研究报告2021中国数字孪生城市研究报告亿欧智库https://www.iyiou.com/researchCopyright reserved to EqualOcean Intelligence, December 2021 序言INTRODUCTION随着信息技术的飞速创新与发展，起源于航天、工业领域的数字孪生概念陆续在建筑、医疗、电力、能源等各行各业生根发芽。在城市管理方面，数字孪生城市通过对物理世界的人、物、事等所有要素数字化，建立一个一一映射、实时交互的数字城市，将城市全状态实时化和可视化，推动城市规划、管理、运营的协同化和智能化，大大提升城市决策的高效性和准确性。中国数字孪生城市的发展经过了概念培育期和技术方案架构期，已经于2020年进入建设初期。2020年4月发布的《关于推进“上云用数赋智行动培育发展实时方案”》中更是将数字孪生与大数据、人工智能、5G等并列，要求“引导各方参与提出数字孪生解决方案”，多个省/市陆续发布了建立数字孪生城市试点项目的政策行动方案。技术端5G、物联网、AI的发展，将全面推动数字孪生城市建设。在企业端，各方测绘、建模、互联网、科技、人工智能等企业积极响应国家号召，加速布局相关产业链。亿欧智库发布《2021中国数字孪生城市研究报告》，研究范围界定在城市管理中的综合应用，通过数字孪生城市提升城市规划、建设、运行、管理综合水平。报告首先梳理数字孪生城市概况，并对中国数字孪生城市发展现状进行梳理，包含政策端、技术端、产业端等方面。同时报告分析了中国数字孪生城市建设的遇到的挑战与壁垒，并提出建设方案作为解决建议，为未来数字孪生城市建设的发展趋势作出预测。 目录CONTENTS1数字孪生城市概况1.1数字孪生概念与发展1.2数字孪生城市概念1.3数字孪生城市运行机理1.4数字孪生城市建设意义2中国数字孪生城市发展现状2.1中国数字孪生城市发展历程2.2政策指导数字孪生城市建设2.3技术加速数字孪生城市建设2.4企业布局数字孪生城市建设2.5建设案例3数字孪生城市发展挑战及建议3.1中国数字孪生城市发展挑战3.2中国数字孪生城市发展建议3.3国外数字孪生城市案例分析 4数字孪生城市概况数字孪生这一概念起源于航空航天、工业领域，并 且随 着信息技术的发展，逐渐 落地 各行各业，数字孪生城市 也成 为了一个新的风口。数字 孪生 城市强调建立一个与物理城市实时交互的虚拟城市，精 准映 射物理城市运行情况，形 成虚 实交互格局，以提升、优 化城 市的综合治理规划水平。本章 节将从概念入手，分析数 字孪 生城市的特征、内涵、技 术架 构和运行机理，并重点探 讨数 字孪生城市与新型智慧城市之间的联系及建设意义。 51.1数字孪生概念起源和发展起源于航天、工业领域，由“孪生体”向“数字孪生体”发展“建立一个孪生体，用于管控实体的运行状态”这一理念最早起源于美国“阿波罗”计划，工程师们在地球上建立了与发射到太空上的飞行器一模一样的航天飞行器，用于反映其工作状态并帮助工作人员进行操控演示。随后，Grieves教授在美国密歇根大学的管理课程上提出可以建立虚拟孪生体来管控产品全生命周期，将该设想称为ConceptualIdealforPLM。2012年，NASA正式提出了“数字孪生”概念，并将其定义为充分利用物理模型、传感器、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，在虚拟信息空间中对物理实体进行镜像映射，反映物理实体行为、状态或活动的全生命周期过程的技术。1数字孪生城市概况2017年后数字孪生概念逐步丰富，核心是建立与物理实体实时映射的虚拟数字体NASA提出数字孪生概念后，被多家企业、研究机构广泛使用，并在使用范围、概念内涵上逐步拓展。数字孪生不仅限于基于物联网的动态模型软件，而是涵盖更多技术体系、延伸到更多更复杂领域，但其本质仍是建立与现实体一一映射，反映现实体状态的数字孪生体。1960-196920022011概念起源概念设想概念提出美国宇航局阿波罗计划中构建多个相同的航天飞行器，一个发射到太空，其余留在地球上，用于反应太空中飞行器工作状态和试验操作Grieves教授在美国密歇根大学的管理课程上，提出可以建立虚拟孪生体管控产品全生命周期，并称为Conceptual Ideal for PLMNASA在发布技术路线图中首次使用了Digital Twin (数字孪生)一词，将其描述成一种反映实体真实状态的综合载体亿欧智库：数字孪生概念起源于发展历程概念确立概念应用20122015NASA首次给出数字孪生定义，将其定义为仿真过程Rios给出了通用产品的数字孪生定义，将数字孪生理念由飞行器领域向工业领域拓展应用DeloitteGartnerAnsys是现实生活中物体、流程或系统的数字镜像。是在数字世界建立一个与真实世界系统的运行性能完全一致，且可实现实时仿真的仿真模型。是以数字化的形式对某一物理实体过去和目前的行为或流程的动态呈现，有助于提升企业绩效。数字孪生镜像模型实时、动态数字化2016概念拓展Gartner将其放进十大战略科技发展趋势，这一技术开始受到全球范围的广泛关注 61数字孪生城市概况“数字孪生”强调虚实交互，由PE、VE、Ss、DD、CN五维结构构成数字孪生技术综合利用感知、计算、建模等信息技术，建立与现实世界实时映射，虚实交互的虚拟世界。数字孪生需要具有五维结构：物理实体(PhysicalEntity)、虚拟实体(VirtualEntity)、服务(Services)、孪生数据(DTData)和连接(Connection)。•物理实体：物理实体是数字孪生的基础，通过在物理实体上部署传感器等基础设施，监测其环境数据和运行状态。•虚拟实体：物理实体的虚拟化数字镜像，通过几何、物理、行为、规则等多种模型相互加成以表现物理实体实时状态及变化。•服务：集成各类信息系统，为物理实体和虚拟模型提供智能计算、运行和管控服务。•孪生数据：是建立虚拟孪生体的核心，包括以上三维度所有信息数据，并随着物理实体的运行实时更新，推动整体数字孪生体系运转，也是数字孪生系统的核心驱动。•连接：将各维度之间彼此连接，进行有效的实时数据传输，实现一一映射。数字孪生逐渐落地各行各业，可以实现精准管控，降低运行成本，提升管理效率随着信息技术发展，数字孪生逐渐被应用于制造业、交通、医疗等多个领域。物联网、大数据等前沿技术的发展打破了数据孤岛，把物理世界的数据快速传递到数字孪生世界，帮助数字世界快速优化、意见反馈。数字孪生成为了数字化浪潮的必然结果和数字化的必经之路。数字孪生强调通过管理与现实世界一一映射、实时交互的虚拟世界来实现现实世界的高效运行。越复杂的系统越适合使用数字孪生技术进行管理，可通过虚拟孪生体快速高效反映物理实体实时状态，监测其运行情况，精准管控，节省成本；同时通过虚拟孪生体进行决策预演，模拟规划等，帮助决策顺利执行。物理实体虚拟模型服务孪生数据迭代交互优化实时动态连接亿欧智库：数字孪生五维结构来源：F TAO, et al. Digital twin driven prognostics and health management for complex equipment [J]. CIRP Annals-ManufTech, 2018 71.2数字孪生城市概念数字孪生城市应运而生越复杂的系统建立数字孪生体后管理效率提升越高，收益越大，而城市就是最为复杂而庞大的系统，随着城市规模的扩张和发展，城市运行之中会遇到交通堵塞、公共服务短缺、环境约束等一系列问题。建立一个与物理城市并行的孪生虚拟城市，将城市建设规划、管理运行等在虚拟世界进行仿生，会大大提升城市效率，减少资源损失。数字孪生城市应运而生。根据中国信通院的描述，数字孪生城市可以广泛理解为通过对物理世界的人、物、事等所有要素数字化，在网络空间再造一个与之对应的“虚拟世界”，形成物理维度的实体世界和信息维度上的数字世界同生共存、虚实交融的格局，实现城市全要素数字化和虚拟化、城市全状态实时化和可视化、城市管理决策协同化和智能化。本文研究的数字孪生城市指数字孪生技术在城市规划、建设、管理过程中的综合应用，而不细化到具体行业。通过建立能感知现实城市变化并进行智能管控的虚拟孪生城市模型，实时反映城市基础设施运行状态，提升城市运行综合水平和智能决策能力。1数字孪生城市概况亿欧智库：数字孪生城市范围➢电网设计仿真➢设备管理调控➢电厂运行优化电力行业工业制造城市交通建筑环境医疗服务➢工艺流程监测➢产品研发仿真试错➢能效管理优化➢建筑信息展示➢建设设计优化➢建材管理➢森林资源管理➢污水处理优化➢设备健康管理城市规划城市建设城市管理➢交通状态实时监测➢远程管控➢道路规划管理➢身体情况监测➢人体数据记录➢健康情况预测 城市基础信息城市空间信息基础设施状态道路交通情况自然环境感知•传感器•摄像头•智能终端•语音识别•视频解析81.3数字孪生城市运行机理数字孪生城市技术架构由三部分组成，融合多种信息技术体系，其中数字孪生城市模型平台是构建核心数字孪生城市技术体系复杂，几乎融合了现有所有信息通信技术手段。技术框架主要由三部分构成，基础设施端、信息中枢端和应用服务端，通过物理城市数据收集、传输、处理、数字城市可视化呈现，实现城市智能管理。构建核心是高精度、多耦合的数字孪生城市模型平台，该模型在城市信息模型CIM的基础上将智能感知的城市数据实时反映到3D城市模型上。基础设施端主要负责城市数据的收集与传输，通过BIM、GPS等技术收集城市基础空间和3D模型等静态数据；通过智能感知设备，包括传感器等，获取城市基础设施、道路交通、自然环境等动态信息。通过全通达、全接入的的移动互联网、局域无线网等泛在高速、多网协同城市智能网络进行数据即时传输。信息中枢端进行数据接收、处理、传导。全域全量的城市数据是数字孪生城市构建基础，需要建立数据管理平台，通过多层次数据融合框架将来源不同、类型不同的多源异构数据接收集成，并以数据流的方式传输到城市模型，即数字孪生城市模型平台。依靠高性能协同计算分析，以可视化方式呈现和表达城市状态，分析城市空间场景。应用服务端是数字孪生城市模型的实际应用。在数字孪生城市模型中建立智能操控体系，实现对智能市政设施、交通设施等设备的远程操控。通过计算机视觉、机器学习、知识图谱等人工智能技术整体认知城市状态，洞悉城市运行规律，制定最优决策。1数字孪生城市概况数字孪生城市基础设施端信息中枢端应用服务端•BIM•CAD•GIS•GPS•RS•激光扫描•移动测绘信息获取信息传输•NB-IoT•eMTC•4G、5G•LORA•ZigBee•SigFox•蓝牙数据管理平台数字孪生城市模型平台数据融合处理数据服务数据识别数据标识数据关联知识图谱•SOA、DOA组件•图形处理引擎多源模型数据采集三维建模数据呈现、综合渲染技术支撑普惠计算深度学习智能控制应用场景城市规划城市建设城市管理亿欧智库：数字孪生城市架构 9数字孪生城市运行以实时映射，虚实操控为重点数字孪生城市的构建融合运用多种复杂综合的技术体系，建立能感知物理城市运行状态、并实时的数字城市模型。利用城市及数据闭环赋能体系，在精准感知城市运行状态和实时分析的基础上，模拟科学决策，智能精准执行，利用数字城市反向操控物理城市。实现城市的模拟、监控、诊断和管理，降低城市复杂性和不确定性，提升优化城市规划、设计、建设、管理、服务等过程。数字孪生城市强调全域感知和实时交互，这也是其与传统城市3D模型不同之处。在精准感知、分析现实城市一段时间内的运行状态的基础上，依靠大数据算法、人工智能等技术手段制定符合城市情况的管理和决策分析。1数字孪生城市概况数字孪生城市从技术、功能、价值多角度优化城市综合管理数字孪生城市的建设可以多角度赋能城市综合管理。数字孪生融合了多种新型信息技术，以平台化的思想打破技术孤岛，赋予城市全域感知、信息交互、精准管控等功能，整体提升城市综合运行水平。数字世界：数字孪生城市物理世界：钢筋水泥城市➢全域感知➢镜像再现➢反