作为数字孪生技术在城市发展中的应用，数字孪生城市是智慧城市建设的新形态，它为城市管理和公众服务提供决策依据，支撑着城市运行的数字化、可视化和智能化。

随着应用场景的持续探索，我国数字孪生城市将迎来新的发展机遇期。

协同治理 提升效能

城市建设新思路

现代城市是一个复杂的开放性系统。近年来，数字孪生技术的飞速发展和普及应用，给城市的规划建设、治理管理等带来了新的思路和解决方案。

“数字孪生是充分利用物理模型和物联网传感器采集的全生命周期的运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间完成映射，从而反映相对应实体对象的全生命周期过程。”中国科学院院士、中国工程院院士、武汉大学教授李德仁说，数字孪生技术作为实现虚实之间双向映射、动态交互、实时连接的关键途径，为观察、认识、理解、控制和改造物理世界提供了一种新的有效手段。

数字孪生技术应用到城市中，能够对城市的各种要素、数据进行模拟和仿真。中国电子云副总裁曹心驰认为，数字孪生城市是在建筑信息模型和城市三维地理信息系统的基础上，利用物联网技术把物理城市的各种要素进行数字化，然后在网络空间上构造一个与之完全对应的“虚拟城市”，形成物理上的实体城市和信息上的数字城市同生共存、虚实交融。

技术上，数字孪生城市结合了物联网、大数据、人工智能等多项前沿技术，聚焦数据管理、信息模型和仿真分析等环节。浙江大学求是讲席教授李德纮举例，通过物联网技术来采集城市中各类数据，再传输到云端进行处理和分析，构成了城市数字孪生模型的“底座”；利用人工智能技术，对各类数据进行处理和分析，能够实现对城市运行的实时监控、预测和优化；虚拟现实和增强现实技术将城市数字孪生模型呈现在现实场景中，可以让公众更加直观地了解城市的运行情况和发展趋势。

“以北京市西城区‘综合交通治理辅助决策系统’为例，我们接入了北京市交通委、西城区大数据平台、互联网企业等十大类60多项数据资源，结合路网微观诊断评价模型和深度图网络时空扩散模型，开展了重点区域微循环仿真，模拟实际车流轨迹、路口流量、路段车速等运行状态数据，实现了数智交通‘评诊治估’闭环，打通了线上线下协同治理。”阿里云交付项目管理专家卫世昌介绍。

加强应用 深入探索

发展驶入“快车道”

目前，我国数字孪生城市建设已驶入“快车道”。在信息上建设一个与有形的城市对应的数字孪生城市，既能使城市管理者更加高效地管理城市，也能为城市的可持续发展创造条件。

《“十四五”数字经济发展规划》提出，“完善城市信息模型平台和运行管理服务平台，因地制宜构建数字孪生城市”。近年来，我国在数字孪生城市方面开展了诸多探索和实践。

在山东济南，四维地质环境可视化信息系统平台可以实现自动“剖切”，以便掌握轨道交通沿线的地层结构、岩性、岩溶发育特征等信息，为轨道交通线路适宜性分析提供了指导；在广东广州，“穗智管”城市运行管理中枢以水文、气象、排水设施等数据为基础，结合城市水文学模型（3D仿真）和电子地图，实现了对易涝点积涝演进的可视化模拟，为防洪救灾提供参考；河南兰考的县域能源互联网内嵌智能算法，可在线推演不同调控策略的运行结果；江苏苏州实现了古建筑全方位、高精度现状信息的留存，为古建筑的保护和修缮提供支撑；河北雄安新区将数字城市与现实城市同步规划、同步建设，两座城市将开展互动，打造数字孪生城市和智能城市……

李德纮认为，数字孪生城市在交通管理、能源管理、规划设计、环境监测等领域已形成了一些有代表性的应用场景，并向城市全要素表达、预警预测、场景仿真推演、态势感知、智能决策等方向深入发展，成为智慧城市建设和城市数字化转型的重要方向。

“我国数字孪生城市建设当前处在‘搭底座，建应用’的关键时期。”曹心驰说，基于基础平台提供的支撑能力，各部门、单位可快速构建行业应用，避免数据重复采集、系统重复建设。

数字孪生关键使能技术解析

在数字经济时代，数字孪生作为实现各行各业智能化、数字化的重要手段之一，受到了各方的广泛重视。随着各项关键使能技术的不断发展，数字孪生的应用价值有望得到进一步释放。这些关键使能技术包括建模、渲染、仿真、物联网、虚拟调试、可视化等，他们的蓬勃发展与交叉融合，极大地推动了数字孪生的深入应用。

其中，建模技术是指利用数字化设计技术创建现实世界中的物理实体。从早期的二维设计发展到三维建模，从三维线框造型进化到三维实体造型、特征造型，数字化设计技术产生了诸如直接建模、同步建模、混合建模等技术，以及面向建筑与施工行业的BIM技术。采用数字化设计技术建立的模型，往往包括了物理实体的各种属性，如几何形状、装配、运动、材料、制造等属性。

渲染技术是指利用三维制作软件将制作的模型经过纹理、绑定、动画、灯光，然后通过渲染得到模型和动画的最终显示效果。按照渲染模式，主要分为离线渲染和实时渲染两种类别。离线渲染是在渲染前将图像的计算和分析完成，然后将结果输出到屏幕上，这种渲染方式由于可以在离线服务器上进行，因此可以处理大量数据，通常说的CPU渲染、GPU渲染都属于离线渲染；实时渲染是指在实时交互过程中，将图像实时渲染到屏幕上，这种方式需要对图像进行实时计算和处理，因此对计算机和图形处理器的性能要求比较高。目前渲染技术在游戏、影视动画、教育、建筑、视觉可视化等行业得到广泛应用。

仿真技术是企业实现数字孪生应用的重要支撑技术之一。通过对物理现象的精确模拟，仿真技术在数字孪生中被用于预测和优化。仿真技术种类繁多，涵盖了多个学科、多个领域的知识和经验。从早期的有限元分析到对流场、热场、电磁场等多个物理场的仿真，对铸造、注塑、焊接、冲压、挤压、增材制造和复合材料制造等制造工艺的仿真，对碰撞、燃烧、爆炸、冲击、跌落等各种物理现象的仿真，以及疲劳分析、可靠性分析、振动分析等均有涉猎。

物联网技术具有知识提取的能力，有助于建立一个共享和互连各种资源的数字孪生。物联网通过RFID、二维码、传感器、全球定位系统（GPS）、激光扫描仪等数据采集设备，实时获取物理实体诸如声音、光、热、电、力学、化学、生物学和位置等数据信息。具体在生产制造环节，借助物联网技术可以展现生产过程的各种数据，包括机械、设备、工具、人员等数据都能与数字孪生模型无缝关联，进而提高制造的敏捷度。

虚拟调试技术是指把虚拟世界的产线模型与物理世界的真实控制设备进行连接，目的是对复杂生产系统进行功能测试。虚拟调试系统可以分为软件在环和硬件在环两类环境。一个典型的虚拟调试，需要规划好生产线的布局、设备资源，并验证布局、优化机器的动作流程，进行加工路径与工艺参数的工艺仿真分析，对机器人或机床设备编程验证，接入机电讯号并与电器行为同时调试验证，包括传感器、阀门、PLC程序和HMI软件等。

可视化技术是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。例如，在数据分析和统计领域，可通过柱状图、折线图、散点图等图表形式展现数据之间的关系和趋势；在科学与工程领域，通过动态3D可视化的呈现计算结果，帮助人们直观理解复杂物理和数学的特点与规律；在商业和金融领域，通过将市场趋势、产品销售、客户信息等数据可视化，帮助企业更好地理解和分析各种数据。目前正在飞速发展的AR/VR/MR技术也与可视化技术有交叉，是可视化显示方面的一项支撑技术。

除了上述技术，大数据、云计算、人工智能等技术也是数字孪生的关键使能技术。大数据有助于使用者快速处理数字孪生平台上的模型和数据，进而释放数据背后所隐藏的价值和信息；云计算有助于数字孪生平台的部署，从而实现计算资源便捷、按需、灵活使用；人工智能可从感知、认知、学习和适应等方面解决数字孪生平台应用时的数据采集、模型构建与迭代等挑战。

需要指出的是，这些关键使能技术是数字孪生成功应用的重要保障，反过来，数字孪生的成功应用，又促进了这些关键使能技术的进一步发展。