数字孪生在城市治理中的应用研究

郭娴

（国家工业信息安全发展研究中心，北京 100036）

0 引言

据住建部公布的《2019年城市建设统计年鉴》，2019年，我国城区常住人口超过300万人的城市有30个，其中，超过500万特大、超大城市达到16个。城镇化的加速发展不可避免的带来人口集聚，随之带来的交通拥堵、教育医疗资源紧缺、环境恶化、应急能力不足等问题日益凸显，传统部门化、条块化的城市治理手段已捉襟见肘，如近两年在新冠疫情防控、城市水灾防灾减灾等方面都体现了传统城市治理能力的不足，亟需建立一套信息化综合治理体系，推动实现治理能力的整体性、现代化。随着云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术的发展，始用于工业制造领域的数字孪生得到了学术界和应用界越来越多的关注，其可以通过将物理世界镜像成“孪生”的数字世界的思路，实现了两个世界的互联互通与智能化操作。

目前，数字孪生技术已在交通、医疗、科学研究等领域中得到了实践应用，城市作为一个复杂的“巨系统”，也成为数字孪生应用的主要领域，利用该技术，可以不用实际的“修一条路”、“建一座楼”，直接通过数字孪生城市模拟仿真来准确支撑决策，大大降低了试错成本，有效有力破解“大城市病”。

1 数字孪生的定义与关键要素

1.1 数字孪生的定义

学术界对于数字孪生没有明确的定义，一般认为，数字孪生以数字化的方式建立物理实体的多维、多时空尺度、多学科、多物理量的动态虚拟模型来仿真和刻画物理实体在真实环境中的属性、行为、规则等[1]。简单来，说就将现实世界数据化成与其同生共存、虚实交融的“虚拟世界”。数字孪生的思想最早由美国密歇根大学的Michael Grieves教授在2002年提出，2011年美国空军研究实验室首次明确提出数字孪生的概念并将之命名为“数字孪生体”。根据运行机制，数字孪生在表述-诊断-预测-决策四个环节循环交替，其中：在描述表述环节，主要利用收集的多源异构数据对物理实体建模，形成机器可读的模型化模块和描述；在诊断环节，则利用表述重点模块和描述，通过数据分析技术，发现处置对物理实体的运行、活动过程中的内在逻辑、影响因素、发展规律等，形成需要的分析诊断结果；三是在预测环节，主要以诊断结果为依据，进一步深化研究，综合采用各类智能算法预测物理实体未来趋势；最后在决策阶段，则综合利用历史成果、现实需求与预测结果来支撑最终决策，而决策结果也将作为数字孪生系统的数据进行表述，而进入下一个循环阶段。

1.2 数字孪生的关键要素

数据是数字孪生的基础和核心，没有数据的数字孪生的应用就无从谈起。数据是数字孪生建造物理世界孪生体的“砖瓦”，又是帮助数字孪生技术实现虚拟世界和物理世界互通互动的“桥梁”，一方面利用数字建模将物理世界映射成虚拟世界，另一方面通过“孪生”的虚拟世界进行模拟动态仿真，实现对物理世界中的分析决策。同时，在广义上数字孪生也可以看作是大数据的一个子集，随着大数据的发展，无论是从技术、应用，还是法律的角度，大数据技术涵盖数据采集、存储、传输、分析、应用、交易、保护全流程已成为共识，而数字孪生则聚焦大数据应用的某些层面，即数据建模与动态分析优化。数字孪生和大数据的关系如图1所示。

图1 数字孪生与大数据技术关系图

虚拟现实是数字孪生的突出特点。虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中。虽然从概念上讲，虚拟现实是指构建一个虚拟的世界（可能是完全不存在的虚拟世界），数字孪生对一个真实存在的世界构建一个虚拟孪生体，但在构建过程中，都是用现有的数据构建人们可看、可操作性、可互动的虚拟场景，因此可以将数据孪生看成是特殊需求的虚拟现实，且是数据孪生区别于其他技术应用的显著特点。未来，数字孪生也会整个融入到增强现实、混合现实中

人工智能是实现数字孪生价值的关键。无论应用到什么领域，数据孪生的最终目的还是为现实世界提供决策支撑，而在动态分析、行为预测等方面正是人工智能所能解决的问题，在虚拟世界执行的任何操作，同可以通过机器学习、深度学习等人工智能技术进行分析得出以物理世界一直的结果，同时根据用户的需求结果反向给出最佳决策建议。因此可将人工智能看成实现数字孪生目标的最有利工具。阿里巴巴集团副总裁刘松就曾指出，人工智能利用到数字孪生是解决城市治理、产业链协同等物理世界难以解决的复杂问题的关键，为数字孪生的深入发展应用提供了新动能。

2 数字孪生的应用

云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术的深入发展，大大拓展和丰富了数字孪生的理论技术体系和应用的深度和广度，可已在智慧车间、智慧城市、产品设计、医疗、工程建设等领域得到实际应用，并成为西门子、GE、阿里、华为等行业巨头重点布局的领域。2017年，洛克希德马丁公司将其列为未来国防和航天工业6大顶尖技术之首。2017年至2019年，数字孪生连续三年被Gartner公司评为为年度十大战略性技术，该公司还指出，到2021年，将有一半的大型工业企业通过运用数字孪生技术提高企业的生产效率，降低生产成本。

2.1 装备制造

数字孪生生于工业、制造业的产品设计、生命周期管理等，目前仍是智能车间、智慧工厂等领域研究的热点，也是其应用最成熟的领域。早期，洛克马丁公司就宣称将数字孪生应用到了F-35战斗机生产线，最近研究和应用的方向更是得到了更大的拓展，既有如机翼健康监测、刹车系统模拟、零件损伤设计等独立具体的应用，也有车间管理、数字孪生车间、制造系统装配等系统性、综合性应用。在我国，数字孪生技术也有了实际的应用，中冶京诚工程技术有限公司基于BIM技术构建基础的数字孪生工厂，实现了对生产控制、设备监控、物流管理、节能减排等环节的全过程、可视化管理。在理论研究方向，其中典型的一个研究方向就是数字孪生车间。

数字孪生车间的概念由我国陶飞教授等首次提出，指综合运用物理车间“人-机-物-环境”互联共融技术、车间孪生数据构建及管理技术等关键技术提出的一个数字孪生模型，以实现生车间智能化管理与运行，如图2所示。该模型主要包括物理车间、虚拟车间、车间服务系统、车间孪生数据及其相互间的连接五个部分，形成一个相互关联、融合交互的有机整体[2]。

图2 数字孪生车间

2.2 数字孪生医疗

医疗是当前社会保障体系中，人民群众最关心、最直接、最现实的利益问题之一，随着生活水平的提高以及老龄化程度的不断加深，人民对医疗水平的要求日益苛刻，单靠加大设备采购、增加人才供给已不能满足日益困扰医疗服务的发展“看病难”、“看病贵”、“资源缺”、“预防弱”等问题，必须改变发展思路，运用新技术、新理念，而数字孪生技术的优势正好为改善当前医疗行业提供了新的方向，无论在理论研究、模型搭建，还是实际应用中，都有了丰富的案例。

Ilya N等[3]用数字孪生技术对人体心脏冠状血管系统进行了模拟以协助开展心脏病治疗等工作。法国达索公司主导的数字心脏的“跳动心脏”项目，通过3维可视化发现心脏存在的缺陷，协助外科医生制定最佳手术方案。在2020年，在我国疫情防控的关键时期，技术人员通过利用BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技术建立医院的数字孪生模型[4]，提供设计和建设的支撑，仅用不到10天就建成了抗疫应急医院雷神山医院，有效降低了疫情防控压力。胡天亮等[5]提出了一种数字孪生诊疗系统，将现代诊疗系统中的医患、医疗设备和治疗方案等三个要素建模，并探讨了该系统在临床诊疗、基础医学研究、教育培训、医疗设备研发等领域的应用。

2.3 城市管理中需要数字孪生解决的问题

（1）城市各部门协同联动能力不足问题。在我国政府机构条块化划分明显，城市建设初期，利用传统的城市管理方式，清晰的职责界限，在税收、户籍、信息化建设等独立的业务中能够提高服务效率和质量。但随着城市规模不断扩大，在城市整体规划、自然灾害防治、流行病防控等方面，各部门整体协同联动能力仍显不足。

（2）趋势预测能力有限的问题。精准的趋势研判能力对于城市管理具有重要意义，特别是在重大自然灾害、公共卫生事件防治方面，提前预知哪怕几分钟，也能极大的保护人民生命财产安全、降低国家损失，随着应急保障系统、应急设备的装备、城市重要基础设施建设的完善，在硬件上城市突发事件的应急能力取得长足进展，但在整体的事件预警与总体部署上还有一定差距，城市管理过程常常出现“后知后觉”的问题。

（3）试错成本过高的问题。现代城市是一个复杂的“巨系统”，城市建设过程中牵一发而动全身，在落实一项重点政策或修路、建楼等重大工程建设试错成本非常高。首先，在建设前，都需要反复权衡，耗费大量的人、财、物资源，而工程建成后一旦因外力或未考虑的因素导致无法使用，则将造成更大的损失和舆论压力。

3 数字孪生在城市管理中的建议

结合前面的分析介绍，不难发现，运用数字孪生技术能很好的解决当前城市管理中的棘手问题。然而，数字孪生在城市管理的应用仍处在应用初级阶段，数据收集不够、关键技术待突破、管理体制不适应等问题相对突出，建议以“由简到难、循序渐进、急用先行”的原则，首先解决当前城市管理中影响大、易处置的问题，不断完善数字孪生城市系统。

一是加强数据的收集共享。近几年，在政务信息化、智慧城市等的建设过程中，城市收集了大量的数据，但城市部门的条块化划分注定数据的分散，“数据孤岛”、“数据烟囱”的现象明显。数字孪生城市是建设一个完整的实体城市孪生体，需要城市中的全量数据，因此，一方面要推动政府部门间历史数据共享，一方面在未来要打造统一的新数据收集机制，打牢数字孪生城市的“底座”。同时，数据的高度集中必然带来更多的安全风险，在数据收集过程中更要关注数据的防护。

二是加强信息关键技术突破。数字孪生城市的建设离不开大数据、物联网、人工智能等新一代信息技术，其发展水平直接影响数字孪生城市建设的效果及成败，目前我国高度重视科学技术的发展，应该以此为契机，突破多源异构数据融合、海量数据加载技术、超精度3D可视化等关键技术，培育一批技术能力强、产品应用广的本地化骨干企业。

三是改变管理思路。数据时代的到来深刻改变了生活方式、重塑了产业格局、颠覆了管理模式，对于城市管理者来说，积极转变管理思路，扁平的管理架构、数据的管理思维、灵活的管理机制和服务模式能够更好地发挥数字孪生城市的作用，同时政府还应积极鼓励市民与信息技术公司投入城市管理工作，重视专业化人才培养，创建以人为本的新型智慧城市。

4 结语

受益于新一代信息技术的发展，数字孪生已经加速从理论研究到行业应用推进，形成了一大批的学术成果。本文介绍了数字孪生的定义及特点，在梳理当前主要的应用领域和技术框架模型的基础上，分析了当前数字孪生技术在城市管理中应用的优势和问题。最后，作者按照“由简到难、循序渐进、急用先行”的原则，提出当前建设数字孪生城市的三条建议，对于后期开展相关工作具有一定的参考意义。