基于“數字孿生”的智慧城市發展建設思路

【摘要】我國在智慧城市投資與建設方面走在了世界的前列，但要適應面向未來的數字化建造、敏捷服務、智慧交互場景的智慧城市發展建設工作還需要加強理論方法與實踐的探索。要建構“數字孿生”的智慧城市理論方法，為解決城市發展建設中的突出問題，推進城市空間價值增值，提高城市精細化治理能力，加強智能規劃決策等方面發揮積極作用。要量力而行推進以新一代信息網絡基礎設施、高效能運算中心、時空關聯大數據底盤為主體的數字基礎設施，積極推進城市級的數據資產管理體系建設;同時提出應大力支持新型業務場景落地，包括：綠色低碳與節能減排的智慧技術集成、規范引導智慧社區的規劃建設、引導智能空間設計等方面。

【關鍵詞】數字孿生 ?精細化治理 ?城市中樞 ?時空關聯大數據底盤 ?智能規劃決策

【中圖分類號】TU984 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標識碼】A

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2020.08.009

國內外智慧城市發展動態及展望

發展動態。當前中國智慧城市發展建設處于快速增長時期，無論是從ICT基礎設施投入、數據中心部署，還是在業務場景拓展方面都有了長足進步，在政府主導的公共安全、智慧交通、智慧文游、智慧水務、便民服務等城市治理領域方面帶來了新的氣象，也對于數字產業經濟發展起到了推波助瀾的作用。習近平總書記多次指出，要充分發揮大數據、人工智能、區塊鏈在提升國家治理現代化水平、促進保障和改善民生、保障國家數據安全方面的積極促進作用;要加快完善數字基礎設施，推進數據資源整合和開放共享，保障數據安全，加快建設數字中國。2016年國務院出臺《國務院關于加快推進“互聯網+政務服務”工作的指導意見》[國發（2016）55號]文件指出要加快新型智慧城市建設，要創新應用互聯網、物聯網、云計算和大數據等技術，加強統籌，注重實效，分級分類推進新型智慧城市建設，要打造透明高效的服務型政府，建立大數據輔助決策的城市治理新方式，構建多元普惠的民生信息服務體系，并提升電力、燃氣、交通、水務、物流等公用基礎設施智能化水平。

目前國內典型的智慧城市落地項目有：阿里巴巴將“城市大腦”云計算技術運用到杭州市的城市管理方面，對優化城市交通管理、全域旅游、社區服務等方面起到積極作用。北京市海淀區與百度合作，發揮分布式云計算優勢，將公共治安、環境衛生、城市管理等部門積累的數據資源打通，并進行交匯分析，形成跨部門的城市治理決策模式。深圳市成立了專門的城市運營管理中心，可調度幾十個部門的數據實現對城市運行狀態的全面感知、態勢預測、事件預警和決策支持。云南省文旅廳（原文化廳）與騰訊合作“一部手機游云南”，將云南旅游業的全過程服務資源整合在一起，為游客、旅游業者、政府分別在享受服務、提供服務、管理服務等方面得到相應的解決方案。

國外智慧城市新進展方面，谷歌在多倫多的“Sidewalk Labs”實驗室制定了“未來城市2050總體規劃”，為全面開展智慧城市建設奠定基礎。芝加哥通過“燈柱傳感器”來加強城市安全、環境衛生的監控，同時控制每臺傳感器設備的采購與運維成本。洛杉磯通過公共交通APP應用服務“WAZE”，使得每個人可以通過這個APP可以把自己的實時的交通信息傳輸到終端，使得個體、企業和社會之間搭建了互利共享服務體系，為政府解決交通擁堵問題提供支撐。此外，西方發達國家立足于應對全球氣候變化，在綠色低碳智慧場景建設，節能減排管理，資源可持續循環利用方面積極推進相關智能技術。

總體上看，我國的智慧城市發展建設走在世界各國前列，2018年底我國所有直轄市、副省級城市，85%以上的地級市均提出了智慧城市相關的實施工程。據艾瑞咨詢研究院統計，2013～2018年政府委托或采購的智慧城市項目增長了13.5倍，主要涉及智慧城市頂層設計、城市運營管理、大數據管理、電子政務等領域。由于我國政府的公共服務職能涵蓋更廣，借助信息化手段和第三方技術支持政府決策及政策執行已經成為現代化治理體系的重要舉措。

存在的主要問題。我國是一個巨型社會生態系統，由于地域廣闊、人口密度大，眾多問題和矛盾相互交織，在城鎮化進入到中后期時代，解決這些矛盾問題迫切需要智慧城市的技術手段來支持，因此也促使我國的智慧城市解決方案需要更有系統性、針對性和可操作性。但從目前地方政府的智慧城市頂層設計和投資建設項目來看，還存在不少問題，主要表現為以下幾方面。

1.智慧城市重硬件投入、輕治理現象突出。過去大規模要素投入的城鎮化模式已經難以為繼，城鎮化與城市發展建設逐步由增量擴張向存量優化提升轉型，城市的品質提升將是今后一段時間我國城鎮化的重要領域，對于智慧城市技術的需求也越來越大。我國的智慧城市建設經過了十多年的發展積累了大量技術，也一定程度上緩解了城市發展建設中的信息化短板問題。但既有的智慧城市建設多重視ICT技術導向的硬軟件投入，而忽視以人為本的綜合治理能力提升，往往導致資金投入的產出績效不高、服務效能不佳，甚至重復建設等突出問題。

2.智慧城市建設缺乏統一的“數據底板”，重復投資現象較為突出。前一階段的智慧城市建設多側重于單一的政府業務領域，缺少對于國土空間、城市的全局、全要素資源進行系統性頂層設計及綜合治理。地方更多考慮存儲空間投資，而忽視了作為數據資產本身的價值挖掘，沒有一個統一的“數據底板”來支撐城市全局的管理及服務;在實際工程建設項目中依然存在“煙囪林立”、數據共享不暢等突出問題。在中央國務院批復的雄安新區總體規劃里明確提出了“數字孿生”的概念，對于構建集合云計算、物聯網、人工智能、區塊鏈、地理信息技術（GPS、GIS、RS、BIM等）、5G通信技術為一體的城市信息模型指明了方向，也為今后推進全要素的數據資產管理及價值挖掘利用奠定了基礎。

3.以人工智能為核心的智慧規劃是趨勢，但缺乏頂層政策支持。目前從城市的規劃、建設、管理、運營的全生命周期領域來系統引導的法律性、制度性框架欠缺，尤其是如何科學引導人工智能貫穿于規劃決策、監測運營、實施評估等全過程還缺乏相關配套政策的支持。荷蘭、英國、法國等國家的Living Lab智慧城市發展建設經驗表明，以人工智能為核心的智慧城市案例在解決諸多城市治理問題方面有很好的方法，但前提是要保護好個人隱私，并且突出公眾利益。

未來展望。當前我國的城鎮化水平已經達到60%，我國的城市建設已逐步從過去的擴張式增長轉向精細化治理，未來一段時期內城市的品質提升需要綠色、智慧、人文等新技術的支撐。因此，智慧城市不僅僅是基礎設施建設問題，也更應該注重產出效益與服務效能問題。如何為政府的各項決策提供敏捷響應，為居民的多元需求提供實時響應，為創新主體提供多元服務是當前和今后一段時間內城市精細化治理面臨的重大挑戰。如何利用先進的信息技術方法更精細、精準地跟蹤分析人、車、物等復雜的時空關系，去推動城市規劃、建設、管理和運營的全生命周期決策也是城市政府工作中的難點?？傮w上，未來智慧城市發展建設要把握如下幾個重點。

第一是面向未來的數字化建造。其是在現代的城市工業化建造流程基礎上融入數字化手段的精細化建造方式。通過提供參數化設計理念，把生物仿真技術、裝配式建筑技術應用到城市建設管理中，運用海量數據進行全流程的精準調控，全生命周期的流程化管理，滿足城市各項功能發展的需求。

第二是面向未來的敏捷服務。這需要把區域、城市、社區、家庭多層級的智慧應用體系融合在一起，把每一個人、每一個業主、每一個經濟活動主體所提供的智慧的訴求和宏觀調控能夠緊密無縫銜接在一起。未來將通過“城市中樞”提供各類開放式的服務接口，以利于更多服務能夠直接傳送到所需要的服務對象身上。目前，國內外正在未來社區、智慧交通等方面落地相關項目，也積累了一定經驗。

第三是面向未來的智慧交互場景。城市是由不同的功能單元和建筑單元集合在一起的，正由于人對于微觀功能、建筑單元的多樣化使用，使得未來的城市每個功能空間不是機械獨立的存在，而是根據人們的各種需求相互關聯在一起，這種場景是一種交互場景。未來，人們對任何空間的需求都可以通過“城市中樞”來得到響應，因此需要把政府的宏觀規劃目標和微觀的建設運營管理需求融合在一起，使得交互場景的建設更為人性化，這也是通過智慧城市手段促進城市空間價值增值的重要途徑。目前，國內外正在推進的示范工程有智能感知人行道、智能自行車道、AI公園等。

“數字孿生”的智慧城市理念

概念及內涵?！皵底謱\生城市”的概念首次在雄安新區規劃中提出，是將物理世界的數字化映射，通過將人、車、物、空間等城市數據全域覆蓋，形成可視、可控、可管的數字孿生城市。在《河北雄安新區規劃綱要》中提出：數字經濟占城市地區生產總值比重超過80%，大數據在城市精細化治理和應急管理中的貢獻率超過90%、基礎設施智慧化水平超過90%，高速寬帶實現千兆入戶、萬兆入企。雄安的智慧城市規劃建設要堅持數字城市與現實城市同步規劃、同步建設，適度超前布局智能基礎設施;同時要建立健全大數據資產管理體系，打造具有深度學習能力、全球領先的數字城市。

對雄安新區“數字孿生城市”的解讀：面向未來的雄安新區不僅僅是數字要素與城市物理空間的簡單映射和對映，而是要用數字化管理驅動城市的發展建設。數據孿生既要求數據的高效、規范匯聚，又要求安全高效的感知計算和決策反饋，這也是智慧城市落地的關鍵。通過運用地理信息系統與智能云計算融合的時空關聯大數據底板和“城市中樞”，能夠讓物質城市與數字城市實現全面的融合和全領域的協同管理，城市管理者更容易進行城市仿真、事件的預警干預等，進而指引和優化城市的規劃、管理、改善市民服務。

對城市空間價值增值的積極作用?！皵底謱\生城市”是城市空間價值增值的重要途徑，也是分攤智慧城市建設運營成本的重要手段。城市功能體系由兩個系統組成，一個是人及其社會群體，另一個是經濟主體及運營環境。兩者的共同切入點都是城市空間，過去更多依托物質建成環境，未來的發展將同時依托數字空間與物質空間。因此，未來以雄安新區為代表的智慧城市將不再是以土地的經濟價值為主導，而在于通過對空間資產的科學有序管理來創造數字經濟價值。可以說，未來城市的任何一個角落、任何一個空間單元、任何一個功能的組合與再利用，都能形成資產和經濟價值。如城市住房不足或房價畸高，往往是因為城市的閑置空間得不到優化配置，如果通過“城市中樞”把舊廠房、閑置辦公區共享出來，精準鏈接到個人或企業的需求，那么空間的利用率和產出率會大大提升。

對推進城市精細化治理的有效作用?！皵底謱\生城市”一開始就是對標城市精細化治理的，表現為引導城市的精明增長、萬物互聯、自我學習、業態共生、公眾參與五個維度。精明增長方面，信息技術為城市的關鍵核心設施系統建設運營提供了更為智能、高效率的調配方案，大大減少了物質和能源的損耗，避免了“攤大餅”的低效擴張;同時基于更靈活的功能體系多組件、模塊化、敏捷式的架構和服務，實現城市更有彈性、更集約、更可持續的永續發展。萬物互聯方面，在基于物聯網的數據采集和匯聚的支撐下，進一步結合人工智能和5G等新技術的應用，特別是邊緣計算技術在物聯網領域的普及應用，使得城市級實時計算、融合分析、自動控制成為可能。自我學習方面，人工智能通過大量歷史數據的學習和抽象，加上專家系統的經驗邏輯綜合，可以科學分析并重現各種城市問題和事件的因果關系和相關性，為城市的自我調節、自我適應發展提供了有效辦法。業態共生方面，通過數字資產體系的建設，使得城市發展建設各領域的整個生命周期都不斷積累沉淀有效數據，并為未來新的業態發展提供“沃土”。簡單來說，從傳統的一次性售賣或者租用的盈利模式，轉為多個盈利階段，包括產品運營收益、數據運營收益，等等。公眾參與方面，由于城市問題往往涉及復雜的利益相關方，各方的訴求又各不相同，通過“城市中樞”有助于在虛擬空間將所有的利益相關方聯系起來，對涉及的問題進行充分地討論，并形成有效的解決方案。

智能規劃決策。“數字孿生城市”改變了過去先規劃建設，再運營管理的分離模式，取而代之是在動態規劃決策下的城市發展建設。過去的城市規劃更多在于土地資源的配置和各項設施的布局，而并沒有及時跟蹤人和經濟業態的發展。智能規劃將空間和人的創新活動以及城市整體的業態發展有機地結合在一起了。因此，智能規劃首先要基于城市數據底盤清楚了解全要素發展情況，將分區、分類和功能空間關聯做科學劃定。這種關聯邏輯能夠幫助規劃人員找到城市中每一個單元所存在的問題，以及它與周邊環境的關聯所在，進而知道未來城市中哪些值得投資，哪些地方還有問題需要解決。過去的城市規劃更多是一成不變的“藍圖規劃”，而在智慧規劃決策模式下，需要把更加精細化的業態感知數據匯聚起來，對城市發展建設進行全方位的動態精確評估，從而提出以人為本的精細布局方案和各類資源的動態調配方案。

科學推進智慧城市若干建議

量力而行推進數字基礎設施建設。數字基礎設施是推動面向未來的“數字孿生城市”發展建設的重要基礎。數字基礎設施包括：以新一代信息網絡基礎設施、高效能運算中心、時空關聯大數據底盤三類。對于數字基礎設施不是投入越多越好，應根據城市的社會經濟發展水平和實際業務場景需求來統籌規劃建設，要做好資金投入與產出績效的綜合評估工作，核算好數字基礎設施投資與運營維護的財務成本，找到智慧解決方案與技術保障方案之間的成本平衡點。

新一代信息網絡基礎設施，包括以5G通信網絡和各類型物聯網構建的信息網絡;也包括涉及的各類建筑、道路交通、能源市政、公共空間和地下空間等業務場景“關鍵點”全量布設的傳感器設施。其中要重點處理好網絡節點的規劃布局，各級城市要在區域信息網絡基礎設施總體架構下，將互聯網骨干直連點、國家大數據節點、互聯網交換中心、工業互聯網關鍵節點、區塊鏈關鍵節點有效銜接在一起，避免重復投資。

高效能運算中心，即“城市中樞”。通過搭建云計算、邊緣計算等多元普惠的城市計算及響應中心，實現城市數據交換和預警推演的毫秒級響應。通過“城市中樞”對城市全局實時分析，自動調配公共資源，打造一個匯聚城市數據和統籌管理運營的智能城市信息管理中樞。通過“城市中樞”，能夠把信息基礎設施上跑的各類信息數據串聯起來，通過城市數字底板融入城市的模型庫、算法庫以及各類應用系統，從而通過API等服務模式提供靈活高效的智慧業務系統。越來越多理論及實踐表明，“城市中樞”不是一個集中的儲存、計算中心概念，而是根據區域和城市的數字基礎設施布局，采取集中加分散模式布局。各地應根據智能場景的區域分布特征和數據交匯要求，在云計算中心主節點與邊緣計算節點之間找到一個“成本—效益”的平衡點，并形成“邊—端”的云計算服務體系。立足高效能運算中心，構建數據共享與交換平臺，將各類政務型數據資源和社會商業數據有效流動起來，其是提升城市治理能力的關鍵應用。

時空關聯大數據底盤，是全量時空信息數據中心。為了有效控制智慧城市建設成本，需要規范化、標準化定制數字底盤，將為統一管理數據資產提供基礎。中國城市規劃設計研究院與阿里云、超圖等合作伙伴在雄安新區提出了一套解決方案，定義為以“GIS+BIM+Iot+AI”（GBIA）架構為基礎的“兩庫兩圖一標準”體系?！皟蓭臁卑ǎ撼鞘兄笜艘巹t庫和城市基因庫，前者是城市政府制定智慧城市頂層設計和實施方案的重要依據，后者是指導城市規劃建設的一套智能規劃技術;“兩圖”分別為全量智能規劃圖和全量建筑工程BIM信息圖，前者是實施橫向到邊、縱向到底規劃管理的重要基礎，后者是實現工程全生命周期管理的重要依據;“一標準”為融合“兩庫”“兩圖”實現三維可視化交互的數據管理標準。“兩庫兩圖一標準”的時空關聯大數據底盤與當前流行的智慧城市中臺、城市信息模型（CIM）有異同，其構架涵蓋后兩者，更體現時空一體的全周期、全要素和全過程化的政府管理決策流程，因此更利于建立基于位置信息的各項智慧服務應用與交互場景。

這里再重點談談指標庫與基因庫。指標庫包括：引導城市創新、繁榮、宜居、安全、綠色等方面發展的指標項，這些指標是各政府部門執行工作的依據。通過時空關聯大數據底盤將將城市宏觀層面的指標傳導分解到功能區、街區單元、地塊單元，使得微觀層面的規劃建設管理工作能夠與宏觀政策制定工作相互銜接和校驗。過去政府往往因為不能全量收集輿情和地方意見，或者拘泥于單一委辦局的工作而在其目標或政策制定方面有一定局限性。時空關聯大數據底盤將徹底改變這種決策流程模式，建立起“規劃決策—實施反饋—定量評估—再規劃決策”的閉循環體系，這里“AI+分布式云計算”的技術將在實時性和控制成本方面發揮突出作用。城市基因庫是立足于指標庫，將國內外城市的先進規劃建設與管理經驗通過指標體系方式分類建立起來，使得每一個優秀案例背后都有關聯數據畫像來支撐。像紐約、東京、巴黎、等等，雖然都是超大城市，但是并不擁堵，它的建設環境和管理方法優于其他城市，這就是我們所說的優秀基因。這些通過大數據建立起來的基因庫能夠客觀反映城市規劃及城市管理中的客觀規律與實踐經驗。

大力推進城市級數據資產管理體系建設。一方面，要建立全量城市數據資產目錄。梳理包括商業數據、政府數據、財政、基礎設施、公共安全、交通運輸、環境環衛、社會服務、健康衛生、文化與旅游、公園娛樂、水資源、授權許可、位置服務、基礎地理信息、城市關鍵信息標識系統等領域的全量數據資產目錄，實現城市全量的信息數據歸集、整合和管理的規范。建設人和法人誠信為基礎的信用管理數據資源目錄。

另一方面，推動數據資源整合共享和開放數據。政府通過城市公共數據內容、數據標準及數據資源工具的開放，實現公眾知情、信息交換、社會監督和透明政府目標建設。制定年度開放數據發展戰略，推動社會開放數據分析、開發能力建設，推進各類商業服務模式創新。條件成熟的城市可以搭建眾包數據開放實驗室，建設支撐政府管理服務和產業創新發展的共性應用平臺和新技術使能平臺，為城市數字經濟發展和全域智能化管理全面賦能。

積極推動新型業務場景落地。第一，做好綠色低碳與節能減排的智慧技術集成。我國城鎮化的特點是人口高度密集和城鎮開發高強度兩大特征，城鎮化進程中的資源與能源消耗巨大。但我國各類資源的人均儲備量、開采量又低于世界上絕大部分國家和地區，因此促進資源的循環利用、降低單位GDP或單位土地的能源消耗是我國城市發展建設中的艱巨任務。無論是居住區、公共建筑場所、交通與市政設施都需要大力推行綠色、低碳技術，運用各類物聯網傳感器及智慧控制技術加強對資源、能源的實時監控，從宏觀層面加強調控與調度，形成綠色生產、綠色出行、綠色家居的多元化應用場景。

第二，規范引導智慧社區的規劃建設。智慧社區是“數字孿生城市”的基礎單元，也是時空關聯大數據底盤和“城市中樞”的重要組成部分。以建設“職、住、醫、教、養、休、創、商”為一體的美麗家園、幸福家園為目標推進智慧社區規劃建設，浙江的未來社區試點在這方面作出了表率。要推動數字經濟、文化建設、宜居品質、低碳節能、資源循環、韌性安全、創新創業、黨建活動的多元協同發展。因地制宜地制定智慧社區的建設管理指標體系，注重采用新技術解決實際問題和群眾迫切所需，鼓勵以人為本的社區綜合治理示范。摸索建立多元投資主體參與未來社區建設的可復制可推廣模式，重點鼓勵超大城市的老城區、老舊小區，產業基礎較好的園區和條件較好的縣城開展智慧社區建設試點，推進多樣化的智慧場景落地示范。以社區為主陣地通過智慧治理的機制設計，搭建起社會多元合作機制，推動自上而下的城市管理向多元參與的城市治理轉型。

第三，引導智能空間設計。推進新一代信息技術與城市建設的技術融合、業務融合和數據融合，推動智慧城市軟硬件設施與城市設計、空間場所建設工程的一體化布局。立足于人的交流活動和人與物質空間場所的互動，開展城市功能區、產業園區的智能空間設計，探索智慧城市技術的空間落地模式;借力人工智能技術，建設“智慧休閑”“智慧健身”“智慧康養”“智慧文化”等便民服務導向的智慧交互場景，營造有溫度的公共空間，增強物質空間場所的科技交互體驗。

（單位：中國城市規劃設計研究院信息中心，執筆人：徐輝，課題參與：翁芬清、李昊、翟健、王俊、張鶴鳴、孫若男）

責 編/周于琬