陳根：從虛實結合到虛實互動，智慧孿生城市未來已來_風聞

文/陳根

當前，世界正處於百年未有之大變局，數字經濟成為全球經濟發展熱點，關於美、英、歐等各國的數字經濟戰略甚囂塵上。**數字化轉型也已成為我國經濟社會發展的必由之路。**其中，數字孿生作為後疫情時代人類社會的一項重要技術方式，將會全面取代當前基於信息化系統的管理方式。

我曾經在《數字孿生》一書中將數字孿生定義為：**“一場新生產要素的革命”****，從歷史發展的角度來看，人類社會的任何一次生產要素的革命與變化都將引發生產資料與生產模式的變化，從而帶動整個社會以及經濟方式發生改變。**而疫情的突如其來在一定程度上將加速數字孿生技術的應用，尤其是在現代化的城市治理層面。

顯然，數字孿生作為實現數字世界與物理世界實時互動的重要技術，得到越來越廣泛的傳播。同時，得益於物聯網、大數據、雲計算、人工智能等新一代信息技術的發展，數字孿生與國民經濟各產業融合不斷深化，有力推動着各產業數字化、網絡化、智能化發展進程，成為我國經濟社會發展變革的強大動力。

數字孿生技術下的數字世界為物理世界提供了無限便利以實現“智慧”，而城市作為國計民生的重要載體，必然成為數字孿生體技術最重要的服務領域之一。目前，數字孿生體已經從製造領域逐步延伸拓展至城市空間，深刻影響着城市規劃、建設與發展。

怎樣用數字孿生建設一座城市？

數字孿生髮端於美國國家航天航空局（NASA）的阿波羅項目，是現有或將有的物理實體對象的數字模型。**數字孿生通過實測、仿真和數據分析來實時感知、診斷、預測物理實體對象的狀態，**通過優化和指令來調控物理實體對象的行為，通過相關數字模型間的相互學習來進化自身，同時改進利益相關方在物理實體對象生命週期內的決策。

數字孿生城市則是數字孿生體技術在城市層面的廣泛應用，是基於數據驅動、虛實交互、先知先覺和共生共智的城市信息模型（CIM），使數字城市與現實城市同步規劃、同步建設，實現全過程、全要素數字化，做到城市全狀態實時化、可視化以及城市管理決策與服務的協同化和智能化。

事實上，及至今天，城市發展還存在諸多的問題，現實狀態證實了傳統的發展模式越來越不可取。以信息化為引擎的數字城市、智慧城市將成為城市發展的新理念和新模式。

想要建設新型智慧城市，首先要構建城市的數字孿生體。城市級的整體數字化是城市級智慧化的前提條件。數字孿生城市的發展與應用內涵，真正體現了新型智慧城市想要達到的願景和目標。

數字孿生城市是與物理城市一一映射、協同交互、智能互動的虛擬城市，這需要先對城市進行三維信息模型構建、然後得以進入數字世界與物理世界的互動階段並真正實現“智慧”。

城市三維信息模型（CIM）包含了建築信息、地理信息、新型街景、實景三維等方面的要素。城市建築信息模型（BIM），是 CIM的重要組成部分和基礎，包括建築控制、消防管道、結構單元、結構分析、供熱通風、電氣、結構、施工管理等眾多領域，用於建築物運行維護以及相關市政工程規劃。

事實上，基於數字孿生技術建立的城市信息模型（CIM）正是成為智慧城市的重要基礎，其核心圍繞全域數據端到端管理運營，包括數據採集、接入、治理、融合、輕量化、可視化、應用。這一核心是面向信息資源共享、整合、有效利用和跨部門業務協同的根源性解決手段。

在對城市進行數字化後，就進入到數字世界與物理世界的互動階段。這一階段藉助物聯網技術，依據城市市政、交通、社區、安防等領域需求，安裝佈置充足的傳感器和攝像頭等數據採集設備，進行動態、準確的數據採集。

**於是，依據城市數字孿生體做出的決策指令，就能夠反作用於城市物理空間。**比如，交通擁堵的疏解指令能夠及時傳遞到城市交通指揮系統、污染減排控制措施能夠及時傳遞到交通限行、廠礦限產、醫療預備等現實領域。

終於，根據物理模型和仿真，數字孿生城市得以預測未來，並且隨着實體數據的蒐集，依據同步速率進行收斂。

其中，城市數字孿生體能夠促進各現實城市之間基於各自的自然資源、產業特徵、經濟體量等不同和互補，構建城市經濟共智圈。此外，通過城市交通數字孿生體之間的協同，實現城市羣之間交通網絡的整合和整體規劃，真正把城市羣融為一體。

數字孿生城市實現以前

數字孿生城市是在城市累積數據從量變到質變，在感知建模、人工智能等信息技術取得重大突破的背景下，建設新型智慧城市的一條新興技術路徑，是城市智能化、運營可持續化的先進模式。然而，面對當前城市管理中的眾多挑戰，若想要突破傳統智慧城市的禁錮，逐步轉變升級為“數字孿生城市”，依舊面臨諸多問題。

首先，數字孿生城市的核心就是模型和數據，建立完善的數字模型是第一步，而加入更多的數據更是關鍵所在。從孤立的數據集到來自各個渠道的數據整合，從單一領域的解決方案到各個領域的統一解決方案，數據將直接影響數字孿生城市發展的廣度和深度。而對於當前傳統智慧城市建設的應用，其各領域仍有數據割裂的問題。

與此同時，要想充分發揮數字孿生技術的潛能，數據的準確性、數據一致性和數據傳輸的穩定性也需取得更大的進步。同時，將數字孿生應用於工業互聯網平台時，還面臨數據分享的挑戰。

在數字孿生工具和平台建設方面，當前的工具和平台大多側重某些特定的方面，缺乏系統性考量。

從兼容性的角度來看，不同平台的數據語義、語法不統一，跨平台的模型難以交互。從開放性的角度來看，相關平台大多形成了針對自身產品的封閉軟件生態，系統的開放性不足；從模型層面來看，不同的數字孿生應用場景，由不同的機理和決策模型構成，在多維模型的配合與集成上缺乏對集成工具和平台的關注。

其次，從數據中挖掘知識，以知識驅動生產管控的自動化、智能化，是數字孿生技術應用研究的核心思想。數據挖掘技術可應用於故障診斷、流程改善和資源配置優化等。

**將挖掘得到的模型、經驗等知識封裝並集成管理也是數字孿生技術的關鍵內容，**這對數字孿生城市的互動具有重要作用，比如，市政數字孿生體基於數據挖掘技術能夠根據當前地下給排水管網設施數據、城市歷史水澇數據和歷史氣象數據推演出未來可能發生的城市水澇強度及地下管網規劃優化方案。

但現階段，數字孿生系統層級仍存在數字化、標準化、平台化缺失的困境，標準化的知識圖譜體系尚需探索。知識內化的數字化不足，基礎數據採集困難導致後期的數據提煉、分析到產生知識的結果欠佳。

最後，數字孿生以仿真技術為基礎，實現了虛擬空間與物理空間的深度交互與融合，其連接關係則建立在網絡數據傳輸的基礎之上。數字孿生的應用意味着封閉系統向開放系統轉變，而在其與互聯網加速融合的過程中勢必面臨系列網絡安全挑戰。

比如，在數據傳輸過程中會存在數據丟失和網絡攻擊等問題。在數據存儲中，由於數字孿生系統在應用過程中會產生和存儲海量的生產管理數據、生產操作數據和工廠外部數據等，這些數據可以是雲端、生產終端和服務器等存儲方式，任何一個存儲形式的安全問題都可能引發數據泄密風險。

此外，在數字孿生城市系統中，往往需要實現自組織和自決策。但是，由於虛擬控制系統本身可能會存在各種未知安全漏洞，易受外部攻擊，導致系統紊亂，致使向物理製造空間下達錯誤的指令。

**數字孿生城市也是城市信息化建設不斷發展的產物，是城市信息化發展的高階階段。**與物理城市相對應的數字孿生城市，充分利用前期形成的城市全域大數據，為城市綜合決策、智能管理、全局優化等提供平台、工具與手段。

儘管目前數字孿生城市的發展還處於初步階段，但可以預見，在數字孿生穿越了所有技術障礙突破客觀環境的桎梏後，數字城市和現實城市終將實現“虛實結合”的同步建設，實現“虛實互動”的數字孿生城市。