2020年3月31日，习近平总书记在杭州城市大脑运营指挥中心考察时指出，让城市更聪明一些、更智慧一些，是推动城市治理体系和治理能力现代化的必由之路。2022年1月发布的“十四五”数字经济发展规划明确提出“因地制宜构建数字孪生城市”。数字孪生城市作为新的城市发展模式，将给全球城市带来怎样的改变？又将如何改变人们的生活？
一、拉齐共识：数字孪生城市概念及相关模型
本世纪初，迈克尔·格里夫斯（Michael Grieves）教授在美国密歇根大学的课堂上首次提出“数字孪生”（Digital Twin）的设想。作为一种仿真技术，在理论上不仅要求与物理实体的几何结构保持一致，而且能够在信息系统中镜像复原物理实体的状态和行为，技术上即利用大量的传感器监测物理实体的运行状态，通过数据建模仿真来验证对物理实体的控制效果，最终可以控制物理实体的运行。
图：数字孪生直观理解图
数字孪生技术和创新的价值，可以抽象为“过去、现在与未来”三大维度：对于过去，数字孪生可以沉淀数据，辅助分析提升；对于现在，数字孪生场景可以实现全局感知、智能运控和实时调度；对于未来，数字孪生场景则起到了模拟推演、仿真预测和辅助决策的关键作用。
图：数字孪生城市运行逻辑
而数字孪生城市，则是“数字孪生”在城市空间中的应用。城市是由物理空间、社会空间和信息空间相互交叠而成的开放复杂的巨系统。通过构建物理城市世界、网络虚拟空间的一一对应、相互映射、协同交互的复杂系统，物理空间和社会空间都将以信息的形式呈现在我们面前，在网络空间再造一个与之匹配、对应的“孪生城市”，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。可以说，数字孪生城市是数字城市的最高阶段。
图：数字孪生城市相关模型
二、建设进展：数字孪生城市的实践
2020年以来，国际上的一些国家将数字孪生上升为国家战略。英国发布《国家数字孪生体原则》，阐述了构建国家级数字孪生体的价值、标准、原则及路线图；德国“工业4.0”参考框架也将数字孪生作为重要内容；新加坡率先搭建“虚拟新加坡”平台，用于城市规划、维护和灾害预警项目；法国推进数字孪生巴黎建设，打造数字孪生城市样板，虚拟教堂模型助力巴黎圣母院重生；在中国，“探索数字孪生城市建设”已经写入“十四五”规划和2035年远景目标纲要。
中国各个省市也纷纷对数字孪生城市建设进行探索。雄安新区围绕城市全生命周期的“规、建、管、养、用、维”六个阶段推出规划建设BIM管理平台，在国内率先提出了贯穿数字城市与现实世界映射生长的建设理念与方式。杭州基于BIM+GIS建设数字孪生社区、数字孪生城市，并首创城市大脑，开启城市数字治理新征程。武汉在汉口滨江国际商务区、长江新区等规划建设工作中积极探索采用数字建模技术，以超前理念开展数字孪生新区建设，为关键系统工程规划论证和后期精细化、智慧化管理提供数字底座。
三、加深思考：发展数字孪生城市面临的挑战
目前，数字孪生还处在初级发展阶段，但要步入广泛应用阶段，还将面临数据、安全、多系统融合和人才等方面的挑战。
一是数据方面。数据是数字孪生城市建设的关键，现阶段数字孪生城市建设在数据方面主要面临以下几个方面的挑战：多维度、多尺度数据采集不一致；数据传输稳定性不足；受多源数据获取方式的影响，数据准确性难以保障；海量数据的存储与处理能力欠缺；通信接口协议及相关数据标准不统一；数据的分享与开放机制不完善以及多源异构多模数据较难实现集成、融合和统一。
二是安全问题。主要表现在数据传输和存储安全方面，数字孪生系统在应用过程中，会产生和存储海量的生产管理数据、操作数据和系列外部数据等，可通过云端、生产终端和服务器等存储方式进行存储，任何一环都可能涉及数据泄密的风险。另外，系统控制安全也需要注意。由于虚拟控制系统可能存在各种未知的安全漏洞，极易发生数据安全问题。
三是多系统融合问题。数字孪生是一个多维系统的融合，在数据、模型和交互各环节均涉及融合应用，而目前无论是数据采集、数据传输、模型构建还是交互协同的环节，与数字孪生构架均未深度结合。
四是人才问题。现阶段数字孪生核心软件技术仍由国外人才主导，国内市场缺少数字孪生标准化研究相关的专业人才。
四、立足本地：武汉发展数字孪生城市的建议
1、构建数字孪生城市实施框架
一是研制重点标准，完善标准体系建设。以“规划引领、需求牵引”为原则，推动重点标准研制工作，不断完善城市数字孪生标准体系。以共性支撑为基础，研究基础性术语、架构、成熟度等总体标准，研制数据资源规划、数据模型、数据融合等数据标准。以融合应用为导向，推进城市数字孪生在城市规划、城市建设、城市治理、城市服务等维度，开展典型应用场景的标准研制。
二是着力构建主体技术簇并强化集成。发挥武汉在社会感知数据、遥感数据、北斗卫星定位和设计、审批、验收等法定管理数据优势，充分利用地理信息框架基础，构建“感知标识+地理信息+建模渲染+算法仿真+交互控制”的数字孪生技术体系。同时，围绕规划建设运营全过程，明确各阶段技术集成重点，整体性系统性实施推进。
2、优化数字孪生产业生态
一是强化核心产业引导，促进全链条产业协作。依托武汉东湖高新区CIM平台、路特斯武汉智能工厂推动打造一批数字孪生产业园区或基地，引导和支持龙头企业围绕三维可视化建模、仿真渲染、图形化引擎、空间计算、GPU芯片、虚实交互等关键技术开展协调攻关，助力中小企业创新孵化。
二是推进数据资产利用与保护。高水平打造数字孪生城市公共服务平台，有效聚合数据并探索资产化路径，在有效保证用户隐私前提下挖掘数据效用，服务构建数据驱动型治理模式，促进数据资产交易共享。
三是加大数字孪生人才育用。以“数字孪生”项目为抓手，吸引国内优秀科研团队、学者来汉开展项目相关课题研究工作，同时做好科研成果转化奖励激励，拓宽成果转化渠道。支持鼓励在汉高校设立“数字孪生”实验室，引进数字化智能制造实验产线，培育具备数字孪生与其他领域知识储备的交叉复合型人才。
3、筛选数字孪生城市高价值场景
一是围绕“人、物、动、态”全要素，持续推进超大城市运行数字体征系统建设，提升“实时体检”能力。更好契合自然资源部、住建部相关城市体检规程覆盖需求，推动体征指标更全面细致超前，探索城市运行平台化管理新路径。
二是聚焦“看不见、不好管、难预料”的痛点堵点，组合打造应用场景，提升“敏捷响应”能力。积极贯彻“一网统管”高效处置一件事目标，聚焦应急一张图、防疫一张网、交通拥堵治理、危化品管理、公共安全等场景，着力解决精准化预判、精细化处置及跨行业跨部门协同综合治理方面的突出难题。
三是契合“绿色、集约、包容”时代要求，孕育储备战略性、前瞻性场景，提升“现代化治理”能力。利用数字孪生技术，将城市交通、市政管理、楼宇建设、紧急事件等民生应用映射到数字化“光谷”系统中，为管理单位提供科学高效管理手段，加强城市管理的精细化、人性化。特别是在城市规划、旧城改造、智慧社区管理等领域培育打造亮点和标杆性产品，并加快开展顶层设计和标准体系制定，结合武汉具有的人才、产业和技术优势，着重在公共服务、城市安全等优先领域开展示范工程建设和标准研制，使武汉抢占先机。
