數(shù)字孿生在城市治理中的應(yīng)用研究

郭嫻

（國家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心，北京 100036）

0 引言

據(jù)住建部公布的《2019年城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》，2019年，我國城區(qū)常住人口超過300萬人的城市有30個，其中，超過500萬特大、超大城市達到16個。城鎮(zhèn)化的加速發(fā)展不可避免的帶來人口集聚，隨之帶來的交通擁堵、教育醫(yī)療資源緊缺、環(huán)境惡化、應(yīng)急能力不足等問題日益凸顯，傳統(tǒng)部門化、條塊化的城市治理手段已捉襟見肘，如近兩年在新冠疫情防控、城市水災防災減災等方面都體現(xiàn)了傳統(tǒng)城市治理能力的不足，亟需建立一套信息化綜合治理體系，推動實現(xiàn)治理能力的整體性、現(xiàn)代化。隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，始用于工業(yè)制造領(lǐng)域的數(shù)字孿生得到了學術(shù)界和應(yīng)用界越來越多的關(guān)注，其可以通過將物理世界鏡像成“孿生”的數(shù)字世界的思路，實現(xiàn)了兩個世界的互聯(lián)互通與智能化操作。

目前，數(shù)字孿生技術(shù)已在交通、醫(yī)療、科學研究等領(lǐng)域中得到了實踐應(yīng)用，城市作為一個復雜的“巨系統(tǒng)”，也成為數(shù)字孿生應(yīng)用的主要領(lǐng)域，利用該技術(shù)，可以不用實際的“修一條路”、“建一座樓”，直接通過數(shù)字孿生城市模擬仿真來準確支撐決策，大大降低了試錯成本，有效有力破解“大城市病”。

1 數(shù)字孿生的定義與關(guān)鍵要素

1.1 數(shù)字孿生的定義

學術(shù)界對于數(shù)字孿生沒有明確的定義，一般認為，數(shù)字孿生以數(shù)字化的方式建立物理實體的多維、多時空尺度、多學科、多物理量的動態(tài)虛擬模型來仿真和刻畫物理實體在真實環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則等[1]。簡單來，說就將現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)化成與其同生共存、虛實交融的“虛擬世界”。數(shù)字孿生的思想最早由美國密歇根大學的Michael Grieves教授在2002年提出，2011年美國空軍研究實驗室首次明確提出數(shù)字孿生的概念并將之命名為“數(shù)字孿生體”。根據(jù)運行機制，數(shù)字孿生在表述-診斷-預測-決策四個環(huán)節(jié)循環(huán)交替，其中：在描述表述環(huán)節(jié)，主要利用收集的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)對物理實體建模，形成機器可讀的模型化模塊和描述；在診斷環(huán)節(jié)，則利用表述重點模塊和描述，通過數(shù)據(jù)分析技術(shù)，發(fā)現(xiàn)處置對物理實體的運行、活動過程中的內(nèi)在邏輯、影響因素、發(fā)展規(guī)律等，形成需要的分析診斷結(jié)果；三是在預測環(huán)節(jié)，主要以診斷結(jié)果為依據(jù)，進一步深化研究，綜合采用各類智能算法預測物理實體未來趨勢；最后在決策階段，則綜合利用歷史成果、現(xiàn)實需求與預測結(jié)果來支撐最終決策，而決策結(jié)果也將作為數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行表述，而進入下一個循環(huán)階段。

1.2 數(shù)字孿生的關(guān)鍵要素

數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)和核心，沒有數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生的應(yīng)用就無從談起。數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生建造物理世界孿生體的“磚瓦”，又是幫助數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)虛擬世界和物理世界互通互動的“橋梁”，一方面利用數(shù)字建模將物理世界映射成虛擬世界，另一方面通過“孿生”的虛擬世界進行模擬動態(tài)仿真，實現(xiàn)對物理世界中的分析決策。同時，在廣義上數(shù)字孿生也可以看作是大數(shù)據(jù)的一個子集，隨著大數(shù)據(jù)的發(fā)展，無論是從技術(shù)、應(yīng)用，還是法律的角度，大數(shù)據(jù)技術(shù)涵蓋數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸、分析、應(yīng)用、交易、保護全流程已成為共識，而數(shù)字孿生則聚焦大數(shù)據(jù)應(yīng)用的某些層面，即數(shù)據(jù)建模與動態(tài)分析優(yōu)化。數(shù)字孿生和大數(shù)據(jù)的關(guān)系如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生與大數(shù)據(jù)技術(shù)關(guān)系圖

虛擬現(xiàn)實是數(shù)字孿生的突出特點。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，使用戶沉浸到該環(huán)境中。雖然從概念上講，虛擬現(xiàn)實是指構(gòu)建一個虛擬的世界（可能是完全不存在的虛擬世界），數(shù)字孿生對一個真實存在的世界構(gòu)建一個虛擬孿生體，但在構(gòu)建過程中，都是用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)構(gòu)建人們可看、可操作性、可互動的虛擬場景，因此可以將數(shù)據(jù)孿生看成是特殊需求的虛擬現(xiàn)實，且是數(shù)據(jù)孿生區(qū)別于其他技術(shù)應(yīng)用的顯著特點。未來，數(shù)字孿生也會整個融入到增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實中

人工智能是實現(xiàn)數(shù)字孿生價值的關(guān)鍵。無論應(yīng)用到什么領(lǐng)域，數(shù)據(jù)孿生的最終目的還是為現(xiàn)實世界提供決策支撐，而在動態(tài)分析、行為預測等方面正是人工智能所能解決的問題，在虛擬世界執(zhí)行的任何操作，同可以通過機器學習、深度學習等人工智能技術(shù)進行分析得出以物理世界一直的結(jié)果，同時根據(jù)用戶的需求結(jié)果反向給出最佳決策建議。因此可將人工智能看成實現(xiàn)數(shù)字孿生目標的最有利工具。阿里巴巴集團副總裁劉松就曾指出，人工智能利用到數(shù)字孿生是解決城市治理、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同等物理世界難以解決的復雜問題的關(guān)鍵，為數(shù)字孿生的深入發(fā)展應(yīng)用提供了新動能。

2 數(shù)字孿生的應(yīng)用

云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的深入發(fā)展，大大拓展和豐富了數(shù)字孿生的理論技術(shù)體系和應(yīng)用的深度和廣度，可已在智慧車間、智慧城市、產(chǎn)品設(shè)計、醫(yī)療、工程建設(shè)等領(lǐng)域得到實際應(yīng)用，并成為西門子、GE、阿里、華為等行業(yè)巨頭重點布局的領(lǐng)域。2017年，洛克希德馬丁公司將其列為未來國防和航天工業(yè)6大頂尖技術(shù)之首。2017年至2019年，數(shù)字孿生連續(xù)三年被Gartner公司評為為年度十大戰(zhàn)略性技術(shù)，該公司還指出，到2021年，將有一半的大型工業(yè)企業(yè)通過運用數(shù)字孿生技術(shù)提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

2.1 裝備制造

數(shù)字孿生生于工業(yè)、制造業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計、生命周期管理等，目前仍是智能車間、智慧工廠等領(lǐng)域研究的熱點，也是其應(yīng)用最成熟的領(lǐng)域。早期，洛克馬丁公司就宣稱將數(shù)字孿生應(yīng)用到了F-35戰(zhàn)斗機生產(chǎn)線，最近研究和應(yīng)用的方向更是得到了更大的拓展，既有如機翼健康監(jiān)測、剎車系統(tǒng)模擬、零件損傷設(shè)計等獨立具體的應(yīng)用，也有車間管理、數(shù)字孿生車間、制造系統(tǒng)裝配等系統(tǒng)性、綜合性應(yīng)用。在我國，數(shù)字孿生技術(shù)也有了實際的應(yīng)用，中冶京誠工程技術(shù)有限公司基于BIM技術(shù)構(gòu)建基礎(chǔ)的數(shù)字孿生工廠，實現(xiàn)了對生產(chǎn)控制、設(shè)備監(jiān)控、物流管理、節(jié)能減排等環(huán)節(jié)的全過程、可視化管理。在理論研究方向，其中典型的一個研究方向就是數(shù)字孿生車間。

數(shù)字孿生車間的概念由我國陶飛教授等首次提出，指綜合運用物理車間“人-機-物-環(huán)境”互聯(lián)共融技術(shù)、車間孿生數(shù)據(jù)構(gòu)建及管理技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)提出的一個數(shù)字孿生模型，以實現(xiàn)生車間智能化管理與運行，如圖2所示。該模型主要包括物理車間、虛擬車間、車間服務(wù)系統(tǒng)、車間孿生數(shù)據(jù)及其相互間的連接五個部分，形成一個相互關(guān)聯(lián)、融合交互的有機整體[2]。

圖2 數(shù)字孿生車間

2.2 數(shù)字孿生醫(yī)療

醫(yī)療是當前社會保障體系中，人民群眾最關(guān)心、最直接、最現(xiàn)實的利益問題之一，隨著生活水平的提高以及老齡化程度的不斷加深，人民對醫(yī)療水平的要求日益苛刻，單靠加大設(shè)備采購、增加人才供給已不能滿足日益困擾醫(yī)療服務(wù)的發(fā)展“看病難”、“看病貴”、“資源缺”、“預防弱”等問題，必須改變發(fā)展思路，運用新技術(shù)、新理念，而數(shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)勢正好為改善當前醫(yī)療行業(yè)提供了新的方向，無論在理論研究、模型搭建，還是實際應(yīng)用中，都有了豐富的案例。

Ilya N等[3]用數(shù)字孿生技術(shù)對人體心臟冠狀血管系統(tǒng)進行了模擬以協(xié)助開展心臟病治療等工作。法國達索公司主導的數(shù)字心臟的“跳動心臟”項目，通過3維可視化發(fā)現(xiàn)心臟存在的缺陷，協(xié)助外科醫(yī)生制定最佳手術(shù)方案。在2020年，在我國疫情防控的關(guān)鍵時期，技術(shù)人員通過利用BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術(shù)建立醫(yī)院的數(shù)字孿生模型[4]，提供設(shè)計和建設(shè)的支撐，僅用不到10天就建成了抗疫應(yīng)急醫(yī)院雷神山醫(yī)院，有效降低了疫情防控壓力。胡天亮等[5]提出了一種數(shù)字孿生診療系統(tǒng)，將現(xiàn)代診療系統(tǒng)中的醫(yī)患、醫(yī)療設(shè)備和治療方案等三個要素建模，并探討了該系統(tǒng)在臨床診療、基礎(chǔ)醫(yī)學研究、教育培訓、醫(yī)療設(shè)備研發(fā)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.3 城市管理中需要數(shù)字孿生解決的問題

（1）城市各部門協(xié)同聯(lián)動能力不足問題。在我國政府機構(gòu)條塊化劃分明顯，城市建設(shè)初期，利用傳統(tǒng)的城市管理方式，清晰的職責界限，在稅收、戶籍、信息化建設(shè)等獨立的業(yè)務(wù)中能夠提高服務(wù)效率和質(zhì)量。但隨著城市規(guī)模不斷擴大，在城市整體規(guī)劃、自然災害防治、流行病防控等方面，各部門整體協(xié)同聯(lián)動能力仍顯不足。

（2）趨勢預測能力有限的問題。精準的趨勢研判能力對于城市管理具有重要意義，特別是在重大自然災害、公共衛(wèi)生事件防治方面，提前預知哪怕幾分鐘，也能極大的保護人民生命財產(chǎn)安全、降低國家損失，隨著應(yīng)急保障系統(tǒng)、應(yīng)急設(shè)備的裝備、城市重要基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的完善，在硬件上城市突發(fā)事件的應(yīng)急能力取得長足進展，但在整體的事件預警與總體部署上還有一定差距，城市管理過程常常出現(xiàn)“后知后覺”的問題。

（3）試錯成本過高的問題?，F(xiàn)代城市是一個復雜的“巨系統(tǒng)”，城市建設(shè)過程中牽一發(fā)而動全身，在落實一項重點政策或修路、建樓等重大工程建設(shè)試錯成本非常高。首先，在建設(shè)前，都需要反復權(quán)衡，耗費大量的人、財、物資源，而工程建成后一旦因外力或未考慮的因素導致無法使用，則將造成更大的損失和輿論壓力。

3 數(shù)字孿生在城市管理中的建議

結(jié)合前面的分析介紹，不難發(fā)現(xiàn)，運用數(shù)字孿生技術(shù)能很好的解決當前城市管理中的棘手問題。然而，數(shù)字孿生在城市管理的應(yīng)用仍處在應(yīng)用初級階段，數(shù)據(jù)收集不夠、關(guān)鍵技術(shù)待突破、管理體制不適應(yīng)等問題相對突出，建議以“由簡到難、循序漸進、急用先行”的原則，首先解決當前城市管理中影響大、易處置的問題，不斷完善數(shù)字孿生城市系統(tǒng)。

一是加強數(shù)據(jù)的收集共享。近幾年，在政務(wù)信息化、智慧城市等的建設(shè)過程中，城市收集了大量的數(shù)據(jù)，但城市部門的條塊化劃分注定數(shù)據(jù)的分散，“數(shù)據(jù)孤島”、“數(shù)據(jù)煙囪”的現(xiàn)象明顯。數(shù)字孿生城市是建設(shè)一個完整的實體城市孿生體，需要城市中的全量數(shù)據(jù)，因此，一方面要推動政府部門間歷史數(shù)據(jù)共享，一方面在未來要打造統(tǒng)一的新數(shù)據(jù)收集機制，打牢數(shù)字孿生城市的“底座”。同時，數(shù)據(jù)的高度集中必然帶來更多的安全風險，在數(shù)據(jù)收集過程中更要關(guān)注數(shù)據(jù)的防護。

二是加強信息關(guān)鍵技術(shù)突破。數(shù)字孿生城市的建設(shè)離不開大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)，其發(fā)展水平直接影響數(shù)字孿生城市建設(shè)的效果及成敗，目前我國高度重視科學技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)該以此為契機，突破多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、海量數(shù)據(jù)加載技術(shù)、超精度3D可視化等關(guān)鍵技術(shù)，培育一批技術(shù)能力強、產(chǎn)品應(yīng)用廣的本地化骨干企業(yè)。

三是改變管理思路。數(shù)據(jù)時代的到來深刻改變了生活方式、重塑了產(chǎn)業(yè)格局、顛覆了管理模式，對于城市管理者來說，積極轉(zhuǎn)變管理思路，扁平的管理架構(gòu)、數(shù)據(jù)的管理思維、靈活的管理機制和服務(wù)模式能夠更好地發(fā)揮數(shù)字孿生城市的作用，同時政府還應(yīng)積極鼓勵市民與信息技術(shù)公司投入城市管理工作，重視專業(yè)化人才培養(yǎng)，創(chuàng)建以人為本的新型智慧城市。

4 結(jié)語

受益于新一代信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生已經(jīng)加速從理論研究到行業(yè)應(yīng)用推進，形成了一大批的學術(shù)成果。本文介紹了數(shù)字孿生的定義及特點，在梳理當前主要的應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)框架模型的基礎(chǔ)上，分析了當前數(shù)字孿生技術(shù)在城市管理中應(yīng)用的優(yōu)勢和問題。最后，作者按照“由簡到難、循序漸進、急用先行”的原則，提出當前建設(shè)數(shù)字孿生城市的三條建議，對于后期開展相關(guān)工作具有一定的參考意義。