张竞涛等：数字孪生体赋能城市数据融合利用的典型模式研究与展望
作者：张竞涛, 王明玉, 张育雄, 等.
文章来源于：中国联通研究院
摘要
当前，国内外多地因城施策开展数字孪生城市建设，各地对数字孪生城市中数据融合利用和价值释放尤为关注。其中，数字孪生体将有效促进城市静态数据与动态数据、外观数据与机理数据融合，促进城市多领域数据的融合利用。文章结合国内外实践，从数据的“汇聚、治理、开发、运营”等环节出发，总结数字孪生体促进城市数据融合利用的典型模式，包含制度机制引领模式、最小单元试点模式、专题场景驱动模式、数据资产管理模式等。从健全孪生体数据统筹管理机制、加快数字孪生体标准制定、打造数字孪生体标杆场景、创新数字孪生体运营模式等维度出发，提出推动城市数字孪生体建设和应用的思考和建议，为数字孪生城市的管理者、建设者和运营者提供参考。
关键词：数字孪生城市；数字孪生体；城市数据；数据要素
引言
数字孪生体(Digital Twin)是指运用数字化技术，在数字空间构建的与物理实体相互映射的数字模型。随着数字孪生城市从理念探索向建设落地阶段推进，数字孪生体为城市数据的全域感知、多源融合与价值挖掘提供了新范式。同时，数字孪生体在城市领域的应用逐步深入拓展，已经在城市交通管理、能源优化、安全韧性、区域经济等场景发挥作用。当前，各地对城市数据融合利用和价值释放尤为关注，文章将分析以数字孪生体为抓手，促进城市数据融合利用的典型模式，并提出未来促进数字孪生体建设和应用的发展建议，为未来数字孪生城市建设提供参考。
1.数字孪生体概念的发展历程
“数字孪生体”概念由来已久，最早可以追溯至20世纪60年代美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)提出的阿波罗计划。目前，数字孪生体的概念逐步清晰，并逐步应用到航天、航空、制造、城市等多领域。参考《数字孪生城市白 皮书(2022年)》[1]和《数字孪生体技术白皮 书(2019年)》[2]的阶段划分，结合当前行业最新实践，研究认为，数字孪生体概念的发展历程可以划分为四个阶段。
1.1 技术准备阶段
数字孪生体的雏形可追溯至20世纪60年代NASA的阿波罗计划，在该项目中，NASA制造了两个完全相同的航天器，一个发射至太空执行任务，另一个留在地球作为“孪生体”，用于模拟太空飞行器的状态，辅助故障诊断和训练。此时，“孪生体”仍是物理实体，但已具备实时仿真与状态映射的核心特征[3]。这一阶段，航天领域“孪生体”的概念为后续数字孪生体概念提出构建了理念雏形，同时，计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)和产品生命周期管理(PLM)等技术的成熟，为数字孪生体构建奠定了技术基础。
1.2 概念提出阶段
2002年，Michael Grieves教授首次提出“镜像空间模型”，并于2005年发表著作明确提出“信息镜像模型”的定义，强调物理与虚拟系统的双向映射，为数字孪生提供了理论支持[4]。数字孪生体(Digital Twin)这一理念最早出现在2009年美国空军研究实验室提出的“机身数字孪生体”(ADT)[1]，用于飞机结构疲劳分析。2010年，NASA在技术路线中正式定义“数字孪生”[1]，将其用于飞行器健康监测和预测。这一阶段，数字孪生体从物理仿真扩展至预测维护，实现动态更新和实时交互，奠定了现代数字孪生的基本框架。
1.3 行业应用阶段
2016年，西门子、通用电气等工业巨头将数字孪生引入智能制造，用于预测性维护与生产优化。2017年，Gartner将数字孪生列为十大战略科技趋势，并分类为离散、复合和组织数字孪生。2017年，中国信息通信研究院率先提出数字孪生城市理念。随后，中国、美国、英国、新加坡等多国积极推动数字孪生城市建设。这一阶段，数字孪生体逐步发挥实时感知、辅助决策和智能优化的作用，应用领域从数字孪生产品、产线、车间，走向数字孪生楼宇、园区、城市等更大范围，开始辅助解决城市规划、交通规划等城市发展问题。
1.4 应用拓展阶段
2018年以来，数字孪生与5G、AI、IoT等技术持续深度融合，数字孪生体应用逐步向电力、水务、交通、消防、医疗等多领域拓展。ISO、IEEE等国际组织推动数字孪生领域标准制定，推动技术规范化发展。2022年中国信通院《数字孪生城市白皮 书(2022年)》系统分析了“城市数字孪生体”概念，明确提出“数字孪生体是现实世界事物的镜像表达”，数字孪生体能够将同一实体的不同模型数据汇聚、组织、融合在一个数字模型上，实现城市多领域数据的可视、可感、可算、可用和可控[2]。国家标准GB/T 43441.1-2023《信息技术 数字孪生 第1部分：通用要求》定义了“数字实体是指目标实体的数字化映射”[5]。李 鹏涛等人提出“城市数字孪生体指在数字空间构建与实体城市相互联系的虚拟城市体”[6]。在这一阶段，数字孪生体的概念进一步清晰，出现了城市数字孪生体、工业数字孪生体、楼宇数字孪生体等多元化形态，为城市数据治理和融合利用提出了新方案，应用领域进一步拓展，成为促进经济社会数字化转型的重要技术之一。
2.数字孪生体在城市领域的
应用态势
从2015年“虚拟新加坡”建设以来，国内外多个城市积极探索数字孪生体在城市领域的应用，数字孪生体在城市领域的应用呈现出应用逻辑不断深化、应用范围有序拓展、参与主体逐步壮大的发展态势。
2.1 应用逻辑不断深化：从静态展示到动态交互再到智能决策应用发展
数字孪生体在城市领域的应用逻辑正经历从静态建模向动态交互、智能决策的深化发展。一是数字孪生体逐步与物联感知和动态仿真能力融合，实现虚实交互、以虚控实。例如通过物联网(IoT)设备采集交通流量、环境监测等信息，实现虚实联动。二是人工智能与大数据分析技术的引入，使数字孪生体能够进行预测分析和智能决策，推动城市治理从被动响应向主动干预转变。例如上海提出建设“量子城市”概念，打造时空联动、虚实相生的数字体系，不仅运用二维和三维数据将现实世界可视化，更重要的是基于人工智能的仿真推演和实时反馈，让大模型做到可计算、可交互，让数字城市学习现实城市的规律，最终又反馈到现实城市进行提升改造，打造时空三维智能体有利于提升国土空间利用效能，也有助于提高城市安全韧性[7-8]。
2.2 应用范围有序拓展：从局部点状探索向全域一体化集成应用发展
数字孪生体的应用范围正从局部场景、单一领域向城市范围、跨界融合的应用方向扩展。一是数字孪生体初期多聚焦于特定场景，如楼宇数字孪生体、场馆数字孪生体等，运用数字孪生技术，提升局部场景运营效率。二是数字孪生体构建和应用范围逐步拓展，随着数据融合能力的提升，逐步覆盖城市基础设施、地下管网、生态环境等多个维度，形成全域感知网络。例如武汉建设了城市数字孪生操作系统，深度融合城市运行相关数据、应用、软硬件设施等数字资源，可以为城市管理者提供多层次智能化数据服务，支撑交通拥堵治理、城市安全预警等应用，助力城市精细化治理[9]。
2.3 参与主体逐步壮大：从政府部门主导推进向生态协同创新发展
数字孪生体的参与主体正从政府单一主导转向政企协同、生态共建的模式。随着数字孪生城市政企合作模式的不断创新，数字孪生体的参与主体也在不断壮大。一是早期数字孪生城市项目多采用“政府主导、企业承建”模式，政府部门以公共数据资源整合为抓手，推动数字孪生体构建。二是随着技术融合、资源共享和多方合作，数字孪生体的构建模式也逐步向“政企合作、多方参与”转变，呈现政府部门跨部门、跨区域协同，产学研多方合作共建等模式。例如珠江委推动“四个统一”(规划、治理、调度、管理)的数字孪生平台，整合流域内各省份数据资源，实现上下游、干支流协同管理，推动流域治理联防联控[10]。
3.数字孪生体赋能城市数据
融合利用的典型模式
文章结合国内外实践，从数据的“汇聚、治理、开发、运营”等环节出发，总结数字孪生体促进城市数据融合利用的典型模式。
3.1 制度机制引领模式：以制度创新为引领，推动城市数字孪生体数据采集汇聚
以数字孪生城市规划为引领，以城市数据平台为支撑，推动数字孪生城市数据采集汇聚。一是加强战略规划引领。通过制定数字孪生城市相关指导意见、发展规划和建设方案，为城市数据汇聚提供政策依据和实施指南。例如雄安新区在规划阶段就提出建设数字孪生城市，《河北雄安新区规划纲要》提出“坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设”，《关于全面推动雄安新区数字经济创新发展的指导意见》提出“打造‘生长即汇聚’的数据融通汇聚环境，形成‘行业系统一张图、行业数据一张表’”，规划高点站位和统筹引领，为雄安新区推动数字孪生体数据汇聚创造了良好的政策环境。二是建设城市级综合数据平台。通过建设城市CIM平台、城市块数据平台等核心平台，为城市数据统一汇聚和治理提供能力支撑。例如雄安新区建设城市级数据中心，数字化系统的数据库、数据目录按照统一标准进行开发，同步开展数据治理工作，从根源上消除“数据孤岛”等问题，目前已经实现工程建设、政务服务、民生服务、城市运营等各领域数据汇聚。同时，数字孪生城市数据已广泛应用于雄安工程项目规划、设计、建设、监管的全过程，促进城市管理降本增效。
3.2 最小单元试点模式：以最小单元为试点，推动城市数字孪生体高效构建和应用
以楼宇、场馆等对象作为数字孪生城市的最小管理单元，通过构建最小单元的数字孪生体试点，逐步推动城市数字孪生体构建，赋能数字孪生城市建设。一是以“小切口”场景切入，打造数字孪生体试点应用。数字孪生体构建涵盖数据采集、汇聚、加工、建模等多个环节，涉及城市多领域数据，数字孪生体构建对技术能力和协同管理提出较高要求。以楼宇、场馆、展览等小切口场景切入，将进一步明确数据采集的区域、范围，提高数字孪生体构建的可落地性和可操作性，有利于高效开展数字孪生体应用探索。例如上海市选取南京大楼作为城市治理最小管理单元，打造了楼宇数字孪生体，部署了多项传感设备、摄像设备，实现对楼宇运行状态的实时感知、及时发现和敏捷处置[11]。二是有序拓展数字孪生体建设，赋能城市数字治理。通过楼宇、场馆等最小单元试点，逐步拓展到街镇、商圈、园区的数字孪生体试点，由点及面推动数字孪生城市建设。例如上海逐步支撑更多最小管理单元建设，逐步拓展到路段、街镇等区域，聚合了50多家生态伙伴，提供了消防安全、房屋安全、大客流安全、高空坠物等多种数字治理解决方案，探索了可复 制、可推广的城市安全管理新机制[11]。
3.3 专题场景驱动模式：以专题场景为驱动，推动城市跨领域数据融合利用
以城市生命线、城市碳排放等专题化场景为驱动，推动城市安全、应急、能源、生态等多领域数据汇聚，为城市数字化治理提供创新解决方案。一是以专题化场景为牵引，推动多源数据融合汇聚。例如合肥搭建城市生命线工程，推动地下管网在数字空间可视化呈现，融合供水、热电、排水、燃气、桥梁、管廊、森林防火、电梯安全等多领域数据，建立起覆盖地上地下的城市基础设施数据库。二是搭建行业数字孪生体，推动数字孪生城市场景应用。例如合肥搭建了城市生命线的数字孪生系统，建立桥梁、管道、地下管网等数字孪生体，实现地下空间在数字空间的可视化呈现，通过数据监测、实时预警、协同处置，有效提升城市安全韧性水平。
3.4 数据资产管理模式：以数据资产为创新，推动数字孪生体数据价值释放
以数据资产全过程管理为创新理念，对数字孪生体相关数据进行资产化管理，推动城市数据资产价值发现和释放。一是搭建数字孪生数据资产管理平台，通过数据资产管理平台，对数字孪生体相关的三维模型、视频、图片、工程文件等数据资产进行统一管理，摸清数据资产底数，为数据资产开发利用提供支撑。例如苏州工业园区建立了数字孪生数字资产管理平台(如图1所示)，支撑数字孪生数字资产生成、应用、盘点、分析的全流程，有效盘活在场景中沉淀的资产，实现一次建模、多处复用[12]。二是创新数字孪生数据资产管理机制，通过标准规范、操作手册等方式，对数据资产导入、上架、申请、共享等环节进行规范化管理。创新数字孪生数据资产共享机制，通过积分兑换、线上社区、模型共享等方式，推动数据资产共享利用，推动数字孪生数据价值释放。例如苏州工业园区创新提出了“积分制”数据资产使用模式，公众可以通过统一渠道，线上搜索、兑换、下载数字孪生体模型，在保障数据安全的前提下，激发了公众开发利用孪生数据的积极性，促进了数据在城市治理、经济发展、民生服务等领域的广泛应用，提升了城市数据的价值和效益[12]。
4.数字孪生体赋能城市
数据融通利用的发展展望
4.1 健全数字孪生体数据统筹管理机制
一是鼓励各级城市健全城市数字孪生体数据统筹管理机制，明确各部门在数据管理中的职责分工，打破部门壁垒，实现数据的高效整合与共享。二是建立健全数据管理制度，涵盖数据采集、存储、处理、共享、安全等全流程环节，确保数据的有效性、安全性和合规性。三是利用数据空间、数据元件等技术手段，实现数据的可信共享与溯源，保障数据在流转过程中的完整性和可信度，为数字孪生体的高效运行提供安全能力保障。
4.2 加快城市数字孪生体标准研究制定
一是加快开展城市数字孪生体标准体系研究，围绕数据标准、模型标准、接口标准、场景标准等多方面内容，推动数字孪生体建设的规范化和标准化。二是推动标准的落地实施，通过试点示范等方式，验证标准的可行性和有效性，逐步完善标准体系，为数字孪生体的广泛应用提供保障。三是积极参与数字孪生领域国际合作和标准研究，凝聚数字孪生城市建设共识，促进交流互鉴。
4.3 培育孵化城市数字孪生体标杆场景
一是积极探索城市数字孪生体高效构建模式，结合人工智能、边缘计算、区块链等新兴技术，优化数字孪生建模与仿真效率，探索自动化建模、轻量化渲染、低代码开发等技术手段，提高构建效率。二是打造高价值数字孪生体标杆场景。优先选择交通治理、应急管理、智慧园区、低碳城市等社会关注度高、需求迫切的领域，建设一批数字孪生体标杆场景，形成可复 制、可推广的成功经验。三是建立场景孵化支持体系，通过联合实验室、产业联盟、创新中心等形式，整合政府资源、企业技术、高校科研和市场需求，形成“需求—研发—应用”闭环。建立数字孪生城市成熟度评估机制，定期发布优秀案例，推动经验共享与模式复 制，加速标杆场景的规模化推广[13]。
4.4 创新城市数字孪生体商业运营模式
一是探索多元化价值变现路径，构建“数据服务+场景订阅+增值应用”的商业模式，面向政府、企业和公众提供差异化服务。如面向企业客户提供模型订阅服务、面向公众开放虚拟城市导览等增值体验，形成可持续的盈利闭环。二是打造平台化运营生态，建设开放型数字孪生应用市场，吸引第三方开发者入驻，通过API接口开放和收益分成机制，培育丰富的应用生态，形成“政府引导、市场运作、生态共赢”的良性发展格局。三是创新政企合作机制，推广建设—运营—移交(BOT)、政府购买服务等合作模式，降低政府前期投入压力。探索数据资产化路径，通过数据空间、数据信托等技术应用和制度设计，推动数据要素的市场化流通和价值释放，为数字孪生城市长效化运营提供新动能。
结语
随着新一代信息技术创新发展和城市数字化转型深化推进，数字孪生体逐渐成为推动城市数据规范治理和融合利用的有效路径之一，并在工业制造、楼宇管理、能源管控等领域发挥了虚实交互、以虚优实的赋能作用。文章分析了数字孪生体赋能城市数据融合利用的典型模式，并提出了促进数字孪生体应用的思考和建议。未来，仍需围绕数字孪生体典型场景、数字孪生体智能化应用开展研究，推动数字孪生城市建设，助力城市全域数字化转型和中国式现代化城市建设。
参考文献
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