数字孪生技术协助信息物理系统构建数字化城市

 在过去的综合治理形态中，政府治理主要呈现在制度供给、政策激励、外部约束。“治理”和“管理”一字之差，呈现的则是多方面的差异。

 现阶段，就城市信息化发展环节来说 ，正处在从数字化管理升华到智慧化综合治理的历史过渡阶段，网格化精细管理模式将逐渐向数字孪生强智能化自治模式演化。

 英国曼彻斯特大学教授、当今著名的地方综合治理科研专家格里·斯托克曾说：“综合治理的本质就在于它所侧重的统治机制并不依赖于政府部门的权威和制裁。”当代治理体系的创建应充分的尊重综合治理的本质，在不从外部强加作用的条件下创建新的社会结构是最理想化的最终状态，而这类创建全过程要依赖于多种相互影响的行为要素的互动及自组织。怎样从数字化、信息化、智能化角度为城市治理提供支持已变成新时代的迫切需求。

1、城市规划基础建设“一张图”，城市治理虚实结合“一盘棋”

 数字孪生城市的理论基础源于信息物理系统(CyberPhysicalSystems，CPS)和数字孪生（DigitalTwin，DT）。信息物理系统是集计算、通信与操控于一体的新一代智能系统。信息物理系统利用人机交互接口实现和物理进程的信息交互，运用网络化空间远程、可靠、实时、安全、协作方式操控物理实体。数字孪生是充分运用物理模型、传感器更新、运作历史等数据信息，集成化多物理量、多尺度、多概率进行仿真模拟，在虚拟空间中完成映射，进而呈现相对应的实体的生命周期全过程。

 数字孪生的本质是基于数据信息线索的操控。数字孪生建立在信息物理系统基础之上，更加的偏重于数据信息和模型，聚焦数字化工程管理与技术应用两个方面，推动管理与技术应用深度融合，为当今世界提供一种通用型的智能化基础理论及发展范式。由数字孪生可推演出“数字孪生-X”系统，如：数字孪生城市、数字孪生社区等。

 数字孪生城市可当作是数字孪生系统在城市载体上的一个具体实现。基础建设数字孪生城市的目的是创建“城市规划基础建设‘一张图’，城市治理虚实结合‘一盘棋’，城市服务场景设计一站式”的当代城市治理模式。数字孪生城市为城市现代化综合治理提供了新思维和新方法，同时也为城市管理向综合治理演变开拓了新途径。

2、虚实结合信息交互的数字孪生城市

 城市数字孪生系统可分成城市物理孪生体和城市数字孪生体两部分，对应城市物理空间和城市信息空间，以数据信息为枢纽完成城市信息物理系统的系统集成，以控制算法与模型为核心完成虚实城市间的知识交互与迭代优化。数字孪生及数字孪生城市的7要素可抽象为：物理空间、数字空间、数据信息、模型、控制、管理、服务。

 现实中，要求城市数字孪生体可以综合性指引并动态性优化物理城市的全生命周期工程，故此需要首先开发设计实现城市仿真模拟与控制系统。城市仿真模拟与控制系统包含软硬件两个方面，运用的核心技术是系统仿真模拟、自动控制及系统集成。仿真模拟系统的创建包含概念建模、仿真模拟设计、计算机与数学仿真模拟、物理建模与试验、半实物仿真模拟与验证、系统集成等关键步骤。

 数字城市孪生体的终极目标是完成泛在物联感知及复杂自动化控制系统与三维可视化数字模型空间的深度融合，即在可视化构件和系统空间中完成实时泛在感知与自主协同控制，这也是现阶段暂未真正攻克的技术难点。

3、建设四范式模式下数字孪生城市

 数字孪生城市的建设发展宜遵从“理论-技术-管理-应用”四位一体发展范式（简称“DT四范式”）,以数字孪生基础理论与核心技术为基础，兼备管理和技术两个方面，在应用场景中不断地试验、验证并健全其理论与技术体系。

 基础理论方面，以多尺度数字孪生理论为指引，设计规划多粒度数字孪生城市系统架构，开发设计多层级数字孪生城市模型。从系统工程角度来看，多粒度数字孪生城市系统可分成设备级、系统级、SoS(系统的系统，复杂系统)级及复杂巨系统级四个层级，且从上往下具备包含关系，可按照物理城市的规模和界限适当收放系统粒度。各层级内部及层级之间又通过数据信息完成关联、迭代及优化，最后使系统处在最优平衡状态。多粒度数字孪生城市是一个由细到粗逐步推进的系统，总体呈现出“V”型结构，上一粒度级数字孪生模型可看成是多个下一粒度级数字孪生模型的集成。城市要素的多元化、多颗粒度特点决定了需创建多粒度数字孪生城市才能够刻画出真实的智慧城市。

 核心技术层面，以软件工程理论和工业软件理论为引导，研发以数据流和业务流为关联线索的工业级数字孪生城市系统软件（CIM软件），重点处理底层通信协议自主可控、数据安全、业务知识模型化等至关重要的问题。数字孪生城市系统软件是数字城市与物理城市的整合体和交互平台，其技术应用模式的核心内容是数据线程和模型体系，且含有意见反馈回路，能够真正的完成数据全周期跟踪和工程全生命周期管理。数字孪生城市系统软件完成从城市基础设备设施到城市治理平台的纵向集成，也可泛在连接至更底层的工厂级制造系统，因此是一种具有全时空立体感知、全数据可信互联、全体系精准管控、全领域智慧决策、全场景可视交互五个特性的深度集成系统。研发配套规范，在规范化架构下研发产品和系统。数字孪生将演变传统化产品和系统研发模式，完成产品研发的系统全生命周期管理，完成“制造前运行”，完成向“设计－虚拟综合－数字制造－物理制造”的新模式演变。

 管理层面，数字孪生城市系统协助城市管理者构建城市全周期管理模型、流程及体系，协助其构建数字孪生管理新模式。从管理领域来讲，包括城市产品管理、城市服务管理、城市设备管理、城市业务管理、城市执法管理、城市人员管理、城市环境管理七个主要层面。使用“数据”这一“数字枢纽”可跨接众多管理领域完成无缝集成，进而使管理信息和指令能够更为高效透明的运转，另外也可完成管理流程的痕迹追溯。数字孪生管理模式真正的完成了全流程可管、全要素可查、全过程可控的“三可”管理模式，以数字孪生技术为新动能，驱动管理体系演变。

 应用层面，基于数字孪生城市理论和技术应用，可孵化出多粒度、多领域、多元化应用环境。按照数字孪生粒度尺度，能够归纳出不同等级的应用环境。在设备级，有设备故障检测、设施预测性维护、设备低能耗控制、热耗散模拟等；在系统级，有智慧家庭、智慧医疗、智慧养老、智慧社区、智慧供热等；在复杂系统级，有城市能源互联网、智慧市政工程、智慧城管、网格化城市管理等。数字孪生模型和系统应用于城市管理和治理的各领域可整合衍化出海量领域新业态，领域新业态的规模化集成与共享经过一定历史环节的发展后，又可产生更大范畴的新业态，进而对国家经济社会发展产生直接的推动作用。

4、数字孪生城市与城市信息模型

 城市信息模型（CityInformationModeling，CIM)是以城市的信息数据为基础，创建起三维城市空间模型和城市信息的有机综合体。城市信息模型现阶段暂无统一性的准确界定，CIM的内涵和外延现阶段仍处在探索阶段。CIM应依托数字孪生理论和技术创建，宜运用基于模型的复杂系统工程思维。由此，CIM可以表述为以数字技术为治理引擎（简称数字引擎）的数字孪生城市之数字孪生体。

 创建城市信息模型的目的是使城市信息获得更为科学、严谨、统一、准确的表述，为城市建设与治理提供数字引擎。城市信息模型尝试从城市建模的视角为城市提供更为科学严谨的表述，以“信息”为主线围绕城市空间，使物理分散的城市在信息空间中完成逻辑性集成，故此可以更好的优化城市、管理城市、治理城市。

 数字孪生城市的城市数字孪生体可看成是城市信息模型的一种完成方式。城市数字孪生体从数据和模型的视角，按照复杂系统控制与决策理论为城市信息模型提供了科学性和落地性都较强的解决方案。基于数字孪生城市和城市信息模型，可创建出由模型到系统再到体系的微观与宏观一体化城市现代化治理模式，真正完成基于模型的城市系统工程。