張競濤 閆嘉豪 陳才 霍小軍 張育雄 崔穎

(1. 中國信息通信研究院產(chǎn)業(yè)與規(guī)劃研究所,北京 100037;2.蘇州工業(yè)園區(qū)大數(shù)據(jù)管理中心,蘇州 215028)

0 引言

近年來,我國在數(shù)字孿生城市建設方面取得了顯著進展,各地紛紛探索建設數(shù)字孿生城市項目。然而,目前對于數(shù)字孿生城市項目仍缺乏統(tǒng)一的評價模型和評估方法,難以客觀評估數(shù)字孿生城市項目的建設效果,不利于指導數(shù)字孿生城市有序建設。因此,有必要構(gòu)建一套科學合理、操作簡便、適用廣泛的數(shù)字孿生城市成熟度模型為數(shù)字孿生城市建設評估提供參考。本文基于國內(nèi)外成熟度研究基礎,結(jié)合專家咨詢和實地調(diào)研,構(gòu)建了數(shù)字孿生城市成熟度模型,明確了數(shù)字孿生城市成熟度的評估維度、等級劃分和等級要求,有助于數(shù)字孿生城市項目評估、能力認證和改進升級。

1 數(shù)字孿生城市成熟度研究的價值與內(nèi)涵

1.1 數(shù)字孿生城市成熟度研究的價值

數(shù)字孿生城市是指運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能(Artificial Intelligence,AI)、建筑信息模型、地理信息系統(tǒng)等技術,在數(shù)字空間中構(gòu)建與物理城市相互映射的數(shù)字城市,提升城市治理效率和服務體驗,實現(xiàn)物理城市與數(shù)字城市同步運行、并行運轉(zhuǎn)、虛實互動的城市發(fā)展新形態(tài)[1-2]。

近年來,數(shù)字孿生城市項目數(shù)量及投資規(guī)模逐年攀升。然而,數(shù)字孿生城市項目仍缺乏統(tǒng)一的評估模型及評估方法,難以有效衡量數(shù)字孿生城市項目建設水平。從需求側(cè)看,由于缺乏統(tǒng)一的評估模型,政府部門、企業(yè)等在評判數(shù)字孿生城市平臺能力和建設成效時面臨一定的挑戰(zhàn)與風險;從供給側(cè)來看,數(shù)字孿生城市技術路線不一、產(chǎn)品形態(tài)多元,由于缺乏評估框架,也無法對數(shù)字孿生項目進行科學合理的等級評估和能力認證,產(chǎn)品優(yōu)劣難以區(qū)分,制約了數(shù)字孿生產(chǎn)品的規(guī)?；l(fā)展。因此,亟需從城市、園區(qū)整體需求出發(fā),加快形成涵蓋數(shù)據(jù)、技術、能力、人才、運營等多維度的數(shù)字孿生城市成熟度共性模型,為數(shù)字孿生城市成熟度評估提供參考。

1.2 數(shù)字孿生城市成熟度的研究背景

1.2.1 國外成熟度應用率先起步

成熟度是評估研究對象發(fā)展水平的一項綜合指標,一般用等級或百分數(shù)表示。成熟度模型是一套評估事物發(fā)展水平的方法論,通常將事物的發(fā)展過程劃分為幾個有限的級別,每個級別有明確的特征和條件,體現(xiàn)了事物從一個層級提升至下一個層級,逐步升級發(fā)展的過程。國內(nèi)外學者對成熟度開展了充分研究,已廣泛應用于軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)治理等領域。

20世紀70年代,美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)提出了技術成熟度等級(Technology Readiness Level,TRL)。TRL分為9個等級,用于評估技術從基礎研究到實際應用的成熟程度,有助于技術開發(fā)者、投資者和用戶在技術創(chuàng)新和采購過程中進行科學管理和決策[3]。1987年,美國卡內(nèi)基梅隆大學軟件工程研究所提出了軟件能力成熟度模型(Capability Maturity Model for Software,CMM)[4]。CMM把軟件開發(fā)過程劃分為5個等級,有助于組織建立和有效實施軟件開發(fā)管理制度,降低軟件開發(fā)風險和成本。2009年,美國國防部發(fā)布了制造成熟度等級(Manufacturing Readiness Level,MRL)[5],將制造能力劃分為10個等級,有助于企業(yè)和項目管理者合理制定技術發(fā)展計劃,并指導制造技術從實驗室向生產(chǎn)線的轉(zhuǎn)化。TRL、CMM、MRL等成熟度模型的研究及應用,為數(shù)字孿生城市成熟度研究提供了參考。

1.2.2 國內(nèi)成熟度研究發(fā)展加快

近年來,我國成熟度模型研究進展加快。2018年,我國發(fā)布了首個數(shù)據(jù)管理領域國家標準《數(shù)據(jù)管理能力成熟度評估模型》(GB/T36073-2018),提出了數(shù)據(jù)管理能力成熟度5等級模型[6],有助于企業(yè)評估自身數(shù)據(jù)管理能力,持續(xù)完善數(shù)據(jù)管理組織、程序和制度。2020年,我國提出了智能制造能力成熟度5等級模型[7],有助于企業(yè)研判自身智能制造水平,發(fā)現(xiàn)問題和差距,推動智能制造能力升級。2021年,工業(yè)4.0研究院從孿生精度的角度提出了數(shù)字孿生水平(Digital Twin level,DTL)5等級劃分[8],分別為幾何模型、數(shù)據(jù)描述、數(shù)據(jù)融合、動態(tài)孿生和自主孿生,為數(shù)字孿生單體精細度劃分提供了參考。2021年,住房和城鄉(xiāng)建設部印發(fā)的《城市信息模型(CIM)基礎平臺技術導則》從模型精細度出發(fā),提出了城市信息模型7等級規(guī)定,為數(shù)字孿生城市模型數(shù)字化表達、可視化能力的等級劃分提供了參考。2022年,北京航空航天大學陶飛教授提出了數(shù)字孿生成熟度6等級模型[9],并率先應用于數(shù)字孿生機器人和數(shù)字孿生車間的成熟度評估。

整體來看,目前產(chǎn)學界從孿生精度、場景效果等維度出發(fā),提出了數(shù)字孿生等級劃分模型,但尚未從城市、園區(qū)整體出發(fā),提出涵蓋數(shù)據(jù)、能力、應用、運營、安全等多維度評估模型,亟須建立數(shù)字孿生城市成熟度共性模型,為供需兩側(cè)開展數(shù)字孿生城市項目評估提供參考。

1.3 數(shù)字孿生城市成熟度模型的概念

數(shù)字孿生城市成熟度是評估某一時間節(jié)點下數(shù)字孿生城市發(fā)展水平的綜合指標,用等級表示。數(shù)字孿生城市成熟度模型是用于評估數(shù)字孿生城市發(fā)展水平的一套方法論[10]。經(jīng)綜合研究,數(shù)字孿生城市成熟度模型包含5大評估維度、5個等級和19項指標(見表1)。5大評估維度分別為數(shù)據(jù)、能力、應用、運營和安全。

表1 數(shù)字孿生城市成熟度評估指標體系

數(shù)字孿生城市成熟度模型的評估對象是數(shù)字孿生城市項目,屬于項目級評估。項目既可以來源于城市級、園區(qū)級、街道級等政府部門需求單位,也可以是信息通信企業(yè)等供給單位。目前,一般委托第三方機構(gòu)對數(shù)字孿生城市成熟度進行評估。

2 數(shù)字孿生城市成熟度的等級劃分

經(jīng)過深入研究和專家研討,結(jié)合數(shù)字孿生城市建設特點,借鑒國際軟件能力成熟度模型和我國新型智慧城市評價指標,本文認為數(shù)字孿生城市成熟度可劃分為5個等級,自低向高分別為:起始級——外觀孿生、實景呈現(xiàn);應用級——機理孿生、點狀應用;集成級——孿生互動、綜合集成;優(yōu)化級——智能優(yōu)化、動態(tài)推演;引領級——虛實共生,創(chuàng)新引領,如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生城市成熟度等級

3 數(shù)字孿生城市成熟度的等級要求

經(jīng)綜合研究,數(shù)字孿生城市成熟度模型包含19項二級指標,本文分別對19項二級指標提出了5個等級的要求,為數(shù)字孿生城市項目評估提供參考。

3.1 數(shù)據(jù)維度等級要求

數(shù)據(jù)維度主要從數(shù)字孿生體、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)質(zhì)量3個指標進行評估(見表2)。數(shù)字孿生體主要評估項目是否探索構(gòu)建城市數(shù)字孿生體,是否按照城市數(shù)字孿生體元數(shù)據(jù)規(guī)范管理城市數(shù)據(jù),以及是否提煉形成地方或行業(yè)標準;數(shù)據(jù)管理主要評估項目數(shù)據(jù)資源管理規(guī)范、流程、標準的建立情況和執(zhí)行效果;數(shù)據(jù)質(zhì)量主要評估項目數(shù)據(jù)庫建設、數(shù)據(jù)與業(yè)務融合、數(shù)據(jù)調(diào)用等方面的效果。

3.2 能力維度等級要求

能力維度主要對數(shù)字孿生城市9大能力進行評估[11](見表3)。物聯(lián)感知操控能力主要評估平臺采集城市實時運行數(shù)據(jù)、反映城市生命體征狀態(tài)的能力。全要素數(shù)字化表達能力主要評估項目構(gòu)建城市語義信息模型,實現(xiàn)數(shù)據(jù)模型與物理實體相互映射的能力?？梢暬尸F(xiàn)能力主要評估項目在數(shù)字空間的渲染效果,以及屬性可視、流程可視、邏輯關系可視等能力。數(shù)據(jù)融合供給能力主要評估項目治理數(shù)據(jù)資源、建立數(shù)據(jù)資源關系、促進數(shù)據(jù)資源高效開發(fā)利用的能力。時空分析計算能力主要評估項目在一定區(qū)域范圍內(nèi),對三維模型空間關系精確計算的能力。模擬仿真推演能力主要評估項目基于城市運行規(guī)律,構(gòu)建行業(yè)分析算法模型,在數(shù)字空間進行模擬仿真的能力。虛實融合互動能力主要評估項目從數(shù)字空間觀測物理空間、遠程操控物理設施,以及通過終端設備隨時進入數(shù)字空間的能力。自學習自優(yōu)化能力主要評估項目運用人工智能技術,智能分析預測城市問題,制定、改進和優(yōu)化應對方案的能力。眾創(chuàng)擴展應用能力主要評估項目利用公共服務平臺屬性,支撐政府、行業(yè)組織、企業(yè)和市民等主體,協(xié)同開發(fā)行業(yè)應用,持續(xù)創(chuàng)新的能力。

表3 能力維度等級要求

3.3 應用維度等級要求

應用維度包含應用效果、服務協(xié)同、客戶體驗3個二級指標(見表4)。應用效果主要評估在項目場景中,靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)與時空模型的融合程度,場景虛實交互的效果等。服務協(xié)同主要評估項目中各類服務數(shù)字化程度以及與現(xiàn)有業(yè)務協(xié)同化程度?？蛻趔w驗主要評估滿意度評價機制、客戶反饋閉環(huán)管理、主動推送服務等能力。

表4 應用維度等級要求

3.4 運營維度等級要求

運營維度由項目管理、人才支撐、運營模式3個指標組成(見表5)。項目管理重點考察在數(shù)字孿生城市項目建設中合理使用人力、物力、財力,有效進行項目進度、質(zhì)量、成本的優(yōu)化改進程度。人才支撐主要從團隊組建、團隊能力等維度進行評估。運營模式主要從系統(tǒng)運維、平臺化運營、數(shù)據(jù)資產(chǎn)化運營等維度,評估數(shù)字孿生城市項目的運營效果。

3.5 安全維度等級要求

安全保障貫穿數(shù)字孿生城市規(guī)劃、建設、運營、維護和使用的各個環(huán)節(jié),安全保障指標主要評估數(shù)字孿生城市項目建立安全管理體系,保障網(wǎng)絡安全、數(shù)據(jù)安全的能力(見表6)。

4 數(shù)字孿生城市成熟度評估方法

4.1 評分方法

以第三方專家組走訪調(diào)研、資料反饋等方式開展數(shù)字孿生城市成熟度評估工作,根據(jù)項目效果進行打分。數(shù)字孿生城市成熟度的評分如公式(1)所示。

(1)

其中,S表示數(shù)字孿生城市成熟度最終評分;m表示評估維度的數(shù)量;αi表示第i個評估維度的權(quán)重;n表示某一評估維度下的二級指標數(shù)量;βij表示第i個評估維度下第j個二級指標的權(quán)重;sij表示第i個評估維度下第j個二級指標的具體分值。

專家組將數(shù)字孿生城市項目建設效果與等級要求進行對照,二級指標全部滿足一級要求得1分,全部滿足二級要求得2分,以此類推,每項二級指標滿分為5分,等級要求滿足程度與得分如表7所示。

4.2 指標權(quán)重

數(shù)字孿生城市成熟度評估指標體系經(jīng)過多名專家研究,指標權(quán)重采用層次分析法確定,供數(shù)字孿生城市項目評估參考(見表8)。

表8 數(shù)字孿生城市成熟度評估指標權(quán)重

4.3 等級判定

結(jié)合數(shù)字孿生城市成熟度最終評分S,判定數(shù)字孿生城市項目成熟度的等級,最終評分與等級對應關系如表9所示。

5 數(shù)字孿生城市成熟度模型應用建議

當前,開展數(shù)字孿生城市成熟度評估在政產(chǎn)學研界逐步達成共識,但數(shù)字孿生城市成熟度落地應用進程仍需加快,成熟度咨詢服務與生態(tài)協(xié)同仍需加強。未來,可從以下四方面發(fā)力,推動數(shù)字孿生城市成熟度模型落地應用,促進數(shù)字孿生城市高質(zhì)量發(fā)展。

5.1 加快標準編制,凝聚多方共識

近期,要以構(gòu)建模型為重點,參考成熟度模型相關的國家標準,加快推動編制一批數(shù)字孿生城市成熟度領域團體標準、行業(yè)標準及國家標準。中遠期,需以落地應用為重點,推動形成評估細則和實施指南,為各地開展數(shù)字孿生城市成熟度評估實踐提供參考。

5.2 征集評估試點,推廣實踐經(jīng)驗

分級分類征集一批數(shù)字孿生城市試點項目,率先對基礎較好、落地生效的數(shù)字孿生城市項目進行評估。依托行業(yè)協(xié)會、高峰論壇等,總結(jié)數(shù)字孿生城市最佳實踐案例,面向全球推廣高價值、可復制的建設經(jīng)驗。

5.3 豐富咨詢服務,助力地方孿生城市有序升級

鼓勵并支持蘇州工業(yè)園區(qū)、上海臨港新區(qū)等數(shù)字孿生城市先行區(qū)開展成熟度第三方評估,幫助地方政府研判數(shù)字孿生城市項目建設等級,為數(shù)字孿生城市下一步發(fā)展方向提供指引,為數(shù)字孿生城市項目優(yōu)化升級提供參考。

5.4 加強生態(tài)協(xié)同,打造數(shù)字孿生城市全過程服務

聯(lián)合專業(yè)水平高、技術能力強、市場服務優(yōu)的機構(gòu),探索數(shù)字孿生城市規(guī)劃咨詢、等級評估、測評認證、改造實施等全鏈條服務模式。針對數(shù)字孿生復合型人才需求,構(gòu)建層次多樣、虛實互動的培訓體系,打造數(shù)字孿生技術、產(chǎn)業(yè)、成熟度等系列課程,賦能各地數(shù)字孿生城市規(guī)劃、建設和發(fā)展。

6 結(jié)束語

數(shù)字孿生城市已經(jīng)成為城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型、構(gòu)筑城市競爭新優(yōu)勢的戰(zhàn)略選擇。本文明確構(gòu)建了數(shù)字孿生城市成熟度模型,提出了數(shù)字孿生城市5等級特征、5大評估維度和等級要求,為數(shù)字孿生城市項目評估、能力認證和迭代升級提供了參考。未來,將結(jié)合技術應用進展,迭代完善數(shù)字孿生城市成熟度研究,進一步加強數(shù)字孿生城市高價值場景研究,推動數(shù)字孿生城市高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展。