數字孿生城市視角的城市信息模型及現代城市治理研究

文｜杜明芳

（作者為清華大學信息國家研究中心副教授、研究員）

一、新基建背景下的城市信息模型（CIM）

1.CIM發展的戰略背景

十九屆中央委員會第四次全體會議著重研究了堅持和完善中國特色社會主義制度、推進國家治理體系和治理能力現代化的若干重大問題。

2020年4月，國家發改委首次明確新型基礎設施的范圍，初步研究認為新型基礎設施是以新發展理念為引領，以技術創新為驅動，以信息網絡為基礎，面向高質量發展需要，提供數字轉型、智能升級、融合創新等服務的基礎設施體系。當前，新基建正引發新一輪投資建設熱潮，全國各省市紛紛推出新基建行動計劃，近百萬億投資大單正在逐步落地實施。從中央會議內容看，新基建側重于5G、數據中心、人工智能、工業互聯網等新一代信息技術。新基建需為中國創新發展、綠色環保發展，特別是搶占全球新一代信息技術制高點創造基礎條件，最受益的可能就是智慧城市建設。

習近平總書記2020年3月10日在赴湖北省武漢市考察疫情防控時表示，要著力完善城市治理體系和城鄉基層治理體系，樹立“全周期管理”意識，努力探索超大城市現代化治理新路子。習近平總書記也曾深刻指出，“治理”和“管理”一字之差，體現的是系統治理、依法治理、源頭治理、綜合施策，要實現從“管理”向“治理”轉變，激發基層活力，提升社區能力。當前，就城市而言，已經進入從管理升華到治理的歷史階段。在信息新基建、城市基礎設施智能化改造、城市治理體制機制改革多重力量驅動下，網格化精細管理模式將逐步向數字孿生強智能化自治模式演進。2017年4月1日，中共中央、國務院決定設立雄安新區。《河北雄安新區規劃綱要》提出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，推動全域智能化應用服務實時可控，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，描繪出了數字孿生城市的雛形，也為正處于“深水區”的智慧城市建設提供了新思路。

2.如何理解城市信息模型（CIM）

當前，對城市信息模型（CIM)比較普遍的一種理解是：以城市的數據為基礎，建立起三維城市空間模型和城市信息的有機綜合體。城市信息模型目前尚無統一的明確定義，CIM的內涵和外延目前仍處于探索期，業內較有代表性的解釋為：一是CIM=GIS+BIM；二是CIM= BIM+GIS+物聯網（IOT）；三是CIM= BIM+城市業務實體。本文作者認為，CIM=以數字技術為治理引擎（簡稱數字引擎）的數字孿生城市之數字孿生體。其中，數字技術 = BIM+GIS+IOT+AI+5G+Block Chain+衛星互聯網+……。

建立城市信息模型的目地是：使城市信息得到更加科學、嚴謹、統一、明確的表達，作為數字引擎驅動城市建設與發展。

數字孿生城市的目標是：構建“城市規劃建設一張圖，城市治理虛實一盤棋，城市服務情景一站式”的現代城市治理模式。

二、基于數字線索和數字工程打造數字孿生城市

1.數字孿生、數字工程及基于模型的系統工程

圖1 數字孿生城市（DT 城市）概念模型

數字孿生城市的理論基礎是數字孿生，而數字孿生又和數字工程、系統工程特別是基于模型的系統工程密切相關。美空軍在2013年發布的《全球地平線》頂層科技規劃文件中，將數字線索和數字孿生視為“改變游戲規則”的顛覆性機遇。西門子公司提出了“綜合數字孿生體”的概念，其中包含數字孿生體產品、數字孿生體生產和數字孿生體運行的精準的連續映射遞進關系，最終達成理想的高質量產品交付。2018年7月5日，美國國防部正式對外發布“國防部數字工程戰略”。數字工程戰略旨在推進數字工程轉型，將國防部以往線性、以文檔為中心的采辦流程轉變為動態、以數字模型為中心的數字工程生態系統，完成以模型和數據為核心謀事做事的范式轉移。

2.數字孿生與數字孿生城市

數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、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，從而反映相對應的實體的全生命周期過程。數字孿生的本質是基于數據線索的控制。數字孿生七要素是：物理空間、數字空間、數據、模型、控制、管理、服務。信息物理系統(CPS)是一個綜合計算、網絡和物理環境的多維復雜系統，通過3C 技術的有機融合與深度協作，實現大型工程系統的實時感知、動態控制和信息服務。數字孿生建立在信息物理系統基礎之上，更加側重于數據和模型，聚焦數字工程管理與技術兩個層面，促進管理與技術深度融合，為世界提供一種通用的智能基礎理論及發展范式。

為什么要發展數字孿生？數字孿生具有如下重要作用：提升生產效率，提升協作效率，提供通用智能基礎設施。因此，數字孿生提供了一種產業新引擎，可賦能城市和社會治理。一個事實是：工業界有一種“工業領域1%的革命”的說法，即全球工業的生產效率提升1%，成本將減少300億。數字孿生能在工業、城市、交通、建筑、環保等各個領域帶來顯著的效率提升，未來將帶來成本的極大下降。在新一代智能基礎設施的推動下，數字孿生理念逐步延伸拓展至多行業。數字孿生正在成為通用智能基礎設施。

數字孿生城市三要素是：數據、模型、服務。當空天地一體化網絡、智能無人系統等技術充分發展起來以后，傳統城市電子地圖精度提升近百倍，實現高精度實時城市三維建模成為可能，數字城市孿生具備技術條件。各類業務平臺系統數據、物聯網終端數據、城市三維模型數據通過有序組合形成城市之數字孿生體，在城市數字孿生體中存在各類智能模型與算法，與城市業務融合后，可產生各類有價值的城市服務。

三、基于多粒度數字孿生城市的現代城市治理模式構建

1.多粒度數字孿生城市

從系統工程視角看，智慧城市可看作是以城市信息模型（CIM）為數字孿生體的復雜系統工程。由于城市要素的多元化、多顆粒度現實，城市復雜系統工程具有多粒度特點，因此，需要構建多粒度數字孿生城市才能刻畫出真實的智慧城市。

從系統工程視角分析，數字孿生城市系統可以按粒度分為設備級、系統級、復雜系統級、復雜巨系統級四個系統層級，且自頂向下具有包含關系。

多粒度數字孿生城市的建模仿真可采用SysML 工具。通過將SysML模型和領域專業模型之間建立雙向數據映射和交換，可實現多個領域模型與系統框架模型之間的跨域集成。利用SysML 為數字樣機提供準確的系統框架，通過定義好的系統框架模型將大量的數字信息交織在一起，系統框架模型有助于緊密連接系統邏輯和行為設計的需求。

2.數字孿生視角的城市信息模型構建

數字孿生強調仿真、建模、分析和輔助決策，側重的是物理世界對象在數據世界的重現、分析、決策，而可視化做的就是對物理世界的真實復現和決策支持。基于海量數據信息，通過數據可視化建立一系列業務決策模型，能夠實現對當前狀態的評估、對過去發生問題的診斷，以及對未來趨勢的預測，為業務決策提供全面、精準的決策依據。

圖2 工業制造視角的數字孿生城市內涵

圖3 數字孿生與物聯網比較

基于大數據和知識工程的多粒度城市治理需要一套能夠指導實踐的模型，本文提出一種數字孿生城市數據閉環生態模型，如圖5。

數字孿生城市應用系統數據建模思路：以“業務需求”為起點和中心，以“數據互聯互通”為根本，從數據源抽取以下城市核心主題：人、物品、交通工具、環境、制度、案件、事件。構建包括以下四大組成部分的閉環數據生態模型：（1）數據中臺。又包括業務數據庫、知識庫、模型庫。（2）數據服務總線。（3）城鄉應用生態。包括國家級、省級、市級、縣級、鄉村級5個層級。（4）數據反饋線。提供定期和實時兩類數據。基于閉環數據生態模型構建形成融智能業務體系和數據資源體系為一體的數據綜合集成模型，可滿足城市復雜多變的應用場景需求，同時具有抗突發事件的足夠應急能力和持久韌性。

知識庫和模型庫融合貫通后形成大數據智能體系，包括三部分：業務知識圖譜、知識應用操作系統、決策駕駛艙。知識應用操作系統的核心機制是：業務可編程，業務流程可定義，智能業務模型可定制開發,智能業務模型可自動生成。

基于大數據和知識引擎的城市數字孿生體系構建方法如圖6。

3.智慧城市建設和治理的瓶頸及發展建議

圖4 數字孿生城市數據閉環生態模型

圖5 基于大數據和知識引擎的城市數字孿生體系構建

一方面，開發構建數字技術體系，充分發揮數字新基建的支撐作用；另一方面，加強現代城市治理體系建設，城市信息模型與數字孿生城市同步推進。數字技術體系建設方面包括以下重點：提升底層技術自主可控能力，打造海量數據智能敏捷互聯城市；基于數字新基建構建城市信息模型CIM。現代治理體系建設方面包括以下重點：擁抱系統思維，打造數字孿生城市；構建人-機融合智慧治理體系；推進多元共治體系建設，構建更加公平化、公正化、法制化、民主化、文明化的社會環境。

基于城市信息模型的城市現代化轉型發展路徑，實現邏輯為：（1）構建城市信息模型CIM；（2）建設城市信息模型驅動的智慧城市；（3）基于CIM和智慧城市構建現代城市治理體系；（4）在現代城市治理體系的推動下，逐步完成城市現代化轉型發展。在以上進程中，數字孿生城市將貫穿于智慧城市和現代城市治理體系之中，城市信息模型（CIM）、智慧城市、現代城市治理體系共同勾勒出基于模型的城市治理體系總體框架。

基于數字孿生的城市信息模型及城市治理進一步發展建議：（1）以數字孿生為理論和技術支撐構建超大城市及城市群現代治理體系，構建數字孿生城市理論體系，豐富中國現代城市治理理論體系；（2）研發城市多數字技術融合引擎（CityDTEngine），并基于CityDTEngine和數字孿生城市構建城市信息模型（CIM）；（3）面向城市超大規模物聯感知場景需求，提出并研究多物聯點感知、多觸點控制、多業務領域協作、多城市系統協同的泛在并行協同計算理論、方法與技術；（4）提出并研究超大規模城市數據治理方法與技術，提出分布式實時大數據智能處理新算法，從采集層到管控層構建貫穿城市群全領域的數據標準；（5）提出并研究超大規模城市網絡融合方法與技術，構建“一張網”下的高效便捷業務處理體系，制定感知層、邊緣計算層等關鍵技術裝置的先進網絡通信標準。