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目前，中国的城市化水平已经超过了60%，接近并超过发达国家75%的城市化率只是时间问题。城市管理的技术和手段亟待提高，智慧城市建设方兴未艾，数字孪生城市的概念已进入大众的视野，且已纳入了各个国家的发展规划。发达国家和地区已经有数字孪生城市建设的成功案例，该技术将在未来的城市发展、城市管理上发挥关键的作用，给我们带来全方位的深刻变化。

我国数字孪生城市最早兴起于2017年，从被提出后热度不断上升。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中明确提出“完善城市信息模型平台和运行管理服务平台，构建城市数据资源体系，推进城市数据大脑建设。探索建设数字孪生城市。”数字孪生城市是智慧城市下一阶段建设的起点，也是未来智慧城市发展的愿景。数字孪生城市基于智慧城市建设积累的数字化基础，搭建城市数据模型，利用数字孪生技术为城市进行数字化还原和仿真，实现物理城市与数字城市之间虚实映射和实时交互，增强城市系统性的自适应能力，提升城市可持续发展能力。

一、数字孪生城市的建设背景

随着我国城镇化进程持续加快，城市逐渐成为国民经济发展的主要载体与核心引擎，智慧城市建设数量快速增加，服务内容越发广泛，发展规模不断壮大，建设成效显著提升，并成为推进城市高质量发展的重要途径，也是现阶段建设数字中国的核心载体。在数字中国战略持续深入实施的背景下，城市建设将深化数字与城市融合，持续推动新型基础设施的建设与布局，创新数字经济发展活力，加快数字应用场景创新和服务创新，加速数字孪生技术在智慧城市建设中发挥的重要驱动力。

    数字孪生技术以建模、数据采集、分析预测、虚拟仿真等技术为基础，并与人工智能、5G、边缘计算、区块链等前沿技术深度融合，进而打造了物理维度上的实体世界和信息维度上的数字世界同生共存、虚实交融的格局，数字孪生技术是新一代数字浪潮下数字科技集成创新与应用的典型代表。数字孪生技术因为具有实时性、可视化、保真性、可扩展性、互操作性等优势，可以广泛应用于各类城市运行场景。随着数字孪生技术的不断成熟，其在城市数字化转型中的应用将不断扩展和深化，未来数字孪生技术在智慧城市中的作用将更加突出和重要。

二、数字孪生城市建设的基本情况

从发展脉络来看，数字孪生城市建设将成为以物理城市为基底，数字科技革命浪潮下的必然产物。在数字孪生世界中，数字城市是物理城市场景的衍生品，与物理城市融合共创，并最终实现价值再造。从目前我国各地区数字孪生城市建设内容来看，一般包含打造全域城市智能感知体系、万物互联网应用体系、全域全量数据资源体系、三维实景建模与城市智能模型(CIM)、先进高效算力体系、智能运维与AI决策等内容。同时，数字孪生城市建设搭建了基于数字技术形成的数字城市底座，为开展一系列场景化应用打造基础。例如，将数字孪生应用在城市防灾减灾中，通过打造对自然资源和基础设施的智能感知、实时监测、风险和运行态势研判、多维度可视分析等功能，进而有效提升水利、城管、应急等部门的业务处理能力，并有效提升城市内跨部门决策和资源协调效率。

2022年，我国数字孪生城市市场规模为55.7亿元，数字孪生城市建设进入快车道。从数字孪生市场上的应用领域看，数字孪生技术在智慧水利、智慧能源、城市综合管理、智能制造、智慧应急、教育教学、智慧环保等领域已经开展了广泛应用。未来，随着数字孪生技术的不断发展和演进，城市数据采集和迭代能力不断完善，CIM、地理信息、数据建模与仿真等技术不断成熟和融合应用，数字孪生应用领域不断拓展。预计到2023年，我国数字孪生城市市场规模将突破100亿元。

三、数字孪生城市建设的价值与存在的问题

数字孪生城市将成为智慧城市建设的重要驱动力，并在智慧城市发展过程中扮演重要角色。数字孪生技术作为大数据、人工智能、地理信息等多种新技术集成的最典型代表，以其技术的独特性与综合性赋能智慧城市建设，不仅有助于解决复杂城市问题，更助力实现城市发展的高效、可持续和智能化。

一是，数字孪生城市深度挖掘城市数据价值。数据是数字经济时代最活跃、最核心的生产要素，蕴含着巨大的社会经济价值。数字孪生城市建设关注城市数据资源的生产、积累、应用和更新，数字世界构筑的关键是全面整合城市中的各类感知数据和动态数据，数据的动态更新也成为了数字孪生城市建设的关键。

二是，数字孪生城市建设加速提升城市治理水平和效能。随着城市规模不断扩大、运行越发复杂、资源流动性日益增强，数字孪生城市更加注重利用数字技术实现对城市运行和发展的全方位监测与治理，从服务城市管理和发展的角度提高城市运行效率和治理水平。

三是，数字孪生城市赋能城市千行百业服务优化。数字孪生城市建设核心是要深度挖掘城市全域数据价值，通过有效调配公共资源，赋能城市高质量发展。基于数据价值的深度挖掘，数字孪生城市实现了基于互联网的业务协同，以数字化提升城市千行百业的管理效率和服务质量，加速城市内行业间的融合与贯通。

目前，我国数字孪生技术在城市数字化中的应用尚处于初期阶段，在政策推动和理念推广下，很多城市和政府也都提出了建设数字孪生城市的目标。但从实际建设情况来看，数字孪生技术尚处于高速迭代阶段，其在数字城市应用中尚未建立完整的规范标准体系。

一是数字孪生城市的建设基础需要全要素数据支撑，投资大、成本高。数字孪生城市建设的关键是采集并动态更新城市全生命周期全要素相关数据，强调数据融合，如信息物理虚实融合、多源异构融合等。一方面，在数字城市范围要构建多维、多尺度的虚拟城市模型需大量数据，城市需要广泛布局传感器并进行海量数据采集，不仅投资大、采集难度高，并且在采集后进行数据标注和清洗处理等方面也具有极大的挑战；另一方面，对于虚拟城市的维护需要实时动态且连续不断地更新数据，数据更新和维护成本高。

二是数字孪生城市建设需要解决信息资源共享、整合和跨部门利用难题。数字孪生城市建设中最难解决的仍是信息资源共享、整合、有效利用和跨部门业务协同的问题。数字孪生城市需要建设城市信息模型(CIM)，围绕城市全域数据开展端到端的管理运营，通过构建完善的数据资源体系、数据应用管理机制，实现信息资源的共享、整合、有效利用和跨部门业务协同。

三是如何利用智慧城市建设积累的成果赋能数字孪生城市建设提速，避免重复投资，成为数字孪生城市建设突破的难点。

在国家政策推进下，各地城市物联感知、视频一体化、算力一体化、CIM三维模型一体化、数字资源等已建功能性平台趋于完备，已经完成条线层面的统筹集约建设。与此同时，在数字化改革、数字化整体转型要求下，一网统管、一网通办等需求推动下，各类平台正加速融合性发展，形成城市级数字孪生底座平台。部分地区先行先试，已采取规建模式、大数据模式、新城新区模式等牵头机制开展城市数字孪生底座平台建设，但仍面临只能看不能用的问题，急需打造能力集成、生态开放的城市数字孪生底座平台，实现可扩展、低代码、积木式的服务化供给方式。

四、城市数字孪生底座平台建设现状

城市各类功能性平台初步实现统筹一体化建设。近年来，各级政府部门围绕物联感知、视频、CIM、数据资源、算力、政务服务事项、一网统管等主题，明确牵头责任主体，开展统筹一体化建设，取得显著成效。

物联感知平台为城市全要素数字化虚拟化夯实基础，截至2023年10月，我国已经有超过100个地级市发布城市级物联网平台建设任务，其中北京、上海、广州、深圳等特大城市较早开展该项工作。视频一体化平台为实景孪生、智能发现奠定基础，在“雪亮工程“推动下，全国45个示范城市（区）重点公共区域视频覆盖率达到96%，基本达到“全域覆盖、全网共享、全时可用、全程可控”的“视频感知一张网”。

CIM平台与实景三维平台成效显著，有力支撑数字孪生可视呈现，据全国招投标统计，从2018年至2022年CIM平台相关招标量增长率超过了200%。数据资源开放共享需求推动下，数据资源一体化建设形成普遍共识，截至2023年初，国务院所属53个委部局、31个省（自治区、直辖市）和新疆生产建设兵团均建设一体化数据资源平台。

算力一体化平台推动算力资源从分散建设到统一管理，截至2022年底，全国超过70%的地级市建设了政务云平台。城市一网通办、一网统管等治理平台创新实践逐步深化。

五、城市数字孪生底座平台建设存在的不足

现有平台功能单一，难以支撑跨部门复杂业务，平台趋向融合发展。随着智慧城市、数字孪生城市建设深入，城市业务需求复杂多变，城市现有功能性平台瓶颈日趋明显。

物联感知、视频资源等平台为数字孪生城市提供实时数据，但数据供给仍以“流数据”形式服务，数据二次加工、智能分析等能力还未释放。

CIM平台、实景三维平台等逐渐构建起城市数字底板，提供统一的空间定位框架，但由于缺乏动态数据融合，“CIM+应用”主要集中在城市规划、建设、对象管理等领域，实景三维平台应用主要集中自然资源管理，城市复杂系统分析、仿真推演等深层次应用需求难以满足。

城市大数据中台实现对城市数据资源统一归集、统一治理、统一服务，但平台功能主要聚焦在结构化政务运行数据上，数据融合不够，数据类型不多。

基于以上原因，地方政府加快开展平台融合互通，打造城市数字孪生底座平台，满足两大需求：

一是统一共性数据来源，解决不同平台数据一致性问题，如城市三维数据底板使用哪个平台为基准。

二是了解全维度数据，支撑全面性分析，如针对交通路口，既要了解实时流量，也要了解路口三维框架，还要了解信号灯调控情况等，有利于实现交通综合决策。

六、城市数字孪生底座平台建设趋势

模块化设计，构建“功能组件库”。组件化是一种可选择的软件开发模式，可将现有GIS、BM、可视化渲染、仿真、IOT等基础引擎，以及AI、仿真、大模型等能力，在城市统一的数字孪生体数据格式、实体数据表达结构上，拆解为不同功能或模块划分为独立的组件，通过API等接口进行连接，形成一个灵活、可扩展的“功能组件”库，为上层应用按需调用。

这些组件还可以分别进行开发、测试和维护，从而提高整个平台的可维护性、可扩展性、开发效率和灵活性。组件类型包括基于标识属性建设数字资产管理能力组件；基于几何属性构建孪生体几何模型能力组件；基于时空属性构建时空分析能力组件；基于状态属性构建IOT物联能力组件等。

低代码、积木式搭建城市数字孪生应用场景成为可能。基于底座平台能力，构建数字孪生低代码开发中心，以组件化、低代码、配置式支持应用场景建设。

面向政府或企业内部的城市数字孪生底座平台，可在平台里建立低代码开发中心，提供数字孪生体资产的自由编排、数据自动导入、实体关系关联以及业务挂接等低代码服务能力，支持开发者快速配置定制简单业务场景。

面向外部企业和个人，可在公共开放平台中建设城市数字孪生低代码开发中心，对外开放脱敏的数据服务、组件服务。开发者中心将整合丰富的开发接口或开发工具包及开发指南等说明文档，提供WEB开发、APP开发、各类API服务、文档参考、开发工具下载等功能，支撑应用场景的开发和建设使用。

七、城市数字孪生底座平台建设作用

数字孪生城市建设成为有效促进治理能力现代化的重要手段，降本增效成果显著。依托精准映射、虚实交互、模拟仿真、智能干预等功能特性，数字孪生既能解决城市规划、设计、建设、管理、服务闭环过程中的复杂性和不确定性问题，还能驱动城市治理模式、服务模式、运营模式快速变革，同时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。降本增效方面，如雄安新区建设基于数字孪生的数字道路智能化项目，有效避免路侧设备多部门重复建设，建设成本降低30%。预测决策方面，如济宁南四湖二级坝利用数字孪生技术实现流域预报精度提高10%以上。

数字孪生城市成为培育产业新赛道的重要引擎，能够提振传统生态，培育创新业态。数字孪生城市有效汇聚了地理信息系统（GIS）、建筑信息模型（BIM）、各类实体对象、物联状态感知、业务流程等多类型数据，是涉及标识、感知、孪生建模、可视化渲染、仿真推演、虚实交互等多环节、多学科的技术创新簇群，覆盖上游基础设施、中游平台技术、下游生态应用等产业链条，应用范围广，产业带动性强，将有力推动信息技术产业高质量发展。根据MarketsandMarkets报告，预计到2028年,全球数字孪生市场规模将增长至1101亿美元，复合年增长率（CAGR）达到61.3%。长期来看，产品、装备、产线、工厂、建筑、道路都可以构建数字孪生模型，具备丰富语义信息，尤其是政府管理的、高价值的公共数据，“单体化”的组织方式有利于形成独立的便于流通的新型数字资产，有助于改善数据难运营困境。

随着AI大模型快速发展，城市数字孪生体将实现自动化构建，并持续迭代丰富其属性内涵，城市所有业务场景均可转变为数字化算法模型，城市加快从传统的物理实体转变为复杂而智能的数字生态系统，将具有更高的自主性、智能化和自适应。未来，将形成数字孪生城市3.0，即数字城市将具备所有现实世界的运行规则和社会关系，可实现自动生长、自行决策、虚实共生，所有公众均具备“数字市民身份”，可通过虚拟现实设备进入数字城市，实现沉浸式体验，达到机器智能和人的智慧高度协同的高级状态。

八、智慧城市数字孪生底座建设

数字孪生城市通过对城市设备设施、运行动态、人口、经济、民生、政务等全要素的数字化和虚拟化，打造一个在数字世界运行，并与现实世界城市运行完全一致的“孪生城市”，借助智能大屏、城市仪表盘、领导驾驶舱、数字沙盘、立体投影等形式，实现城市状态的实时化和可视化，有利于城市管理的决策协同化和智能化。

数字孪生城市底座，是服务于数字孪生城市建设，支持数字孪生城市各类数据和应用服务的核心能力平台。数字孪生城市底座从数据融合一体化、平台服务一体化、分析决策一体化和协同指挥一体化四个方面为数字孪生城市建设提供数据融合供给、全要素数字化表达、可视化呈现、物联感知操控、空间分析计算、虚实融合互动、模拟仿真推演、自学习自优化、众创扩展等能力。

数字孪生城市底座通过数据融合，改变原有智慧城市数据的石墨层级结构为立体且相互关联的钻石结构，提升了数据维度，使数据组织方式更接近现实世界，结合平台提供的分析、仿真、预测等技术能力，能够实现深度挖掘数据潜力，释放数字孪生价值。

依托数字孪生城市底座可有效赋能包括城市治理、城市安全、城市应急、水利水务等应用场景，实现孪生城市与物理城市同步规划、同步建设、同步运行，以未来视角智能干预城市原有发展轨迹和运行，进而指引和优化实体城市的规划、管理，改善市民服务供给，赋予城市生活“智慧”。

数据融合一体化：汇聚多源时空信息，建立数模语义映射和数据深度融合机制，实现自然与城市融合、GIS与BIM融合、室外与室内融合、地上与地下融合、现实与数字融合、时序与空间融合，并通过数据管理和数据按需组装能力构建跨域场景模型，实现数据持续更新和共享公用。

平台服务一体化：建立人机共享、统一标准、按需表达、分布式计算等能力体系，整合数字孪生城市系统中繁多的中台能力和算力，实现各系统间的协作通信、数据共享交换，为城市管理和城市治理提供统一数据服务、统一平台服务、统一门户管理以及统一应用管理。

分析决策一体化：数字孪生城市底座提供丰富的底层算法和仿真模型，综合运用数据、算力、算法，分析城市运行数据、仿真城市运行发展、推演预测城市运行发展态势和结果，从而为城市智慧化运行、政务服务、商业发展、产业招商、城市管理等业务应用提供智能化分析决策支持能力。

协同指挥一体化：数字孪生城市底座具有统一平台、统一通信、统一部署、统一指挥、统一调度能力，使城市管理部门及时掌握城市运行动态和态势，及时感知风险和隐患，实现城市管理、城市治理、城市安全和生态环保等领域的多个部门信息共享、意见互通、决策一致、协同指挥，以及各类资源一体化调度。