数字孪生城市研究报告-中国信息通信研究院

数字孪生城市研究报告（2018年）中国信息通信研究院2018年12月版权声明本研究报告版权属于中国信息通信研究院及数字孪生城市研究合作伙伴，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本研究报告文字或者观点的，应注明来源。违反上述声明者，本院将追究其相关法律责任。致谢2017年，中国信息通信研究院在长期从事智慧城市顶层设计实践基础上，提出“以数字孪生城市推进新型智慧城市建设”的创新理念，在业内引起强烈反响。2018年，为推动“数字孪生城市”落地实施，中国信息通信研究院联合数字经济推进方阵，组织业内知名企业，围绕数字孪生城市的理念内涵、技术方案与实施路径，进行多次研讨交流，形成研究报告合作成果。编制过程中各家企业提供了大量素材并直接参与了部分章节的撰写，在此致以衷心感谢。限于编写时间、项目组知识积累以及产业尚未完全定型等方面的因素，内容恐有疏漏，烦请不吝指正。牵头单位：中国信息通信研究院支持单位：中国电信、中国移动、中国联通、百度、广联达、腾讯、华为、神州数码、中兴、阿里编写指导：王爱华、胡坚波、徐志发编写小组（排名不分先后）：高艳丽、陈才、张育雄、王思博、崔颖、张竞涛、刘泰、郭靓、李欣、郭中梅、马伟强、刘刚、陈守双、姚健奎、刘旭晶、李文东、郝景然等。前言当前，以物联网、大数据、人工智能等新技术为代表的数字浪潮席卷全球，物理世界和与之对应的数字世界正形成两大体系平行发展、相互作用。数字世界为了服务物理世界而存在，物理世界因为数字世界变得高效有序，数字孪生技术应运而生，从制造业逐步延伸拓展至城市空间，深刻影响着城市规划、建设与发展。数字孪生因感知控制技术而起，因综合技术集成创新而兴。数字孪生城市是在城市累积数据从量变到质变，在感知建模、人工智能等信息技术取得重大突破的背景下，建设新型智慧城市的一条新兴技术路径，是城市智能化、运营可持续化的前沿先进模式，也是一个吸引高端智力资源共同参与，从局部应用到全局优化，持续迭代更新的城市级创新平台。从技术角度看，数字孪生城市涵盖“云-网-端”三大层次，成为数据驱动决策、技术综合集成的智慧城市综合技术支撑体系。端侧实现群智感知、可视可控；网侧实现泛在高速、天地一体；云测实现随需调度，迭代学习。其本质是通过数据全域标识、状态精准感知、数据实时分析、模型科学决策、智能精准执行，构建城市级数据闭环赋能体系，实现城市的模拟、监控、诊断、预测和控制，解决城市规划、建设、运行、管理、服务的复杂性和不确定性。从城市发展看，数字孪生城市是未来实体城市的虚拟映射对象和智能操控体，形成虚实对应、相互映射、协同交互的复杂巨系统，实现孪生城市的“六化发展”，即支撑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，实现三类应用场景，城市规划建设一张蓝图管到底、城市治理虚实融合一盘棋、城市服务情景交融个性主动一站式，驱动城市智能运行、迭代创新。从建设重点看，基于多源数据融合的城市信息模型是核心，城市全域部署的智能设施和感知体系是前提，支撑孪生城市高效运行的智能专网是保障，实现智能操控的城市大脑是重点。未来，数字孪生城市可在数字化水平相对较高、需要运行机理建模、实现虚实空间协同优化、彰显多维智能决策支撑等方向，如城市规划、建筑、交通、能源等领域优先落地实施，以数字孪生城市为代表的新型智慧城市发展新理念和新模式或将变为现实，成为未来绿地型新城新区高水平建设的必由之路，棕地型城市数字化转型的重要参考。目录一、数字孪生城市出现的背景.........................................1（一）传统条块化智慧城市建设方式已现疲态........................1（二）信息技术加速突破驱动集成创新出现拐点......................2（三）数字孪生成为城市智能化升级的重要方向......................3（四）部分城市率先探索实践数字孪生理念..........................4（五）我国智慧城市建设升级具备现实基础.........................10二、数字孪生城市的内涵特征........................................12（一）数字孪生城市的内涵.......................................12（二）与新型智慧城市的关系.....................................13（三）数字孪生城市的特征.......................................14（四）数字孪生城市的价值.......................................15三、数字孪生城市的总体架构........................................17（一）技术框架.................................................17（二）运行机理.................................................20四、数字孪生城市的典型场景........................................26（一）“规建管”协同管控，助力一张蓝图干到底....................26（二）虚实互动以虚控实，支撑城市一盘棋治理.....................28（三）情景交融以人为本，升级个性主动服务体验...................30五、数字孪生城市核心：高精度城市信息模型..........................32（一）城市初始建模的方法.......................................33（二）城市信息模型的构成.......................................34（三）模型与数据的协同运行.....................................35六、数字孪生城市前提：全域布局的智能设施..........................36（一）智能设施空间布局.........................................36（二）标识体系和编码设计.......................................38（三）物联设备连接管理平台.....................................39七、数字孪生城市支撑：高效运行的智能专网..........................40（一）数字孪生城市提出网络新需求...............................40（二）万物互联综合接入智能专网.................................42（三）智能专网对已有网络延伸增强...............................43八、数字孪生城市重点：智能操控的城市大脑..........................46（一）大脑凸显自主学习与集中调度...............................46（二）一体三翼构建数字孪生城市大脑.............................47（三）创新全景全要素城市治理新模式.............................49九、推进数字孪生城市的建议........................................50（一）正视面临的挑战...........................................50（二）分领域优先落地...........................................52（三）分步骤务实推进...........................................53（四）分类别有序引导...........................................54中国信息通信研究院数字孪生城市研究报告（2018年）1一、数字孪生城市出现的背景（一）传统条块化智慧城市建设方式已现疲态当前全球已启动或在建的智慧城市已达1000多个，我国提出智慧城市规划的城市有300多个，各类型试点城市高达500多个，成为全球智慧城市建设规模最大的国家。随着理念层出不穷，技术推陈出新，大中城市智慧城市建设不断向纵深推进，区县级智慧城市依托后发优势，也不甘落后。从特点看，国际上智慧城市建设集中在能源、交通和循环经济方面，注重绿色低碳、节能环保，项目比较单一，缺乏城市级的整体性、系统性的设计和建设。国内倡导新型智慧城市建设，基础设施、在线政府、信息经济、城市治理、惠民服务全面展开，属于规模化全方位系统工程。建设模式上，大部分城市走的是边补齐行业和领域信息化短板，边进行资源整合和业务协同的路子，少数城市完成资源整合后率先进入了数据驱动治理的阶段。建设智慧城市，对加快工业化、信息化、城镇化、农业现代化融合，提升城市可持续发展能力具有重要意义。智慧城市建设发展已近十年，至今却无一个城市自我标榜已建成了智慧城市。事实上，智慧城市面临技术和非技术两大瓶颈难以突破，可谓举步维艰。所谓技术瓶颈，是指基于云计算和互联网的聚合式的模式创新比较成功，而基于物联网、大数据、人工智能、区块链、量子通信等技术数字孪生城市研究报告（2018年）中国信息通信研究院2的原始创新极度缺乏，未出现杀手级应用，各功能模块有机融合的ONEICT架构未能实现，造成创新只停留在表面，城市运行和治理的水平有量的提升，但没有质的改变。所谓非技术瓶颈，表现在智慧城市建设所需的庞大资金问题一直没有找到解决之道，政府和市场边界不好划分，工程周期长投入大充满变数，企业盈利和资本回报前景模糊，观望踯躅之下，推进效果可想而知。此外，彰显智慧所必须的资源共享与业务协同机制也一直没有建立起来，信息打通仍困难，协同共治难实现。两大瓶颈悬而未决导致智慧城市疲态尽显停滞不前，现有的建设发展模式亟待突破。（二）信息技术加速突破驱动集成创新出现拐点智慧城市是信息技术驱动下的城市创新发展的一种新模式，是信息技术综合运用和集成创新的大平台，但纵观多年来智慧城市中的技术应用，基本上是单点的、割裂的，集成的、融合的少，比如云计算技术用于政务云建设，物联网技术用于城市管理的感知监测和数据采集，互联网技术用于电子政务和公共服务的交互渠道，大数据用于城市治理的决策分析，人工智能则是用于提升各种应用的智能化体验。这些技术对提升智慧能力的作用毋庸置疑，但技术间缺乏系统架构级的融会贯通，造成应用离散化，信息孤岛化，平台多元化，集成创新的乘数效应尚未释放出来。形势已随日新月异的技术演进悄然变化，物联网、5G、人工智中国信息通信研究院数字孪生城市研究报告（2018年）3能、无人驾驶、虚拟现实、深度学习等技术研发和产业化加速突破，掀起数字化网络化智能化新一轮浪潮，深刻影响着智慧城市的规划建设与运行发展。此外，跨领域技术间的融合创新已成主流趋势，信息通信技术与3D建模、高精度地图、全球定位系统、模拟仿真、虚拟现实、智能控制等技术有机耦合，集成应用驱动创新出现拐点，智慧城市面临的技术瓶颈很大程度上得以破解，数字孪生城市---数字城市与物理城市虚实融合孪生并行，虚拟服务现实，数据驱动治理，一种全新的智慧城市建设路径和实践模式呼之欲出，将引发城市治理规则的重大变革，为非技术瓶颈的破解也带来了曙光，城市信息化或从量变迎来质变。（三）数字孪生成为城市智能化升级的重要方向数字孪生是指通过对物理世界的人、物、事件等所有要素数字化，在网络空间再造一个与之对应的“虚拟世界”，形成物理维度上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。数字孪生最早由密西根大学教授Grieves提出，后来NAS