引言

    近年來，城市化的發展一直是人類社會的焦點話題。作為人口載體的城市給人民的生活帶來了極大的便利。但與此同時，城市化發展也帶來了許多問題。城市化的迅速發展以及不合理的規劃等，導致了城市人口劇增，資源短缺，環境污染，交通擁堵等典型的城市問題。

    2020年以來，由于全球新型冠狀病毒的爆發，也突出了當前城市對于人口流動、信息互聯互通等方面管理運營的不足。傳統上對于城市的管理是被動的，通過對城市實體中已經發生的事件進行收集和處理來管理。而隨著新一代科學技術的發展，如第五代通信技術，云計算，邊緣計算等，信息化的發展也開始了新的進程。科技的發展也帶來了新的解決方法，對城市的主動化管理也成為了可能。

    放眼全球，諸多國家已經對數字孿生技術提出了國家級的戰略政策。中國發布《國民經濟與社會發展第十四個五年規劃和二零三五年遠景目標的建議》提出加快數字化發展，探索建設數字孿生城市。與此同時，國內已經有多個省發布了未來幾年數字孿生發展規劃，各研究院也將其作為重點的研究方向之一。隨著GIS、BIM、CIM等平臺技術的打造和落地應用，數字孿生城市正在成為人類社會研究的重點方向。對于城市問題的下一步解決，數字孿生城市也將起重要作用。

    數字孿生城市概念

    根據美國宇航局的權威定義，數字城鎮結對是指充分利用物理模型、傳感器、使用標記和其他數據，以整合整個多學科多層面的模擬，簡言之，數字孿生就是復制現實世界中的物理身體、系統和過程在網絡空間中形成一個“克隆體”，二者最終形成一個“數字孿生體”。

    數字孿生城市的一個重要應用價值是對虛擬世界和現實世界中的數字系統和物理系統進行相互作用和反饋，以確保整個信息資源收集過程中物理系統和數字系統的協調和適應。數字孿生在智能制造領域發揮著極其重要的作用，有效地促進了生產和設計之間的有效合作。一些研究人員將雙數字化技術的應用從產品延伸到車間和整個企業，實現了全要素、全過程、全業務數據、要素管理、生產計劃的集成和復制。這些雙重數字應用為雙數字化城市的提出提供了有價值的啟示和參考。

    數字孿生城市應用場景

    交通場景應用

    交通系統是一個龐大的系統，但人車混流、機動車占道以及車輛龜速行駛等問題仍然困擾著我國的交通系統。我國交通系統中物聯網的基礎系統比較突出，借助現有的物聯網基礎可以構建數字孿生的道路系統。通過孿生的道路系統平臺實時監控城市道路中的突發事件，做出合理的宏觀調控，來優化道路的利用效率并提升城市的運行效率。

    此外，在不同的日期或時間段，可以通過不同的車流量負載來調節信號燈的時常，平均道路的車流負載，從而實現對擁堵等道路問題的提前解決和規劃。在構建的孿生系統平臺中，通過調節交通系統中的參數，仿真運行道路交通的情況，結合專業的交通學知識優化交通參數，提高交通系統的表現水平。

    而在無人駕駛方面，數字孿生系統將發揮出更大的優勢。數字孿生道路中進行數據模擬可以避免無人駕駛在現實實驗中所產生的意外事件。

    安全預警場景應用

    城市中各種系統錯綜復雜，各不同系統中的出現的突發事件將嚴重影響城市的運行。如火災，燃氣泄漏，供電問題等。傳統上對于這些事件是通過人工通知的方式進行信息的傳遞，這種方式效率低下，并且對于事件的反饋并不準確。

    因此，對于安全事件的預警和及時反映通過傳感器等前端設備構建的數字孿生平臺可以很好的對突發事件做出及時的判斷。通過傳感器的感應和相關專業的計算，孿生平臺可以給出安全事件發生的具體地點和其他詳細信息。

    同時，借助人工智能等技術，可以在數字孿生系統中演練突發安全事件的狀況，調節事件的處理方式，優化事件的響應和事件的處理流程，也可以安排演練突發事件的人員撤離路徑等，在低成本的環境中做出最優的決策。

    城市規劃場景應用

    智慧城市的發展需要良好的城市規劃，而由于不合理的城市規劃所導致的各種城市問題依然顯著存在。數字孿生技術可以使現實中成本比較高，很難通過短期的實驗實現的東西在虛擬實體中快速，低成本，多次的進行實現。這種以虛擬平臺進行多種方案的模型建設，并用來指導現實中建設的方式，可以對城市的規劃進行推演。

    CIM平臺的建設與BIM技術的融合，以及物聯網所提供的數據可以很好的還原現實中的城市系統。通過設置空間上和事件上的閾值，可以判斷城市在發展中是否與規劃的目標有所差別。因此，在城市規劃的應用中，需要記錄全周期的建設階段，并在建設完成后進行運營。而對于數字孿生技術的應用，需要在全時空的維度上記錄全要素。通過建設數字孿生城市平臺，可以提升城市的感知能力和決策能力，也給未來的規劃發展帶來更寬廣的視野。

    數字孿生城市的典型特征室全局視野、精確地圖、模擬、虛擬現實交互和智能干預，加快城市治理和各部門應用能力的發展，特別是在智能城市治理領域，它從全球角度形成了若干超級應用，如城市規劃的空間分析和影響模擬，城市發展項目的交互式規劃和模擬，城市場景描述，用于監控城市的正常運行，根據城市區域的時間和區域發展得出未來發展趨勢，了解城市發展規律，支持政府嚴格執行，城市交通流和信號模擬使道路通行能力最大化，在公共服務領域，雙數字模擬和三維互動體驗將重新定義教育，醫療和其他服務的重要性和手段。同時，數字孿生城市以個人為基礎，開啟個人服務的新時代。