㊁电梯等设备通过物联网接入到各类系统平台,城市内空气质量监测㊁施工场地扬尘扩散监测㊁街道噪音监测㊁卡口车流量/人流量监测等数据被感知采集;家庭中燃气表㊁电表㊁水表㊁电视㊁空调等设备开始联网㊂城市连接层的成本㊁速度㊁带宽等指标决定了城市孪生体应用的新鲜度㊂NB-IoT网络在城市中覆盖,城市各类传感器/执行器设备可在无源情况下长时间工作㊂随着5G网络覆盖,单位面积内物联网终端的连接密度可提升上百倍㊂物联网终端和业务开展成本下降明显,城市中 万物互联㊁万物生数 时代来临㊂4.2㊀孪生城市支撑层孪生城市支撑层包含城市数据层和数据融合处理层㊂城市数据层中数据的丰富程度决定了孪生服务的丰富程度㊂城市数据层数据来自各类云计算平台和各个委办局业务系统,数据中台系统也可为城市数据层提供数据源㊂不同主题的数据源决定了孪生服务的不同主题,数字孪生城市是一个持续运营的过程,数据的积累随着运营的深入而丰富㊂数据融合处理层主要运用大数据和人工智能等技术对数据进行处理,随着计算机软硬件性能提升,借助大数据㊁人工智能技术使得 数生万物 成为可能,数据融合处理层为孪生城市平台提供直接的分析㊁仿真等能力㊂4.3㊀孪生城市平台层孪生城市平台层主要包含核心能力层和共性能力层㊂城市孪生体是数字孪生城市的核心,具有现实中物理城市的等效性㊂城市孪生体基于三维城市模型,按照不同行业或不同服务粒度分为不同的城市孪生对象,并把孪生对象集有序组合㊂各类孪生对象的属性㊁方法与现实中城市各类元素一一对应,孪生对象的属性㊁状态等参与来自城市数据层,并通过数据融合处理层同步机制保持数据更新㊂共性算法模型和行业算法模型实现不同孪生对象之间各类属性和状态的组合运算㊂共性能力层包含城市显示㊁城市分析㊁城市仿真和城市预测㊂城市显示对城市三维模型直观呈现,并可按照各类城市孪生对象分类实现在三维模型查找㊁定位㊁叠加各类数据传感器/视频等数据显示等功能;城市分析是按照不同规则对城市孪生体中各类孪生对象实现关联㊁组合㊁主题分析等功能;城市仿真㊁预测是基于各类数据,按照不同的算法模型对数字孪生体中各类孪生对象进行仿真处理,模拟物理城市在各类环节变量情况下可能产生的变化㊂4.4㊀孪生城市应用层孪生城市应用层面包含各类行业和各类用户㊂各类行业指数字孪生城市在政务㊁交通㊁环境㊁应急等行业均有广泛应用场景㊂政务行业,城市安全㊁应急㊁规划管理均可在数字孪生城市先行先试㊂交通行业,可根据道路实时流量㊁违法停车㊁交通信号灯㊁视频等数据在城市孪生体内结合交通行业特定模型,实现城市路网㊁红绿灯信号㊁停车场/位优化,提升城市路网效率和市民出行体验㊂环保行业,基于城市污染源数据和三维城市模型数据,模拟在不同光照㊁风速等参数下污染源在城市孪生体内的影响范围㊂各类用户指数字孪生城市服务的各参与方,包含政府㊁居民和各类商业组织㊂政府类用户通过数字孪生城市各类应用可实现城市规建管一体化㊁实时了解城市运行状态㊁实现城市精细化运营管理等功能,为政策制定㊁服务提供和各类决策提供更为精准的依据㊂居民可在数字孪生城市中发挥个体创造力,运用各类数据实现城市协同创造㊂各类商业组织可基于数字孪生城市开展针对性的商业分析,进一步提升商业服务水平㊂4.5㊀孪生城市规划层数字孪生城市是新型智慧城市建设的高级阶段,按照分级分类建设新型智慧城市要求㊂数字孪生城市建设不但和城市级别㊁类别有关,也和城市范围内数据积累关系密切㊂顶层规划设计应基于新型智慧城市和各类信息系统建设成果,聚焦城市中的共性问题,并结合不同人口规模㊁不同类型城市面临的个性问题,定义针对性的城市支撑层功能和城市应用层场景㊂不同于传统信息化项目重建设轻运营㊁重流程轻数据,数字孪生城市建设是一个循序渐进的过程,更强调数据资产的汇聚㊁管理和运营,强调通过城市各类数据治理㊁仿真实现㊂顶层规划除了对业务整体进行规划外,还需要对业务运营体系㊁端到端安全体系㊁标准规范体系等内容进行规划设计㊂5㊀数字孪生城市创新应用5.1㊀政务政府规划建设城市各类公共服务设施之前先在城市孪生体内进行仿真建设,模拟各类建设方案在三维城市模型内布局是否合理,各类设施与人口㊁环境等资源之间匹配是否合适,得出最优建设方案,使物理城市一次性建设即达最佳效果㊂政府在推进城市治理,提升治理能力现代化方面,已建立了各类网格化服务体系㊂网格服务体系和数字孪生城市结合,在数字孪生城市内完善各类标准地址库㊁标准建筑物编码与实有人口㊁实有房屋㊁实有单位㊁实有设施,实现 四标四实 [8]并将部分数据面向社会开放,将为社会提供准确直观的标准地址信息服务㊂5.2㊀环境在数字孪生城市内基于城市地形㊁建筑等数据结合风向等环境数据和算法,实现城市风道最佳规划,降低城市热岛效应㊂在数字孪生城市内模拟各类建筑物对自然光照的遮挡,使城市道路照明设计更具针对性;分析各类建筑物顶层对自然光照的接收,规划城市太阳能面板等绿色设施的安放,模拟计算发电量,为 绿色城市 建设提供高可靠的依据㊂5.3㊀应急在数字孪生城市中通过井盖㊁排水管道㊁河道流量等数据采集联网,结合城市地表数据使用一系列的行业模型组合,可模拟城市在遭遇大规模降雨时,实现城市范围内的 联排联调 ,对城市给排水系统优化提供直接参考㊂城市在应对火灾时,可根据不同商业建筑BIM模型,可通过商业大楼内承载人员数量㊁火灾蔓延速度和逃生通道容量规划最佳逃生路线㊂还可通过消防栓㊁烟感传感器㊁视频等设备联网为消防救援提供最佳指引㊂在应对危化品泄露时,可仿真某存储危化品的工厂发生有害气体泄露,根据空气扩散模型计算受影响的城市范围,并计算疏散路径㊂在应对疫情扩散时,可仿真病毒携带人员在城市内行动轨迹,根据病毒扩散与传播控制模型,计算可能受到影响的城市范围,对隔离方案进行精准指导㊂上述场景并不是数字孪生城市应用的全部场景,随着数字孪生城市的成熟和发展,新的场景将不断涌现㊂6㊀数字孪生城市业务发展建议数字孪生城市业务复杂,技术集成度高,建设切入点较多,存在一定的建设风险㊂本文针对数字孪生城市组成㊁架构和应用,提出以下建议㊂6.1㊀结合数字政府转型,完善城市数据资产治理体系数据是数字孪生城市的基础,虽然各省㊁市已建数据交互共享平台㊁成立了大数据局㊁开放了政务信息资源共享目录,数据在城市范围内的流通仍然存在困难㊂政府横向部门间信息共享动力不足㊁纵向上表现为上级部门的数据下不来,下级只能 耐心等待 [9]㊂结合政府数字化转型,完善城市数据资产治理体系,使城市范围内数据真正能够流起来㊁用起来㊂只有这样,数字孪生城市的建设和应用才能成为可能㊂6.2㊀基于时空信息云,升级城市数字化基础设施模型是数字孪生城市核心,城市孪生体基于三维城市模型,是各设备㊁各行业数据的有机㊁有序融合㊂结合智慧城市 时空信息云 平台建设,运用倾斜摄影㊁激光点云等新技术,采集㊁制作㊁叠加以高精地图为核心的三维城市模型,升级 时空信息云 平台能力,并向各类行业云㊁信息系统开放能力,形成新一代城市数字化基础设施㊂未来,以高精地图为核心的新一代城市数字化基础设施在满足数字孪生城市各类应用的同时,将为涉及到电子地图的智慧城市各类业务赋能,降低各业务系统在城市空间呈现㊁数据融合分析等领域的投入㊂6.3㊀建立长效运营机制,探索数字孪生城市商业模式服务是数字孪生城市的手段,数字孪生城市涵盖产业链条众多,覆盖场景复杂,需要联合地理信息㊁数据处理㊁模型算法㊁服务提供等各类公司共同参与才能实现城市级孪生服务㊂城市是一个动态发展的过程,数字孪生城市也是动态演进的过程,需要建立起长效的运营机制,积极探索数字孪生城市商业模式,使服务参与方均能在孪生城市平台上 各尽所能㊁各取所需 ㊂7㊀结束语数字孪生城市在我国的发展仍处于早期阶段,缺少成熟路径参考㊂可喜的是,越来越多的机构和公司开始开展数字孪生城市业务服务,越来越多的地方政府也开始布局数字孪生城市建设㊂相信未来数字孪生城市一定会为城市建设㊁运营带来崭新模式,并为政府㊁市民和各类参与企业创造新的价值㊂参考文献[1]河北省人民政府.河北雄安新区规划纲要[Z/OL]. (2018-04-21)[2020-02-09].cn/2018-04/21/c_129855813.htm.[2]中国信息通信研究院.数字孪生城市研究报告[R],2019.[3]国家发展和改革委员会办公厅,中央网络安全和信息化委员会办公室秘书局,国家标准化管理委员会办公室.关于组织开展新型智慧城市评价工作务实推动新型智慧城市健康快速发展的通知[Z/OL].(2016-11-22)[2020-02-09].https:///xxgk/zcfb/tz/201611/t20161128_962791.html.[4]陈才.数字孪生城市的理念与特征[N].人民邮电报, 2017-12-15(06).[5]中华人民共和国自然资源部.智慧城市时空大数据平台建设技术大纲[R],2019.[6]王涛,陈艳丽,贾双成.简述高精地图的特点[J].软件,2018,39(9):191-195.[7]龚悟云.以 善政㊁惠民㊁兴业 为目标奋力创建新型智慧城市全国标杆[J].中国建设信息化,2018(5).[8]张鹏程,何华贵,杨梅.智慧广州时空云平台在 四标四实 中的应用与实践[J].测绘与空间地理信息, 2019,42(3):34-35+40.[9]叶战备,王璐,田昊.政府职责体系建设视角中的数字政府和数据治理[J].中国行政管理,2018(7):59-64.作者简介:封顺天㊀中国电信股份有限公司研究院数字孪生城市课题负责人,高级工程师张东㊀㊀中国电信政企客户事业部智慧城市领域首席专家㊁产业互联网创新中心主任,高级工程师张舒㊀㊀中国电信政企客户事业部智慧城市行业总监,高级工程师李力㊀㊀中国电信福建分公司政企客户事业部解决方案中心总监,高级工程师Digital twin city opening a new chapter of urban digital transformationFENG Shuntian1,ZHANG Dong2,ZHANG Shu2,LI Li3(1.Research Institute of China Telecom Co.,Ltd.,Beijing102209,China;2.China Telecom Government and Enterprise Customer Division,Beijing100010,China;3.China Telecom Fujian Branch,Government and Enterprise Customer Division,Fuzhou350001,China)Abstract:This paper discussed the origin of the digital twin cities,and clearly defined the main structure framework and applications of the digital twin cities based on three-dimensional city models.Also,It offered the recommendations of the developments of digital twin cities.Key words:digital twin cities;three-dimensional city models;3DCM;city simulation(收稿日期:2020-01-06)。
2020-2021年数字孪生城市白皮书
数字孪生城市白皮书（2020年）
2020年12月 1
前 言 今年以来，“数字孪生”不再只是一种技术，而是一种发展新模式、一个转型的新路径、一股推动各行业深刻变革的新动力。“数字孪生城市”不再只是一个创新理念和技术方案，而是新型智慧城市建设发展的必由之路和未来选择。 本报告首先从政产学研用多视角系统分析今年以来数字孪生城市发展的总体态势；其次，从数字孪生城市的典型特征和总体架构出发，提出当前阶段数字孪生城市的核心能力框架，并深入分析各核心能力的要义和作用，尝试发掘并验证数字孪生城市在城市现代化治理方面的重要价值，为城市建设和产业发展探寻方向；最后，报告梳理了当前数字孪生城市发展中面临的共性问题，并对下一步建设实施提出策略与建议。 从发展态势来看，“数字孪生城市”历经2017年和2018年的概念培育期、2019年的技术方案架构期，已正式步入到建设实施落地期，国家政策密切关注，地方规划加速落地，企业方案务实搭建，学术科研前瞻布局，市场规模爆发增长，产业生态积极构建，应用场景日益完善，全球共识逐渐达成。 从核心能力来看，为体现数字孪生城市价值和突出精准映射、虚实交互、软件定义、智能干预等典型特征，基于数字孪生城市“三横两纵”总体架构，本报告凝练提出物联感 2
知操控、全要素数字化表达、可视化呈现、数据融合供给、空间分析计算、模拟仿真推演、虚实融合互动、自学习自优化、众创扩展能力等凸显数字孪生城市重要价值的九大核心能力要素，形成数字孪生城市的“能力空间”。 从发展建议来看，随着数字孪生城市的落地实施，暴露出一系列现实问题，例如典型应用场景深度不足、CIM平台重复建设、时空数据标准难统筹、存在卡脖子技术制约等。CIM平台的统筹推进、数据规范标准的兼容互通、典型应用场景和市场需求的培育以及生态合作机制的建立等多项任务的推进效果，将决定下一阶段数字孪生城市的发展水平。 目 录 一、数字孪生城市发展态势 .................................................................... 1 （一）数字孪生技术纳入国家和地方发展战略体系 ...................... 1 （二）数字孪生城市从概念培育期进入建设实施期 ...................... 4 （三）多家科研机构深入开展数字孪生城市研究 .......................... 5 （四）更多市场主体围绕数字孪生重构技术方案 .......................... 6 （五）数字孪生城市合作生态呈现交织互促态势 .......................... 8 （六）新基建有力促进数字孪生城市加速落地 .............................. 9 （七）数字孪生城市加快推动城市治理创新 ................................ 10 （八）数字孪生城市技术和应用能力不断提升 ............................ 11 （九）数字孪生理念启发千行百业缩短数字化路径 .................... 12 （十）全球重要经济体积极推进数字孪生建设 ............................ 13 二、数字孪生城市核心能力要素 .......................................................... 15 （一）物联感知操控能力：反映实时运行状态 ............................ 17 （二）全要素数字化表达能力：实现精准映射 ............................ 19 （三）可视化呈现能力：数字城市“打开方式” ........................ 23 （四）数据融合供给能力：建立数据资源体系 ............................ 27 （五）空间分析计算能力：优化要素空间布局 ............................ 29 （六）模拟仿真推演能力：预测未来发展态势 ............................ 33 （七）虚实融合互动能力：打通两个世界接口 ............................ 36 （八）自学习自优化能力：辅助城市管理决策 ............................ 38 （九）众创扩展能力：形成应用创新平台 .................................... 39 三、 数字孪生城市当前主要问题 ........................................................ 40 （一）推进目的和方向不清，应用场景深度不足 ........................ 40 （二）城市信息模型重复建设，孪生底座亟待整合 .................... 41 （三）缺乏统一CIM平台规范，数据融通标准缺失................... 42 （四）关键技术存在卡脖子风险，亟待创新突破 ........................ 42 四、 数字孪生城市推进策略与建议 .................................................... 43 （一）明晰方向统筹推进，构筑统一CIM平台 ........................... 43 （二）抓住小切口大突破，多措并举培育应用 ............................ 43 （三）建立相关数据标准，促进数据融合与应用开发 ................ 44 （四）基础研究和创新实践并行，强化产业生态合作 ................ 45 图 目 录 图 1 国家部委出台相关政策 ................................................................ 2 图 2 城市信息模型（CIM）相关投标项目统计 ................................ 4 图 3 “数字孪生城市”主题文献发表数量统计 ................................ 5 图 4 数字孪生城市新型企业阵营 ........................................................ 7 图 5 数字孪生城市各类企业主导生态圈 ............................................ 8 图 6 “新基建”加促数字孪生城市形成 .......................................... 10 图 7 数字孪生启发行业加速转型 ...................................................... 13 图 8 数字孪生城市核心能力与技术架构对应关系图 ...................... 16 图 9 数字孪生城市核心能力与典型特征关系图 .............................. 17 图 10 城市全息物联感知体系 ............................................................ 18 图 11 主要建模方式分类 .................................................................... 20 图 12 城市图层模型示意图 ................................................................ 22 图 13 全要素地理实体模型表达 ........................................................ 22 图 14 室内细粒度实体与地下空间实体表达 .................................... 23 图 15 物理实体的BIM模型数据更新 .............................................. 23 图 16 游戏引擎与WebGL引擎渲染效果 ......................................... 24 图 17 城市实体的可视化渲染效果图 ................................................ 24 图 18 大数据可视化效果图 ................................................................ 25 图 19 消防告警处置业务流程可视化 ................................................ 26 图 20 超大场景动态加载效果 ............................................................ 26 图 21 雨雪条件下的场景渲染效果 .................................................... 27 图 22 建筑物与业务系统数据集成图 ................................................ 28 图 23 实体数据模型融合 .................................................................... 29 图 24 空间限高分析计算 .................................................................... 30 图 25 空间面积计算 ............................................................................ 31 图 26 基于光照点的空间阴影分析 .................................................... 31 图 27 基于观察点的可视域分析 ........................................................ 32 图 28 空间路径规划 ............................................................................ 32 图 29 空间对象搜索 ............................................................................ 33 图 30 人流疏散仿真 ............................................................................ 34 图 31 工厂生产流程仿真 .................................................................... 34 图 32 应急预案按照流程在数字空间推演 ........................................ 35 图 33 港口工业作业流程仿真 ............................................................ 35 图 34 智慧园区实时视频融合案例 .................................................... 36 图 35 河道无人机实时视频融合监控 ................................................ 37 图 36 植被倾斜摄影数据与模型动态整合 ........................................ 37 图 37 基于计算机视觉的城市治理问题自动发现 ............................ 38 图 38 规划方案对比智能自动比对 .................................................... 39 图 39 基于区域特性的智能精准招商 ................................................ 39
发展数字孪生(DT) 建设新型智慧城市
发展数字孪生（DT）建设新型智慧城市作者：钟山来源：《中国信息化周报》2020年第24期数字孪生的发展可以从生理孪生说起。
生理孪生，是物种起源，大概在20世纪60年代，发展到物理的孪生，21世纪初，大家比较重视研究数字孪生。
数字孪生定义及发展数字孪生的定义，就是通过对现代物理世界的人、机、物等所有要素进行数字化，形成一个网络空间，可以与物理世界完全对应，这是虚拟世界。
虚拟信息空间世界与现实物理空间世界具有虚实映射，操控演化。
从云计算平台（城市重要基础设施，政府、企业乃至个人广泛使用）、大数据（城市重要资产、战略资源，基于大数据分析的智能决策应用不断涌现）、（移动）互联网（公众获取城市生活服务的重要优先渠道，也是延伸服务的重要手段）、物联网（推动万物互联成为现实，广泛应用于城市治理领域的感知监测、数据采集等）、人工智能（基于深度学习的人工智能应用可精准预测城市问题，极大提升市民体验）到数字孪生，发展到现在，数字孪生城市，它能够虚拟服务现实、模拟仿真决策、智能化发展。
智慧城市可以实现见微知著，睹始知终;做到过去可追溯、未来可预期、当下知冷;对一切尽在掌握，皆可掌控;实现管理扁平化、服务一站式、信息多跑路、人力少跑腿。
智慧城市主要要解决效率问题、精度问题、内核问题、场景问题。
数字孪生应用场景数字孪生已经在新加坡、法国、加拿大等国家，我国的雄安新区、杭州等地展开实践。
数字孪生的应用场景就是物理世界与数字世界之间融合，其根本是DT（数字孪生）和CPS（信息空间与物理空间融合）相融合，是高度集成发展的。
所以，数字孪生城市必须开发建设多场景。
这里我想特别介绍建筑。
建筑也是数字孪生的场景之一，是城市的基石，也是发展的前提。
发展建筑的智能化，促进提升智慧城市的建设。
数字孪生，就是建筑数字化转换的重要抓手。
发展数字孪生应用于智慧城市的基本要点。
第一，学习开发新一代IT，拓展现代信息化、工业化、城市化。
以大数据、云计算、互联网、AI、量子信息、移动网、物联网、区块链为代表的新一代信息技术，正在对经济社会激发引领、带动和演化科技革命、产业变革的重大作用，所以，我们要强力开拓现代信息化向纵深发展，向信息化、智能化发展。
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2019-2020数字孪生城市研
究报告
2019年10月
目录
一、数字孪生城市发展概况 (1)
（一）理念引领，各地纷纷提出建设数字孪生城市 (1)
（二）产业响应，各类企业抢抓商机激活ICT 产业链 (2)
（三）资本助力，数字孪生城市板块崛起倍受市场关注 (4)
（四）场景先行，数字孪生部分应用先行先试初显成效 (4)
二、数字孪生城市总体架构与核心平台 (8)
（一）三横两纵总体架构 (8)
（二）泛在感知与智能设施管理平台 (11)
（三）城市大数据平台 (13)
（四）城市信息模型平台 (16)
（五）共性技术赋能与应用支撑平台 (18)
三、数字孪生城市关键技术要素 (21)
（一）新型测绘：快速采集地理信息 (21)
（二）标识感知：实时“读写”真实城市 (27)
（三）协同计算：高效处理海量数据 (33)
（四）全要素表达：精准“描绘”城市前世今生 (36)
（五）模拟仿真：在数字世界推演城市运行态势 (44)
（六）深度学习：推动城市自我学习智慧成长 (48)
四、数字孪生城市典型应用场景 (53)
（一）城市规划仿真：形成全局最优决策 (53)
（二）城市建设管理：项目进度可视化管控 (55)
（三）城市常态管理：“一盘棋”综合治理 (59)
（四）交通信号仿真：最大化道路通行效能 (62)
（五）应急演练仿真：应急预案更加贴近实战 (67)
（六）公共安全防范：让“雪亮”更“明亮” (70)
（七）公共服务升级：感同身受的体验 (72)
五、数字孪生城市未来发展展望 (74)
（一）有望全面激活智慧城市产业 (74)
（二）有望重塑城市治理结构和规则 (75)
（三）数字孪生城市的推进实施建议 (76)
前言
数字孪生城市理念自提出以来不断升温，已成为新型智慧城市建设的热点，受到政府和产业界的高度关注和认同。
当前，各地对数字孪生城市规划和建设的需求非常强烈，但数字孪生城市究竟如何建设，各方仍是感到非常困惑，技术方案和实施路径亟待规范和明晰。
本报告通过对数字孪生城市所涉及的关键技术以及技术之间的集成关系、所包含的核心平台以及平台之间的协同性，以及体现数字孪生特色的典型应用场景进行深入剖析，力图对数字孪生城市的建设方案进行通用化提炼抽取，并对国内外相关产业和服务供给进行梳理，从而为各地建设实施数字孪生城市提供帮助和引导。
从关键技术看，与传统智慧城市相比，数字孪生城市技术要素更复杂，不仅覆盖新型测绘、地理信息、语义建模、模拟仿真、智能控制、深度学习、协同计算、虚拟现实等多技术门类，而且对物联网、人工智能、边缘计算等技术赋予新的要求，多技术集成创新需求更加旺盛。
其中，新型测绘技术可快速采集地理信息进行城市建模，标识感知技术实现实时“读写”真实物理城市，协同计算技术高效处理城市海量运行数据，全要素数字表达技术精准“描绘” 城市前世今生，模拟仿真技术助力在数字空间刻画和推演城市运行态势，深度学习技术使得城市具备自我学习智慧生长能力。
从核心平台看，数字孪生城市在传统智慧城市建设所必须的物联网平台、大数据平台、共性技术赋能与应用支撑平台基础上，增加了城市信息模型平台，该平台不仅具有城市时空大数据平台的基本功能，更重要的是成为在数字空间刻画城市细节、呈现城市体征、推演未来趋势的综合信息载体。
此外，在数字孪生理念加持下，传统的物联网平台、大数据平台和共性技术赋能与应用支撑平台的深
度和广度全面拓展，功能、数据量和实时性大大增强，如与数字孪生相关的场景服务、仿真推演、深度学习等能力将着重体现。
从应用场景看，数字孪生城市的全局视野、精准映射、模拟仿真、虚实交互、智能干预等典型特性正加速推动城市治理和各行业领域应用创新发展。
尤其在城市治理领域，将形成若干全域视角的超级应用，如城市规划的空间分析和效果仿真，城市建设项目的交互设计与模拟施工，城市常态运行监测下的城市特征画像，依托城市发展时空轨迹推演未来的演进趋势，洞察城市发展规律支撑政府精准施策，城市交通流量和信号仿真使道路通行能力最大化，城市应急方案的仿真演练使应急预案更贴近实战等。
在公共服务领域，数字孪生模拟仿真和三维交互式体验，将重新定义教育、医疗等服务内涵和服务手段。
同时，基于个体在数字空间的孪生体，城市将开启个性化服务新时代。
从未来发展看，随着数字孪生城市建设持续深入和功能的不断完善，未来生活场景将发生深刻改变，超级智能时代即将到来。
同时，技术加速集成创新将打破智慧城市现有产业格局，促使产业重新洗牌，新的独角兽可能出现。
此外，技术的变革将倒逼管理模式的变革，正如生产力进步引发生产关系的变化，数字孪生城市的建设和运行，将推动现有城市治理结构和治理规则重塑调整。