数字孪生城市白皮书（2022年）

No.202236 数字孪生城市白皮书 (2022年) 中国信息通信研究院中国互联网协会 中国通信标准化协会2023年1月 版权声明 本白皮书版权属于中国信息通信研究院、中国互联网协会和中国通信标准化协会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观点的，应注明“来源：中国信息通信研究院、中国互联网协会和中国通信标准化协会”。违反上述声明者，编者将追究其相关法律责任。 前言 习近平总书记指出，让城市更聪明一些、更智慧一些，是推动城市治理体系和治理能力现代化的必由之路。党的二十大报告明确将“国家治理体系和治理能力现代化深入推进”纳入未来五年主要目标任务，并提出“把我国制度优势更好转化为国家治理效能”“打造宜居、韧性、智慧城市”等要求。2022年1月发布的“十四五”数字经济发展规划提出“因地制宜构建数字孪生城市”。 数字孪生城市，逐步深入到城市全要素表达、业务预警预测、场景仿真推演、态势感知智能决策等多个环节，既能发挥多技术集成应用优势，又能凸显我国整体智治的制度优势，正成为各地智慧城市建设或城市数字化转型的重要探索方向。特别是今年以来，在政产学研用各方力量共同推进下，在数字孪生与CIM支撑下的城市规划建设管理，以及数字孪生水利水务领域进展较快，能源管理、智能交通、工业制造等领域也加快试点探索，数字孪生技术应用在文体旅游、应急安全、环境治理等城市多领域不断渗透，影响深远。 中国信息通信研究院已连续第5年发布数字孪生城市白皮书，今年白皮书分发展综述篇、实施建议篇和建设展望篇三大部分，更新了数字孪生城市总体架构；首次系统性分析了“城市数字孪生体”和“数字孪生新引擎”建设思路；提出了数字孪生城市实施路径。 一是发展综述篇，今年以来，数字孪生城市进程明显加快，逐步进入落地建设深水区，总体上呈现出，技术体系逐渐“清晰”，城市 转型内涵加快“演进”，政策措施“全面”，供给主体“丰富”、产业赛道“扩展”、生态耦合“紧密”、应用门槛“降低”、学术研究“活跃”、领域标准“深入”等发展态势。但数字孪生城市建设探索过程中，也初步浮现出“有表无里”“有静无动”以及供给侧同质化低质化、整体设计体系化不足等问题。 二是实施建议篇，白皮书首次深入分析数字孪生城市实施路径，重点围绕总体架构更新演进、总体设计统筹推进、典型场景筛选解剖、数字孪生体数据重构、能力引擎重组、可持续运营、成熟度评估等七方面内容展开。提出以“对象实体孪生+业务流程孪生”构建城市孪生体，以城市孪生体为基础，实现物联感知、全要素表达、可视化呈现、数据融合供给、空间分析计算、模拟仿真推演、虚实交互、自学习自优化、众创扩展等九大能力目标，构建城市级数字孪生新引擎以及底座平台。 三是建设展望篇，在中国式现代化、国家治理能力与治理体系现代化总体要求下，各地将因地制宜、深入开展数字孪生城市的实施探索。短期看，数字孪生体“多源”数据融合重组，数字孪生“多能”新引擎构建，数字孪生“多跨”场景实现将是近期发展重点。中长期看，数字孪生体有望突破数字资产运营难题，孪生新引擎将全面激发城市数字化创新活力，城市建设的数字孪生应用成果有望在千行百业中推广借鉴。 目录 一、发展综述篇：数字孪生城市发展逐步进入深水区1 （一）技术体系：数字孪生城市的技术构成逐渐清晰1 （二）内涵认识：城市数字化转型进入孪生驱动阶段5 （三）政策环境：政策部署与地方落地实践明显提速7 （四）供给主体：企业数量增加，发展战略调整聚焦9 （五）产业布局：服务能力深化，服务对象内容扩展11 （六）合作生态：引擎融合加速，互补产品集成开拓12 （七）技术能力：应用门槛降低，模型供给能力提升13 （八）学术科研：学术研究活跃，仿真决策颇受关注16 （九）标准专利：行业领域发力，专利申请快速增长18 （十）数字孪生城市前期探索已遇建设瓶颈20 二、实施建议篇：基于孪生体理念推进孪生城市建设22 （一）更新城市总体架构，建设城市数字孪生底座22 （二）应用总体设计方法论，推进底座平台体系设计26 （三）坚持高价值场景驱动，筛选并解剖具体场景28 （四）重构数字孪生体属性，开展数据融合治理30 （五）集成融合成熟引擎，形成全能力服务型平台35 （六）构建多方协同机制，助力可持续建设运营37 （七）建立成熟度评估模型，推动以评促建迭代发展40 三、建设展望篇：数字孪生城市建设助力中国式现代化43 （一）“多源”孪生体数据深度融合，数据组织应用将发生较大调整43 （二）“多能”数字孪生引擎或出现，推动技术产业及城市建设模式变化 ...............................................................................................................................44 （三）“多跨”应用场景将加速推进，有力支撑中国式现代化发展模式46 图目录 图1数字孪生技术集成发展历程2 图2数字孪生城市涉及核心技术构成4 图3我国城市数字化转型发展阶段6 图4全国数字孪生企业增长趋势10 图5GIS/BIM与视频引擎融合示例13 图6数字孪生低代码平台功能框架14 图7基于NeRF的城市级自动化建模15 图8全球/全国数字孪生相关论文发布情况17 图9各国数字孪生相关领域发表论文数量17 图10全球数字孪生专利数量占比情况19 图11我国数字孪生专利新增数量变化情况20 图12数字孪生城市总体架构23 图13城市数字孪生底座平台与城市大脑、现有系统的关系26 图14总体设计在数字孪生城市建设中的定位27 图15数字孪生城市总体设计任务框架28 图16数字孪生场景价值判别方法29 图17数字孪生体数据融合思路31 图18数字孪生底座平台应用架构35 图19数字孪生底座平台运营架构40 图20数字孪生城市成熟度模型构成41 图21数字孪生城市成熟度模型“三阶段”应用42 一、发展综述篇：数字孪生城市发展逐步进入深水区 “数字孪生城市”自提出以来已有五个年头，在政产学研用合力推进下，2022年呈现出技术体系逐渐“清晰”、城市转型进入“孪生驱动”新阶段、政策全面“有力”支持、市场项目持续“增长”、企业供给能力持续“深化”、产业服务全面“扩展”、技术产品加快“融合”、应用门槛逐步“降低”、学术研究较为“活跃”、行业领域标准“发力”等发展态势。同时，数字孪生城市前期探索也浮现出一些瓶颈问题，数字孪生城市发展进入深水区。 （一）技术体系：数字孪生城市的技术构成逐渐清晰 数字孪生技术发展历程是新一代信息技术不断集成融合的过程。回顾数字孪生技术发展历程，大致可以分四个阶段，数字孪生萌芽期，以模型仿真驱动为特征；数字孪生概念期，以模型与感知控制驱动为特征；数字孪生推广期，以模型、感知、空间位置等多技术融合驱动为特征；数字孪生壮大期，以模型、位置、感知、交互、AI等技术全面融合驱动为特征。可以看出，每个阶段均呈现出，更多技术的一次集成与融合，并形成一种综合性更强的技术。 来源：中国信息通信研究院 图1数字孪生技术集成发展历程 数字孪生萌芽期：以模型仿真驱动为特征。20世纪80年代以来，CAD、CAE、CAM等计算机建模、模拟仿真技术迅猛发展，并在制造业领域开始广泛应用，从产品设计发展到工程设计和工艺设计等，通过建模软件来设计产品外观、仿真软件来模拟产品性能，成为该时期发展的主要目的及形态。 数字孪生概念期：以模型与感知控制驱动为特征。2002年迈克尔·格里夫教授首次提出“镜像空间模型”1，成为数字孪生概念的起源，并将该理念应用于产品全生命周期管理之中。与此同时，21世纪初“物联网”技术快速推广应用，通过感知通信获取产品实时运行数据成为可能。2010年NASA将数字孪生应用于航天航空领域，随后 1数字孪生城市框架与全球实践（2021年） 通用电气、达索、西门子等制造业龙头企业广泛开展数字孪生应用，推动了物联感知技术与建模仿真技术的集成融合。 数字孪生推广期：以模型、感知、空间位置等多技术融合驱动为特征。随着物联网、BIM技术的成熟普及，二维GIS技术走向三维化实体化语义化，数字孪生技术应用逐渐从封闭空间小微场景，向开放空间大中型场景转变，从数字孪生零件、产品、车间，走向数字孪生楼宇、园区、城市等大尺度范围。2015年新加坡提出“虚拟新加坡”建设计划2，2017年雄安新区提出“数字孪生城市”建设理念并落地实施，数字孪生技术开始着力解决城市规划、能耗管理、废物处理、交通规划等社会运行发展问题。 数字孪生壮大期：以模型、感知、位置、交互、AI等技术全面融合为特征。随着大数据、AI、区块链等技术进入大规模应用，行业知识图谱、行业算法与空间分析计算开始融合，VR/AR等交互技术兴起，UE、Unity等高逼真可视化渲染引擎广泛应用，GIS、IOT、BIM、AI、VR/AR等企业纷纷开展合作，并参与到城市大脑、数字孪生城市、数字孪生流域建设中来，构建全时空、全要素、全能力的数字孪生空间成为可能。近两年元宇宙概念兴起、AR/VR发展提速，加速推动数字空间与现实空间深度融合，数字空间赋能现实空间运行，数字孪生进入大集成大融合新阶段。 数字孪生城市技术集成性高，核心板块日渐清晰。随着近年来数 2数字孪生城市研究报告（2018年） 字孪生技术在城市各领域广泛应用，建模仿真、物联感知、地理信息、大数据与人工智能、虚拟现实等各领域头部企业纷纷开展技术合作和集成创新，加速进入数字孪生城市建设新赛道，数字孪生城市的技术体系总体构成逐渐清晰，其核心技术至少包含六大板块。 来源：中国信息通信研究院 图2数字孪生城市涉及核心技术构成 标识感知技术，来源于通信领域和自动化与控制领域，是连接物理世界的入口和反馈物理世界的出口，具备标识解析和感知两大功能。 GIS与新型测绘技术，来源于地理信息领域，通过定位与空间导航、空间分析等技术，为数字孪生提供基础地理信息、遥感影像等城市底板数据。 孪生建模技术，来源于制造业计算机辅助设计领域，通过几何建模和物理建模实现对物理实体形状、已知（或经验）的物理规律以及未知的物理规律的模拟。 可视化渲染技术，来源于计算机图形学和图像处理技术理论，通过WebGL或游戏引擎工具将3D模型生成图像、视觉效果的过程，能够真实展现物理世界全貌。 仿真推演技术，来源于大数据分析、AI分析、视频分析等算法领域，通过机理仿真、大数据或AI驱动仿真对物理世界及其运行发展全过程进行仿真模型构建、模拟分析和实时智能推演。 交互控制技术，来源于类脑视觉、AR/VR、三维视觉、模式识别等图形图像领域，将人的因素通过手势、视觉、语音、脑波等融入数字孪生系统，使用者可以通过友好的人机操作方式将控制指令反馈给物理世界，实现数字孪生全闭环优化。 （二）内涵认识：城市数字化转型进入孪生驱动阶段 数字孪生城市有力支撑城市数字化转型。全球主要经济体如英国、新加坡等提出“数字孪生国家”“数字孪生城市”等推进计划，国民经济和社会发展“十四五”规划纲要明确提出“探索建设数字孪生城市”，标志着城市数字化转型向“数字孪生城市”方向探索迈进。从发展历程看，城市数字化转型正在经历从单个行业、单个环节、单项技术、静态为主的点状数字化转型，到技术、数据、模型共同驱动的跨行业、全环节、融合技术、时空连续的全面数字化转型转变的阶段， 通过推进空间孪生、单体孪生、关系孪生、流程孪生等，带动城市物理空间、数字空间的深度融合，促进了业务、数据、技术的全面融合，逐步显现出“数字孪生驱动”城市数字化转型的新特征。 来源：中国信息通信研究院 图3我国城市数字化转型发展阶段 我国城市数字化转型大致经历四个阶段： 表单数字化（2008—2012年），以行业应用驱动为主，各部门各自推进本行业网络化、数字化，如住建部牵头“智慧城管”。 业务流程数字化（2012—2016年），以数字技术驱动为主，通过移动互联网、物联