数字孪生世界很大，不是短时间之内能一步到位，也不是任何一家公司能独立完成整体构建。技术的愿景激动人心，技术的实现还是需要脚踏实地。最初的数字孪生技术，主要是基于单个设备构建全生命周期的数字孪生体，目前技术上已经相对比较成熟，下一步需要在更大规模上实现更复杂的多跨场景应用。
城市是一个开放庞大的复杂系统，具有人口密度大，基础设施密集，子系统耦合等特点。如何实现对城市各类数据的实时监控，围绕城市的顶层设计、规划、建设、运营、安全、民生等多方面对城市进行高效管理，是现代城市建设的核心。数字孪生城市是数字孪生技术在城市规模上的应用，集成了新型测绘技术、地理信息技术、物联感知技术、数据智能技术、3D建模技术、可视化交互技术等综合技术支撑体系。通过在数字空间构建物理城市的数字孪生城市，对物理城市进行全要素数字化、全状态实时化、全场景可视化，最终实现运营管理协同化和决策干预智能化。
2018年《河北雄安新区规划纲要》中指出：坚持数字城市与物理城市同步规划、同步建设，打造具有深度学习能力、全球领先的数字城市。通过创新城市“规划、建设、管理”的新型标准体系、政策体系和流程体系，探索以数字城市的预建、预判、预防来支撑现实城市高质量发展的模式，打造展现多维城市空间的数字平台，建立不同阶段的城市空间信息模型，结合5G、物联网、大数据、人工智能等新型基础设施的建设，逐步建成与实体城市完全镜像的数字孪生虚拟世界。雄安新区在全球范围内首次提出“数字孪生城市”，将其作为“建设数字城市，打造智能新区”的创新之举（周瑜，刘春成，2018）。
中国科学院院士、中国工程院院士李德仁在2021（第二十届）中国互联网大会的《基于数字孪生的智慧城市》中指出，数字孪生城市就是要在真三维城市实体模型底座之上，把基础设施包括水电气交通的运行状态，市政管理的医疗、消防的调配情况，人流、车流、物流这些上网，建设数字孪生城市的时候要强调物联网、万物上网、要把GIS、BIM和物联网加在一起，构成无处不在、无时不在的真正的数字孪生城市（李德仁，2021）。
2022年4月21日，数字孪生城市框架与全球实践研讨会上，中国信通院产业与规划研究所总工程师高艳丽解读了《全球数字孪生城市框架与实践（2021年）》报告，基于中国信通院多年数字孪生城市研究基础，结合全球数字孪生城市发展态势，进一步总结提炼了数字孪生城市的概念——数字孪生城市是通过数字化技术，将城市的物理空间映射到数字空间，通过模拟、监控、诊断、预测和控制，实现城市物理维度和数字维度同步运行、虚实互动的城市发展新形态。并进一步提出了四大特征和三大愿景，构建了“4+5”数字孪生城市要素框架。
数字孪生城市具备四大技术特征。一是物理城市与数字城市的精准映射；二是数字城市的分析洞察，实现数据驱动的治理；三是数字城市与物理城市的虚实融合，虚拟服务现实；四是数字城市对物理城市的智能干预，在数字城市仿真，在物理城市执行。
数字孪生城市瞄准三大愿景。一是城市生产运行集约高效：实现实时呈现城市运行基本态势；全面实现无人化作业，实现城市生产“零损害”；更加绿色集约高效地实现城市规划、建设、管理、运行。二是城市生活空间宜居便捷：让居民足不出户享受异地高水平生活服务；随时随地反馈城市问题与需求；实时获取城市预警信息；公共服务惠及更多人群。三是城市生态环境可持续发展：动态了解城市生态环境状况；智能分析资源分配的区域鸿沟；自动化制定资源合理流动与最优化匹配策略；资源布局更合理与发展更可持续。
报告认为，数字孪生城市建设主要涵盖9大要素，呈现“4+5”要素框架。基础设施、数据资源、平台能力、应用场景是数字孪生城市的4大内部要素，为数字孪生城市提供内生动力。战略与机制、利益相关方、资金与商业模式、标准与评估、网络安全是数字孪生城市的5大外部要素，为数字孪生城市提供发展环境和外部支撑。
中国信通院2021年度数字孪生城市白皮书中指出，数字孪生城市的建设是一个涉及多环复杂系统工程，吸引了ICT设备供应商，电信运营商，人工智能、信息建模、地理信息、模拟仿真等软件服务商纷纷入局，各类型企业以自身核心能力和产品为切入点，横向拓展应用领域，纵向往产业链上下游渗入、延伸，积极构建生态圈，联合打造数字孪生城市场景应用。根据数字孪生城市主要技术环节，初步形成空间地理信息类、BIM建模类、感知和标识类、数据融合与渲染类、模拟仿真推演类、交互与控制类等主要产业阵营，数字孪生城市完整产业链条进一步得以加强。
中国信通院2021年度数字孪生城市白皮书中还整理绘制了核心技术代表企业图谱，其中数字孪生世界企业联盟的成员单位超图入选地理信息建模和交互与控制代表企业，易知微入选数据融合与渲染代表企业。
图4.2 数字孪生核心技术代表企业图谱
资料来源：中国信息通信研究院
数字城市与物理城市虚实交互，并行运转，可以在多个方面探索跨区域、跨部门、跨行业高效协同的全场景城市治理新范式。数字孪生世界企业联盟在项目实践中，也整理出了4P应用场景和五层工程技术体系：
一是科学规划 (Plan)。基于数字孪生城市模型，汇聚多源城市规划相关数据，构建规划算法模型，实现全局最优化。在规划时，利用城市的一草一木，一砖一瓦等部件要素的数字孪生体实现“积木式”自由组装，在数字世界模拟规划方案效果，极大的提升规划效率，实现绿色高效规划模式。
二是可视管理 (Present)。提供城市运营治理一张图的全景视角，360度多维度观测、全量数据分析深度透视，立体感知洞察城市运行规律，实现城市一张图可视管理；
三是辅助决策 (Predict)。基于全域数据和智能算法，对城市发展各种场景各种维度的态势提前做出预测，用数据智能帮助管理人员做出科学决策。
四是干预演练 (Preact)。利用数字世界的可重复性、可逆性、可控性等特性，在数字城市中可以通过数据建模和事态拟合，对特定事件如突发事件应急提前做出干预演练，为物理世界的执行方案提供细化的、量化的、变化的、可视化的分析和评估。
数字孪生城市的实现依赖于诸多先进技术的发展和应用，其工程技术体系整体上可以分为五层：
1) 地理信息要素层。包括空间数据（与空间要素几何特性有关）和属性数据（提供空间要素的信息），为数字化模型的表达提供空间分析支撑。地理信息数据主要包括地理方面的地形层、道路层、植被层、水域层等。与地理数据一起形成全空间一体化且相互关联的城市地理信息数据底板。
2) 实时感知控制层。主要由智能传感器数据采集、高速数据传送和全生命周期数据管理等。智能感知数据反映设备即时运行动态情况。数据是整个数字孪生技术体系的基础。先进传感器技术及分布式传感器技术使整个数字孪生技术体系能够获得更加准确、充分的实时数据源支撑。同时，植入到物理世界中的诸多传感器也是实现实时反向控制的关键点。5G技术的发展，使得高性能传感器可以获得高速低延时的双向数据传输能力，提高了数字孪生系统的实时感知控制的能力。
3) 数据智能层。主要基于一体化智能化公共数据平台和云计算基础设施，对跨行业、跨领域、全要素、全流程、全业务的全域多元实时数据进行融合计算，充分利用机器学习和人工智能领域的技术实现数据深度特征提取和建模，挖掘和学习其中蕴含的相关关系、逻辑关系和主要特征，实现对物理世界的仿真、预测和智能干预能力。
4) 全真模型层。主要实现城市物理实体的全要素数字化表达，实现由粗到细、从宏观到微观、从室外到室内不同粒度、不同精度的孪生数字化还原，多维多时空多尺度模型，具有高保真、高可靠、高精度的特征，实现数字空间与物理空间一一映射。数字孪生全真模型是城市统一的“展示窗口”和“决策中心”。
5) 可视化交互层。主要是为使用者提供良好的人机交互使用环境，让使用者能够获得身临其境的技术体验，从而迅速了解和掌握复杂系统的特性和功能。结合数据智能和数字孪生城市全真模型，集中可视化呈现全域智能终端信息、城市运行实时状态和数据智能预测结果，并且可以远程控制城市各个场景的运行状态。
图4.3 数字孪生城市工程技术体系
数字孪生城市对于促进城市数智治理模式升级、提高人民美好生活服务水平、创造安全优良的社会环境具有深远的历史意义。数字孪生城市作为新型智慧城市，站在城市大脑的肩膀上，借助数字化改革的力量，将成为未来城市“多跨场景”的重要应用。
以上内容摘自易知微和数字孪生世界企业联盟出品《数字孪生世界白皮书(2022)》
