数字孪生-城市发展新路径

吴家辉 诸云*

（南京理工大学自动化学院，210094）

1* 诸云，南京理工大学副研究员，中国自动化学会“智向未来”自动化与人工智能百人科普团专家

摘要：在虚拟数字技术蓬勃发展的时代，数字孪生在城市发展方面的应用越来越广泛。研究数字孪生在城市发展新路径是为了寻找更多在管理城市方面等的方法，为了更好的发展城市，将一个传统的城市变成一个智慧城市，更好的服务于市民。将利用虚拟数字技术解决传统城市的缺点或者一些需要更好的发展的地方，和将数据技术运用到城市各个地方。先了解虚拟数字技术的应用，再结合城市的发展，最后将实现数字技术的运用。经过研究得出一些结论和成果。数字孪生是指通过数字化技术对真实物理系统进行建模、仿真和监控，进而提高我们对这些系统的理解和决策能力。在城市发展领域，数字孪生可以帮助城市规划者和政策制定者更好地理解城市的运行机制，优化城市资源利用，提高城市效率、可持续性和抗灾能力。同时可以改善城市发展的几个方面，促进城市智能化；提升城市安全性推动城市可持续发展。

关键词：数字孪生；城市发展；智慧城市；

Digital Twin - New Path for Urban Development

WuJiahui Zhuyun*

（School of Automation, Nanjing University of Science and Technology,210094)

Abstract: In the era of booming virtual digital technology, the application of digital twin in urban development is becoming more and more widespread. Researching new paths for urban development using digital twin is to find more methods for managing cities and better serving citizens in order to turn a traditional city into a smart city. This involves using virtual digital technology to solve the shortcomings of traditional cities or some areas that need better development, and applying data technology to various parts of the city. First, understanding the application of virtual digital technology, then combining it with urban development, and finally implementing the use of digital technology. Some conclusions and results were obtained through research. Digital twin refers to the modeling, simulation, and monitoring of real physical systems through digital technology, which can improve our understanding and decision-making ability for these systems. In the field of urban development, digital twin can help urban planners and policymakers better understand the operating mechanisms of cities, optimize resource utilization, improve urban efficiency, sustainability, and disaster resistance. It can also improve several aspects of urban development, promote urban intelligence, enhance urban security, and promote sustainable urban development.

Keywords: Digital twin; urban development; smart city.

1引言：

在虚拟数字技术蓬勃发展的时代，数字孪生在城市发展方面的应用越来越广泛。为了更好的发展城市，建设智慧城市，而去研究数字孪生在城市发展新路径方面的作用，将数字孪生技术精准地应用到城市发挥方面来。  

2数字孪生城市的产生背景

2.1数字孪生概念的形成

  2018年,雄安新区规划纲要中提出，“要坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设”理念,数字孪生城市概念在行业崭露头角。2018 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》[1],对数字孪生城市进行了深人描述,在行业内产生广泛共鸣。
  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、互通、互操作。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。[2]

2.2数字孪生对城市智慧发展的意义

研究数字孪生在城市发展中的应用，具有重要的意义。首先，数字孪生技术可以帮助城市规划者和政策制定者更好地理解城市的运行机制和资源利用情况，并通过模拟不同的规划方案来找到最佳解决方案。这将有助于提高城市的规划质量和实用性，使城市能够更好地适应社会经济的发展需求。其次，数字孪生技术可以帮助城市管理者更好地掌握城市基础设施的状况和运行状况，并通过数据分析和预测来预防问题的发生，从而提高城市的安全性和可靠性。这将有助于改善城市管理水平和服务质量，提升城市形象和生活品质。第三，数字孪生技术可以促进城市智能化和可持续发展。通过数字孪生技术，城市可以实现对交通、能源、环境等方面的智能化管理，提高城市资源利用效率和节能减排水平。这将有助于推动城市可持续发展，缓解环境污染和资源短缺问题。此外，数字孪生技术还可以为城市的应急管理和灾害预防提供有力支持。通过数字孪生技术可以对城市的各种应急情况进行模拟分析，制定科学的应急计划和预案，提高城市的抗灾能力和救援效率，最大限度地减少灾害损失。最后，数字孪生技术也有助于推动城市的创新发展。数字孪生技术可以为城市内的企业和个人提供可视化、实时的数据服务，帮助他们更好地理解市场和消费者需求，从而提高产品和服务的质量和竞争力。这将有助于推动城市经济的发展和创新，促进社会的全面进步。因此，研究数字孪生在城市发展中的应用，对于推进城市现代化、建设智慧城市以及实现可持续发展都有着重要的意义，同时也是数字化技术与城市发展紧密结合的重要体现。

2.3数字孪生技术的主要作用

研究数字孪生在城市发展中的新路径，需要综合应用多种研究方法和技术手段，涉及到多个学科领域。下面是研究数字孪生-城市发展新路径的几个方法。

数据收集和分析：通过城市建设领域和相关领域的数据采集，收集城市基础设施、人口数据等大量相关的数据，并运用统计学、机器学习等数据分析方法对这些数据进行处理，以揭示城市的运行机理和问题。

数字孪生建模：基于收集到的数据和城市规划方案，利用数字孪生技术对城市进行三维建模和仿真模拟，以精确还原和模拟城市的运行状态。数字孪生建模可以根据城市不同区域和功能进行分类，并建立相应的数字孪生模型。            

制定城市规划方案：在数字孪生模型的基础上，制定出符合城市发展趋势、适应社会需求和经济发展的城市规划方案，通过数字孪生技术与实际效果的比对，不断调整和优化城市规划。

评估城市发展效果：通过数字孪生技术对城市的各项指标进行监测和评估，了解城市发展过程中的问题和存在的障碍，并通过技术手段对这些问题进行分析和解决。

同时研究数字孪生在城市发展中的新路径，范围非常广泛。从城市建设规划到城市管理、资源利用、环境保护等多个方面都可以涉及。此外，对于不同类型的城市，如大型城市、中小城市、特色小镇等也有不同的研究重点和方向。需要借助多种学科交叉融合的手段来探索城市发展与数字孪生技术的新路径。数字孪生在城市发展方面的应用现状也越来越广泛。比如，在城市规划和建设过程中，数字孪生可以模拟出不同设计和规划方案的效果，让规划者和建筑师可以预先了解不同方案的优劣，从而做出最佳的决策。在城市管理方面，数字孪生技术可以帮助政府部门更加精准地监测和控制城市基础设施的运行和维护，从而提高城市的安全性、可靠性和便利性。未来，数字孪生技术在城市发展中的应用前景仍然非常广阔。随着技术的不断进步，数字孪生可以更加精细地建模、仿真和管理城市系统，从而帮助城市实现更高效、更人性化的发展目标。同时，数字孪生也可以与其他新兴技术融合，如物联网、人工智能等，实现城市的智能化和绿色化发展，为人们创造更好的生活环境和体验。

3数字孪生城市结构

3.1数字孪生智慧城市结构系统

数据采集系统：数字孪生智慧城市需要采集大量城市基础设施、人口、环境等相关数据，这些数据需要通过传感器、监测设备等各种手段进行采集和传输，形成实时的数据流。
数据存储和处理系统：数字孪生智慧城市需要对采集到的大量数据进行存储和管理，同时也需要对这些数据进行分析和处理，以提取有用的信息和知识，从而为城市管理者和市民提供更好的服务和决策支持。
  模型构建和仿真系统：数字孪生智慧城市需要通过数字孪生技术建立城市的三维模型，并对城市运行状态进行实时仿真和预测，以了解城市的运行情况和问题，并制定相应的规划和政策。
  用服务系统：数字孪生智慧城市需要开发各种应用服务，为市民和企业提供便捷的公共服务和商业服务。例如，交通出行、社保医疗、环境保护、智能家居等各种服务，这些服务需要基于数字孪生智慧城市的底层基础设施提供。
  智能控制系统：数字孪生智慧城市需要建立智能控制系统，通过先进的控制算法和技术手段，对城市的各种设备和系统进行智能化管理和调度，实现城市的高效、安全和可持续发展。
  总之，数字孪生智慧城市的一般结构是以数据采集、数据存储和处理、模型构建和仿真、应用服务和智能控制为主要组成部分，这些组成部分相互配合，共同构成一个智能、高效、可持续的城市运行和管理系统。

数据是基础，模型是核心，服务是手段。只有同时满足三者的标准，理清三者之间的关系才能建设好智慧城市。数字孪生城市的数据、模型、服务结构之间存在着密切关系，相互作用，共同构建一个完整的数字孪生城市系统。具体关系如下：
数据与模型结构：数字孪生城市的数据是建立数字孪生模型的基础，通过采集到的大量数据，并运用数据挖掘和统计学等方法对这些数据进行处理和分析，构建出数字孪生城市的三维模型，以精确还原和仿真城市的运行状态。
模型与服务结构：数字孪生城市的模型是为城市管理和市民服务所建立的，在数字孪生城市中，应用服务是基于数字孪生模型开发而成的，通过数字孪生模型的实时预测和监测结果，为市民和城市管理者提供更好的公共服务和决策支持，以促进城市的可持续发展。
服务与数据结构：数字孪生城市的应用服务需要基于数据来提供各种服务，例如，交通出行、社保医疗、环境保护、智能家居等各种服务，这些服务需要基于数字孪生城市的数据结构来提供，这就需要数字孪生城市的数据质量和数据准确性必须得到保证，从而保证应用服务的高效性和可靠性。

图1.数字孪生智慧城市结构图

3.2数字孪生城市的数据

数字孪生城市是基于大量采集到的城市基础设施、人口、环境等相关数据建立的，数据是构建数字孪生模型和实现智能化城市管理的基础。，是一切智慧方法的依据。它包括基础数据、业务数据和行业数据。管理者收集城市中的所有数据进行大数据分析，得出问题并建立相应的模型，最终得出手段来解决。

国家自然部2019年发布的《智慧城市时空大数据平台建设技术大纲》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、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。[3]

数据为数字孪生城市提供了基础：数字孪生城市是基于大量采集到的基础数据建立的，这些数据来自不同领域，例如传感器、监测设备、互联网等。这些数据为数字孪生城市的建立提供了基础，为数字孪生城市提供了运行所需的数据来源。
    数据支持数字孪生城市的建模：数字孪生城市的数据被用于构建数字孪生模型，数字孪生模型是数字孪生城市系统的核心，数字孪生城市的设计和管理都需要依赖这个模型进行。数据的质量对于数字孪生模型的准确性和可靠性至关重要。
    数据为数字孪生城市提供决策支持：数字孪生城市的数据被用于分析和预测城市运行状态，为城市管理者提供决策支持，帮助他们更好地监控城市的状态，规划城市的发展方向。
数据为数字孪生城市的应用服务提供基础：数字孪生城市的应用服务需要基于数据来提供各种服务，例如，交通出行、社保医疗、环境保护、智能家居等各种服务，这些服务需要基于数字孪生城市的数据结构来提供。

数据为数字孪生城市的智能化管理提供支持：数字孪生城市通过数字孪生模型，汇集和整合大量城市数据，并将其可视化呈现，同时利用人工智能、机器学习等技术手段对数据进行分析、处理和预测，为城市管理者提供实时监控和决策支持，支持数字孪生城市的智能化管理。
    数据为数字孪生城市的可持续发展提供支撑：数字孪生城市能够为不同领域的城市管理提供支持，例如能源管理、环境保护、交通出行等。通过利用数字孪生城市中大量的数据和模型，数字孪生城市可以提供更加精确的数据分析和预测，从而指导城市管理者合理规划城市发展，促进城市的可持续发展。
    数据为数字孪生城市的安全提供支持：随着数字孪生城市的快速发展，数据的安全性问题也日益突出。因此，数字孪生城市需要建设完善的数据安全保护体系，以确保数字孪生城市中大量且重要的数据不被泄露或被恶意使用，从而保障数字孪生城市系统的安全和可靠。

综上所述，数据在数字孪生城市中具有非常重要的地位和作用，它不仅是数字孪生城市建设和管理的基础和核心，还为数字孪生城市的智能化管理、可持续发展和安全提供了支持。

3.3数字孪生城市的模型

模型是数字孪生的核心，是数字孪生城市必不可少的一部分。数字孪生城市模型包括三维城市建模和数据算法模型。数字孪生模型城市是根据一些问题，建立相应的方案，然后通过建立一些模型来解决一些问题。也可以制定一些方案来提高城市建设，比如城建、交通甚至一些经济数据等等，通过建立相应的模型，就可以提前预知此方案的效果，能更好的建设数字孪生城市。

数字孪生城市建立在数字孪生模型的基础之上，数字孪生模型是数字孪生城市的核心。数字孪生模型是将数字孪生城市中涉及到的各种数据进行结构化、整合和映射，从而生成一个真实城市系统的数字副本。数字孪生模型可以帮助城市管理者更好地了解和分析城市的现状，预测未来发展趋势，制定合理的规划和政策，实现智能化管理和优化城市运行。
数字孪生模型在数字孪生城市中的具体作用：
    可视化城市运行状态：数字孪生模型将大量城市运行时的数据进行集成、分析和模拟，通过可视化呈现，为城市管理者提供实时的城市运行状态图像，帮助他们更好地了解城市的运行情况和变化，及时进行调整和管理。
    增强决策支持能力：数字孪生模型与人工智能、机器学习等技术相结合，通过对历史数据的分析和处理，以及对未来的预测和模拟，提高决策支持能力。数字孪生模型可以模拟不同政策和规划对城市未来发展的影响，帮助城市管理者做出更加明智的决策。
    优化城市运行：数字孪生模型可以通过预测和模拟城市未来的运行状态，发现潜在的问题和瓶颈，指导城市管理者进行优化和调整，以提高城市的效率、质量和可持续性。
    提高城市安全性：数字孪生模型可以对城市各个部分进行实时监控和分析，发现并预测安全隐患，及时提供预警和应对措施，从而提高城市的安全性。
    总之，数字孪生模型在数字孪生城市中具有非常重要的作用，它能够为城市管理者提供更加直观、准确的数据支持，帮助他们更好地了解和分析城市的运行情况，制定更加合理和科学的城市规划和政策，实现数字孪生城市的智能化管理和优化城市发展。

数字孪生城市的三维城市模型和数据算法模型是数字孪生城市的关键组成部分，它们分别代表了数字孪生城市的地理空间模型和数据智能算法模型，可以为城市管理者提供更加精准的城市数据和决策支持。
    三维城市模型是数字孪生城市的三维城市模型是数字孪生城市的地理空间模型，是数字孪生城市中最为重要和复杂的元素之一。三维城市模型是基于现实世界中城市的空间结构和地理信息数据进行构建的，包括地形、道路、建筑、绿地等多个要素。数字孪生城市的三维城市模型不仅具有高精度和真实性，还可以进行实时更新和动态演变，为城市管理者提供直观、准确的城市空间数据，帮助他们更好地进行城市规划和管理。而数据算法模型是数字孪生城市的数据算法模型是通过对数字孪生城市中的各种数据进行分析、处理和模拟，从而生成一系列数据算法，以支持城市管理和决策。数字孪生城市的数据算法模型可以运用人工智能、机器学习、模拟仿真等技术，对城市数据进行预测和优化。例如，数字孪生城市可以运用数据算法模型对城市中的交通流量、环境污染等数据进行分析，以指导交通规划和环境保护措施。

数字孪生城市的三维城市模型和数据算法模型是数字孪生城市的重要组成部分，它们之间存在着密切的和关系和作用，共同构建了数字孪生城市的全貌。
首先，三维城市模型为数据算法模型提供了基础数据。数字孪生城市的三维城市模型包含了城市中各个部分的空间位置，建筑结构和形态、道路状况等数据信息，可以为数据算法模型提供全面和准确的城市空间数据，帮助数据算法模型进行更加精细化的分析和预测。其次，数据算法模型为三维城市模型提供了智能支持。数字孪生城市的数据算法模型可以分析和处理数字孪生城市中的各种数据信息，从而生成一系列智能算法模型，这些模型可以对三维城市模型进行优化和改进，实现数字孪生城市的智能化管理和运营。
    最后，三维城市模型和数据算法模型通过相互协调和作用，共同推动数字孪生城市的发展。数字孪生城市的三维城市模型为城市管理者提供直观、准确的城市空间数据，而数据算法模型则可以将这些数据进行分析和处理，为城市规划、管理和决策提供更加科学、合理和精准的支持，从而推动数字孪生城市不断优化和升级。

3.4数字孪生城市的服务

数字孪生城市的服务是手段，也是至关重要的一部分。它包括城市治安管理和民生服务两种。

数字孪生城市是一种基于数字技术的智能城市，具有高度的数字化和智能化特点，可以为城市治安管理和民生服务提供更加精细和智能的支持和保障。下面我来分别谈谈数字孪生城市在城市治安管理和民生服务方面的应用。
    城市治安管理：数字孪生城市通过收集城市各个角落的视频监控、警用设备、传感器等设备收集数据，通过人工智能、机器学习等技术进行分析和处理，建立了智能城管系统。该系统通过智能算法模型，可以对城市中的交通违法、违章建筑、环境污染、非法行为等问题进行快速识别和处理，实现了城市治安管理的实时监控和精准处理。此外，数字孪生城市还可以对城市中的安全风险进行模拟和预测，及时采取措施遏制事态发展。
    民生服务：数字孪生城市通过数字化资源整合和信息技术支撑，在提高城市民生服务效率的同时，更好地满足市民的需求。数字孪生城市中，通过人工智能和大数据技术，可以实现自动化和智能化的公共服务，如社保医保、交通出行、房屋租赁、就业创业等方面的问题解决。数字孪生城市还可以通过智慧化的公共设施和城市公共空间的改造，提高市民的生活品质，为民众提供更加舒适便捷的生活环境。
    综上所述，数字孪生城市在城市治安管理和民生服务方面发挥着重要的作用。数字孪生城市通过数字技术和智能算法模型，实现了城市治安的实时监控和精准处理；同时，在提高城市民生服务效率的同时，满足市民的需求，加强城市公共设施和城市公共空间的管理和改造，提升市民的生活品质。

4数字孪生城市发展新路径

新目标：全时全程为民服务、城市高效治理、数据开放共融共享、经济发展、绿色开元、网络空间安全清朗。

新理念：绿色协调、数据共享、虚实交融、生态开发、产城互融、网络安全。

新要素：创新引领、数据驱动、统筹协调、互联网+表征。

5数字孪生城市发展新路径的建议

    数字孪生城市是数字化智能化的城市状态，可以从以下几个方面发展。

加强数字基础设施建设：数字孪生城市需要建立起完善的数字基础设施，包括高速互联网、智能传感器、云计算平台、大数据存储和分析等。在数字基础设施的支持下，数字孪生城市能够更加有效地收集、处理和利用各类数据资源，实现城市治理的精细化和智能化。
    推进跨部门合作：数字孪生城市需要建立跨部门的联合和协同机制，打破部门之间的壁垒，使各部门之间实现有效的信息共享和协同决策，真正实现城市治理的一体化和共治化。
    引入新技术：数字孪生城市需要引入新技术，如区块链、人工智能、物联网等，为城市治理提供更加精细和高效的支持。例如，利用区块链技术可以实现城市数据的安全共享和智能管理；利用人工智能技术可以实现城市智能监控和预测；利用物联网技术可以实现城市设施的智能化和自动化管理等。
    建立数字孪生城市运营机制：数字孪生城市需要建立健全的运营机制，实现数字孪生城市的可持续发展。该机制要建立在公共利益和市场规律的基础上，同时要充分发挥政府的引导作用，通过政策和法律的支持，推动数字孪生城市的健康发展。
    总之，数字孪生城市发展新路径需要加强数字基础设施建设，推进跨部门合作，引入新技术和建立数字孪生城市运营机制等方面进行建议。同时，数字孪生城市的发展需要政府、企业、市民等多个方面的共同努力。只有这样，才能推动数字孪生城市向着更加可持续、智能化、绿色化的方向发展。

6结束语

数字孪生城市作为数字化和智能化发展的重要形态，已成为城市发展的新趋势。在国家政策的推动下，越来越多的城市开始探索数字孪生城市建设的道路，不断探索和创新数字技术和城市治理的结合模式。然而，数字孪生城市的发展仍面临着很多难题和挑战，如技术标准、隐私保护、数据安全等问题，需要各方共同协作解决。本文针对数字孪生城市发展中的新路径问题进行了深入分析和研究。我们提出了加强数字基础设施建设、推进跨部门合作、引入新技术、建立数字孪生城市运营机制等方面的建议，旨在为数字孪生城市发展提供参考和借鉴。数字孪生城市的发展需要政府、企业、市民等多个方面的共同努力。只有加强合作、沟通和协调，打破部门壁垒，形成更加高效、精细、智能的城市治理体系，才能更好地实现数字孪生城市的可持续发展和城市治理的现代化。

参考文献：

[1]  信息通信研究院.数字孪生城市研究报告[R],2019.The report on digital twin city research by the Institute of Information and Communication was published in 2019.

[2] [封顺天，张东，张舒，李力.数字孪生城市开启城市数字化转型新篇章[J].信息通信技术与政策；2020，3；9.FENG Shuntian, ZHANG Dong, ZHANG Shu, LI Li. Digital twin cities open up a new chapter in urban digital transformation [J]. Information and Communications Technology and Policy; 2020, 3; 9.

[3] 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.Ministry of Natural Resources of the People's Republic of China. Technical Outline for the Construction of Smart City Spatiotemporal Big Data Platform [R], 2019.