2016年4月19日，習(xí)近平總書記在網(wǎng)絡(luò)安全和信息化工作座談會上指出：“要以信息化推進(jìn)國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化，分級分類推進(jìn)新型智慧城市建設(shè)，打通信息壁壘，構(gòu)建全國信息資源共享體系，更好用信息化手段感知社會態(tài)勢、暢通溝通渠道、輔助科學(xué)決策?！?020年3月31日，習(xí)近平總書記在杭州城市大腦運(yùn)營指揮中心考察時(shí)指出：讓城市更聰明一些、更智慧一些，是推動城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化的必由之路，前景廣闊。數(shù)字孿生城市作為數(shù)字城市的發(fā)展目標(biāo)，成為智慧城市建設(shè)的新高度。

數(shù)字孿生城市是數(shù)字城市的目標(biāo)

數(shù)字孿生，是指充分利用物理模型和物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集的全生命周期的運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映和管控相對應(yīng)的實(shí)體對象的全生命周期過程。

當(dāng)前，人們對數(shù)字孿生存在多種不同認(rèn)識和理解，尚未形成統(tǒng)一共識。物理實(shí)體、虛擬模型、數(shù)據(jù)、連接、服務(wù)是數(shù)字孿生的核心要素。不同階段（如產(chǎn)品的不同階段）的數(shù)字孿生呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，對數(shù)字孿生的認(rèn)識與實(shí)踐離不開具體對象、具體應(yīng)用與具體需求，應(yīng)從應(yīng)用和解決實(shí)際需求的角度出發(fā)，實(shí)際應(yīng)用過程中不一定要求所建立的數(shù)字孿生具備所有理想特征，能滿足用戶的具體需要即可。

數(shù)字孿生在虛實(shí)之間存在一種雙向映射、動態(tài)交互和實(shí)時(shí)的聯(lián)系。數(shù)字孿生如果運(yùn)用到城市中，就是在建筑信息模型和城市三維地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把物理城市的人、物、事件和水、 電、氣等所有要素?cái)?shù)字化，在網(wǎng)絡(luò)空間再造一個(gè)與之完全對應(yīng)的“虛擬城市”，形成物理維度上的實(shí)體城市和信息維度上的數(shù)字城市同生共存、虛實(shí)交融的局面。

如今，我們的城市布滿了各種各樣的傳感器、攝像頭，借助包括第5代移動通信技術(shù)在內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，終端采集的數(shù)據(jù)可以迅速被提取、集成、管理，以掌控物理層面的城市。在數(shù)字孿生城市中，基礎(chǔ)設(shè)施（水、電、氣、交通等）的運(yùn)行狀態(tài)，市政資源（警力、醫(yī)療、消防等）的調(diào)配情況，人流、物流和車流的安全運(yùn)控，將都會通過傳感器、攝像頭、數(shù)字化子系統(tǒng)采集出來，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳遞至云端和城市的管理者。基于這些數(shù)據(jù)以及城市模型，可以構(gòu)建數(shù)字孿生體，從而更高效地管理和運(yùn)營城市。

數(shù)字孿生城市通過構(gòu)建城市物理世界、網(wǎng)絡(luò)虛擬空間的一一對應(yīng)、相互映射、協(xié)同交互的復(fù)雜巨系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)空間再造一個(gè)與之匹配、對應(yīng)的“孿生城市”，實(shí)現(xiàn)城市全要素?cái)?shù)字化和虛擬化、城市全狀態(tài)實(shí)時(shí)化和可視化、城市管理決策協(xié)同化和智能化，形成物理維度上的實(shí)體世界和信息維度上的虛擬世界同生共存、虛實(shí)交融的城市發(fā)展格局，這是數(shù)字孿生技術(shù)在城市層面的廣泛應(yīng)用。可以說，數(shù)字孿生城市是數(shù)字城市的高級階段，數(shù)字孿生城市既是數(shù)字城市的目標(biāo)，也是智慧城市建設(shè)的新高度，賦予城市實(shí)現(xiàn)智慧化的重要設(shè)施和基礎(chǔ)能力。

數(shù)字孿生城市的特點(diǎn)

數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)和落地需要物理實(shí)體的真實(shí)全面感知、多維多尺度模型的精準(zhǔn)構(gòu)建、全要素?cái)?shù)據(jù)的深度融合、智能化服務(wù)的按需使用以及全面、動態(tài)、實(shí)時(shí)的交互。

基于數(shù)字孿生的智慧城市，要解決以下五大科學(xué)問題：

一是物理實(shí)體維度方面。如何實(shí)現(xiàn)城市多源異構(gòu)物理實(shí)體的智能感知與互聯(lián)互通，實(shí)時(shí)獲取物理實(shí)體對象多維度數(shù)據(jù)，從而深入認(rèn)識和發(fā)掘相關(guān)規(guī)律和現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體的可靠控制與精準(zhǔn)執(zhí)行。

二是虛擬模型維度方面。如何構(gòu)建城市動態(tài)多維多時(shí)空尺度高保真模型，保證和驗(yàn)證模型與物理實(shí)體的一致性、真實(shí)性、有效性、可靠性，實(shí)現(xiàn)多源多學(xué)科多維模型的組裝與集成等。

三是孿生數(shù)據(jù)維度方面。如何實(shí)現(xiàn)城市海量大數(shù)據(jù)和異常小數(shù)據(jù)的變頻采集，實(shí)現(xiàn)全流程多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效傳輸，實(shí)現(xiàn)信息物理數(shù)據(jù)的深度融合與綜合處理，實(shí)現(xiàn)孿生數(shù)據(jù)與物理實(shí)體、虛擬模型、服務(wù)的精準(zhǔn)映射與實(shí)時(shí)交互。

四是連接與交互維度方面。如何通過城市智慧大腦實(shí)現(xiàn)城市跨平臺的實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)-模型-應(yīng)用的迭代交互、動態(tài)演化與實(shí)時(shí)反饋等。

五是服務(wù)維度方面。如何基于多維模型和孿生數(shù)據(jù)，提供滿足不同領(lǐng)域、不同層次用戶、不同業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的服務(wù)。

數(shù)字孿生的智慧城市應(yīng)用

疫情防控期間，數(shù)字孿生的智慧城市在武漢的應(yīng)用至少包含以下5個(gè)方面：智慧城市運(yùn)營大腦、智能電網(wǎng)數(shù)字孿生服務(wù)、智慧城市交通大腦、智慧城市公共疫情防控服務(wù)、長江流域生態(tài)環(huán)境與災(zāi)害智能管理。這5個(gè)方面關(guān)系著國家和社會的可持續(xù)發(fā)展。

智慧城市要做運(yùn)營大腦，就要把城市的頂層設(shè)計(jì)做好，要把數(shù)據(jù)采集好，規(guī)劃和審核各行業(yè)信息化發(fā)展的總體目標(biāo)、框架、任務(wù)、運(yùn)營管理機(jī)制等，參與相關(guān)政策法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)的制定，負(fù)責(zé)城市信息資源整合與共享，集中監(jiān)控城市運(yùn)行，促進(jìn)面向社會的大數(shù)據(jù)開發(fā)應(yīng)用、服務(wù)與交易體系的形成等，這些都是基于大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)城市的管理。

智能電網(wǎng)數(shù)字孿生是充分利用電力系統(tǒng)物理模型、先進(jìn)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施的在線量測數(shù)據(jù)、電力系統(tǒng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，并集成電氣、計(jì)算機(jī)、通信、氣候、經(jīng)濟(jì)等多學(xué)科知識，進(jìn)行的多物理量、多時(shí)空尺度、多概率的仿真過程，通過在虛擬空間中完成對智能電網(wǎng)的映射，反映智能電網(wǎng)的全生命周期過程。通過對系統(tǒng)進(jìn)行感知，形成數(shù)字空間的建模，能夠進(jìn)行數(shù)字反饋分析。

智慧城市交通大腦，就是通過采集車輛運(yùn)行的數(shù)據(jù)，便可獲知從早到晚交通出行是什么樣的狀態(tài)等。2017年，智慧城市交通大腦系統(tǒng)在武漢上線運(yùn)行，2017年1月至2018年3月，武漢市全國擁堵排名從原來的排在第23位降到第53位，交通擁堵延時(shí)指數(shù)從2.34下降至1.676，降幅高達(dá)30%，擁堵情況大幅緩解。

城市的公共運(yùn)輸，即通過定位管理，感知疫情安全距離，可以減少疫情對人類活動的影響。此項(xiàng)工作可擴(kuò)展為公共安全和大健康智能產(chǎn)業(yè)。

最后是長江流域生態(tài)環(huán)境與災(zāi)害的智能管理，通過實(shí)時(shí)的協(xié)同系統(tǒng)，利用上萬個(gè)傳感器采集上億個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，便能獲知對上游究竟要不要存水、中下游能否解決抗洪抗旱等問題，能感知到航道在哪，有效解決航道的通行能力。

數(shù)字孿生城市是數(shù)字化城市的高級階段，也是智慧城市新的高度。我們應(yīng)當(dāng)利用5G/6G，物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、城市信息模型、時(shí)空大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能來建設(shè)好基于數(shù)字孿生的智慧城市。

在疫情常態(tài)化時(shí)代，我們要抓好基于數(shù)字孿生的智慧城市的各種智能化應(yīng)用，特別是是智慧政務(wù)、公共安全與智慧養(yǎng)老、智慧交通與智能駕駛、智慧能源與智慧環(huán)保、智慧城管與災(zāi)害應(yīng)急管理等，推動新型智慧城市的升級發(fā)展和國家治理。