2021中国数字孪生城市研究报告.pdf

研究报告研究报告20212021中国数字孪中国数字孪生城市研究报告生城市研究报告亿欧智库 https:/ reserved to EqualOcean Intelligence,December 2021序言INTRODUCTION随着信息技术的飞速创新与发展，起源于航天、工业领域的数字孪生概念陆续在建筑、医疗、电力、能源等各行各业生根发芽。在城市管理方面，数字孪生城市通过对物理世界的人、物、事等所有要素数字化，建立一个一一映射、实时交互的数字城市，将城市全状态实时化和可视化，推动城市规划、管理、运营的协同化和智能化，大大提升城市决策的高效性和准确性。中国数字孪生城市的发展经过了概念培育期和技术方案架构期，已经于2020年进入建设初期。2020年4月发布的关于推进“上云用数赋智行动培育发展实时方案”中更是将数字孪生与大数据、人工智能、5G等并列，要求“引导各方参与提出数字孪生解决方案”，多个省/市陆续发布了建立数字孪生城市试点项目的政策行动方案。技术端5G、物联网、AI的发展，将全面推动数字孪生城市建设。在企业端，各方测绘、建模、互联网、科技、人工智能等企业积极响应国家号召，加速布局相关产业链。亿欧智库发布2021中国数字孪生城市研究报告，研究范围界定在城市管理中的综合应用，通过数字孪生城市提升城市规划、建设、运行、管理综合水平。报告首先梳理数字孪生城市概况，并对中国数字孪生城市发展现状进行梳理，包含政策端、技术端、产业端等方面。同时报告分析了中国数字孪生城市建设的遇到的挑战与壁垒，并提出建设方案作为解决建议，为未来数字孪生城市建设的发展趋势作出预测。目录CONTENTS1数字孪生城市概况数字孪生城市概况1.1 数字孪生概念与发展1.2 数字孪生城市概念1.3 数字孪生城市运行机理1.4 数字孪生城市建设意义2中国数字孪生城市发展中国数字孪生城市发展现状现状2.1 中国数字孪生城市发展历程2.2 政策指导数字孪生城市建设2.3 技术加速数字孪生城市建设2.4 企业布局数字孪生城市建设2.5 建设案例3数字孪生城市发展挑数字孪生城市发展挑战及建议战及建议3.1 中国数字孪生城市发展挑战3.2 中国数字孪生城市发展建议3.3 国外数字孪生城市案例分析4数字孪生城市概况数字孪生这一概念起源于航空航天、工业领域，并且随着信息技术的发展，逐渐落地各行各业，数字孪生城市也成为了一个新的风口。数字孪生城市强调建立一个与物理城市实时交互的虚拟城市，精准映射物理城市运行情况，形成虚实交互格局，以提升、优化城市的综合治理规划水平。本章节将从概念入手，分析数字孪生城市的特征、内涵、技术架构和运行机理，并重点探讨数字孪生城市与新型智慧城市之间的联系及建设意义。51.1 数字孪生概念起源和发展起源于航天、工业领域，由“孪生体”向“数字孪生体”发展“建立一个孪生体，用于管控实体的运行状态”这一理念最早起源于美国“阿波罗”计划，工程师们在地球上建立了与发射到太空上的飞行器一模一样的航天飞行器，用于反映其工作状态并帮助工作人员进行操控演示。随后，Grieves教授在美国密歇根大学的管理课程上提出可以建立虚拟孪生体来管控产品全生命周期，将该设想称为Conceptual Ideal for PLM。2012年，NASA正式提出了“数字孪生”概念，并将其定义为充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟信息空间中对物理实体进行镜像映射，反映物理实体行为、状态或活动的全生命周期过程的技术。1 1 数字孪生城市概况数字孪生城市概况2017年后数字孪生概念逐步丰富，核心是建立与物理实体实时映射的虚拟数字体NASA提出数字孪生概念后，被多家企业、研究机构广泛使用，并在使用范围、概念内涵上逐步拓展。数字孪生不仅限于基于物联网的动态模型软件，而是涵盖更多技术体系、延伸到更多更复杂领域，但其本质仍是建立与现实体一一映射，反映现实体状态的数字孪生体。1960-196920022011概念起源概念设想概念提出美国宇航局阿波罗计划中构建多个相同的航天飞行器，一个发射到太空，其余留在地球上，用于反应太空中飞行器工作状态和试验操作Grieves教授在美国密歇根大学的管理课程上，提出可以建立虚拟孪生体管控产品全生命周期，并称为Conceptual Ideal for PLMNASA在发布技术路线图中首次使用了Digital Twin(数字孪生)一词，将其描述成一种反映实体真实状态的综合载体亿欧智库：数字孪生概念起源于发展历程概念确立概念应用20122015NASA首次给出数字孪生定义，将其定义为仿真过程Rios给出了通用产品的数字孪生定义，将数字孪生理念由飞行器领域向工业领域拓展应用DeloitteGartnerAnsys是现实生活中物体、流程或系统的数字镜像。是在数字世界建立一个与真实世界系统的运行性能完全一致，且可实现实时仿真的仿真模型。是以数字化的形式对某一物理实体过去和目前的行为或流程的动态呈现，有助于提升企业绩效。数字孪生镜像模型实时、动态数字化2016概念拓展Gartner将其放进十大战略科技发展趋势，这一技术开始受到全球范围的广泛关注61 1 数字孪生城市概况数字孪生城市概况“数字孪生”强调虚实交互，由PE、VE、Ss、DD、CN五维结构构成数字孪生技术综合利用感知、计算、建模等信息技术，建立与现实世界实时映射，虚实交互的虚拟世界。数字孪生需要具有五维结构：物理实体(Physical Entity)、虚拟实体(VirtualEntity)、服务(Services)、孪生数据(DT Data)和连接(Connection)。物理实体：物理实体是数字孪生的基础，通过在物理实体上部署传感器等基础设施，监测其环境数据和运行状态。虚拟实体：物理实体的虚拟化数字镜像，通过几何、物理、行为、规则等多种模型相互加成以表现物理实体实时状态及变化。服务：集成各类信息系统，为物理实体和虚拟模型提供智能计算、运行和管控服务。孪生数据：是建立虚拟孪生体的核心，包括以上三维度所有信息数据，并随着物理实体的运行实时更新，推动整体数字孪生体系运转，也是数字孪生系统的核心驱动。连接：将各维度之间彼此连接，进行有效的实时数据传输，实现一一映射。数字孪生逐渐落地各行各业，可以实现精准管控，降低运行成本，提升管理效率随着信息技术发展，数字孪生逐渐被应用于制造业、交通、医疗等多个领域。物联网、大数据等前沿技术的发展打破了数据孤岛，把物理世界的数据快速传递到数字孪生世界，帮助数字世界快速优化、意见反馈。数字孪生成为了数字化浪潮的必然结果和数字化的必经之路。数字孪生强调通过管理与现实世界一一映射、实时交互的虚拟世界来实现现实世界的高效运行。越复杂的系统越适合使用数字孪生技术进行管理，可通过虚拟孪生体快速高效反映物理实体实时状态，监测其运行情况，精准管控，节省成本；同时通过虚拟孪生体进行决策预演，模拟规划等，帮助决策顺利执行。物理实体虚拟模型服务孪生数据迭代交互优化实时动态连接亿欧智库：数字孪生五维结构来源：F TAO,et al.Digital twin driven prognostics and health management for complex equipment J.CIRP Annals-Manuf Tech,201871.2 数字孪生城市概念数字孪生城市应运而生越复杂的系统建立数字孪生体后管理效率提升越高，收益越大，而城市就是最为复杂而庞大的系统，随着城市规模的扩张和发展，城市运行之中会遇到交通堵塞、公共服务短缺、环境约束等一系列问题。建立一个与物理城市并行的孪生虚拟城市，将城市建设规划、管理运行等在虚拟世界进行仿生，会大大提升城市效率，减少资源损失。数字孪生城市应运而生。根据中国信通院的描述，数字孪生城市可以广泛理解为通过对物理世界的人、物、事等所有要素数字化，在网络空间再造一个与之对应的“虚拟世界”，形成物理维度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，实现城市全要素数字化和虚拟化、城市全状态实时化和可视化、城市管理决策协同化和智能化。本文研究的数字孪生城市指数字孪生技术在城市规划、建设、管理过程中的综合应用，而不细化到具体行业。通过建立能感知现实城市变化并进行智能管控的虚拟孪生城市模型，实时反映城市基础设施运行状态，提升城市运行综合水平和智能决策能力。1 1 数字孪生城市概况数字孪生城市概况亿欧智库：数字孪生城市范围 电网设计仿真 设备管理调控 电厂运行优化电力行业工业制造城市交通建筑环境医疗服务 工艺流程监测 产品研发仿真试错 能效管理优化 建筑信息展示 建设设计优化 建材管理 森林资源管理 污水处理优化 设备健康管理城市规划城市建设城市管理 交通状态实时监测 远程管控 道路规划管理 身体情况监测 人体数据记录 健康情况预测城市基础信息城市空间信息基础设施状态道路交通情况自然环境感知 传感器 摄像头 智能终端 语音识别 视频解析81.3 数字孪生城市运行机理数字孪生城市技术架构由三部分组成，融合多种信息技术体系，其中数字孪生城市模型平台是构建核心数字孪生城市技术体系复杂，几乎融合了现有所有信息通信技术手段。技术框架主要由三部分构成，基础设施端、信息中枢端和应用服务端，通过物理城市数据收集、传输、处理、数字城市可视化呈现，实现城市智能管理。构建核心是高精度、多耦合的数字孪生城市模型平台，该模型在城市信息模型CIM的基础上将智能感知的城市数据实时反映到3D城市模型上。基础设施端主要负责城市数据的收集与传输，通过BIM、GPS等技术收集城市基础空间和3D模型等静态数据；通过智能感知设备，包括传感器等，获取城市基础设施、道路交通、自然环境等动态信息。通过全通达、全接入的的移动互联网、局域无线网等泛在高速、多网协同城市智能网络进行数据即时传输。信息中枢端进行数据接收、处理、传导。全域全量的城市数据是数字孪生城市构建基础，需要建立数据管理平台，通过多层次数据融合框架将来源不同、类型不同的多源异构数据接收集成，并以数据流的方式传输到城市模型，即数字孪生城市模型平台。依靠高性能协同计算分析，以可视化方式呈现和表达城市状态，分析城市空间场景。应用服务端是数字孪生城市模型的实际应用。在数字孪生城市模型中建立智能操控体系，实现对智能市政设施、交通设施等设备的远程操控。通过计算机视觉、机器学习、知识图谱等人工智能技术整体认知城市状态，洞悉城市运行规律，制定最优决策。1 1 数字孪生城市概况数字孪生城市概况数字孪生城市基础设施端信息中枢端应用服务端BIMCADGISGPSRS激光扫描移动测绘信息获取信息传输NB-IoTe MTC4G、5GLORAZigBeeSigFox蓝牙数据管理平台数字孪生城市模型平台数据融合处理数据服务数据识别数据标识数据关联知识图谱SOA、DOA组件图形处理引擎多源模型数据采集三维建模数据呈现、综合渲染技术支撑普惠计算深度学习智能控制应用场景城市规划城市建设城市管理亿欧智库：数字孪生城市架构9数字孪生城市运行以实时映射，虚实操控为重点数字孪生城市的构建融合运用多种复杂综合的技术体系，建立能感知物理城市运行状态、并实时的数字城市模型。利用城市及数据闭环赋能体系，在精准感知城市运行状态和实时分析的基础上，模拟科学决策，智能精准执行，利用数字城市反向操控物理城市。实现城市的模拟、监控、诊断和管理，降低城市复杂性和不确定性，提升优化城市规划、设计、建设、管理、服务等过程。数字孪生城市强调全域感知和实时交互，这也是其与传统城市3D模型不同之处。在精准感知、分析现实城市一段时间内的运行状态的基础上，依靠大数据算法、人工智能等技术手段制定符合城市情况的管理和决策分析。1 1 数字孪生城市概况数字孪生城市概况数字孪生城市从技术、功能、价值多角度优化城市综合管理数字孪生城市的建设可以多角度赋能城市综合管理。数字孪生融合了多种新型信息技术，以平台化的思想打破技术孤岛，赋予城市全域感知、信息交互、精准管控等功能，整体提升城市综合运行水平。数字世界：数字孪生城市物理世界：钢筋水泥城市全域感知镜像再现反向作用智能操控亿欧智库：数字孪生城市运行机理集成数字化标示、自动感知、网络化连接、普惠计算、智能控制等综合性信息通信技术，并与测绘、3D建模等技术相互融合。技术角度通过全域数字化感知，映射物理城市运行状态，并通过软件赋能和远程控制精准操控。功能角度促进城市治理模式升级、提高政务水平、提升民生服务效率和质量。价值角度亿欧智库：数字孪生城市赋能城市综合管理由实到虚以虚控实101.4 数字孪生城市建设意义智慧城市已经建设多年，2016年后中国开始建设数据驱动、统筹集约的新型智慧城市智慧城市在百度百科的定义是运用信息和通信技术手段感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，从而对包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出智能响应。中国智慧城市建设从2008年开始概念探索，已有十余年历史。随着技术、理念的发展创新，对智慧城市的理解与要求也在不断升级。2016年后开始提出建设更强调以数据驱动，以人为本、统筹集约的新型智慧城市，利用人工智能、5G、区块链等新技术，打破信息孤岛和数据分割，在综合运行管理、产业发展、公共服务等方面全面发展。1 1 数字孪生城市概况数字孪生城市概况虽然信息技术快速发展，但新型智慧城市城市建设仍面临挑战为了检验新型智慧城市建设情况，国家发改委联合中央网信办、国家标准委制定了新兴智慧城市评价指标，2019年评价数据显示，随着新兴信息技术的不断发展与成熟，新型智慧城市建设在城市精准治理，打造宜居生态环境等方面表现良好，但是仍面临缺少整体设计方案、数据孤岛、信息不互通、为能联合市场多元参与等多种挑战。急需一种符合新型智慧城市建设目标，集成多种数据资源和信息技术的统筹集约式发展方案。2008-2012概念导入期2012-2015试点探索期2016统筹推进期2020数字孪生城市建设期行业应用驱动无线通信、光纤宽带、遥感等国外企业引入新兴技术驱动RFID、云计算、移动通信等政府牵头设立试点项目或应用数据驱动人工智能、5G、区块链等政府指导，市场主导，政企合作数据驱动新型测绘、物联网、人工智能、5G等驱动力重点技术推进方式政府指导，市场主导，政企合作亿欧智库：中国智慧城市发展历程数据驱动力增强：数字化进程加剧，新型通信技术迅速发展，为建设新型智慧城市打下基础缺乏统筹设计：虽然有政策驱动，但缺乏全局统筹规划和具体建设建设方案，大部分项目仍是局部建设数据孤岛：由于各部门、各行业多仍独自为战，不能实现信息共享和技术融合，没有统一的技术标准亿欧智库：2019中国新型智慧城市评价结果547270595268惠民服务精准治理生态宜居智能设施信息资源改革创新来源：国家发改委、中央网信办新兴智慧城市评价指标11数字孪生城市是建设新型智慧城市的最佳解决方案数字孪生城市是新型智慧城市建设的最佳解决方案。数字孪生城市也以数据作为驱动，综合利用多种信息技术，以提升居民生活环境，优化城市综合管理水平，践行了新型智慧城市以人为本、统筹集约的建设目标。同时，数字孪生城市平台化、一体化的建设思路解决了新型智慧城市遇到的缺乏顶层设计、信息孤岛、行业壁垒状况，为新型智慧城市的建设提供了一种实践路径。数字孪生城市具备物联感知、数据融合、空间分析等九项核心能力，体现了数字孪生城市智能干预、软件定义、虚实交互、精准映射的基本特征，符合新型智慧城市建设要点。数字孪生城市模型平台的建立综合利用多种信息技术，将多源数据融合交互并以可视化的方式呈现出来，在城市真实数据作为驱动因素下，通过统筹资源，集约发展的具体建设方案，将各个部门、行业汇集在同一平台上，实现信息的共享和高效传递，帮助城市精准管控，切实提高居民生活水平。1 1 数字孪生城市概况数字孪生城市概况数字孪生城市核心能力数字孪生城市特征新型智慧城市核心目标来源：中国信通院12中国数字孪生城市发展现状经过近五年的概念发展与技术框架建设，数字孪生城市已经成为近些年中国城市建设新方向。以政策导向为标准，多个省市设立数字孪生城市试点项目，产业端积极配合，更多企业加速入局，带动整体产业链发展，同时，5G、云计算、区块链等新技术的出现也对完善数字孪生城市建设起到了基础保证作用。本章将重点从政策、产业、技术等方面分析中国数字孪生城市发展现状，并分析南京江北新区数字孪生城市建设方案。132.1 中国数字孪生城市发展历程中国数字孪生城市2017年提出，目前处于2020-2023年基础建设期中国数字孪生城市兴起于2017年，由中国信通院在基于智慧城市研究基础上提出。2017-2018年间，对于其概念和理解逐渐丰富。同时，对于城市而言，数字孪生城市的三大优势是能提升城市规划质量和水平、推动以人为核心的城市设计和建设协同创新、优化并评估智慧城市建设成效。2018年，河北雄安新区发布河北雄安新区规划纲要，提出设立与现实城市同步规划建设、具有深度学习能力的数字城市，成为中国首个将数字孪生理念应用于城市建设的规划项目。2019年，随着“数字孪生城市”热度不断上升，百度、腾讯、阿里、京东、华为等多家互联网、通信巨头陆续加入，提出数字孪生城市架构，构建生态。另一方面资本入场，多支“数字孪生”概念股涨停，多家专注数字孪生城市企业获大额融资。在技术架构逐渐丰富明确之下，陆续有省市提出建设数字孪生城市的行动规划，其中以南京江北新区为例，在南京江北新区智慧城市2025规划中，明确提出数字孪生城市建设方案。2020-2023年，包含北京市、上海市、广州市、海南省、浙江省等全国有16个省/市明确提出数字孪生城市建设相关政策或行动方案，中国数字孪生城市建设正式进入建设期，目前大多数省市的数字孪生城市建设都在基础建设期，亿欧智库推测该阶段将从2020年持续到2023年，从基础终端、通信网络建设、三维建模和可视化渲染等技术层面全面着手建设。在基础建设期完成之后，中国数字孪生城市建设将于2023年之后进入数据资源、技术架构融合完善期，这也是数字孪生城市建设过程中最复杂阶段和建设核心，预计建设速度将会放缓。2.2.中国数字孪生城市发展现状中国数字孪生城市发展现状中国数字孪生城市建设成熟度2017-2018概念培育期2019技术架构期2020-2023基础建设期2023之后融合完善期单项技术发展迅速，数字孪生城市进入建设期第一座数字孪生城市建立亿欧智库：中国数字孪生城市建设成熟度理论与概念逐渐提出基于物联网、三维建模、人工智能的数字孪生城市技术架构基本明确数据、信息、资源、技术融合共享，协同发展，该阶段较为复杂来源：中国信通院142.2 政府指导数字孪生城市建设探索建设数字孪生城市被写入“十四五”规划，成为国家发展战略2020年4月，国家发改委和中央网信办联合发布关于推进“上云用数赋智”行动 培育新经济发展实施方案中，着重提及数字孪生技术，强调“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，引导各方参与提出数字孪生解决方案。十九届五中全会发布的中国“十四五”规划第十六章第二节更是明确提出将物联网感知设施、通信系统等纳入公共基础设施统一规划建设，推进市政公用设施、建筑等物联网应用和智能化改造，探索建设数字孪生城市。在此顶层设计下，数字孪生城市建设成为国家和地方发展战略，正处于快速发展期。多部委发布行动方案，加速推动数字孪生城市相关技术、产业、应用的发展。2.2.中国数字孪生城市发展现状中国数字孪生城市发展现状2019.102019.112019.12国家发改委自然资源部住建部鼓励建设基于大数据、物联网、GIS等为基础的城市信息模型（CIM）及建筑信息模型BIM相关技术开发与应用产业结构调整指导目录建设三维立体自然资源一场图自然资源部信息化建设总体方案加快构建部、省、市三级CIM平台建设框架体系2020年九大重点任务2020.92020.82020.4发改委、网信办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等新一代数字技术应用和集成创新关于推进“上云用数赋智”行动 培育新经济发展实施方案大力推广建筑信息模型技术（BIM），推进与城市信息模型（CIM）平台的融通联动关于加快新型建筑工业化发展的若干意见住建部、教育部、科技部、工信部、自然资源部、生态环境部、人民银行、市场监督总局、保监会住建部各地区开始建设CIM基础平台城市信息模型CIM基础平台技术导则亿欧智库：中国数字孪生城市建设各部委政策2020.12建立和完善综合管理信息平台，加速与CIM平台深度融合住房和城乡建设部关于加强城市地下市政基础设施建设的指导意见住建部2021.5构建可表达城市地下基础设施地理信息等三维空间全要素综合数据的底图，将综合管理信息平台与城市信息模型(CIM)基础平台深度融合，实现基于数字孪生的典型场景应用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住建部152.3 技术加速数字孪生城市建设数字孪生城市由多种信息技术构成，新型信息技术快速发展使其加速落地数字孪生城市强调数据驱动，真实、即时的城市信息是保障数字孪生城市模型运行的基础。数字孪生城市技术架构复杂，由数字化标识、自动感知、网络连接、协同计算、新型测绘、3D建模等多种信息技术体系综合支撑，每一种技术的发展与变革都会影响数字孪生城市建设过程。全域感知体系、边缘计算、5G、人工智能等基础技术的日趋成熟是构成数字孪生城市的基石，实现采集更多更准确的物理城市信息，更快的信息交互能力、更完善的数据处理整合水平、以及更优化的决策能力，将推动数字孪生城市的落地建设与成熟。全域感知体系和边缘计算使数字孪生城市数据信息收集更加全面具体数字孪生城市依靠数据驱动，需要精确的城市运行信息，全域感知体系是数字孪生城市运行的基础。城市地理信息和三维实景数据等城市基础空间信息的获取在激光扫描、航空摄影、移动测绘等新型测绘技术运用下，能更高精度的采集并更新到城市模型中。城市动态运行信息的收集需要依靠物联网实现全域感知。在信息传感器、射频识别、全球定位、红外传感器等装置，实时采集需要监控、互动的人、事、物的基础上，全域物联感知和智能化设施的发展，能利用多种类设备接入系统并进行数据处理，支撑智能化应用，提升物联感知粒度和数字孪生城市的精细化程度。2.2.中国数字孪生城市发展现状中国数字孪生城市发展现状5G5G地理环境社会数据建筑楼宇道路交通数据收集处理城市3D模型系统运行交互智慧交通智慧楼宇智慧园区智慧制造物理城市虚拟城市边缘计算大数据全域感知建模、渲染人工智能推演、仿真亿欧智库：数字孪生城市新型信息技术链条多功能杆柱感知盒无人汽车无人驾驶公交车、无人驾驶环卫车、无人机、智能机器人等将成为浮动感知载体，与极光雷达、卫星遥感等构成一体化立体感知体系。亿欧智库：数字孪生城市感知体系发展方向多功能杆柱可搭载LED路灯、高清摄像头、WLAN或基站、集成传感器、充电桩等设备，兼具照明、通信、监测、充电等功效，实现所有设备共享点能源和网络接入。感知盒装配有感知板卡，传感网关或微基站等作为集成化感知监测节点，部署在城市空间内具备末端感知能力。16边缘计算提供低成本，低时延的存储和计算服务，加速智能化基础设施建设。在多功能杆柱或公共基础市政设施上可装备小型边缘计算节点设备，中型节点设备可放置在城市运营商接入机房。边缘计算节点连通下端感知盒和上端云计算中心城市，利用MEC的计算、存储能力，满足视频监控等低成本物联网终端接入、低时延等要求，缓解核心网数据传输、处理压力，提升网络智能化水平。5G高性能通信网络从多层面优化数字孪生城市建设网络连接端，5G作为数据采集、传输、处理、输出的重要媒介，将数字孪生城市推入一个新进程。与4G相比，5G性能大大提升：数据传输速率提高约100倍、延迟降低30-50倍、移动性增加1.5倍，同时降低成本，节约能源，增加系统容量。这些技术优势将在数据采集与处理的基础上，从以下四个方面大力推动数字孪生城市建设：人工智能技术在数字孪生城市架构中多层部署，是提升城市管理运营优化的关键建立数字孪生城市的目的是利用数字城市更高效、准确的实现城市规划、管理、运营能力，提升居民幸福感。在数字城市拥有海量视频、音频、图像等信息数据的情况下，单靠人力是不能达成城市管理决策的，因此需要多层次部署人工智能，依靠人工智能深度算法、开源框架软件体系、AI芯片等人工智能技术实现全域信息分析处理、智能管理决策、协同调度等应用。时空人工智能是人工智能领域的新型创新应用技术，指利用时空算法叠加AI，对城市等多源异构数据进行时空化治理和融合，在数字孪生城市模型搭建过程中起重要作用。能提供城市高精度全景图像，通过智能化算法对城市运行状况进行分析和判断。2.2.中国数字孪生城市发展现状中国数字孪生城市发展现状5G+MEC 技术融合加速：5G作为底层技术，加速融合云计算、大数据、边缘计算、物联网等核心技术，实现万物互联。5G+AIoT 基础设施升级：5G将提升智能硬件基础设施和感知环境变化能力，推动智慧路灯、智能充电桩等建设。5G+IOC 数据资源传输：5G推动建立人、事、物之间的泛在连接，推动传感器和智能终端的普及，将物理城市的信息导入数字城市。5G商用将推动数字经济发展，推动AI、VR前沿技术落地，在多个垂直行业加速城市创新应用。5G+行业 创新场景应用：计算机视觉：机器学习：知识图谱：图像分类、目标跟踪、语义分割等对目标图像的提取、分析、处理。构建用来描述物理城市的定义、概念及相互关系的结构化语义知识库。根据城市真实的运行数据，使用算法解析和学习数据，在虚拟城市中做出决定或预测。数据时空化：模型时空化：场景时空化：将各类数据添加时间、空间、属性的“三域”标识，便于后续数据统一管理与分析。城市模型中嵌入AI+时空算法，实现城市动态监测和异常诊断。静态模型上叠加多维实时动态数据和AI分析数据，实现对城市微小单元的感知与治理，并能根据历史时空数据计算其未来预测值。172.4 市场布局数字孪生城市建设数字孪生城市激活庞大产业链，各类企业加速入局构建合作生态数字孪生城市目前处于建设初期，多类型科技企业入局，依靠自身技术、资源优势探索数字孪生城市建设。数字孪生城市技术架构复杂，涵盖物联感知、测绘建模、图像渲染、虚拟现实等多种信息通信技术，产业链条也囊括芯片、终端、设备等制造业和网络服务、云计算、大数据等服务业。因此，无论是传统智慧城市企业、新型科技企业还是互联网巨头都在从不同角度切入赛道，探索数字孪生城市建设。比如从事地理信息、新型测绘的企业将为数字孪生城市建设提供城市基础信息；从事三维建模、BIM/CIM、可视化、场景渲染等业务的企业将着重建立数字孪生城市模型平台。由于目前数字孪生城市处于建设初期，新玩家不断涌入，商业模式仍处于探索阶段，尚未形成完整的竞争格局。各企业之间依靠自身优势，寻求合作关系，建立稳固的商业合作生态。2.2.中国数字孪生城市发展现状中国数字孪生城市发展现状基础层数字孪生平台应用层空间、测绘物联感知一体化集成商网络通信人工智能云计算可视化渲染亿欧智库：数字孪生城市企业图谱182.5 建设案例南京江北新区2019年提出南京江北新区智慧城市2025年规划，“打造全国数字孪生第一城”是其中建设重点南京江北新区于2015年6月27日由国务院批复建立，是全国第13个，江苏省唯一的国家级新区。2019年6月，江北新区在“2019南京创新周-创新江北专场”上发布了由华为技术有限公司编制的南京江北新区智慧城市2025规划。该规划根据江北新区建设国内一流智慧新区目标，全力建设“数字化、智能化、网格化、融合化”的智慧新区目标，将建立“数字孪生城市”作为新区建设重点。江北新区规划到2025年，建成“全国数字孪生城市第一城”，建立高精度数字孪生城市信息模型，将直管区386平方公里区域的人、物、事件等全要素数字化，并完整映射在模型中，达成以物联、数汇、智创为特征的智能感知、智敏响应、智慧应用、智联保障的数字孪生城市。利用数字孪生城市信息模型实现数据互联共享、运行全生命周期监测、智能化管理的新型城市规建管一体化。2.2.中国数字孪生城市发展现状中国数字孪生城市发展现状智慧规划智慧建设智慧化管理规划编制规划审批规划评估施工图审查项目建设监管竣工验收公共事业平安城市智慧环保智慧能源智慧出行规划数据更新项目竣工交付城市管理数据监测数字孪生城市信息模型指标落地建筑规范要求项目备案移交规划验收亿欧智库：江北新区数字孪生城市规建管一体化 智慧规划：解决新区建设开发过程中的城市空间规划冲突问题，促进资源集约利用、规划方案科学、城市发展决策高效。智慧建设：构建新区统一、动态更新的房屋数据库，通过数字模型仿真建筑信息，推进社区、园区智慧化建设。智能化管理：城市运行环节全面实现水电煤气城市生命线、公共安全、生态环境等各领域的实时监测、智能预警于多级协同处置，保障城市稳定有序运行。来源：南京江北新区智慧城市2025规划19江北新区设置两个建设阶段，目前仍处于第一阶段建设按照规划，江北新区数字孪生城市建设分为两大阶段：一是2019-2021年为加速推进期，以“强基础、据核心、出亮点”为主，基于数字孪生城市信息模型汇聚城市运行多类型数据，整合政府和市场服务资源，提升城市服务体系。同时依靠全域数字标识和一体化感知监测体系，通过高性能协同计算和深度学习的机器智能建设城市信息中枢，推进城市智能化运行。第二阶段是2022-2025年的深化应用期，强调“深应用、强功能、扩影响”，在建立“全国数字孪生城市第一城”基础上加强城市规划、社会治理、城市服务等智能场景应用。在两阶段建设期内，江北新区的数字孪生城市需达到既定指标。2.2.中国数字孪生城市发展现状中国数字孪生城市发展现状领域指标2021目标2025目标基础支撑高速宽带标准高速宽带无线通信全覆盖、200兆入户、千兆入企高速宽带无线通信全覆盖、千兆入户、万兆入企多尺度地理信息覆盖度70%100%三张数据画像完成度70%100%数字孪生城市智慧工地占比70%100%公共事业智慧化应用数量12个30个大数据在城市精细化治理和应急管理中的贡献率70%90%重点污染源在线监测覆盖率80%100%公共安全视频监控资源联网率70%100%技术创新应用新技术创新应用场景数量12个30个江北新区依靠自身信息化基础，搭建数字孪生城市模型江北新区的数字孪生城市模型依托于新区的信息化、数字化基础，打造以大数据管理平台及基础数据库、综合感知平台、数字孪生信息平台、视频监控联网平台协同构成的江北新区数字孪生城市模型。通过对数据资源采集、管理、治理、共享、分析和应用，实现对新区城市治理的改善和优化。大数据管理平台 数据交换共享 运行监测 综合治理视频资源管理平台 公共部门视频监控资源统一管理、灵活调用、协议共享数字孪生城市信息平台 建筑楼宇、公共设施、地理信息等资源3D可视化模型 物联网感知设备、智能终端等接入平台综合感知平台 采集并整合人流量、道路交通、水电燃气等公共服务资源 加速城市舆情感知及响应速度来源：南京江北新区智慧城市2025规划20数字孪生城市发展挑战及建议数字孪生城市作为建设智慧城市的最佳解决方案，近年引起了越来越多的重视。虽然很多省市提出了建设项目，但是目前并没有哪座城市已经完全完成数字孪生城市建设。在建设过程中，还有部分地区面临着对数字孪生城市理解不清晰，盲目跟风，建设方案还不够清晰等挑战。基于这些问题，本章给出了一些建议。同时，通过对新加坡“虚拟新加坡”项目的分析为中国数字孪生城市建设给出一条发展路径参考。213.1 中国数字孪生城市建设挑战虽然全国试点项目数量较多，但目前尚未出现建设成熟的数字孪生城市项目，整体遇到较多发展挑战中国数字孪生城市建设整体处于基础期，建设目标不清晰、方案不完善、技术不明确等问题与挑战贯穿整个数字孪生城市建设过程。建设前期：对数字孪生城市理解不足，缺乏顶层设计和通用化建设方案由于数字孪生城市涵盖范围较广，技术架构复杂，定义与内涵仍然没有达成共识，虽然全国各地众多省市提出了建设数字孪生城市的目标，但是有些城市对于建设数字孪生城市的目的和内涵并不清晰。在缺乏技术基础和应用场景的情况下，盲目跟风提出数字孪生城市建设项目，也缺乏对建设数字孪生城市带来的城市运行治理优化效果的理解和运用。而且由于对定义和建设核心的理解不清，也会出现打出“数字孪生城市”建设的名号但其实还停留在基本粗略城市静态模型建设或城市运行状况监测方面，并没能真正体现出数字孪生城市建设带来的优势。在现阶段的基础建设期，虽然建立数字孪生城市的试点项目众多，但缺乏由城市管理者提出统筹规划的顶层设计理念，缺乏由上而下的建设指导，缺乏各行业、各部门的协同合作和沟通。在推进数字孪生城市时，大部分省市都在摸索其落地建设方案，而缺少符合大多数城市发展现状的通用化建设方案与思路，导致建设成本加大，经验难以复制。同时对于数字孪生城市建设的整体解决方案也尚不明确，不能很好的指导市场，引领市场需求和体系化布局。建设中期：多种数据信息和技术融合尚不成熟，亟待整合在数据信息收集端，城市涉及数据类别众多，来源繁杂，目前仍存在“信息孤岛”现象。主要涉及静态、动态数据。静态数据包括城市基础空间数据和城市3D模型；动态数据是通过传感器、摄像头、智能终端等感知终端对城市基础公共设施、运行情况、交通信息、天气环境变化等实时感知。由于城市静态信息基本由政府不同部门掌握，如住房和城乡建设部掌握城市基础设施、楼宇建设信息、自然资源和国土规划部掌握城市时空数据、公安政法部门掌握城市安全和综合治理信息。目前各部门都有自己的信息系统和应用体系，严重缺乏数据的整合与协同使用。虽然为了能够解决信息孤岛问题，综合处理各部门掌握的数据建立了大数据局，但目前大数据局的协调统筹力度远远不够，并不能整合城市运行的综合信息。另一方面，动态数据的收集需要大量硬件设备，目前的感知硬件终端数量虽然逐年增长，但并不足以抓取城市基本运行数据。3.3.数字孪生城市发展挑战及建议数字孪生城市发展挑战及建议建设前期建设中期建设后期理解不清盲目跟风方案不明数据孤岛技术壁垒框架标准信息安全22在系统端，目前数字孪生城市模型平台没有统一信息系统，导入多源数据困难，各技术系统之间难以融合交互使用。数字孪生城市技术架构体系基本建立在现有信息通信技术的基础上，重点是多源数据、系统之间的融合交互，但同时这也是建设的难点。由于之前各行各业的信息化建设多独自为战，因此没有形成可兼容异构信息系统的统一表展的数据底层框架，各部门、机构、厂商之间没有使用统一编码，多模态数据难以融合表达。矢量数据、栅格数据、模型数据、点云数据等多由不同设备采集或由不同建模软件标准格式设计，存在格式不统一、数据权限不明确、对接机制不互通等融合壁垒。建设后期：信息安全问题不可忽视虽然目前世界各地没有城市完成了成熟的数字孪生城市建设，但信息安全问题已经被提出。虚拟数字城市模型依托于复杂先进的信息技术架构，从城市居民角度，个人信息与隐私侵害问题日益严峻。从城市整体运行情况考虑，数字孪生城市模型能感知城市实时运行状况，并存储着城市的长期核心数据。一旦信息系统被突破或入侵，数据被盗取将对城市安全产生巨大威胁；更严重的是，由于数字孪生城市具有以虚控实的功能，被入侵的系统将破坏城市整体运行状态，后果不敢设想。同时，庞大的技术孪生城市架构中，海量城市数据的存储和多层次技术体系的维护也是建设数字孪生城市过程中不可忽视的问题。3.3.数字孪生城市发展挑战及建议数字孪生城市发展挑战及建议时空基础数据资源调查数据公共专题数据物联感知数据测绘遥感三维模型行政区地质调查耕地资源市政设施房屋建筑人口数据宏观经济社会数据建筑监测市政设施监测气象监测交通监测城市运行安防生态环境数字孪生城市数据收集亿欧智库：数字孪生城市模型数据类型来源：住建部、公开资料整理233.2 中国数字孪生城市发展建议3.3.数字孪生城市发展挑战及建议数字孪生城市发展挑战及建议在多年智慧城市的发展基础上，数字孪生城市建设可以先明确四个基本建设阶段从目前的发展情况来看，很多省市对“数字孪生城市”持积极态度，