“十四五”规划纲要中明确指出，要迎接数字时代，激活数据要素潜能，推进网络强国建设，加快建设数字经济、数字社会、数字政府，以数字化转型整体驱动生产方式、生活方式和治理方式变革。数字孪生作为数字化技术发展的高级阶段，成为推动城市治理数字化转型的重要组成部分。

1  数字孪生推动城市治理发展的现状

1.1  数字孪生的定义及关键要素

随着大数据、云计算、人工智能、物联网等新一代信息技术迅猛发展和融合运用，数字孪生技术愈发获得关注，应用对象由最初的制造业转向更为广阔的空间，在医疗、交通、安全等城市运行领域开展了应用探索。数字孪生的理念最早由Grieves教授于2002年在美国密歇根大学提出，随后，NASA在2012年首次提出“数字孪生”的概念^[1]。目前，数字孪生还没有形成明确的定义，一般认为，数字孪生通过多时空尺度、多物理量、多学科的仿真过程集成，实现物理实体在虚拟信息空间的全生命过程镜像映射^[2]。

数字孪生主要包括数据、虚拟现实、人工智能、应用场景4个关键要素^[3]。数据是数字孪生建设的基础要素。数据是构建数字孪生空间的基础资料，是连接物联空间与数字空间，实现物理空间向数字空间一一映射、数字空间对物理空间进行模拟仿真的必要资源。从广义层面来理解，数字孪生属于大数据涵盖的范畴内，但更聚焦在数据应用层面,主要包括数据建模、数据分析，即通过数据分析应用辅助物理世界决策更加科学。虚拟现实是数字孪生的重要特征。虚拟现实技术依托计算机仿真系统，通过为用户创建一个近乎真实的模拟环境，提供高度沉浸式的体验感受。在数字孪生空间的建设中，虚拟现实技术基于现有数据，参照物理空间的各种元素，在数字空间中“复刻”一个虚拟化的孪生体，形成了各种可看、可控、可互动、可感受的虚拟化场景。人工智能是数字孪生价值的实现关键。数字孪生建设的最终目的是规避物理世界中存在的风险，提供更好的决策指导。所以，构建分析与预测能力是数字孪生建设的重要价值导向。机器学习、深度学习等人工智能技术可以通过数据分析对结果进行预测，并基于用户的个性化需求给予相关的建议指导。因此，可以将人工智能技术视为实现数字孪生目标价值的最佳工具^[4]。应用场景是牵引数字孪生的驱动力量。数字孪生的精准映射、虚实交互等特征，决定了其建设的所有实体场景都将在数字空间得到虚拟映射，基于两个空间场景交互能力，通过对数字场景的预警推演，倒逼物理实体场景优化进阶，不断提高数字孪生的实战水平与实用能力。

1.2  数字孪生城市治理技术支撑

城市是一个复杂的开放性巨系统，有着丰富多样的功能，并与外界存在着大量的交互活动，带来了庞大的城市治理需求。数字孪生技术在城市治理领域的应用探索，驱动城市治理的主战场由物理空间向数字平台全面转化，通过数字城市与物理城市的实时映射与虚实交互，形成数字与物理的系统耦合，打造双螺旋式的上升模式，让城市治理逐步向可视化、智能化、精准化、互动化发展，推动治理更加高效、流程更加精简、决策更加科学^[5]。

数字孪生城市的技术体系较为复杂，基本融合了当下所有的信息通信技术。总体来看，其技术框架主要包括3个部分^[6]。一是基础设施层，用于数据获取与传输，主要包括运用BIM、CAD、GIS、RS等技术，对地面、地下、建筑等城市基础空间的静态信息进行采集；利用传感器、摄像头等多种智能感知设备，对城市运行中的道路交通、能源使用、应急事件等动态信息进行采集；布局5G、光纤、NB-IoT等构建形成泛在高速的城市网络体系，对海量数据进行及时传输。二是信息中枢层，用于数据接收、处理、传导、建模，主要包括数据管理平台，对全域范围内不同来源、不同类型的多源异构全量数据进行汇聚集成，并通过数据流的方式，将治理好的数据传输到数字孪生城市模型平台，经三维建模、数据呈现、综合渲染后，实现对城市状态的可视化表达。三是应用服务层，赋能实际业务场景应用，主要包括建立智能操控体系，对智能化的市政基础设施、交通设施等进行远程化操控；运用自然语言处理、机器学习、知识图谱、计算机视觉等人工智能技术对城市运行状态、运行规律进行整体认知和洞察，生成最佳决策辅助城市规划、建设和管理^[7]。

从技术支撑情况来看，数字孪生城市的建设主要依靠五大技术簇^[8]相互集成，包括感知和标识技术、空间地理信息技术、建模与渲染技术、算法与仿真技术、交互与控制技术。在这一技术体系下，数字孪生城市形成了九大应用能力^[9]：一是物联感知控制能力，用于采集城市运行体征，实时反映城市运行状态；二是全要素数字化表达能力，通过构建语义信息模型，实现数字世界与物理世界的精准化映射；三是可视化展现能力，通过对数字空间环境进行渲染，让数字世界可观可看；四是数据融合供给能力，通过数据治理，提高数据资源的开发利用水平；五是空间分析能力，挖掘三维空间内的要素关系；六是模拟仿真推演能力，预测城市运行状态；七是虚实融合互动能力，实现对物理空间的可观、可控；八是自学习自由化能力，基于算法不断优化风险应对措施；九是众创扩展能力，基于平台的开放性，实现能力和应用的持续扩展与创新。

1.3  数字孪生城市治理运行现状

自2017年数字孪生城市在国内兴起以来，包括河北雄安新区、北京、上海、浙江等在内的多座城市先后提出数字孪生城市（见表1），阿里、腾讯、华为等互联网、通信行业巨头相继入局，“政策+技术”双轮驱动下，数字孪生城市理念和概念逐渐丰富，技术架构和建设路径不断清晰明确。

上海黄浦区推出数字孪生底板和数据资产的双管齐下模式，以数字孪生为载体打造城市数字治理最小管理单元，汇集各类基础数据、监测数据，构建系统化的数字生命体征。黄浦区先后对历史建筑南京大楼、历史街区田子坊等城市名片和经典地标进行试点，一方面基于数字孪生PaaS平台能力，融合云计算、大数据、AI、边缘计算、5G等多种先进技术，通过空间地理数据、平面/立面/切面/管线CAD图纸、建筑效果图/实拍图等相关资料，对试点地标和周边进行了超精细建模，利用3D渲染引擎实现了建筑外观、内部结构和周边街道的视觉还原。另一方面为了满足市场主体和政府管理主体实时数字化的管理要求，通过接入政府业务数据、专业机构数据、物联感知数据、门店管理数据、环境数据等多维实时动态数据，最后，聚焦客流管控、消防安全、疫情防控、房屋安全、店招店牌管理、高空抛物等高频场景进行开发，通过仿真模型进行推演，在数字场景内驱动行动，实现对事件的处置逐步由经验判断向智能研判升级，让城市安全治理也迈上数字化的新台阶。

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