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目前，中國的城市化水平已經超過了60%，接近并超過發達國家75%的城市化率只是時間問題。城市管理的技術和手段亟待提高，智慧城市建設方興未艾，數字孿生城市的概念已進入大眾的視野，且已納入了各個國家的發展規劃。發達國家和地區已經有數字孿生城市建設的成功案例，該技術將在未來的城市發展、城市管理上發揮關鍵的作用，給我們帶來全方位的深刻變化。
我國數字孿生城市最早興起于2017年，從被提出后熱度不斷上升。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中明確提出“完善城市信息模型平臺和運行管理服務平臺，構建城市數據資源體系，推進城市數據大腦建設。探索建設數字孿生城市。”數字孿生城市是智慧城市下一階段建設的起點，也是未來智慧城市發展的愿景。數字孿生城市基于智慧城市建設積累的數字化基礎，搭建城市數據模型，利用數字孿生技術為城市進行數字化還原和仿真，實現物理城市與數字城市之間虛實映射和實時交互，增強城市系統性的自適應能力，提升城市可持續發展能力。
01.
數字孿生城市的建設背景
隨著我國城鎮化進程持續加快，城市逐漸成為國民經濟發展的主要載體與核心引擎，智慧城市建設數量快速增加，服務內容越發廣泛，發展規模不斷壯大，建設成效顯著提升，并成為推進城市高質量發展的重要途徑，也是現階段建設數字中國的核心載體。在數字中國戰略持續深入實施的背景下，城市建設將深化數字與城市融合，持續推動新型基礎設施的建設與布局，創新數字經濟發展活力，加快數字應用場景創新和服務創新，加速數字孿生技術在智慧城市建設中發揮的重要驅動力。
數字孿生技術以建模、數據采集、分析預測、虛擬仿真等技術為基礎，并與人工智能、5G、邊緣計算、區塊鏈等前沿技術深度融合，進而打造了物理維度上的實體世界和信息維度上的數字世界同生共存、虛實交融的格局，數字孿生技術是新一代數字浪潮下數字科技集成創新與應用的典型代表。數字孿生技術因為具有實時性、可視化、保真性、可擴展性、互操作性等優勢，可以廣泛應用于各類城市運行場景。隨著數字孿生技術的不斷成熟，其在城市數字化轉型中的應用將不斷擴展和深化，未來數字孿生技術在智慧城市中的作用將更加突出和重要。
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02.
數字孿生城市建設的基本情況
從發展脈絡來看，數字孿生城市建設將成為以物理城市為基底，數字科技革命浪潮下的必然產物。在數字孿生世界中，數字城市是物理城市場景的衍生品，與物理城市融合共創，并最終實現價值再造。從目前我國各地區數字孿生城市建設內容來看，一般包含打造全域城市智能感知體系、萬物互聯網應用體系、全域全量數據資源體系、三維實景建模與城市智能模型(CIM)、先進高效算力體系、智能運維與AI決策等內容。同時，數字孿生城市建設搭建了基于數字技術形成的數字城市底座，為開展一系列場景化應用打造基礎。例如，將數字孿生應用在城市防災減災中，通過打造對自然資源和基礎設施的智能感知、實時監測、風險和運行態勢研判、多維度可視分析等功能，進而有效提升水利、城管、應急等部門的業務處理能力，并有效提升城市內跨部門決策和資源協調效率。 2022年，我國數字孿生城市市場規模為55.7億元，數字孿生城市建設進入快車道。從數字孿生市場上的應用領域看，數字孿生技術在智慧水利、智慧能源、城市綜合管理、智能制造、智慧應急、教育教學、智慧環保等領域已經開展了廣泛應用。未來，隨著數字孿生技術的不斷發展和演進，城市數據采集和迭代能力不斷完善，CIM、地理信息、數據建模與仿真等技術不斷成熟和融合應用，數字孿生應用領域不斷拓展。預計到2023年，我國數字孿生城市市場規模將突破100億元。
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03.
數字孿生城市建設的價值與存在的問題
數字孿生城市將成為智慧城市建設的重要驅動力，并在智慧城市發展過程中扮演重要角色。數字孿生技術作為大數據、人工智能、地理信息等多種新技術集成的最典型代表，以其技術的獨特性與綜合性賦能智慧城市建設，不僅有助于解決復雜城市問題，更助力實現城市發展的高效、可持續和智能化。
一是，數字孿生城市深度挖掘城市數據價值。數據是數字經濟時代最活躍、最核心的生產要素，蘊含著巨大的社會經濟價值。數字孿生城市建設關注城市數據資源的生產、積累、應用和更新，數字世界構筑的關鍵是全面整合城市中的各類感知數據和動態數據，數據的動態更新也成為了數字孿生城市建設的關鍵。
二是，數字孿生城市建設加速提升城市治理水平和效能。隨著城市規模不斷擴大、運行越發復雜、資源流動性日益增強，數字孿生城市更加注重利用數字技術實現對城市運行和發展的全方位監測與治理，從服務城市管理和發展的角度提高城市運行效率和治理水平。
三是，數字孿生城市賦能城市千行百業服務優化。數字孿生城市建設核心是要深度挖掘城市全域數據價值，通過有效調配公共資源，賦能城市高質量發展。基于數據價值的深度挖掘，數字孿生城市實現了基于互聯網的業務協同，以數字化提升城市千行百業的管理效率和服務質量，加速城市內行業間的融合與貫通。
目前，我國數字孿生技術在城市數字化中的應用尚處于初期階段，在政策推動和理念推廣下，很多城市和政府也都提出了建設數字孿生城市的目標。但從實際建設情況來看，數字孿生技術尚處于高速迭代階段，其在數字城市應用中尚未建立完整的規范標準體系。
一是數字孿生城市的建設基礎需要全要素數據支撐，投資大、成本高。數字孿生城市建設的關鍵是采集并動態更新城市全生命周期全要素相關數據，強調數據融合，如信息物理虛實融合、多源異構融合等。一方面，在數字城市范圍要構建多維、多尺度的虛擬城市模型需大量數據，城市需要廣泛布局傳感器并進行海量數據采集，不僅投資大、采集難度高，并且在采集后進行數據標注和清洗處理等方面也具有極大的挑戰；另一方面，對于虛擬城市的維護需要實時動態且連續不斷地更新數據，數據更新和維護成本高。
二是數字孿生城市建設需要解決信息資源共享、整合和跨部門利用難題。數字孿生城市建設中最難解決的仍是信息資源共享、整合、有效利用和跨部門業務協同的問題。數字孿生城市需要建設城市信息模型(CIM)，圍繞城市全域數據開展端到端的管理運營，通過構建完善的數據資源體系、數據應用管理機制，實現信息資源的共享、整合、有效利用和跨部門業務協同。
三是如何利用智慧城市建設積累的成果賦能數字孿生城市建設提速，避免重復投資，成為數字孿生城市建設突破的難點。
在國家政策推進下，各地城市物聯感知、視頻一體化、算力一體化、CIM三維模型一體化、數字資源等已建功能性平臺趨于完備，已經完成條線層面的統籌集約建設。與此同時，在數字化改革、數字化整體轉型要求下，一網統管、一網通辦等需求推動下，各類平臺正加速融合性發展，形成城市級數字孿生底座平臺。部分地區先行先試，已采取規建模式、大數據模式、新城新區模式等牽頭機制開展城市數字孿生底座平臺建設，但仍面臨只能看不能用的問題，急需打造能力集成、生態開放的城市數字孿生底座平臺，實現可擴展、低代碼、積木式的服務化供給方式。
04.
城市數字孿生底座平臺建設現狀
城市各類功能性平臺初步實現統籌一體化建設。近年來，各級政府部門圍繞物聯感知、視頻、CIM、數據資源、算力、政務服務事項、一網統管等主題，明確牽頭責任主體，開展統籌一體化建設，取得顯著成效。
物聯感知平臺為城市全要素數字化虛擬化夯實基礎，截至2023年10月，我國已經有超過100個地級市發布城市級物聯網平臺建設任務，其中北京、上海、廣州、深圳等特大城市較早開展該項工作。視頻一體化平臺為實景孿生、智能發現奠定基礎，在“雪亮工程“推動下，全國45個示范城市（區）重點公共區域視頻覆蓋率達到96%，基本達到“全域覆蓋、全網共享、全時可用、全程可控”的“視頻感知一張網”。
CIM平臺與實景三維平臺成效顯著，有力支撐數字孿生可視呈現，據全國招投標統計，從2018年至2022年CIM平臺相關招標量增長率超過了200%。數據資源開放共享需求推動下，數據資源一體化建設形成普遍共識，截至2023年初，國務院所屬53個委部局、31個省（自治區、直轄市）和新疆生產建設兵團均建設一體化數據資源平臺。
算力一體化平臺推動算力資源從分散建設到統一管理，截至2022年底，全國超過70%的地級市建設了政務云平臺。城市一網通辦、一網統管等治理平臺創新實踐逐步深化。
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05.
城市數字孿生底座平臺建設存在的不足
現有平臺功能單一，難以支撐跨部門復雜業務，平臺趨向融合發展。隨著智慧城市、數字孿生城市建設深入，城市業務需求復雜多變，城市現有功能性平臺瓶頸日趨明顯。
物聯感知、視頻資源等平臺為數字孿生城市提供實時數據，但數據供給仍以“流數據”形式服務，數據二次加工、智能分析等能力還未釋放。
CIM平臺、實景三維平臺等逐漸構建起城市數字底板，提供統一的空間定位框架，但由于缺乏動態數據融合，“CIM+應用”主要集中在城市規劃、建設、對象管理等領域，實景三維平臺應用主要集中自然資源管理，城市復雜系統分析、仿真推演等深層次應用需求難以滿足。
城市大數據中臺實現對城市數據資源統一歸集、統一治理、統一服務，但平臺功能主要聚焦在結構化政務運行數據上，數據融合不夠，數據類型不多。
基于以上原因，地方政府加快開展平臺融合互通，打造城市數字孿生底座平臺，滿足兩大需求：
一是統一共性數據來源，解決不同平臺數據一致性問題，如城市三維數據底板使用哪個平臺為基準。
二是了解全維度數據，支撐全面性分析，如針對交通路口，既要了解實時流量，也要了解路口三維框架，還要了解信號燈調控情況等，有利于實現交通綜合決策。
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06.
城市數字孿生底座平臺建設趨勢
重構多能力集成且生態開放的數字孿生新引擎。由于多數“數字孿生平臺”僅是GIS引擎、 BIM引擎、渲染引擎的表面融合，這類傳統技術引擎與數據綁定嚴重，難以支撐上層應用，可擴展性差。數字孿生要實現精準映射、虛實互動、軟件定義、智能干預四大特征，需要集成多引擎的技術能力，重構多能力集成且生態開放的數字孿生新引擎，打造能力集成、生態開放的城市數字孿生底座平臺。
模塊化設計，構建“功能組件庫”。組件化是一種可選擇的軟件開發模式，可將現有GIS、BM、可視化渲染、仿真、IOT等基礎引擎，以及AI、仿真、大模型等能力，在城市統一的數字孿生體數據格式、實體數據表達結構上，拆解為不同功能或模塊劃分為獨立的組件，通過API等接口進行連接，形成一個靈活、可擴展的“功能組件”庫，為上層應用按需調用。
這些組件還可以分別進行開發、測試和維護，從而提高整個平臺的可維護性、可擴展性、開發效率和靈活性。組件類型包括基于標識屬性建設數字資產管理能力組件；基于幾何屬性構建孿生體幾何模型能力組件；基于時空屬性構建時空分析能力組件；基于狀態屬性構建IOT物聯能力組件等。
低代碼、積木式搭建城市數字孿生應用場景成為可能。基于底座平臺能力，構建數字孿生低代碼開發中心，以組件化、低代碼、配置式支持應用場景建設。
面向政府或企業內部的城市數字孿生底座平臺，可在平臺里建立低代碼開發中心，提供數字孿生體資產的自由編排、數據自動導入、實體關系關聯以及業務掛接等低代碼服務能力，支持開發者快速配置定制簡單業務場景。
面向外部企業和個人，可在公共開放平臺中建設城市數字孿生低代碼開發中心，對外開放脫敏的數據服務、組件服務。開發者中心將整合豐富的開發接口或開發工具包及開發指南等說明文檔，提供WEB開發、APP開發、各類API服務、文檔參考、開發工具下載等功能，支撐應用場景的開發和建設使用。
07.
城市數字孿生底座平臺建設作用
數字孿生城市建設成為有效促進治理能力現代化的重要手段，降本增效成果顯著。依托精準映射、虛實交互、模擬仿真、智能干預等功能特性，數字孿生既能解決城市規劃、設計、建設、管理、服務閉環過程中的復雜性和不確定性問題，還能驅動城市治理模式、服務模式、運營模式快速變革，同時促進城市生產協同高效、數字生活便捷包容、生態環境綠色低碳，助力城市可持續發展。降本增效方面，如雄安新區建設基于數字孿生的數字道路智能化項目，有效避免路側設備多部門重復建設，建設成本降低30%。預測決策方面，如濟寧南四湖二級壩利用數字孿生技術實現流域預報精度提高10%以上。
數字孿生城市成為培育產業新賽道的重要引擎，能夠提振傳統生態，培育創新業態。數字孿生城市有效匯聚了地理信息系統（GIS）、建筑信息模型（BIM）、各類實體對象、物聯狀態感知、業務流程等多類型數據，是涉及標識、感知、孿生建模、可視化渲染、仿真推演、虛實交互等多環節、多學科的技術創新簇群，覆蓋上游基礎設施、中游平臺技術、下游生態應用等產業鏈條，應用范圍廣，產業帶動性強，將有力推動信息技術產業高質量發展。根據MarketsandMarkets報告，預計到2028年,全球數字孿生市場規模將增長至1101億美元，復合年增長率（CAGR）達到61.3%。長期來看，產品、裝備、產線、工廠、建筑、道路都可以構建數字孿生模型，具備豐富語義信息，尤其是政府管理的、高價值的公共數據，“單體化”的組織方式有利于形成獨立的便于流通的新型數字資產，有助于改善數據難運營困境。
隨著AI大模型快速發展，城市數字孿生體將實現自動化構建，并持續迭代豐富其屬性內涵，城市所有業務場景均可轉變為數字化算法模型，城市加快從傳統的物理實體轉變為復雜而智能的數字生態系統，將具有更高的自主性、智能化和自適應。未來，將形成數字孿生城市3.0，即數字城市將具備所有現實世界的運行規則和社會關系，可實現自動生長、自行決策、虛實共生，所有公眾均具備“數字市民身份”，可通過虛擬現實設備進入數字城市，實現沉浸式體驗，達到機器智能和人的智慧高度協同的高級狀態。
08.
智慧城市數字孿生底座建設
數字孿生城市通過對城市設備設施、運行動態、人口、經濟、民生、政務等全要素的數字化和虛擬化，打造一個在數字世界運行，并與現實世界城市運行完全一致的“孿生城市”，借助智能大屏、城市儀表盤、領導駕駛艙、數字沙盤、立體投影等形式，實現城市狀態的實時化和可視化，有利于城市管理的決策協同化和智能化。
數字孿生城市底座，是服務于數字孿生城市建設，支持數字孿生城市各類數據和應用服務的核心能力平臺。數字孿生城市底座從數據融合一體化、平臺服務一體化、分析決策一體化和協同指揮一體化四個方面為數字孿生城市建設提供數據融合供給、全要素數字化表達、可視化呈現、物聯感知操控、空間分析計算、虛實融合互動、模擬仿真推演、自學習自優化、眾創擴展等能力。
數字孿生城市底座通過數據融合，改變原有智慧城市數據的石墨層級結構為立體且相互關聯的鉆石結構，提升了數據維度，使數據組織方式更接近現實世界，結合平臺提供的分析、仿真、預測等技術能力，能夠實現深度挖掘數據潛力，釋放數字孿生價值。
依托數字孿生城市底座可有效賦能包括城市治理、城市安全、城市應急、水利水務等應用場景，實現孿生城市與物理城市同步規劃、同步建設、同步運行，以未來視角智能干預城市原有發展軌跡和運行，進而指引和優化實體城市的規劃、管理，改善市民服務供給，賦予城市生活“智慧”。
數據融合一體化：匯聚多源時空信息，建立數模語義映射和數據深度融合機制，實現自然與城市融合、GIS與BIM融合、室外與室內融合、地上與地下融合、現實與數字融合、時序與空間融合，并通過數據管理和數據按需組裝能力構建跨域場景模型，實現數據持續更新和共享公用。
平臺服務一體化：建立人機共享、統一標準、按需表達、分布式計算等能力體系，整合數字孿生城市系統中繁多的中臺能力和算力，實現各系統間的協作通信、數據共享交換，為城市管理和城市治理提供統一數據服務、統一平臺服務、統一門戶管理以及統一應用管理。
分析決策一體化：數字孿生城市底座提供豐富的底層算法和仿真模型，綜合運用數據、算力、算法，分析城市運行數據、仿真城市運行發展、推演預測城市運行發展態勢和結果，從而為城市智慧化運行、政務服務、商業發展、產業招商、城市管理等業務應用提供智能化分析決策支持能力。
協同指揮一體化：數字孿生城市底座具有統一平臺、統一通信、統一部署、統一指揮、統一調度能力，使城市管理部門及時掌握城市運行動態和態勢，及時感知風險和隱患，實現城市管理、城市治理、城市安全和生態環保等領域的多個部門信息共享、意見互通、決策一致、協同指揮，以及各類資源一體化調度。
PLtwin數字孿生擁有Unity游戲引擎與GIS&BIM地圖的兩條技術產品，包含3D建模與開發的獨立數字孿生團隊，利用三維建模技術還原真實場景，模擬仿真運行狀態，打通業務數據，實現數字化"一張圖"的多種應用場景。廣泛應用于智慧社區、房地產、智慧城市、智慧工廠、數字產線、工藝仿真等諸多領域。