在城市资源、环境、物理空间发展约束日益增加的新常态背景下，以数字孪生等为代表的数字技术正加快推进城市数字化转型，对城市经济、社会、生态等进行体系重构、流程再造、能力重塑。数字孪生城市成为城市数字化转型的前沿方向和重要实践，背后是转型需求、技术演进、政策引导和产业促进4大驱动力。本文提出涵盖数字设施、底座平台、场景建设，以及组织机制、标准规范、运营支撑、安全保障体系的数字孪生城市发展框架。本文在深入分析数字孪生城市认知、技术、模式、安全等4方面挑战的基础上，从分类规划有序布局、坚持需求引领建设场景、强化底座平台赋能、注重数据安全保障与加快产业培育等方面，提出符合我国城市数字化转型发展要求的数字孪生城市规划策略与发展建议。
联合国《2030年可持续发展议程》提出“建设包容、安全、韧性和可持续城市和社区”的目标，城市可持续发展目标的实现，既依赖数字技术的创新与赋能，也需要政策支持与机制变革。数字孪生城市（digital twin city）正是面向未来可持续发展提出的城市规划建设新理念与新模式，是数字技术革新与城市运行机制创新的有效结合，是城市升级的可行路径。数字孪生城市通过物理城市与数字城市的精准映射、虚实融合、软件定义、智能干预，实现城市全要素的数字化、全状态的实时化，解决城市规划、设计、建设、管理、服务闭环过程中的复杂性和不确定性问题，驱动城市治理模式、服务模式、运营模式快速变革，促进城市生产协同高效、数字生活便捷包容、生态环境绿色低碳，助力城市可持续发展。
1.1 全球数字孪生的当前态势
目前，数字孪生城市已成为城市转型发展、构筑城市竞争新优势的战略选择和重要路径。中国、美国、欧盟、英国、法国、新加坡等多地区均发布相关政策，引导数字孪生城市探索建设。
全球主要经济体数字孪生的相关政策
来源：中国信息通信研究院整理。
数字孪生应用向经济社会各领域全面延伸。从国内应用实践看，在大基建政策和投资带动下，制造、能源、城市/园区、交通、水利领域孪生应用成为现阶段集中度和热度最高的板块，其中数字孪生技术在制造领域的应用占比高达10%，在能源方面的应用占比达9%。
来源：中国信息通信研究院、世界经济论坛（WEF）。
从海外应用实践看，在城市可持续发展理念引导下，公共服务/管理、社区发展，以及智能建筑孪生应用较热，在统计案例中占比达到40%以上。
来源：中国信息通信研究院、世界经济论坛（WEF）。
1.2 数字孪生城市的内涵特征
笔者认为，数字孪生城市是通过数据标识、物联感知、网络连接、智能控制等技术，在数字空间再造一个与物理城市相互映射的数字城市，全息模拟、动态监控、实时诊断、精准预测现实城市的运行状态，推动城市全要素数字化、全状态实时化，准确反映物理实体城市状态的同时，可精准操控、智能优化现实城市，实现物理城市与数字城市平行运转、协同交互的城市发展新形态。数字孪生城市是智慧城市发展的新型支撑技术体系，是城市智能运行持续创新的前沿先进模式，具备精准映射、分析洞察、虚实融合、智能干预4大特点。
1.3 我国数字孪生城市发展背后的4大驱动力
1.3.1 转型需求驱动，城市转型升级亟待科技赋能
改革开放以来，我国经历了世界历史上规模最大、速度最快的城镇化进程，同时也积累了一些问题。在供给侧，我国的超大城市已有资源承载力、中小城市经济社会集聚力均面临挑战，部分城市老旧房屋和市政管线存在安全隐患。在需求侧，政企民各方对城市生产生活、城市治理精细化、城市服务便利化、城市应急响应敏捷化等提出更高需求。以数字孪生技术等为代表的新一代信息技术，缓解城市发展中人口膨胀、交通拥堵、资源紧张等“城市病”问题，满足政企民对城市发展多元化的需求，为数字孪生城市发展奠定现实需求基础。
1.3.2 数字技术驱动，集成创新时空深度融合日渐成型
从技术赋能发展历程看，我国数字技术赋能城市转型大致经历4个阶段。一是表单数字化（2008—2012年），驱动力来自医疗、交通等行业条线信息化、数字化建设，企业引导带动。二是业务流程数字化（2012—2016年），驱动力来自以数字技术驱动业务流程融合和系统整合，“一网通办”“互联网+城市服务”兴起，加速数字技术全面应用。三是决策数字化（2016—2020年），以数据分析驱动为主，通过大数据等技术挖掘数据背后的复杂规则，推动决策从经验化向自动化、智能化转变。四是全面数字化（2020年之后），以数字孪生驱动为主，在单行业数字化水平较高、单项技术应用较深、静态数据汇聚较全的基础上，逐步向业务时空化、技术集成化、数据实时化发展。通过推进空间孪生、单体孪生、关系孪生、流程孪生等，带动城市物理空间、数字空间深度融合，进入以“数字孪生驱动”的城市数字化转型新阶段。
1.3.3 政策引导驱动，数字中国蓝图下的政策协同支持
我国国民经济和社会发展“十四五”规划纲要中明确提出“探索建设数字孪生城市”。住建部、自然资源部、水利部等多部委加强了对数字孪生产业、人才、技术、应用等政策支持力度。工信部联合五部门印发《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022—2026年）》，提出强化虚拟现实与数字孪生等技术相结合，在工业生产、文化旅游、智慧城市开展应用。水利部提出“数字孪生流域是智慧水利建设的核心和关键”，并发布《数字孪生流域共建共享管理办法》，明确具体建设内容。自然资源部印发7个新型基础测绘与实景三维中国建设技术文件。国家能源局、铁路局也提出要加快数字孪生等前沿技术的应用。国家多部委政策支持，为数字孪生城市建设提供了良好的政策环境。
1.3.4 产业促进驱动，产城融合提供创新孵化土壤
以数字孪生城市为抓手，驱动城市设施互联、数据互通、经济转型、产城融合，为各地数字孪生城市提供了有效的参考路径和广阔的发展空间。我国数字孪生城市的相关技术企业数量保持快速增长趋势，已成为带动产业发展、促进市场主体壮大的新兴力量。同时，深圳、上海、苏州等地积极布局数字孪生新赛道，以数字孪生城市促进产城融合发展。
2.1 数字孪生城市的运行逻辑
数字孪生是指数字实体和物理实体之间的相互共生状态。数字孪生技术是一种整合了数据、模型和物理设施的综合集成技术。数字孪生城市是通过数字孪生技术收集一个城市实体的数字孪生体。本文从信息流的视角，充分考虑现实城市与数字空间城市的虚实共生，按照信息流从实到虚、信息重组（分析洞察）、以虚控实的全过程，将数字孪生城市的运行逻辑分成4部分，即现实城市的数字设施域、数字空间城市的数据域、能力域和业务域。
2.2 数字孪生城市的总体规划框架
本文基于智慧城市技术演进、需求迭代与机制变革，充分考虑数字孪生城市的运行逻辑，提出数字孪生城市的“三横四纵”的七要素总体规划架构，其中数字基础设施、数字孪生中枢、数字孪生应用是“主体规划框架”，组织机制、安全防线、标准规范、运营体系是“支撑保障支柱”。
2.2.1 主体规划框架
数字基础设施，助力现实城市精准映射至数字空间。涵盖采集设施、连接设施、计算设施等3大类数字基础设施，承载城市全要素数据的采集生产、传输与分析计算。
数字孪生中枢平台，形成核心能力全面赋能数字城市发展。数字孪生中枢作为转化城市数据要素价值、赋能业务场景构建的综合载体。数字孪生应用场景，是实现城市规划建设管理运行各领域仿真推演的舞台。数字孪生城市建设目的之一是低成本、高效安全地仿真推演现实城市交通、能源、城管、应急等运行状态，优化现实城市运行效率，提升服务质量。数字孪生应用将更突出基于“数据融合”的多跨领域融合应用，实现城市治理能力现代化。
2.2.2 支撑保障支柱
一是确保组织机制创新，适配数字孪生技术实现双轮驱动发展。二是高标准构建城市安全防线，保障数据要素合规流通、系统安全互联。三是重视建立源头技术标准规范，促进多方快速协同、业务走深拓广。四是建立可持续运营体系，推动由点及面、迭代式建设发展。
3.1 对数字孪生新生事物的认知不足
对数字孪生系统过度乐观与盆景式展现观念并存。注重数字孪生场景价值挖掘而忽视“社会”孪生。此外，对数字孪生城市普遍存在重“物理”属性、轻“社会与环境”属性的现象。构造的数字孪生城市模型通常基于建筑物、街道和自然环境功能的测量数据，而缺乏对城市中的人类交互、活动及社会习俗等社会属性进行建模分析。
3.2 集大成的技术体系亟待新能力培育与国产化
在数字孪生数据采集源头，过去往往忽视对物理传感设备数据采集的尺度、更新频率、存储格式等进行源头规范，造成孪生数据应用难。由于不同技术供应商之间缺乏统一的标准和互操作性，数字孪生城市系统中的技术生态往往存在着高度的封闭性和紧密绑定，从而限制了市场竞争，加大了客户的投资风险。数字孪生渲染与建模等核心环节的国产化能力不足。此外，从产业链角度看，目前我国数字孪生城市领域的上下游产业链还有待完善。
3.3 协同治理机制与商业模式存在短板
当前城市物理空间的“分部而治、分业监管”，在城市数字孪生空间亟需“统一治理、协同监管”。数字孪生城市的商业模式尚不清晰、融资渠道单一、价值挖掘深度不足等成为非技术因素排名前3的关注因素。
3.4 集中攻击风险与数据安全风险加大
数据集聚后带来系统性攻击风险增大。数字孪生要承载城市级多源异构数据的高效存储、加工和呈现，数字孪生与物理世界的“孪生性”“开放性”使得网络攻击的目标范围变大、损害也更具关联性。从基础设施到服务安全，数字孪生城市数据的多层次安全保障体系亟待完善。同时，公民数据隐私面临挑战。结合元宇宙、AIGC等数字技术，数字孪生城市正演化成为一个高并发、大规模、充分开放的复杂巨系统，深度融入人们的生活、生产中。通过数字孪生城市使用或者生成的数据可深入了解人们的行为、偏好和其他敏感信息，如果受到非正常使用或恶意泄露，将对个人、企业、机构组织等产生负面影响。
4.1 坚持开放创新，形成面向数字孪生体的分级分类数字孪生城市系统
引入复杂网络、系统论等理论，构建基于数字孪生体的巨系统。城市作为一个开放复杂的社会物理系统，是持续生长、开放发展的有机体，不应局限在物理空间。可以引入复杂网络理论的多层网络结构概念，从不同的尺度进行关系建模，让市民作为人体传感器记录交互习惯、当地环境，为孪生城市更好地分析决策奠定基础。面向不同层级城市形成分类规划、分级引导的孪生城市规划体系。省会型的数字孪生城市建设应发挥区域示范引领和辐射带动作用，坚持高端高位发展，注重智慧创新孪生枢纽建设和品牌打造。地级市数字孪生城市建设应树立产城融合、以城带产等理念，提高城市产业发展、规划建设和城市服务的智慧化水平。县域城市数字孪生城市建设注重因地制宜，特色优先，尽量复用中心城市数字基础设施，积极推进公共服务延伸。新城新区数字孪生城市建设要积极创新孪生城市运行机制，以机制改革为引领，提升新区数字科技应用水平和管理服务效能。
4.2 坚持需求导向，引领城市因地制宜释放数字孪生应用价值
坚持需求引领，并坚持应用导向、以人为本，优先开放推进一批数字孪生成效显著的综合场景。一是高难度不可见场景，二是高危险灾害性场景，三是高复杂度治理场景，四是反复验证试验场景。构建场景成熟度模型，迭代推进场景建设。分级形成外观孪生、实景呈现的初级应用；机理孪生、点状应用的二级应用；孪生互动、综合集成的三级应用；智能优化、动态推演的四级应用；虚实共生、创新引领的五级应用。并基于场景成熟度模型，开展数字孪生城市场景遴选，建立场景机会识别、场景创新研发、场景应用示范等环节的全流程数字孪生城市应用场景工作体系，加强场景示范推广和动态评估评价。积极探索构建数字孪生商业化可持续运营机制。支持建立面向数字孪生城市的投资基金，成立数字孪生平台和孪生体资产运营公司，开展数据资产运营、孪生技术服务，提供可互操作、安全调用的渲染仿真等云服务，以满足数字孪生的SAAS服务需求。根据数字孪生城市模型的不同精度，将孪生服务有序开放给产业界，促进数字孪生模型二次开发应用。
4.3 强化主流兼容，提升能力解耦的孪生底座平台全局赋能作用
构建能力解耦、场景赋能的数字孪生底座平台。数字孪生城市底座平台应采用能力解耦和模块化设计的方法，将不同的功能和服务拆分为独立的模块，针对物联感知、全要素表达、可视化呈现、数据融合供给、空间分析计算、仿真推演、虚实交互、自学习自优化等数字孪生城市核心能力，通过API等接口进行连接，形成一个灵活、可扩展的系统，推动不同功能模块的独立升级和迭代演进，为上层应用提供基础“功能组件”和兼容主流的开发接口。同时需要基于统一的数据结构和语义模型，进行各类能力引擎的调用与融合，形成协同赋能的支撑能力。横向融合形成多部门协同的底座共用模式。统筹推进数字孪生城市组织体系和管理机制，避免条线分割的单兵作战，逐步形成由城市大数据管理部门统一扎口，统一征集各委办局数字孪生城市底座服务的共性需求，避免出现城市信息模型CIM平台、时空信息GIS平台等重复建设、需求过度满足等问题。大数据管理部门统一管理底座平台建设、共性赋能、数据治理与标准框架，由业务局分头推进领域数据采集、提供底座业务需求、共用底座核心能力，形成底座共用、需求共提、成效共享的模式。
4.4 坚持安全发展，推进国产化加快培育数字孪生城市新产业
强化网络安全及数据安全。分级分类构建孪生城市数据体系，确保分布式安全保障与个人隐私保护。面对全域全时下构建的数字孪生城市，逐步建立起针对不同精度、密级数据的分级分类数据资源体系和监管机制。同时，要充分采取数据去标识化、脱敏等技术手段，并建立有效的用户隐私协议，以最大程度地减少个人身份的识别与泄露风险。加快数字孪生技术国产化进程与产业培育。在数字孪生渲染、城市仿真推演等领域，要进一步加大基础技术、底层技术研发投入，以龙头企业为创新主体，组建产学研用相结合的技术创新联合体，通过集中优势资源，强强联合，向底层算力设施、渲染引擎、实时仿真等领域创新突破，支持国产厂商研发商用数字孪生产品。同时，以大型城市数字孪生城市建设为试点载体平台，培育建立基于信息技术创新的完整数字孪生产业链支持体系，加快推进开源开放模式，加速创新生态的发展壮大。
详情请关注《上海城市规划》2023年第5期《数字孪生城市的驱动力、功能框架与建设路径》，作者：陈才、张育雄、张竞涛、孟楠，中国信息通信研究院产业与规划所。本文内容仅代表作者观点。
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