2022年城市数字孪生标准化白皮书.pdf

城市数字孪生标准化白皮书（2022 版）全国信标委智慧城市标准工作组2022 年 1 月目录前 言 11.城市数字孪生概述 31.1 城市数字孪生内涵及概念模型 31.2 城市数字孪生典型特征 51.3 城市数字孪生相关方 71.4 城市数字孪生技术参考架构 81.5 城市数字孪生关键技术 101.6 城市数字孪生典型应用场景 162.城市数字孪生发展现状 212.1 政策引导现状 212.2 产业生态现状 262.3 总体发展趋势 292.4 面临的问题与挑战 313.城市数字孪生标准化现状 353.1 国际标准化现状 353.2 国内标准化现状 364.城市数字孪生标准体系 394.1 标准体系总体框架 394.2 标准分体系描述 404.3 标准明细表 435.城市数字孪生标准化建议 51城市数字孪生标准化白皮书（2022版）1当前，城市数字孪生已经发展成为支撑智慧城市的重要技术手段。城市数字孪生通过在数字空间对城市物理空间和社会空间进行全要素表达、全过程呈现、全周期可溯，实现城市全面感知、虚实交互、智能决策、精准控制，推动城市智能化、智慧化发展。2021 年 3 月，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（简称“十四五”规划纲要）发布，明确指出“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”，为城市数字孪生营造了良好的发展环境。标准是促进技术和应用创新发展的重要抓手。2021 年 12 月，国家标准化管理委员会、网信办、科技部、工信部等十部门联合印发“十四五”推动高质量发展的国家标准体系建设规划。该规划明确指出“围绕智慧城市分级分类建设、基础设施智能化改造、城市数字资源利用、城市数据大脑、人工智能创新应用、城市数字孪生等方面完善标准体系建设”，明确将城市数字孪生纳入智慧城市标准体系的重要组成部分。但是，城市数字孪生领域国际国内标准化工作仍处于起步阶段，亟待整体规划、加速推进。为做好城市数字孪生标准化工作整体规划，有序推动相关标准制定与应用实施工作，全国信标委智慧城市标准工作组组建了城市数字孪生专题组，并联合相关单位编制了城市数字孪生标准化白皮书（2022 版）（简称“本白皮书”）。本白皮书在系统研究城市数字孪生内涵、典型特征、相关方等基础上，构建了城市数字孪生技术参考架构，并梳理了城市数字孪生关键技术和典型应用场景。同时，总结了城市数字孪生发展现状、发展趋势、面临的问题与挑战及国际国内标准化现状。在此基础上，本白皮书探索形成了“城市数字孪生标准体系总体框架（1.0 版）”，并提出了拟研制标准建议和标准化工作建议。本白皮书构建了城市数字孪生标准化路线图，为后续相关标准研制、应用实施指明了方向。前 言2城市数字孪生概述01城市数字孪生标准化白皮书（2022版）31.城市数字孪生概述数字孪生技术与各产业的深入融合能够有力推动各产业智能化发展进程，成为信息化时代产业变革的强大助力。近年来，数字孪生技术在城市领域的应用进入了探索实践阶段。随着智慧城市发展理念不断变革和数字孪生相关技术不断发展，城市数字孪生的理念孕育而生。城市数字孪生契合了当前为产业转型升级赋能的战略需求，是城市在物理空间、社会空间、数字空间融合发展的基础技术手段。城市数字孪生是智慧城市建设新的创新源和发力点，将成为智慧城市发展新阶段的核心底座。1.1城市数字孪生内涵及概念模型城市数字孪生是利用数字孪生技术，以数字化方式创建城市物理实体的虚拟映射，借助历史数据、实时数据、空间数据以及算法模型等，仿真、预测、交互、控制城市物理实体全生命周期过程的技术手段，可以实现城市物理空间和社会空间中物理实体对象以及关系、活动等在数字空间的多维映射和连接。图 1 城市数字孪生概念模型4城市数字孪生的概念模型如图 1 所示。城市数字孪生概念模型包括物理空间、社会空间、数字空间三个部分。分别描述如下：物理空间：物理空间包含城市时空位置、城市要素和城市生态环境。其中，时空位置是城市地理时间空间信息，包含城市各实体和实体间的时间、坐标信息和高程信息等；城市要素是构成城市的各类物理实体的总称，包含城市道路交通设施、能源设施、信息设施等；城市生态环境是构成城市自然环境的要素，包含土壤、植被、大气、水资源、物候、天气等。城市数字孪生物理空间是保障城市经济社会发展的重要支撑。社会空间：社会空间包含城市中的组织、活动、关系以及逻辑，用于描述城市社会中个体与个体、个体与群体、群体与群体等关系和活动的总和。其中，城市发展和社会治理中多元参与主体构成组织要素；多元参与主体围绕城市生活、生产和生态所开展的各类政治、经济、文化等活动构成活动要素；多元参与主体间相互作用并产生多维层次关系构成关系要素；社会关系变化和迁移过程所遵循的规律构成逻辑要素。数字空间：数字空间是与物理空间和社会空间映射连接形成的第三个关键空间。数字空间是城市数字孪生的载体。通过对城市物理空间和社会空间所包含城市要素实体的全域历史及实时数据的采集、汇聚、建模、分析以及反馈，数字空间完成对城市要素及活动的全周期可溯、动态迭代以及实时反馈，实现城市多维仿真、智能预测、虚实交互、精准控制。城市数字孪生为智慧城市深入建设、迭代升级提供支撑能力。城市数字孪生通过应用数字孪生技术实现城市物理空间、社会空间以及数字空间在时间维度和空间维度更加精准的映射、更加紧密的联接和更加多维的联动，通过物联网、人工智能、区块链等新一代信息技术实现三元空间的协同演进和共生共智，进一步满足“人”在城市生活、生产、生态的各类需求，服务“以人为本”的智慧城市建设初心。城市数字孪生标准化白皮书（2022版）51.2城市数字孪生典型特征（1）全面感知城市数字孪生以全面感知为前提。城市是一个复杂巨系统，时刻处于发展变化中，必须时刻掌握物理城市的全局发展与精细变化，实现孪生环境下的数字城市与物理城市同步运行。城市数字孪生通过布设覆盖城市范围的多种类型传感器，建立全域全时段的物联感知体系，对城市运行状态进行多维度、多层次精准监测，全面获取影像、视频、各类运行监测指标等海量城市数据，实现对城市环境、设备/设施运行、人员流动、交通运输、事件进展等的全方位感知，实时获取城市全域全量运行数据，为城市数字孪生提供数据基础。（2）精准映射映射是构建数字世界并建立数字世界与物理世界紧密关系的过程。各类信息要素的精准匹配与精准表达是实现物理城市向数字城市映射的关键。城市数字孪生的实现场景下，物理城市与数字城市是一一对应、紧密融合、双向互动的关系。通过物联感知、数字化标识、多维建模等技术，数字空间实现全域模型精准建立、全量数据精准标识、全盘孪生精准运行，保障孪生环境下的仿真推演具有可信性和参考性，从而指导物理世界运行管理决策。（3）智能推演智能推演是城市数字孪生具备智慧能力的体现，是实现对物理城市进行科学预测、指导与优化的关键。可以依据物理城市的真实运行数据，构建不同场景下的推演模型，进而模拟和分析物理城市的运行状态和发展趋势，推演预测物理城市的发展态势与运行结果，并提出优化建议，辅助城市日常管理、应急指挥和科学决策。随着城市数字孪生数据的日渐积累，使其可以通过数据去发现城市更多场景下的运行规律，从而能够更多样、更精准的建立推演模型，使城市管理者可以更好的掌握城市运行趋势和可能发生的事件，真正实现数据驱动的城市智能化分析和运行。6（4）动态可视动态可视是指通过将感知的多源数据进行数字化建模和可视化渲染，城市数字孪生提供了全要素、全范围、全精度真实的渲染效果，实现全空间信息和城市实时运行态势的动态展示。一方面，城市数字孪生既可以展现宏大开阔的城市全貌场景，也可以展现诸如地下管线、室内设施等城市微场景，提供全粒度、多尺度的多维展现能力。另一方面，城市数字孪生可视化具有突出的动态性特点，可将城市实时运行体征，如交通运行、城市环境、监控视频等城市实时信息与空间模型紧密融合，实时动态展示可视化对象的状态变化，精准反映物理城市的真实状态和运行情况，使数字城市更加鲜活。（5）虚实互动虚实互动是指物理空间与数字空间的互操作和双向互动，借助物联网、图形/图像、AR/VR、人机交互等领域技术的协同和融合，实现城市级虚实空间融合、控制与反馈等能力。虚实互动的过程是指通过对物理世界的数据实时采集、接入并映射到数字世界，实现对物理世界的仿真和模拟，在数字空间中进行大数据量的计算、预测和演练，提出城市规划、城市建设、城市治理等的科学决策建议，相关决策建议可以指导或直接反作用于物理世界，在物理世界执行完成后，相应的执行结果再映射到数字世界，并进行信息及时更新，实现物理空间与数字空间的双向闭环互动。（6）协同演进协同演进是城市数字孪生具有高阶智慧能力的体现。城市数字孪生过程中，物理城市与数字城市在城市运行、数据、技术、机制等方面存在长期协同关系，长期相互反馈、相互影响。协同演进是以物理空间和社会空间为主体，数字空间进行推演，并反馈进化结果，使物理空间和社会空间协同推进的过程。协同演进不仅是“协同”的，更是“演进”的，是“物理城市与数字城市在各种因素的相互作用下的演进关系”，这种演进关系最终推动物理城市与数字城市共同发展进步。城市数字孪生标准化白皮书（2022版）71.3城市数字孪生相关方图 2 城市数字孪生相关方城市数字孪生相关方见图 2。城市数字孪生相关方主要包括以下三类：a)城市数字孪生咨询服务提供方：是指根据行业、技术、区域以及组织机构发展趋势，提供城市数字孪生规划、顶层设计以及相关咨询服务的组织或个人。b)城市数字孪生建设技术提供方：包含参与城市数字孪生应用建设和运营的主体，包含但不限于：方案设计提供方：针对具体客户需求，提供城市数字孪生落地方案和模式的组织或个人；数据资源提供方：提供城市数字孪生所需的各类数据资源的组织或个人；网络服务提供方：提供网络设备、网络连接、网络服务的组织或个人；支撑技术提供方：基于特定技术，提供技术解决方案产品的专业化技术服务组织或个人；孪生技术提供方：基于数字孪生技术，结合具体城市场景以及行业应用需求，提供孪生技术解决方案以及落地实施建设的组织或个人；平台能力提供方：提供各类数字化平台资源、建设、运营、培训和维护等服8务的组织；系统集成提供方：提供系统集成服务的组织。c)城市数字孪生运营服务方：包含参与城市数字孪生应用服务和运营的主体，包含但不限于：系统服务运营方：是指针对具体客户需求，负责城市数字孪生系统或服务运营的组织；应用服务使用方：是指在城市规划、建设、运营、治理、服务等场景中应用城市数字孪生技术的组织或个人，是城市数字孪生应用的需求方和使用方。1.4城市数字孪生技术参考架构在图 1 城市数字孪生概念模型基础上，本白皮书进一步从技术实现角度构建了城市数字孪生技术参考架构，见图 3。图 3 城市数字孪生技术参考架构为实现城市数字孪生，首先需对物理空间以及社会空间中的物理实体对象、事件城市数字孪生标准化白皮书（2022版）9对象以及关系对象进行数字空间的虚拟表达以及映射。在此基础上，依托信息基础设施实现数据的汇聚、传输以及处理，形成数据资源，在通用服务能力的支撑下进一步融合数字孪生技术，形成能够对外提供的数字孪生服务，并通过交互服务实现与上层应用场景的融合。同时，需提供立体化安全管理以及全生命周期的运营管理，保障数字空间各类资产以及服务的安全高效运行。信息基础设施：信息基础设施是指提供感知、连接、存储以及计算能力的数字化基础设施，其中感知基础设施包含嵌入式传感基础设施、物联网基础设施以及测绘基础设施等。连接基础设施包含 5G 网络、车联网、窄带泛在感知网、全光网络等先进连接通信设备、设施以及系统。存储基础设施主要指多级数据存储中心以及云数据中心，涵盖多种存储方式，包括分布式文件存储、分布式结构化数据存储、分布式列式数据存储、分布式图数据存储。计算基础设施包含高性能计算、分布式计算、云计算以及边缘计算等先进计算基础设施，支持城市建立虚拟一体化计算资源池。数据资源：数字资源是城市各类数据的总和，是构建城市数字孪生系统的基础。从数据来源可分为时空基础数据、物联感知数据、网络传输数据、业务应用数据以及运行评估数据。其中时空基础数据包括矢量数据、影像数据、高程模型数据、地理实体数据、地名地址数据、三维模型数据等。物联感知数据包含通过物联感知设备采集上报的各类感知数据以及状态数据，如温度、湿度、压强、亮度、设备运行状态等。业务应用数据包含来自业务信息系统、行业领域信息系统、第三方社会机构信息系统等多源业务应用数据。运行评估数据主要包括城市规划、城市管理、经济发展、环境保护、气象、能源、交通等领域运行成效以及评估数据。通用服务：通用服务为城市数字孪生提供基础共性能力支撑。其中数据服务是对数据资源利用提供的通用支撑服务，包含但不限于数据模型、资产管理以及数据治理。应用服务提供保障城市数字孪生应用及服务的基础能力，包含但不限于引擎服务、组件管理以及用户管理。计算服务包括但不限于任务调度、资源管理、性能监测。智能服务包含但不限于模式识别、统计分析、知识图谱等。孪生服务：孪生服务是指城市数字孪生所需的特性服务，包括但不限于感知互联、10实体映射、多维建模、时空计算、仿真推演及可视化。感知互联是指城市全要素实时感知及互联控制，有标识解析、智能感知、实时监测、协同控制等。实体映射是指建立物理实体与虚拟实体之间的多层次、多维度的映射关系，有状态指标、对象管理、属性关联、特征提取等。多维建模是进行全要素多维度数字化表达，有事件建模、时空建模、语义建模、规则建模等。时空计算指基于时间以及空间坐标的多维计算，有时空分析、时空解析、时空查询、时空索引等。仿真预测是指模拟仿真，智能预测、动态决策等，有算法集成、引擎开发、任务管理、优化评估等。可视化是完成物理城市到数字城市的表达，有虚实融合、模型处理、渲染服务、场景编辑等。交互服务：交互服务是指提供多种类型的能力开放界面，通过统一规范的交互界面实现跨系统数据互通以及服务调用，通过提供平台化、轻量化数据、API、消息、应用等集成能力，第三方应用可以对功能组件进行灵活组合，实现业务逻辑和技术逻辑的分离。开放形式包含但不限于门户、第三方服务、接口、开发工具、应用组件等。安全管理：安全管理是指根据城市安全管理制度，开展数据安全、信息系统和网络安全、安全预警和应急处理等管理工作。运营管理：运营管理是指基于数字模型和标识体系、感知体系以及各类智能设施，实现城市基础设施、地下空间、能源系统、生态环境、道路交通等运行状况的实时监测和统一呈现，通过数字模型和软硬件系统，实现快速响应、决策仿真、应急处理以及设备和系统的运行、维护和运营。实现城市要素、生态环境等运行状况的实时监测和统一呈现。1.5城市数字孪生关键技术城市数字孪生丰富的内涵和特征决定了它的实现具有高度复杂性，涉及一系列复杂技术。其中，感知互联、实体映射、多维建模、时空计算、仿真推演、可视化、虚实交互七个方面的相关技术构成了城市数字孪生关键技术体系。此外，城市数字孪生也离不开基础网络、5G、大数据、人工智能、云计算、区块链等相关技术的支撑。城市数字孪生标准化白皮书（2022版）11（1）感知互联面向城市建立全域全时段的物联感知体系，实现城市运行态势的多维度、多层次精准监测，是实现数字孪生城市的关键基础。同时基于感知信息提供针对互联设备间的协同控制，实现万物互联，虚实互动。主要技术包括标识与解析技术、智能感知技术、实时监测技术以及协同控制技术等。标识是数字城市中各物理城市及新建的城市物联感知体系在城市信息模型平台中的唯一身份标识。通过物体全域标识，实现数字孪生城市资产数据库的物体快速索引、定位及关联信息加载。标识解析技术是将物联网对象映射至通信标识、应用标识的过程，通过标识获取有关实际属性信息，如地址、物品、空间位置等。智能感知技术分为采集控制、感知数据处理，主要包括：传感器、条码、RFID、智能化设备接口、多媒体信息采集、位置信息采集等。实时监测技术提供实时动态的感知数据采集、处理和分析技术，通过制定了覆盖物理链路层、传输网络层及应用层的协议，从而实现感知信息的高效传递。协同控制技术通过直接与对象绑定或与对象连接的数据采集器、控制器技术，完成对对象的属性数据识别以及协同控制操作。同时应具备对设备的全方位安全防护，如设备安全加固、设备唯一可信认证、设备安全态势感知及设备安全修复等。（2）实体映射实体映射是建立物理实体与虚拟实体之间的多层次、多维度的映射关系。城市数字孪生基于新型基础测绘和数字化标识等技术和手段，通过地理位置、几何结构、状态等多角度特征提取、属性关联、对象管理、状态查询等服务，使物理实体与虚拟实体在不同尺度（跨尺度）上一一对应。状态指标为虚拟空间实体映射提供标准属性模板以及关键指标记录，实现实体间连接和关系的实时更新和动态持续性维护与管理，实现对虚拟空间中数据资源的有效管理和利用。对象管理是实现对虚拟实体以及数据资源共享共用的基础。通过对虚拟对象的管理实现城市物理对象以及社会对象在实体空间的连接与关系，确保数字对象在数据处理、分析、推演等一系列过程中的可溯性。属性关联以及特征提取技术帮助12城市数字孪生获取完整性好、现势性强、精准度高的全域全要素数据关联，通过叠加时空大数据，构建与包含天空地等时空基础数据的一体化的、信息一体化的数字信息底座，保证城市全息数据的完整采集以及关联挂接。（3）多维建模城市数字孪生的实现需要以数据为驱动，以模型为支撑。城市数字孪生的基础是模型和数据的统一。多维模型是物理对象时空数字化还原的载体，基于城市不同层面数据，综合计算机图形学、人工智能、系统动力学等多学科，将城市杂乱无章的海量数据进行空间对应，释放数据资源价值，实现城市数字孪生对物理城市的精准还原。通过对城市进行全要素的数字化和语义化建模，实现从宏观大场景到微观小单元、从室外到室内、从地上到地下的全空间立体还原，形成全空间一体化且相互关联的全域立体模型。多维建模技术包括但不限于时空建模技术、事件建模技术、语义建模技术等。时空建模技术融合三维自动化建模、倾斜摄影数据、激光点云数据、GIS基础数据、BIM 数据等多源时空大数据，构建集建筑、道路、轨交、桥梁、水系、绿化、地形、地下空间为一体的三维空间场景，完成对物理世界的空间几何建模。事件建模技术通过分析现实世界发生的事件的机理、事件的运行、事件的业务流程等，识别出具有一定特点和运行规律的事件，对事件进行建模，构建数字孪生的事件模型。常见的城市事件建模包括但不限于：城市风环境建模、管网水动力学建模、道路交通流建模、火灾疏散建模、城市内涝建模等。语义建模技术对物理实体的属性和关系进行建模，采用资源描述框架对城市物理实体的空间信息、时间信息、属性信息、构成成分、物理状态（实体在某一时刻的物理特征，如水流速度、流向，路面粗糙度等）和实体关系进行描述，便于机器理解和计算，是提供知识化服务和智能分析的基础，是实现城市数字孪生各项应用不可或缺的重要支撑。（4）时空计算时空计算是建立在城市时空数据与时空模型之上的计算服务能力，它包括时空查询、时空分析、时空解析、时空索引等多重计算服务。城市数字孪生标准化白皮书（2022版）13时空查询综合了时间及多维空间关系的查询，包括距离（长度）查询、面积查询、缓冲区查询等；时空分析是数字化时空环境中对不同类型要素存在的时间与空间关系、趋势、变化之间的计算与分析，从而判断两个及以上要素之间的时空相关性；时空解析是运用时空大数据与智能技术，对时空对象的运行规律和固有特征变化进行动态解译，从而正向反馈虚拟对象；时空索引是隐藏在时空分析、计算和查询的幕后助力，它是对用于描述时空对象的点、线、面、体（网）、时间点、时间段等对象及组合数据结构的存储及检索设计。时空计算将支撑众多城市数字孪生应用场景的重要能力，比如在城市交通方面，对地点的查询、路径的规划、出行方案的优化；在地下管网方面，对管线埋深、走向的掌握，管网拓扑分析、管线碰撞检查等。时空计算实现对海量城市时空大数据的查询、分析和解析，对于充分释放时空大数据的价值，支撑应用场景时间、空间特性挖掘与体现具有重要意义。（5）仿真推演城市数字孪生中仿真推演技术以城市问题为导向，从城市运行中各活动主体行为与要素流动过程着手，充分利用城市运行中的部件物理模型、物联网感知数据、运行历史数据等，完成多维度、多层次、多学科、多物理量、多场景、多概率的仿真推演，以支撑各行业的业务应用和城市管理决策。城市数字孪生仿真推演可以分为模型集成、引擎构建、引擎优化等核心环节。仿真推演立足数据，结合算法，并以空间计算为重要特征。仿真推演基于各类算法，在数字空间中对物理空间进行实时或仿真计算，为城市规划，建设管理提供参考和决策支持。仿真推演是对城市各类业务领域充分理解之后形成的一套行而有效的算法。仿真推演技术实现的第一步是模型算法的集成。一方面，城市数字孪生涉及到众多建模、映射和时空计算模型算法，针对不同的城市运行场景，通过模型集成可以大幅缩短城市应用场景还原时间。另一方面，通过建立城市场景数字学习的模型库，利用图像识别、AI 等手段，城市数字孪生的构建可以快速搭建各种场景。通过引擎构建，将基于现实的城市运行规律构建行业分析算法模型，提前推演出14运行结果，其贯穿城市规划、建设、运行的全生命周期。在城市运行中需要持续对构建的仿真引擎进行完善，提高城市场景仿真的能力，使得仿真任务、结果可控，仿真分析评估的结果经得起验证。这要求构建的仿真引擎具备城市空间的可模拟仿真、事件流程的模拟仿真、综合事件的模拟仿真的能力。城市数字孪生仿真模型引擎承载着模型开发和推演的核心，引擎架构应该契合城市数字孪生的结构特点，才能实现最佳的开发和运行效益。仿真引擎要解决快速构模、高效稳定、人机融合、智能嵌入的复杂巨系统问题，引擎架构的优化是基础。只有将复杂的仿真引擎合理分解为“高内聚、低耦合”的结构，针对不同结构特点采用最佳解决方案，才能达成整体优化。（6）可视化可视化是城市数字孪生一系列建设成果的重要表达方式和直观展示窗口，也是实现用户实现物理空间和虚拟空间关联的重要技术手段。城市数字孪生可视化，不是对城市中数字对象的简单呈现，而是根据具体业务场景，从模型处理、场景编辑、可视化渲染、脚本制作和虚实融合等多方面进行全时空、全过程、全交互、全实时的可视化服务，从而构建起一个更加逼真的虚拟空间。可视化渲染是城市数字孪生可视化技术的核心技术之一。高粒度三维渲染、实时动态渲染、基于风格选择的动态渲染及多重渲染特效、视频与三维模型无缝集成的虚实融合等不同类型的渲染能力已经在城市数字孪生中得到应用和尝试。同时，城市数字孪生的特点决定了对实时性要求较高，因此实时渲染就显得尤为必要。通过 AR、VR 等技术进一步融入到虚拟场景中去，实现“虚实一体”，为城市数字孪生提供了一种全新的实时动态的可交互的互动型可视化。城市数字孪生的三维渲染引擎支持对物理世界的精确还原和逼真表现，支持与物理世界的虚实融合互动，因此将游戏引擎的高渲染能力和三维 GIS 引擎对地理信息的支持能力进行结合是满足城市数字孪生可视化需求的发展方向，也是目前行业内已形成共识的前进方向。游戏引擎、三维 GIS 技术、VR/AR/MR 等技术广泛应用，为城市数字孪生可视化带来了多样性的发展，使得可视化从传统的二维、三维静态可视化发展到如今的多技城市数字孪生标准化白皮书（2022版）15术融合的实时动态全时空可视化。（7）虚实交互虚实交互技术通过融合数字图像处理、计算机图形学、多媒体、混合现实、增强现实等多种技术，以沉浸式、交互式的方式，实现与物理城市中的物、人、事之间的双向互动。满足数字城市与物理城市的资源共享、动态交互、干预控制等需求，虚实交互技术需通过交互服务开放对外交互能力，实现城市数字孪生不同子系统之间的数据交换和共享、与外部系统的对接和联通、与外部设备的交互和控制。在提供传统的门户、接口、第三方服务的基础上，通过提供开发工具以及应用组件的方式，挖掘探索创新的人机交互界面，使物理城市与数字城市空间融合，实现城市三维空间的全息感知与实景的交互操作以及服务调用。实现跨终端、多模态的交互方式，并进一步基于 AR、VR、MR 技术，通过数字沙盘、大屏、环幕、CAVE、DMS 多点触摸、VR 体验等集成展示等多种方式，提供高逼真、多粒度、多维度的沉浸式体验。（8）其他支撑技术除以上关键技术外，城市数字孪生的实现也离不开基础网络、5G、大数据、人工智能、云计算、区块链等重要的共性支撑技术。城市数字孪生基础网络技术能够以业务需求和城市功能为驱动力，提供面向业务协同的网络基础设施，实现网络资源协同智能调度，为城市数字孪生建设提供高效、可靠的网络服务质量保障。尤其是5G商用时代的到来，5G通信技术的高速率、大带宽、低时延优势，在城市数字孪生中发挥着重要作用，5G 技术应用全面支撑了城市数字孪生的实现，使得面向未来的泛在传感连接和数据传输网络走入现实，进一步推动城市累积数据从量变到质变。城市数字孪生基于网络、连接等技术获取来自物理世界的数据，而这些数据通常具备大数据的特征，即数据实时在线、体量巨大、类型多样、处理速度快、应用价值高，这些都需要新型的数据处理方式，来全面激活和释放数据价值。与大数据技术相伴而生的人工智能技术同样是城市数字孪生的重要支撑技术之一，通过机器学习、深度学习实现对城市海量数据的自动分析和规律获取，并根据规律实现对未知数据的预测，16赋予城市数字孪生“先知先觉”的能力。由于在构建城市数字孪生的过程中，需要依赖大量的数据计算，因此其对数据可信性、计算基础设施可信性等都提出了很高的要求。区块链技术的去中心化交易机制的优势得以凸显，利用区块链技术的加密学特性，以区块链为基础的“底层链”，保证城市数字孪生中的数据不被篡改，真正实现数据的安全流动共享和城市数字孪生构建的多方参与。1.6城市数字孪生典型应用场景当前，城市数字孪生典型应用场景主要包括城市规划、城市建设、城市治理、智慧园区、智慧交通、智慧能源等。分别描述如下：（1）城市规划在城市规划领域，构建总规、控规、专规、城市设计、地下空间设计等全要素、全空间的城市规划模型，依据规划建设容量，以定量与定性方式，基于专题分析、模拟仿真、动态评估、深度学习等方法，对城市虚拟规划和场景仿真模拟，实时动态性监管城市开发和城市生长更新的整体规划实施情况。提出市域城乡统筹发展战略，保证规划建筑、绿地、公路、桥梁、公共设施等每一寸土地时实现综合效益的最优化，推动城市规划有的放矢提前布局。（2）城市建设在城市建设领域，围绕城市建设中“人员、安全、进度、协同、环境”几个重要因素，构建数字孪生信息化应用系统，对建设过程中涉及的人、机、料、法、环等生产要素进行数字化，实现对项目施工信息、工程进度、重大事件实时更新，并通过系统同步配置用户的组织结构、智能权限，结合各类子系统应用实现信息有效触达、问题及时跟进、工地有序管理，为建设方、施工方、监理方、设计方及相关人员提供应用服务，有效解决城市以及新区建设过程中的复杂性和不确定性等行业痛点，打造安全可靠、绿色环保的城市建设。城市数字孪生标准化白皮书（2022版）17（3）城市治理在城市治理领域，城市治理是推进国家治理体系和治理能力现代化的重要内容，通过城市数字孪生汇聚 GIS 数据、影像数据、高程数据、OSGB、BIM、专题数据等多维时空数据，对接城市管理、生态治理、交通治理、市场监管、应急管理、公共安全等不同领域系统，以城市事件综合管理、重大事件和特殊场景需求为驱动，将“自学习、自优化、自演进”功能融入城市治理过程之中，制定全域一体的闭环流程和处置预案，对症下药精准施策，更好地把影响城市生命体健康的风险隐患察觉于酝酿之中、发现在萌芽之时、化解于成灾之前，实现引导城市规划建设，达到精准化治理效果。（4）智慧园区园区作为城市的核心单元，智慧园区建设已成为当今城市规划和社会发展的关注焦点，也是产业园区和社区发展的必然趋势。基于城市数字孪生感知化、互联化、平台化、一体化的手段，实时接入园区 IoT 设备、资产、能源、设施及环境等数据，建立基于园区实时运行状况的数字孪生场景，融合园区数字孪生、运用管理、业务管理为一体，实现对园区总体情况、设备运维、物业管理、安全管控、运营服务等全要素、全流程可查、可管、可控、可追溯，打造“安全、智慧、绿色”的园区，提升园区的社会和经济价值，开创智慧园区的立体多维管理新模式，从而实现园区经济可持续发展的目标。（5）智慧交通在智慧交通领域，通过融合多源异构数据，搭建包含基础交通设施、动态车流、时空、地理等信息的交通数字孪生底座，并融入物联网、云计算、大数据、移动互联等前沿 IT 技术，汇集各类交通信息，提供实时交通数据下的交通信息服务。并利用AI 图像识别、仿真算法等数据处理技术，实现智慧交通系统性、实时性、信息交流的交互性以及服务的广泛性，有效解决了交通感知难、出行难、治理难、维护难的行业痛点，进一步提升交通“规、建、管、运、服”能力，助力建成便捷顺畅、经济高效、绿色集约、智能先进、安全可靠的现代化高质量国家综合立体交通网，实现“交通强国”目标。18（6）智慧能源在智慧能源领域，统筹大数据、人工智能、物联网等新一代信息技术，构建与物理城市能源相匹配的数字城市能源系统，挖掘真正的数据需求，建立科学的决策程序，用数据分析结果指导实践，实现城市能源系统全要素的数字化、虚拟化，全状态实时化和可视化、运行管理协同化和智能化，实现物理城市和数字城市虚实交互。通过“智慧化”使能源转化效率、能源传输效率、能源基础设施利用效率、能源与经济社会的结合效率显著提升，最终实现能源系统更加高效、清洁、低碳。城市数字孪生标准化白皮书（2022版）1920城市数字孪生发展现状02城市数字孪生标准化白皮书（2022版）212.城市数字孪生发展现状智慧城市的建设是一个与时俱进、不断演进的过程。近年来，国内外相关机构开始从城市数字孪生视角探索构建智慧城市的新路径，比如新加坡数字孪生协作平台VirtualSingapore、日本城市级数字孪生开放平台PLATEAU、我国数字雄安CIM平台等。本白皮书从政策、产业两个角度对我国城市数字孪生发展现状进行了梳理，并分析了总体发展趋势及面临的问题与挑战。2.1政策引导现状近年来，我国高度重视城市数字孪生发展，在国家层面出台了一系列指导文件。2018 年 4 月，中共中央国务院关于对河北雄安新区规划纲要的批复中指出“坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设，适度超前布局智能基础设施，打造全球领先的数字城市”。2020 年 4 月，国家发展改革委、中央网信办发布关于推进“上云用数赋智”行动培育新经济发展实施方案，提出“支持在具备条件的行业领域和企业范围探索大数据、人工智能、云计算、数字孪生、5G、物联网和区块链等新一代数字技术应用和集成创新”“开展数字孪生创新计划。鼓励研究机构、产业联盟举办形式多样的创新活动，围绕解决企业数字化转型所面临数字基础设施、通用软件和应用场景等难题，聚焦数字孪生体专业化分工中的难点和痛点，引导各方参与提出数字孪生的解决方案”。2020 年 5 月，国家发展改革委联合有关部门、国家数字经济创新发展试验区、媒体单位、互联网平台、行业龙头企业、金融机构、科研院所、行业协会等 145 家单位发布了数字化转型伙伴行动倡议，指出“探索大数据、人工智能、数字孪生、5G、工业互联网、物联网和区块链等数字技术应用和集成创新，形成更多有创新性的共性技术解决方案及标准”。2021 年 3 月，国家“十四五”规划纲要正式印发，明确提出“以数字化助推城乡发展和治理模式创新，全面提高运行效率和宜居度”“完善城市信息模型平台和运行管22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”。2021 年 5 月，国家住建部印发的城市市政基础设施普查和综合管理信息平台建设工作指导手册（建办城函2021208 号）指出“依托城市信息模型（CIM）基础平台，建立可感知、实时动态、虚实交互的城市地下基础设施数字孪生融合应用”。2021 年 7 月，国家工信部等十部门印发的5G 应用“扬帆”行动计划(2021-2023年)（工信部联通信202177 号）指出“加快智慧表计等产品在市政管理、环境监测等领域部署，探索构建数字孪生城市，提高城市感知能力”。2021 年 8 月，自然资源部印发实景三维中国建设技术大纲(2021 版)（自然资办发 2021 56号），指出“调动各级自然资源主管部门和社会力量，构建 分布存储、逻辑集中、时序更新、共享应用的实景三维中国，为数字中国建设提供统一的空间基底”。2021年9 月，国家工信部、住建部发布 物联网新型基础设施建设三年行动计划，提出“到 2023 年底，在国内主要城市初步建成物联网新型基础设施”“加快边缘计算、数字孪生、IPv6 等技术研发与应用”。2021年12月，国家标准委、网信办、科技部、工信部等十部门联合印发 “十四五”推动高质量发展的国家标准体系建设规划。该规划中明确指出“围绕智慧城市分级分类建设、基础设施智能化改造、城市数字资源利用、城市数据大脑、人工智能创新应用、城市数字孪生等方面完善标准体系建设”。2021 年 12 月，中央网络安全和信息化委员会印发“十四五”国家信息化规划，提出“稳步推进城市数据资源体系和数据大脑建设，打造互联、开放、赋能的智慧中枢，完善城市信息模型平台和运行管理服务平台，探索建设数字孪生城市”。2022 年 1 月，水利部印发了关于大力推进智慧水利建设的指导意见以及“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案，明确了“建设数字孪生流域，包括建设数字孪生平台、完善信息基础设施”推进智慧水利建设的主要任务。在国家政策指引下，多地立足当地实际，出台了相关地方政策，加快推进数字孪生技术与智慧城市建设的融合发展。本白皮书梳理了 2020-2021 年度地方出台的城市城市数字孪生标准化白皮书（2022版）23数字孪生相关主要政策文件，见表 1。表 1 地方城市数字孪生相关政策（2020-2021）地区政策名称发布时间城市数字孪生主要表述北京北京市“十四五”时期智慧城市发展行动纲要2021.3不断完善市、区、街(乡镇)三级目录链管理体系，加强市大数据平台汇聚、共享、开放等服务能力建设。积极探索建设虚实交互的城市数字孪生底座。北京市国民经济和社会发展第十四个五年规划和二三五年远景目标纲要2021.4支持大数据、人工智能、云计算、数字孪生和区块链等新一代数字技术应用和集成创新。上海上海市全面推进城市数字化转型“十四五”规划2021.10数字化将构建城市运行新形态。数字化重新定义了城市形态和能力，数字孪生城市从概念培育期加速走向建设实施期，随着物联感知、BIM和CIM（城市信息模型）建模、可视化呈现等技术加速应用，万物互联、虚实映射、实时交互的数字孪生城市将成为赋能城市实现精明增长、提升长期竞争力的核心抓手。面向数字时代的城市功能定位，加强软硬协同的数字化公共供给，加快推动城市形态向数字孪生演进，逐步实现城市可视化、可验证、可诊断、可预测、可学习、可决策、可交互的“七可”能力，构筑城市数字化转型“新底座”。建设城市数字孪生平台，集成提供城市全要素数字化表达、动态三维呈现、智能决策支持、模拟仿真推演等。数字底座赋能工程。打造城市数字底座标准体系，坚持标准引领战略，建立统一、开放、可操作的数字底座建设标准体系和评价指标体系，创建数字化转型领域“上海标准”。推进城市数字底座实践试点，依托浦东新区和五个新城，先行先试城市数字底座建设和运行，加快推进数字基础设施试点建设，支持物体全域标识、时空 AI、BIM 等技术率先应用推广，积极推动国家和市级数字技术标准运用实践，探索建立基于数字孪生城市的运行感知和态势推演等新型功能，推动试点地区率先构建城市“七可”能力体系。构建城市数字底座运营机制，积极创新市场化运营模式，培育覆盖全领域的专业化服务机构，推动政企协同发力，促进城市数字底座高质量建设和高效率运行，积极推动上海建设运营模式向长三角以及全国推广。转型标杆示范工程。聚焦城市数字化转型，建设“数字孪