在一座物理世界的实体城市之外，是否还可能存在另一座虚拟世界的数字城市？二者一体同胞，虚实相生，如影随形，同生共长。

这是一个变革和创新的时代，一切皆可编程，万物均可互联。把不可能变成可能的种种全新场景，会不断颠覆传统认知。数字孪生城市的出现，也将刷新人们对未来城市的想象。

短短数年，数字孪生从一个技术概念，演变成一种新转型路径、新变革动力。数字孪生城市正在成为智慧城市的升级版和必选项。它赋予实体城市新的互联网基因——通过信息技术的深度应用,给城市一个数字克隆体，使不可见的城市隐形秩序显性化，城市肌体每个毛细血管的一举一动尽在掌握中。

随着概念培育、科研布局的持续推进，借助新基建的提速加持，数字孪生城市风生水起，进入国家决策视野，纳入“十四五”规划，多地已纷纷开始试水。业内人士把2020年称为数字孪生城市元年。

方兴未艾的数字孪生城市变革的不仅是传统城市规划建设，而且助推城市治理体系和治理能力现代化。城市治理可望向“智”理升级，城市病可望被“智”疗，未来城市治理和公共服务将不再是盲人摸象。

一切才刚刚开始。在数字城市规划落地实施过程中，蹭热度炒概念、重建设轻运营、典型场景应用不足、安全风险加剧等苗头性问题也随之显现，有待校准航向，行稳致远。

上篇：智慧城市再升级

今年端午假期，上海南京路步行街游人如织。南京东路河南中路路口，一幢现代主义风格的历史建筑里，一位游客被窗外繁华景象吸引，打开窗户将手机探出窗外拍照——这个看似平常的举动，却给节假日街上的人群带来高空坠物隐患。安装在窗户上的传感器第一时间监测到开窗行为，店内保安范天玉佩戴的智能手环立即接到系统自动报警，马上赶往现场处置，系统随后显示窗户关闭。

如此迅速的反应，背后是一整套的数字系统。如今在云端，一个为百年大楼专门打造的数字孪生系统，正在实时监测大楼的生命体征。城有千万楼，楼是最小城，以此为起点，上海开展城市数字治理最小管理单元的试点。

这样的尝试正在浙江、广东、福建等多地开花。国家政策密切关注，地方规划加速落地，市场规模持续增长……如今，数字孪生不再只是一个技术概念，而是一种新的城市发展模式和转型路径，成为新型智慧城市建设发展的必由之路。

1 城市的数字克隆体

数字孪生作为一个高科技名词，总让人联想到孪生兄弟的含义——事实上，数字孪生正是指现实的物理世界与虚拟的计算机世界的孪生。借助于新基建的持续加持，存在于虚拟世界的数据和算法，正在打造现实世界的数字克隆体。

数字孪生概念，最早由美国学者提出，最初的研究对象是工业产品的全生命周期管理。从工业视角进入城市领域，数字孪生概念的流变具有历史必然性。在不改变城市原有物理空间的前提下，运用数字孪生技术克隆出一个对应的虚拟数字世界，我们可以在这个数字世界里窥见现实世界任何角落的一举一动，从而让城市治理效率大大提升。

与此同时，我们还可以在数字世界里对各种创新实践进行试错，从而得知这种创新实践在现实世界中是否可行。

理论听起来很美好，现实究竟怎么样？再次回到上海南京路的端午假期。智能感知应用，仅仅是这幢大楼数字孪生系统诸多应用中的一个。大楼客流情况如何、门前是否有共享单车乱停放、楼内水电管道运行是否正常……整幢大楼的生命体征，都能通过这一系统得以实时反映。

看上去这栋老建筑和百年前一样，厚重宁静，可是在数字世界里，建筑已是另一副模样。在上海市城运中心的指导下，上海市黄浦区与华为合作，选取南京大楼作为城市数字治理最小管理单元进行试点，融合华为云、大数据、人工智能、边缘计算、5G等多种先进技术，共同打造了1∶1“活”的大楼数字孪生系统。

线上线下融合让楼宇真正成为一个智能体。“通过接入外部环境、地下管网等各类数据，楼宇可以‘活起来’，孪生系统可以时刻给大楼的健康程度打分，并输出体检报告。”黄浦区城运中心主任倪莺说。

上海市城运中心主任徐惠丽表示，相较于传统的静态城市运行体征，上海城市运行数字体征系统是“活”的，它以“实时、鲜活”的多维、多源、多态数据为基础，以海量智能算法为支撑。

“未来我们希望把这种感知扩展到一条街、一座城。”徐惠丽说，解剖城市最小管理单元，希望能探索出一条政府与市场主体有机联动的城市数字治理新机制、新模式。

2 “规划一张图、建设一张网、治理一盘棋”

如果说上海南京大楼的案例，是数字孪生在城市治理上的微观缩影，那么雄安新区在规划之初就预设出数字孪生在城市规划建设上的全局场景。数字孪生技术先行先试的雄安新区，实体城市与数字城市同步推进。

在雄安新区建设现场，除了热火朝天的建设场景，还有一个虚拟的“云上雄安”数字智能之城在同步进行。城市计算中心、块数据平台、自主可控区块链平台、数字道路分级标准、数字基础设施建设……随着一批城市级智能平台的搭建，雄安新区智慧城市建设持续推进。

“雄安新区是‘一张白纸’建数字城市，块数据平台是基于大数据和人工智能技术的开放式智能城市大数据平台，它将作为雄安新区城市大数据资源中心的实际载体，承担汇聚新区全域数据、统筹新区数据管理、实现新区数据融合应用的重要任务。”京东科技相关负责人告诉记者，“块数据平台是新区的数据汇聚中心、数据管理中心、数据服务中心和人工智能赋能中心。未来，雄安新区建设的信息化系统将直接‘长’在块数据平台上，各个领域的数据，从一出生就已经生长在一起。”

雄安新区规建局副局长刘利锋认为，智慧城市往往更多关注建筑、交通、水务、园林等某一行业或领域的智慧化，而雄安是基于城市信息模型的全城智慧化，在此平台上可以对城市各专业数据进行集成，从而形成规划一张图、建设监管一张网、城市治理一盘棋的新格局。

雄安和上海的探索，代表了我国在智慧城市领域新的发力方向。由于数字经济及新基建的持续赋能，我国在数字孪生城市建设上大有后来居上之势。

3 提速扩面，由概念培育期进入建设实施期

作为新一代信息技术在城市领域的综合集成应用，未来，数字孪生无疑将成为城市提升长期竞争力、实现精明增长、实现可持续发展的新型基础设施。去年以来，由于国家政策密切关注，地方规划加速落地，市场规模持续增长，有人将2020年称为数字孪生城市元年。中国信息通信研究院更是在其报告中提出，目前数字孪生城市已经由概念培育期进入建设实施期。

我国明确提出，“十四五”期间将“探索建设数字孪生城市”，完善城市信息模型平台和运行管理服务平台，构建城市数据资源体系，推进城市数据大脑建设。

——顶层设计不断完善。发展改革委、科技部、工信部、自然资源部、住建部等部委都出台政策文件，从产业发展到技术突破，助力数字孪生城市建设。根据记者不完全统计，上海、海南、浙江等省级层面，贵阳、南京、合肥、福州、成都等市级层面，均出台了相关文件，提出以数字孪生城市为导向推进新型智慧城市建设。其中，海南提出，到2025年底基本建成“数字孪生第一省”；浙江提出建设数字孪生社区。

——互联网大厂纷纷布局。主流企业层面，国内厂商在新型智慧城市建设上的投入不断增加——阿里的ET城市大脑、腾讯的“数字政府”“超级大脑”、百度的AI City、华为的智慧城市神经系统、京东的城市计算平台、平安科技的智慧城市云、科大讯飞的“城市超脑计划”、浪潮的智慧城市大脑……基本所有主流玩家都纷纷布局。

——从治理走向“智”理，人民城市理念得到体现。在数字孪生城市的探索中，城市找到了“为了人”“更受用”的初心。在上海，公交车到站预报的准确率已经达到97%；广东上线全国第一个适老化设计移动端老年人服务专区，1113项服务实现群众办事“零跑动”。

“10年前，全国各地有各种各样的绿色数据中心、智慧城市、智慧园区等，但不少是玩房地产、玩概念。”明略科技集团副总裁唐日新告诉半月谈记者，到了2017年，一个新型智慧城市建设的潮流开始了，更多地从应用、从用户的角度入手。

新冠肺炎疫情发生以来，全球各大城市都暴露出城市治理能力的缺陷，比如有资源没调度、有数据没分析、有人力没组织、有网络没效率等。

来自中国信息通信研究院的报告显示，数字孪生城市具有精准映射、虚实融合、模拟仿真等核心能力，由此衍生出城市风险自动发现、城市运行规律主动洞察、人和物轨迹追踪回溯、事件精准定位管控、决策分析推演、预案仿真演练、预案优化和执行、要素资源高效配置等多种能力，将对构建城市现代化治理体系和治理能力提供强有力的支撑。

“以前人在现场才能处理现场的事，现在不用到现场就可以‘身临其境’，不光能看见，还能操作，有反馈。”华为中国云计算CTO付春杰这样解释。可视化、可操作、可互动，就是数字孪生区别于传统信息化的最显著特征。

中篇：城市治理可望告别“盲人摸象”

浙江省杭州市余杭区中心智能大屏上,一条火警信息弹出,提示一条道路上发生车辆起火事件。这一火情位置立即被锁定,同时主屏幕自动跳转到三维建模的城市地图上,并在一侧出现了附近4路治安监控传回的实时画面。指挥中心迅速和辖区消防大队建立了实时联系。

在网络虚拟空间里搭建起一座庞大的数字孪生城市,每一条街道、每一座建筑、每一条管道都一一对应,城市的一举一动尽在掌握中……这个科幻的场景正在逐步成为现实。当前，在多地应用场景中，城市发展与城市治理开始逐步走出“盲人摸象”。

1 “智”疗城市病，智慧城市更宜居

人口膨胀、交通拥堵、公共服务不足……这些我们习以为常的城市病,几乎是城市化过程中无法回避的问题。在一些技术专家看来,城市病的根源是城市规划和建设过程缺少与时俱进的科学方法。

国开金融新型城镇化顾问专家曲景东认为，对已建成的实体城市进行数字化,可以更加有针对性地治疗城市病,促进城市健康发展。

在多地探索中,交通拥堵、停车难等问题,通过数字治理得到了缓解。在杭州，浙大一院和浙大二院周边交通拥堵，一度让就医者闻之色变。这两家医院日门诊量近3.3万人次,日入院近8.8万人次,就诊停车需求每天超1万辆。在高峰时段,有400余辆车围绕两家医院排队等候。

当地从医院周边2.5公里范围,摸排出16个停车场和1个公共道路的泊位3309个,设计6条最优停车轨迹,打造15分钟停车圈,通过智能规划“算”出“最快停哪里”。“智”理之下,医院高峰时的车队长龙不见了,就诊车辆平均停车时间从90分钟降至15分钟。

根据同样的逻辑,未来数字孪生还将在城市生态、教育、适老化改造等方面发挥神奇功效。

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一家数字科技企业的负责人在展示模拟建造智能生产线的“数字孪生”技术 （李贺 摄）

事实上,在不少城市启动的数字孪生城市整体方案中,公共服务拓展都是重要内容。在上海市花木街道开展的数字孪生城市建设项目里,社工手中的应用端上有三维的“房态图”,点击某幢居民楼中的任意一户人家,即可根据相应社工的权限,显示各类数据。这一系统不仅能在疫情防控工作中发挥作用,还能在日后为人口管理、基层党建、志愿者工作、社区养老、物业管理等多方面工作提供支持。

华为企业业务中国区智慧城市业务部总工程师姚健奎说,尽管数字孪生城市建设面临很多技术、体制和机制等方面的瓶颈和挑战,但随着城市治理体系和治理能力现代化的持续推进,以及新技术集成的不断创新,未来城市科学发展和智慧升级将不再是梦想。

2让“智”理深入城市毛细血管

在1100平方米的场地里疏散4.8万人需要多久?2019年至2020年的跨年夜,杭州湖滨步行街举行了“湖滨之夜”活动,活动结束之后的100分钟内,4.8万人全部安全疏散出步行街范围。

实时人数、人流变化趋势、附近地铁站的人流进出情况……在湖滨步行街智慧街区综合管理平台大屏幕上,一组组滚动的数字正梳理编织成一张城市安全网。

“平台依托热力图等感知系统,结合历史节假日人流数据,将天气等因素纳入考虑范围,智能预测人流峰值,为警方提前作出安全部署、梯次启动三级响应机制提供强力支撑。”杭州市公安局上城分局湖滨派出所所长王雪峰说。

早在活动前一周,湖滨步行街的城市大脑数字驾驶舱就以实时客流数据为基础,以历史客流、天气、开街以来客流变化趋势为维度,建模推算出当晚峰值客流数为8万人。有了这个数据,各部门的保障变得更加精准。为此，杭州公交集团将周边的13条线路运营时间平均延长2至3小时,增派33辆专车。当风险指数超过警戒线,公安、交警等多个部门当机立断,联合采取音乐叫停、卡口启动、“泄洪区”开闸等一系列组合拳来疏散人群。

数字孪生城市具有打破领域壁垒、打通层级边界等特性,对于高效能推进城市治理作用很大,这种模式在交通、能源、水利、工厂、医疗等行业领域已得到迅速推广和复制。

北京市朝阳区消防救援支队通过数字孪生技术,针对辖区建筑场景,真实高效地进行各类消防预案的应急演练;四川华西医院通过智能可穿戴设备,实时采集患者心血管诊疗数据和体征数据, 结合专家学者经验与人工智能算法,打造实时预警和预先判断的数字孪生诊疗体系;云南抚仙湖打造数字孪生湖体,通过接入水务感知数据,精准发现污水泄漏点、地下暗河流入等,实现河湖管理数据可视、监测可控、仿真推演。

3 新基建赋能，破译城市发展密码

数据是数字孪生城市的运行基础。在中国工程院院士孟建民看来,目前智慧城市建设仍处于“拼图阶段”,正从碎片化迈向整合发展,在这一过程当中有必要共建、协作、集成,打通壁垒。

“要想提高城市规划的准确性、科学性,须把城市生活、生产、生态的各要素、各关联关系进行系统性总结分析,将数据带入城市规划和城市建设中。”科大讯飞董事陈涛说。科大讯飞瞄准数字孪生城市提出“城市超脑计划”,就是希望使用人工智能技术,打通城市规划、建设、运行过程中的知识体系和数据闭环。

数字孪生城市的理念,正渗入各地新型智慧城市及新基建规划中。起步于2016年的杭州城市大脑,目前已建成覆盖公共交通、城市管理、卫生健康等11个重点领域的48个应用场景。政府主导开放数据资源,整合、调配不同部门、不同领域的数据,成为杭州城市大脑不断进化的关键。

全国多地在相关规划中提到,通过在数字孪生城市模型上仿真试错,提前了解城市特性,评估规划和建设效果,能够以更低的成本快速推动城市规划建设落地,并实现城市规划自动修正,城市建设全程可控,城市运行精准呈现。

“例如针对老城区改造、新城区扩展等难题,这一技术可根据现有人口及其生活习惯模拟出最有效、最节能的建筑方案,用‘腾笼换鸟’的方式进行城区改造。”陈涛说。

下篇：把城市搬到网络空间须补短板

美国最大的燃油管道运营商近期遭到黑客网络攻击,被迫关闭其在美国东海岸各州的关键供油网络,导致美国宣布进入国家紧急状态。分析人士指出,这一事件充分暴露出美国基建体系网络安全的脆弱性。事实上，对于积极布局数字孪生城市应用的各大城市来说,这样的风险很可能并不是“黑天鹅”,而是“灰犀牛”。

近年来,国内与数字孪生相关的招投标项目正迅猛增长,这意味着,城市物理世界与网络虚拟空间的界限,在接下来的数年间将会变得越来越模糊。然而,被整体搬迁到网络空间的城市,还要解决哪些痛点,才能满足未来社会发展和市民居住需求?

1 数字孪生城市敲响安全警钟

攻击美国燃油管道运营商的是一个名为 DarkSide的勒索软件,黑客利用这个软件,劫持了该公司近100GB的数据,以索要赎金,声称如果不付款,将会把这些数据发到互联网上。从事网络安全产品研发的深信服公司对此发布消息称,该公司在2020年8月就发现了这个勒索软件,在捕获相关样本后对其加密方式进行了深度分析,发现暂时无法对其破解。

在未来的数字孪生城市,一切皆可编程、万物均可互联、大数据驱动业务、软件定义世界,整个城市的基础架构都在软件之上,工厂、电力、交通、能源、金融等领域都将实现“全数化”。城市运行建立在海量数据之上,如何储存、保护这些数据关系到每个人的隐私乃至国家安全。作为承载高价值数据资产的底层系统,数字孪生城市的核心要素——城市信息模型未来很可能面临比现在更严峻的网络攻击风险。

浙江大学软件学院副院长蔡亮表示,未来网络遭受恶意攻击的频率和风险是前所未有的,如果不做好应对安全风险的准备就仓促上线各种智慧项目,“每上线一个系统,就是明晃晃告诉别人,这里有一个数据宝库”。

以安全性能著称的区块链系统,未来将在数字孪生城市中得到广泛应用,但区块链系统也会遭受黑客攻击。半月谈记者采访网络安全专家了解到,已经有了针对区块链的黑客攻击手段,例如将木马病毒通过邮件或恶意软件植入电脑,伪装成区块链的一个节点,窃取受害者电脑中的重要信息。由于区块链网络去中心化的特点,一个节点的安全漏洞,可能引发成千上万的节点遭到攻击。

从事网络安全产品研发的奇安信公司董事长齐向东表示,迈向数字孪生时代,网络安全体系正面临供应链安全、漏洞威胁、勒索攻击、数据泄露等多方面的问题。

2 把城市整体搬到虚拟空间有四忧

自第一批智慧城市试点以来,大数据、地理信息技术、人工智能、云计算与边缘计算等前沿技术,在城市管理中得到了广泛应用,尤其是数字孪生城市概念的提出,更是让未来的城市管理运营有了全新的想象空间。然而，半月谈记者调研发现,当前各地在推进智慧城市、数字孪生项目落地方面普遍存在一些苗头性问题,导致整体水平不高。

第一，盲目上马蹭热度。中国信息通信研究院的《数字孪生城市白皮书》指出，在数字孪生城市建设过程中,有些地方仅仅为了蹭热度,概念不清、方向不明,脱离实际业务需求和城市治理现代化应用场景,盲目跟风上马数字孪生项目,缺乏对业务逻辑的深层理解,忽视对城市治理的有效支撑。

研究发现，一些城市并未因地制宜做好数字孪生城市顶层设计,而是在行业信息化、智慧城市等传统业务上直接贴标签，也未能精准把握城市未来发展规律和信息技术演进方向，从而稳妥务实、以点带面地推进应用。

第二,数据条块分割,缺乏统一底层标准,造成新的数据孤岛。一些城市拥有公安、交通、政务服务、城市安全、金融安全等多套运营管理系统,中国平安、腾讯等多家科技公司和科研院所为不同的政府部门提供了不同的底层系统。

中国科学院深圳先进技术研究院数字所研究员曲强说,数字孪生城市建立在全市一张图的基础之上,长期以来,智慧城市建设垂直领域协同强、部门之间协同弱,多张图如何整合为一张图?不同底层架构的数字孪生项目能否有效地互联互通?能否实现高效的数据共享和业务协同?这些问题如果不解决,很可能带来新的数据孤岛问题。

第三,重建设轻运营,城市孪生水平低位徘徊。中国工程院院士、深圳大学智慧城市研究院院长郭仁忠认为,当前各地数字孪生城市建设进展不小,但实际上大部分城市还处于基础设施布局和垂直应用建设为主导的1.0阶段,距离数字化管理及运营的2.0阶段还存在较大差距。

国际上已有因缺乏运营而导致智慧城市项目“烂尾”的案例。韩国松岛新城运营管理模式欠缺,主要依靠私人资本,政府监管能力有限,导致建设成本虚高形成空转。至今松岛新城常住人口、企业入驻率不到规划的50%,成为“智慧鬼城”。

第四,“卡脖子”隐忧难解。中国信息通信研究院发布报告指出,当前数字孪生城市涉及的海量数据加载技术、云边计算协同技术、模拟仿真技术等成熟度不高,利用人工智能、边缘计算对动态数据快速分析处理能力不足,设计软件大部分由国外企业主导,核心技术自主水平不足,GPU 芯片、操作系统、驱动中间件与国外存在一定差距,传感器从技术到成本都不能满足全域感知部署需求。

这样的担忧并非杞人忧天。不久前,美国商务部宣布将我国7个超级计算相关实体列入制裁清单。而超级计算提供的强大算力,是未来支撑数字孪生城市高效运转的基石,如果超级计算达不到一定水平,数字孪生城市发挥的作用可能会受到影响。

3专业化建设运营提升数字孪生城市运转效能

正视挑战，面向未来，各地应进一步优化数字孪生城市建设运营的体制机制,高质量打造专业化的建设运营企业,提升未来城市运转效能。

——以地方国企为平台,推进数字孪生城市专业化建设运营,防止“村村点火”“户户冒烟”。深圳市智慧城市科技发展集团相关负责人表示,传统城市建设要做到“五通一平”——通给水、通电、通路、通讯、通排水、平整土地,而数字孪生城市在建设之初要做到“新五通一平”。

“新五通”,指以新基建为主的“硬基础”互通；城市大脑、数字孪生基础平台的“软设施”互通；数据、技术、应用三方面的标准互通；网络空间、信息安全、自主可控技术的安全互通；以智慧城市运营中心为载体,城市级统一协同联动、指挥决策、应急处置的运行机制互通。“新一平”,指平整数据,推动公共数据和社会数据的标准统一以及开放共享。

——确保数字孪生城市网络安全。广东省政务服务数据管理局在2020年11月牵头发起了“数字政府网络安全产业联盟”,聚焦数字政府网络安全的未来趋势与核心技术,把网络安全的“产学研用”紧密结合起来,提升数字政府整体安全水平。目前，该联盟的成员单位包括广东省政务服务数据管理局、深圳市政务服务数据管理局、相关部委下属研究机构、广州大学及腾讯、华为、深信服公司等。

齐向东表示,针对数字孪生城市网络安全问题,不是加强某个环节就能解决的,而要提升整体防护水平,建立完整的网络安全体系,制定自主网络安全体系框架的国家标准。

——加强基础研究,强化产业生态合作。一方面,要持续加强技术领域的基础理论研究和应用场景验证,筑牢数字孪生城市的根基；另一方面,加强战略、技术、标准、市场等全方位协作,打造一个强有力的产业生态,为数字孪生城市在知识、技术、数据、算法、工具等方面的智力集成提供支撑。

半月谈记者了解到,《深圳经济特区数据条例》的立法工作正在推进中,相关规章制度的完善将为数字孪生城市建设保驾护航。各地政府部门应当主动开放数据资源,为数字孪生城市技术方案和应用场景的迭代开发与测试验证创造条件。数字孪生城市建设中，尤其要更加注重公共数据的使用范围,进一步立法解决数据伦理问题，避免信息滥用,同时更好地帮助老年人跨越“数字鸿沟”。