數(shù)字孿生驅(qū)動智慧城市轉(zhuǎn)型升級
——訪清華大學信息國家研究中心副教授杜明芳

文/本刊編輯 劉云佳

杜明芳

清華大學信息科學與技術(shù)國家研究中心副教授、工學博士（控制科學與工程），清華大學數(shù)據(jù)科學研究院智慧城市大數(shù)據(jù)研究中心副主任，住建部信息技術(shù)應(yīng)用標準化技術(shù)委員會專家委員

自2008年智慧城市概念出現(xiàn)后，我國智慧城市建設(shè)經(jīng)歷了從1.0時期到4.0時期的遞進發(fā)展。這一發(fā)展過程的蝶變，既是技術(shù)漸進的過程，也是認識深化的過程。進入“十四五”時期，數(shù)字孿生、區(qū)塊鏈技術(shù)又為智慧城市的轉(zhuǎn)型升級帶來哪些機遇與挑戰(zhàn)？為此，《城市住宅》雜志采訪了清華大學信息國家研究中心杜明芳副教授。

我國智慧城市發(fā)展歷程

Q 我國智慧城市經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展歷程？

A我國智慧城市已由1.0時期進入4.0時期（見圖1）。

圖1 我國智慧城市發(fā)展演進歷程

1）智慧城市1.0（信息城市，2008—2011年），為萌芽期。2008年IBM提出智慧地球概念，智慧城市進入萌芽期，網(wǎng)絡(luò)化、信息化（無紙化）是該階段智慧城市建設(shè)的首要任務(wù)，因此也可稱為“信息城市”階段。

2）智慧城市2.0（試點城市，2012—2015年），為探索期。主要以城市信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、電子政務(wù)、信息惠民為主，形式上更多的是以碎片化方式推進，在頂層設(shè)計方面考慮較少。2012年工信部發(fā)布《關(guān)于征求智慧城市評估指標體系意見的通知》（工信信函〔2012〕021號），同年住建部正式發(fā)布《關(guān)于開展國家智慧城市試點工作的通知》（建科協(xié)〔2012〕42號），先后公布上百個國家智慧城市試點城市?！秶倚滦统擎?zhèn)化規(guī)劃（2014—2020年）》明確提出推動新型智慧城市建設(shè)。2014年國家發(fā)改委等8部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于促進智慧城市健康發(fā)展的指導意見》（發(fā)改高技〔2014〕1770號），明確提出到2020年我國將建成一批特色鮮明的智慧城市。

3）智慧城市3.0（新型智慧城市，2016—2020年），為成長期。隨著“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”發(fā)展理念的全面貫徹，城市被賦予新的內(nèi)涵。國家互聯(lián)網(wǎng)信息辦提出新型智慧城市概念。新型智慧城市是以為民服務(wù)全程全時、城市治理高效有序、數(shù)據(jù)開放共融共享、經(jīng)濟發(fā)展綠色開源、網(wǎng)絡(luò)空間安全清朗為主要目標，通過體系規(guī)劃、信息主導、改革創(chuàng)新，推進新一代信息技術(shù)與城市現(xiàn)代化深度融合、迭代演進，實現(xiàn)國家與城市協(xié)調(diào)發(fā)展。

4）智慧城市4.0（數(shù)字孿生城市、城市信息模型/CIM，2021—2025年，“十四五”時期），為迭代優(yōu)化期。該階段的智慧城市以數(shù)字孿生為驅(qū)動內(nèi)核和理論基座，強調(diào)城市自我更新、自我學習、迭代優(yōu)化能力，以城市信息模型/CIM的構(gòu)建為根本任務(wù)，注重理論與實際結(jié)合，更強調(diào)數(shù)據(jù)驅(qū)動的工業(yè)化和智能化在城市智慧化中的地位和作用，建設(shè)發(fā)展基于信息物理系統(tǒng)的數(shù)字孿生城市成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。

智慧城市是涉及城市管理、社會治理、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、人民生活、個人發(fā)展等的綜合性命題。從系統(tǒng)工程視角看，智慧城市是典型的復雜系統(tǒng)。目前，智慧城市經(jīng)濟正處于快速增長期，智慧城市建設(shè)呈現(xiàn)越發(fā)蓬勃的發(fā)展態(tài)勢。隨著這種快速發(fā)展，城市問題依然突出，“城市病”仍廣泛存在，一定程度上制約了社會經(jīng)濟的發(fā)展。典型問題包括：住房壓力大、交通擁擠、環(huán)境污染、能源枯竭、產(chǎn)業(yè)低端、醫(yī)療衛(wèi)生水平總體不高、教育資源相對匱乏、信用體系不健全、群眾辦事不便、社會文明程度欠佳、區(qū)域發(fā)展與領(lǐng)域發(fā)展不平衡。另外，最重要的問題是智慧城市理論基礎(chǔ)薄弱，長期以來缺乏嚴謹?shù)睦碚撝危瑢嵺`走在理論前面，無論是從理工角度還是人文視角，智慧城市都亟需建立相應(yīng)的理論體系，最終趨勢是走向大融合。

數(shù)字孿生城市

Q 目前“數(shù)字孿生城市”是社會熱點詞匯，什么是數(shù)字孿生城市？其與智慧城市的發(fā)展存在哪些關(guān)聯(lián)？

A黨中央曾提出，“治理”和“管理”一字之差，體現(xiàn)系統(tǒng)治理、依法治理、源頭治理、綜合施策。城市全周期管理是指從立項、規(guī)劃、設(shè)計、施工、調(diào)試到運行、維護等環(huán)節(jié)的管理過程，關(guān)系到政府、市民、城市設(shè)計者、供應(yīng)商、城市維護人員等利益相關(guān)者，每一步都要求做到堅持系統(tǒng)思維和治理思維。當前，城市已進入從管理升華到治理的歷史階段，網(wǎng)格化精細管理模式將逐步向數(shù)字孿生智能化自治模式演進。數(shù)字孿生作為一種充分利用模型、數(shù)據(jù)并集成多學科的技術(shù)，其面向產(chǎn)品全生命周期過程，發(fā)揮連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶作用，從而提供更實時、高效、智能的服務(wù)。目前，國防、工業(yè)、城市等領(lǐng)域紛紛提出對數(shù)字孿生的理解，并著手開發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)。數(shù)字孿生城市是數(shù)字孿生在城市領(lǐng)域融合應(yīng)用后的產(chǎn)物，是智慧城市深度發(fā)展的形態(tài)，也是當前智慧城市發(fā)展的最新階段。數(shù)字孿生城市的理論基礎(chǔ)是數(shù)字孿生，而數(shù)字孿生又和數(shù)字工程、系統(tǒng)工程，尤其是基于模型的系統(tǒng)工程密切相關(guān)。從系統(tǒng)工程視角分析，數(shù)字孿生城市系統(tǒng)可以按粒度分為設(shè)備級、系統(tǒng)級、復雜系統(tǒng)級、復雜巨系統(tǒng)級4個系統(tǒng)層級，且自頂向下具有包含關(guān)系。數(shù)字孿生城市著重考慮的是城市全體系的數(shù)字化與智慧化，而非以往階段所做的城市某個局部的智慧化（見圖2）。

圖2 數(shù)字孿生城市概念模型

Q 在您看來，基于城市信息模型（CIM）的數(shù)字孿生城市的發(fā)展瓶頸及破解對策是什么？

A1）對數(shù)字孿生和數(shù)字孿生城市的核心要義把握不準。很多人將數(shù)字孿生片面理解為虛擬現(xiàn)實或BIM建模技術(shù)，進而將數(shù)字孿生城市也片面理解為圖形建模與可視化問題。數(shù)字孿生城市是系統(tǒng)工程，應(yīng)在系統(tǒng)思維指導下結(jié)合核心關(guān)鍵理論與技術(shù)全面認知和實踐。數(shù)字孿生城市應(yīng)在空天地“一張圖”底板上，高度融合BIM三維建筑信息模型和智能自動化系統(tǒng)，將虛擬建筑空間與虛擬物聯(lián)網(wǎng)空間中的各種城市部件與相關(guān)要素通過大數(shù)據(jù)線索關(guān)聯(lián)集成，真正實現(xiàn)大數(shù)據(jù)驅(qū)動的實時立體感知、控制、管理、決策城市數(shù)字生命體。

2）對CIM和數(shù)字孿生城市的落地建設(shè)缺乏實操方法。多地CIM和數(shù)字孿生城市的建設(shè)尚處于概念提出期，如何結(jié)合本地城市建設(shè)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、人文環(huán)境等基礎(chǔ)，打造富有地方特色的個性化數(shù)字孿生城市和城市信息模型仍有較長的路要走。以市場為導向，以解決當前城市信息化、城市治理中的難點痛點為目標，從單技術(shù)、單設(shè)備、單系統(tǒng)入手開發(fā)數(shù)字孿生系統(tǒng)是較為合理的選擇。例如，以BIM為切入點，在BIM基礎(chǔ)上再拓展開發(fā)其他技術(shù)及應(yīng)用，并逐步疊加到BIM系統(tǒng)上，即為一種集約化建設(shè)模式。

3）對數(shù)字孿生城市與CIM的關(guān)系認識不清。從CIM的本質(zhì)作用看，CIM應(yīng)包括CIM基礎(chǔ)平臺、BIM/CIM模型及報建、規(guī)劃、設(shè)計、施工、審查工程全生命周期各階段CIM，應(yīng)是一個平臺加分支為主體構(gòu)成的完整體系。數(shù)字孿生城市從廣義上講是城市信息物理系統(tǒng)中的信息系統(tǒng)部分，包括平臺層、控制層、感知層，再加上連接各層級的網(wǎng)絡(luò)。因此，CIM可看作數(shù)字孿生城市結(jié)合工程建設(shè)領(lǐng)域知識后形成的特定數(shù)字孿生體。CIM標準體系和技術(shù)體系的構(gòu)建宜重點考慮與數(shù)字孿生城市的緊密融合，借鑒數(shù)字孿生和數(shù)字孿生城市已有的理論與技術(shù)成果，縮短研究周期，避免走彎路（見圖3）。

圖3 CIM與數(shù)字孿生城市

智慧城市發(fā)展機遇

Q 5G及大數(shù)據(jù)的飛速發(fā)展，將給智慧城市的發(fā)展帶來怎樣的機遇與挑戰(zhàn)？

A5G在很大程度上服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)場景，5G技術(shù)與智慧城市中各種物聯(lián)網(wǎng)場景的深度融合，將催生大量新應(yīng)用，并逐步培育出以移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)為技術(shù)基座的智慧網(wǎng)絡(luò)場景生態(tài)。5G在智慧城市中的落地應(yīng)用將帶來城市數(shù)據(jù)量的激增，大數(shù)據(jù)時代將真正到來。隨著大數(shù)據(jù)理論和技術(shù)的不斷完善，以大數(shù)據(jù)驅(qū)動、多模型為核心的數(shù)字孿生城市將被真正建成。

當前，在國家政策支持下，全國一體化大數(shù)據(jù)資源體系正在被加速構(gòu)建，大數(shù)據(jù)技術(shù)正向智能、可信、綠色等多個維度飛速發(fā)展。在政策和技術(shù)的雙輪驅(qū)動下，大數(shù)據(jù)對智慧城市的深度建設(shè)發(fā)展將起到促進作用?；诖爽F(xiàn)狀和趨勢，我們提出以數(shù)據(jù)為線索的多粒度數(shù)字孿生城市理論。大數(shù)據(jù)與智慧城市的融合發(fā)展需要方法路徑。城市信息模型（CIM）是大數(shù)據(jù)新基建落地的重要載體，也是構(gòu)建全國一體化大數(shù)據(jù)資源體系的基石。從新老基建統(tǒng)籌發(fā)展視角看，以CIM平臺大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過部、省、市、縣（區(qū)）四級數(shù)據(jù)連接與共享實現(xiàn)全國一體化數(shù)據(jù)資源體系構(gòu)建，是最可行且最節(jié)約投資的模式。以《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》中規(guī)劃的19大城市群為核心和基礎(chǔ)，首先構(gòu)建基于單個城市群CIM平臺的區(qū)域CIM大數(shù)據(jù)中心，再構(gòu)建各地級市CIM大數(shù)據(jù)中心、各區(qū)縣CIM大數(shù)據(jù)中心。各級各類CIM大數(shù)據(jù)中心通過5G、F5G、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)融合連接后實現(xiàn)互相連通，最終形成全國一體化大數(shù)據(jù)資源體系（見圖4）。

圖4 基于城市群和CIM平臺的全國一體化大數(shù)據(jù)資源體系構(gòu)建方法

無論是5G還是大數(shù)據(jù)，在技術(shù)快速發(fā)展的同時，也帶來某些負面效應(yīng)。5G網(wǎng)絡(luò)安全問題與大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)安全問題是智慧城市安全中的核心問題，將成為智慧城市發(fā)展過程中新的挑戰(zhàn)。

Q 進入“十四五”時期，智慧城市的發(fā)展又將有怎樣的變化？

A“十四五”時期的智慧城市將以數(shù)字孿生為主要理論基座，以城市信息模型（CIM）為主要呈現(xiàn)形式，城市安全、韌性、綠色將成為伴隨“智慧”的主要方向，各方向交叉融合后又會誕生新一代智慧城市。

目前，城市大數(shù)據(jù)的存儲問題已基本解決，主要借助數(shù)據(jù)庫和云存儲技術(shù)，但智能計算問題并未真正解決。絕大多數(shù)城市應(yīng)用系統(tǒng)的智能化程度不高，實際工作仍需投入大量人力，很多創(chuàng)造性較低的重復性勞動仍需人去完成，“機器換人”“人工智能代替人”在城市場景中的落地鴻溝仍普遍存在。究其原因，這與以下因素緊密相關(guān)：城市復雜系統(tǒng)的自身特點、經(jīng)典控制方法在復雜應(yīng)用中遭遇的瓶頸、人工智能理論應(yīng)用的成熟度、知識工程理論與應(yīng)用的進展、數(shù)據(jù)科學理論與技術(shù)的進展。事實證明，單一理論學科已無法應(yīng)對城市復雜應(yīng)用系統(tǒng)帶來的新需求、新問題?，F(xiàn)實中，任何實用化智慧應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)都離不開數(shù)據(jù)科學、人工智能、知識工程、智能控制理論和技術(shù)的底層綜合支撐，只采用某一項技術(shù)的系統(tǒng)，其智能性必將降級。在以往的行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中，諸多領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)的應(yīng)用較為成熟，應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建、開發(fā)及實現(xiàn)基本解決了數(shù)據(jù)系統(tǒng)的開發(fā)問題，但對于能直接支撐實現(xiàn)智慧管理與決策的知識系統(tǒng)的研發(fā)程度仍較低。為此，我們提出“CIM知識智算”概念?！笆奈濉睍r期的智慧城市將以基于CIM知識智算平臺的數(shù)字孿生城市為主要方法論，應(yīng)重點關(guān)注并解決以下關(guān)鍵問題：城市部件空天地統(tǒng)一編碼、多規(guī)合一統(tǒng)籌規(guī)劃設(shè)計、數(shù)據(jù)可控化共享、數(shù)據(jù)融合模型（BIM+GIS與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)深度融合并建立融合模型）、知識智算模型（采用智慧專家系統(tǒng)、知識圖譜等理論）、魯棒決策模型（降低決策不確定性）。

人工智能應(yīng)用

Q 當前，很多領(lǐng)域都在提倡人工智能應(yīng)用，例如建筑、醫(yī)療甚至養(yǎng)老。您是怎樣看待人工智能領(lǐng)域應(yīng)用的，其前景如何？

A人工智能在城市領(lǐng)域中的應(yīng)用應(yīng)抓住以下關(guān)鍵問題。

1）準確全面理解人工智能的內(nèi)涵。從機器模擬源頭看，人工智能不僅包括模擬人類智能，還包括模擬動物（狗、羚羊、馬、魚、鳥、蟻群、蜂群等）的仿生智能；從人工智能存在的形態(tài)看，人工智能不僅包括有形智能（如機器人、無人車、無人機、智能語音終端等裝備或裝置），也包括無形智能（廣泛存在于各種系統(tǒng)中的智能推理、診斷、選擇、預測、分類、聚類、規(guī)劃、分析、決策、優(yōu)化、控制）。

2）深刻掌握面向所需應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)人工智能理論和技術(shù)，并將其與場景深度融合。例如：建筑、養(yǎng)老、醫(yī)療、社交等領(lǐng)域采用的人工智能技術(shù)體系可能具有較大差異，需針對場景特點具體研究、研發(fā)相應(yīng)的人工智能技術(shù)與產(chǎn)品，實現(xiàn)真正需求驅(qū)動下的AI城市。

3）構(gòu)建人工智能賦能的智慧城市產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。要充分吸納“互聯(lián)網(wǎng)+”思想精髓，充分借鑒工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展思路，構(gòu)筑“AI+智慧城市產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”?！癆I+智慧城市產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”將為城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供切實可行的路徑，更是城市經(jīng)濟發(fā)展的核心驅(qū)動力（見圖5）。

圖5 人工智能內(nèi)涵

為搶抓人工智能發(fā)展的重大戰(zhàn)略機遇，構(gòu)筑我國人工智能發(fā)展的先發(fā)優(yōu)勢，加快建設(shè)創(chuàng)新型國家和世界科技強國，國務(wù)院2017年7月發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》（國發(fā)〔2017〕35號）。目前，人工智能及其應(yīng)用正逐步走向“深水區(qū)”。隨著AI通用理論和技術(shù)的不斷成熟，AI正逐步成為經(jīng)濟社會發(fā)展的通用智能基礎(chǔ)設(shè)施，影響范圍和深度不斷加大?？梢灶A見，“十四五”期間，人工智能將加速滲透至城市和產(chǎn)業(yè)的各個細分領(lǐng)域，對經(jīng)濟社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化發(fā)展起到強勁催化作用，以城市和產(chǎn)業(yè)為核心的人工智能體系將被逐步構(gòu)建并得到不斷完善。因此，人工智能在城市中的應(yīng)用具有光明的前景。

區(qū)塊鏈

Q 您怎樣看待區(qū)塊鏈技術(shù)？區(qū)塊鏈在我國城市發(fā)展中如何應(yīng)用？

A區(qū)塊鏈本質(zhì)上是去中心化的數(shù)據(jù)庫，同時作為比特幣的底層技術(shù)，是一串使用密碼學方法而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)塊，每個數(shù)據(jù)塊中包含一批次比特幣網(wǎng)絡(luò)交易的信息，用于驗證其信息的有效性（防偽）和生成下一個區(qū)塊。區(qū)塊鏈是分布式數(shù)據(jù)存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等計算機技術(shù)的新型應(yīng)用模式。區(qū)塊鏈技術(shù)非獨立的技術(shù)，其是由4個存在30多年的技術(shù)巧妙綜合而成。

目前，社會各界對于區(qū)塊鏈的研究與應(yīng)用正在加速推進中，集中反映在區(qū)塊鏈作用的探討、區(qū)塊鏈基礎(chǔ)技術(shù)研究及區(qū)塊鏈在重點領(lǐng)域的應(yīng)用。黨中央提出，抓住區(qū)塊鏈技術(shù)融合、功能拓展、產(chǎn)業(yè)細分的契機，發(fā)揮區(qū)塊鏈在促進數(shù)據(jù)共享、優(yōu)化業(yè)務(wù)流程、降低運營成本、提升協(xié)同效率、建設(shè)可信體系等方面的作用。當前工程建設(shè)行業(yè)協(xié)同、智慧城市業(yè)務(wù)協(xié)同中的痛點難點是需要提升協(xié)同效率、降低協(xié)同成本。區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展有望助力以上問題的解決，這也是發(fā)展和推動區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的重要原因。關(guān)于區(qū)塊鏈應(yīng)用的重點領(lǐng)域，黨中央強調(diào)“要探索‘區(qū)塊鏈+’在民生領(lǐng)域的運用，積極推動區(qū)塊鏈技術(shù)在教育、就業(yè)、養(yǎng)老、精準脫貧、醫(yī)療健康、商品防偽、食品安全、公益、社會救助等領(lǐng)域的應(yīng)用，為人民群眾提供更加智能、更加便捷、更加優(yōu)質(zhì)的公共服務(wù)。要推動區(qū)塊鏈底層技術(shù)服務(wù)和新型智慧城市建設(shè)相結(jié)合，探索其在信息基礎(chǔ)設(shè)施、智慧交通、能源電力等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，提升城市管理的智能化、精準化水平”。這體現(xiàn)出中美兩國推進區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的側(cè)重點存在差異。美國更專注于國家層面的應(yīng)用，如美國國土安全部正尋求利用區(qū)塊鏈技術(shù)保證美國邊境攝像頭的安全解決方案。我國區(qū)塊鏈應(yīng)用更貼近于民生需求。區(qū)塊鏈必須賦能實體經(jīng)濟，落地到真實的需求場景。