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数字孪生城市研究报告 （2019 年） 中国信息通信研究院 2019年10月 版权声明 本研究报告版权属于中国信息通信研究院及数字孪生 城市研究合作伙伴，并受法律保护。转载、摘编或利用其 它方式使用本研究报告文字或者观点的，应注明来源。违 反上述声明者，本院将追究其相关法律责任。 致谢 2018 年，中国信息通信研究院联合业内知名企业，围绕数字孪 生城市的概念、内涵和总体架构，进行研讨并发布了数字孪生城市 研究报告（2018 年）。进入 2019 年，面对各地数字孪生城市规划和 建设的迫切需求，中国信通院再次牵头组织业界，尤其是与城市三 维建模密切相关的创新型企业，聚*** 平台、关键技术和典型场景，开展深入研究，旨在融会贯通细化建 设方案，引领各地政府和相关产业，推进数字孪生城市落地实施。 本次报告编制过程中合作企业提供了大量素材并直接参与了部分章 节的撰写，在此致以衷心感谢。限于时间和能力，内容疏漏在所难 免，烦请各界不吝指正。 牵头单位：中国信息通信研究院 支持单位：泰瑞数创、51VR、***、中电海康集团研究院、 中科院地理科学与资源研究所、中科院生态环境研究中心、中科院 *_**、国家互联网应急中心、中国电信、中国移 动、中国联通、腾讯等 编写指导：何某某、胡某某、王某某、陈某某、徐某某 编写小组（排名不分先后）：高某某、陈某某、张某某、崔某某、 刘某某、夏某某、张某某、张东、黄某某、刘某某、石某某、陈某某、马 亮、刘某某、王某某、陈某某、王瑜、周某某、肖丽、熊某某、李某某、陈 婉玲、王某某、孙某某、李某某、刘某某、周某某等 前言 数字孪生城市理念自提出以来不断升温，已成为新型智慧城市 建设的热点，受到政府和产业界的高度关注和认同。当前，各地对 数字孪生城市规划和建设的需求非常强烈，但数字孪生城市究竟如 何某某，各方仍是感到非常困惑，技术方案和实施路径亟待规范和 明晰。本报告通过对数字孪生城市所涉及的关键技术以及技术之间 的集成关系、所包含的核心平台以及平台之间的协同性，以及体现 数字孪生特色的典型应用场景进行深入剖析，力图对数字孪生城市 的建设方案进行通用化提炼抽取，并对国内外相关产业和服务供给 进行梳理，从而为各地建设实施数字孪生城市提供帮助和引导。 从关键技术看，与传统智慧城市相比，数字孪生城市技术要素 更复杂，不仅覆盖新型测绘、地理信息、语义建模、模拟仿真、智 能控制、深度学习、协同计算、虚拟现实等多技术门类，而且对物 联网、人工智能、边缘计算等技术赋予新的要求，多技术集成创新 需求更加旺盛。其中，新型测绘技术可快速采集地理信息进行城市 建模，标识感知技术实现实时“读写”真实物理城市，协同计算技 术高效处理城市海量运行数据，全要素数字表达技术精准“描绘” 城市前世今生，模拟仿真技术助力在数字空间刻画和推演城市运行 态势，深度学习技术使得城市具备自我学习智慧生长能力。 从核心平台看，***必须的物 联网平台、大数据平台、共性技术赋能与应用支撑平台基础上，增 加了城市信息模型平台，该平台不仅具有城市时空大数据平台的基 本功能，更重要的是成为在数字空间刻画城市细节、呈现城市体征、 推演未来趋势的综合信息载体。此外，在数字孪生理念加持下，传 统的物联网平台、大数据平台和共性技术赋能与应用支撑平台的深 度和广度全面拓展，功能、数据量和实时性大大增强，如与数字孪 生相关的场景服务、仿真推演、深度学习等能力将着重体现。 从应用场景看，***视野、精准映射、模拟仿 真、虚实交互、智能干预等典型特性正加速推动城市治理和各行业 领域应用创新发展。尤其在城市治理领域，将形成若干全域视角的 超级应用，如城市规划的空间分析和效果仿真，城市建设项目的交 互设计与模拟施工，城市常态运行监测下的城市特征画像，依托城 市发展时空轨迹推演未来的演进趋势，洞察城市发展规律支撑政府 精准施策，城市交通流量和信号仿真使道路通行能力最大化，城市 应急方案的仿真演练使应急预案更贴近实战等。在公共服务领域， 数字孪生模拟仿真和三维交互式体验，将重新定义教育、医疗等服 务内涵和服务手段。同时，基于个体在数字空间的孪生体，城市将 开启个性化服务新时代。 从未来发展看，随着数字孪生城市建设持续深入和功能的不断 完善，未来生活场景将发生深刻改变，超级智能时代即将到来。同 时，技术加速集成创新***，促使产业重 新洗牌，新的独角兽可能出现。此外，技术的变革将倒逼管理模式 的变革，正如生产力进步引发生产关系的变化，数字孪生城市的建 设和运行，将推动现有城市治理结构和治理规则重塑调整。 目录 一、 数字孪生城市发展概况...............................1 （一）理念引领，各地纷纷提出建设数字孪生城市 ....................1 （二）产业响应，各类企业抢抓商机激活 ICT 产业链 ..................2 （三）资本助力，数字孪生城市板块崛起倍受市场关注 ................4 （四）场景先行，数字孪生部分应用先行先试初显成效 ................4 二、 ***平台 .....................8 （一）三横两纵总体架构 ..........................................8 （二）泛在感知与智能设施管理平台 ...............................11 （三）城市大数据平台 ...........................................13 （四）城市信息模型平台 .........................................16 （五）共性技术赋能与应用支撑平台 ...............................18 三、 数字孪生城市关键技术要素 .......................... 21 （一）新型测绘：快速采集地理信息 ...............................21 （二）标识感知：实时“读写”真实城市 ...........................27 （三）协同计算：高效处理海量数据 ...............................33 （四）全要素表达：精准“描绘”城市前世今生 .....................36 （五）模拟仿真：在数字世界推演城市运行态势 .....................44 （六）深度学习：推动城市自我学习智慧成长 .......................48 四、 数字孪生城市典型应用场景 .......................... 53 （一）城市规划仿真：形成全局最优决策 ...........................53 （二）城市建设管理：项目进度可视化管控 .........................55 （三）城市常态管理：“一盘棋”综合治理 .........................59 （四）交通信号仿真：最大化道路通行效能 .........................62 （五）应急演练仿真：应急预案更加贴近实战 .......................67 （六）公共安全防范：让“雪亮”更“明亮” .......................70 （七）公共服务升级：感同身受的体验 .............................72 五、 数字孪生城市未来发展展望 .......................... 74 （一）有望全面激活智慧城市产业 .................................74 （二）有望重塑城市治理结构和规则 ...............................75 （三）数字孪生城市的推进实施建议 ...............................76 一、 数字孪生城市发展概况 数字孪生城市理念自提出以来，在国内政产学研用各界引起广 泛关注，掀起研究和建设热潮。数字孪生城市已成为各地政府推进 智慧城市建设的主流模式选择，产业界也将其视为技术创新的风向 标、发展的新机遇，数字孪生应用已在部分领域率先展开。 （一）理念引领，各地纷纷提出建设数字孪生城市 XX区率先推进数字孪生城市建设。2018 年《XXXX 区规划纲要》中指出：坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建 设，打造具有深度学习能力、全球领先的数字城市。目前，XX区正 推进 BIM 管理平台（一期）建设，这是一个具有国家自主产权的数 字城市规建管智能审批平台，通过创新城市“规、建、管”的新型 标准体系、政策体系和流程体系，探索以数字城市的预建、预判、 预防来支撑现实城市高质量发展的模式，打造展现多维城市空间的 数字平台。平台将建立不同阶段的城市空间信息模型和循环迭代规 则，采取 GIS 和 BIM 融合的数字技术记录XX区成长的每一个瞬间， 结合 5G、物联网、人工智能等新型基础设施的建设，逐步建成一个 与实体城市完全镜像的虚拟世界。 全国各地抢抓先机，开展数字孪生城市规划和建设。数字孪生 城市为各地智慧城市建设提供了新思路、新模式，让城市治理者看 到城市现代化治理体系以及高质量发展的曙光，让城市居民憧憬随 需而动、无处不在的智能化服务。2019 年 5 月，在第二届数字中国 建设峰会数字经济分论坛上，XX副市长徐某某发表了“数字孪生城 市的XX探索”主题演讲。在实践上，XX提出从花果园超大型社 区治理、数博大道等小型城市生态系统入手打造数字孪生城市。南 1 京XXXX区着力推动城市发展向智能化高级形态迈进，提出力争到 2025 年率先建成“全国数字孪生第一城”。XX省发布未来社区建 设试点实施方案，制定“未来社区”九大场景，提出构建现实和数 字孪生社区要求。XX市、XX区、XX市、长三角一体化示范 区等地纷纷采用数字孪生城市的建设理念和模式，先后制定智慧城 市顶层设计和规划，以数字孪生城市为导向推进智慧城市建设。 （二）产业响应，各类企业抢抓商机激活 ICT 产业链 数字孪生城市正在激活庞大的信息技术产业链。数字孪生城市 自提出以来，吸引产业界广泛关注，成为技术创和.新业务拓展的重 要方向。多地学术机构开展关于“数字孪生”的专题研讨，探索数 字孪生技术对于城市治理、工业制造等领域的应用和价值。以 BIM、 CIM(City Information Model)、VR/AR、AI 等先进技术为主攻方向 的***发力“数字孪生”方案研发，并已应用到多个行业。数 字孪生城市涉及技术门类较多，诸如新型测绘、地理信息、物联感 知、三维建模、图像渲染、虚拟现实、仿真推演、深度学习、智能 控制等，几乎涉及信息产业所有链条，无论是传统的智慧城市龙头 企业，还是新入局的创新型中小企业，对数字孪生城市均给予了高 度重视，各类企业依托自身优势加紧布局，抢占市场先机，同时推 动技术方案不断完善。 传统智慧城市厂商顺势而为推出数字孪生城市解决方案。科大 讯飞打造数字孪生城市的“城市超脑”，基于互联网、物联网等基 础设施，汇聚城市时间与空间数据，运用人工智能算法，挖掘城市 发展与运行轨迹，进行即时分析和仿真建模，促进物理城市公共资 源最优化。软通动力与华为合作，发布支持数字孪生城市的 aPaaS 平台，为多个场景提供 API 服务，涵盖交通、环保、安全等各种领 2 域。阿里巴巴联合千方科技、银江股份、浙大中控、数源科技、海 康某某等众企业，基于阿里云平台，共同打造数字孪生城市大脑， 提升XX市交通系统和城管系统的智能化水平。紫光云集成数字孪 生底座，推出“1+4+N”智慧城市应用体系，重点打造安全生产“大 数据”分析预测能力和“物联网”动态感知能力，有效防范和遏制 重特大事故发生。 空间信息产业纷纷入局，成***坚力量。数 字孪生和空间信息产业密切相关，需要空间信息采集、建模、开发、 服务、应用全产业链的深度参与，同时空间信息产业通过数字孪生 在智慧城市中找到了新的支点，多年的技术积累在巨大的市场空间 得以释放活力，并造就独特的竞争优势。国内 GIS 领头企业超图公 司在新推出的新一代三维 GIS 技术体系中，全方位支持倾斜摄影建 模、激光点云、BIM 等多源异构的三维模型数据，并推出国内首个 三维空间数据规范标准 Spatial 3D Model（S3M），该标准融合了 倾斜摄影模型、BIM、精模、激光点云、矢量、地下管线、地形、动 态水面、三维栅格等多源数据，突破了大规模三维数据传输和解析 的技术瓶颈，进一步促进了数字孪生的广泛应用。泰瑞数创提供了 涵盖高端航测传感器、数据采集、处理服务到应用开发的数字孪生 城市建模全产业链服务，还发布实景世界云平台 SmartEarth，利用 结构化语义模型整合了 BIM／CAD 和地理测绘等技术，高效自动地构 建城市信息模型，已经成功应用于智慧城市、智慧工业和自动驾驶 等领域。51VR 公司运用 GIS、高程、无人机斜拍点云、卫星图、街 景某某等技术和数据，能够快速自动化构建大规模数字孪生城市模型， 复原城市的每个细节，并进行大场景动态实时渲染，在数据可视化 和场景可视化基础上，实现城市运营管理的可视化和精细化。 3 （三）资本助力，数字孪生城市板块崛起倍受市场关注 智慧城市相关投资持续保持高速稳定增长。IDC 预计，中国智 慧城市技术相关投资在 2016-2021 年间将保持年复合增长率 19.3% 的稳定增长。根据 IDC《全球半年度智慧城市支出指南》发布的数 据，2018 年中国智慧城市技术相关投资达到 208 亿美元，相比 2017 年的 173 亿美元增长了 20.2%，成为全球第二大的智慧城市技术相 关支出市场（仅次于美国）。数字孪生城市的提出，无疑为新型智 慧城市建设注入了新的活力，不仅带动相关产业的技术研发投入， 而且促进地方政府加大对智慧城市的建设投资。 数字孪生相关企业获得资本青睐，斩获融资。2017 年 5 月，英 国虚拟仿真*** Improbable 完成了 5.02 亿美元的 B 轮融资， 由软银国际领投，公司估值突破 10 亿美金。该公司基于 Google 的 计算平台“SpatialOS 平台”，构建了一个基于蜂窝云服务的“超 级虚拟世界”。2019 年以来，我国以数字孪生为概念的多只股票出 现涨停，数字孪生城市的价值被资本市场初步认同。看好数字孪生 创新发展前景，资本巨头积极投资数字孪生相关企业，如阿里巴巴 入股银江股份，***获得中国人寿与光大银行的定向增发融资。 51VR 完成 B 轮 2.1 亿元融资，泰瑞数创获得启迪金控和中信建投等 机构过亿元投资。 （四）场景先行，数字孪生部分应用先行先试初显成效 数字孪生技术重新定义智慧园区。据预测，到 2022 年，85％的 物联网平台将使用数字孪生技术进行监控，产业园区有望率先利用 数字孪生技术，重塑园区管理与服务模式。在华为和 51VR 联合研发 数字孪生的XX坂田园区及XXXX湖园区，通过实时接入园区 IOT 设备、资产、能源、设施及环境等信息，建立基于园区实时运 4 行状况的数字孪生场景，实现园区运营的可视分析、园区业务的闭 环联动、园区决策的仿真模拟以及园区数据的全量集成，开创新一 代园区的立体多维管理新模式。华为在XX经济技术开发区，利用 GIS 空间信息平台，构建虚拟城市数字资源体系，一方面支撑 IOC 运营，同时为各个政务部门提供全空间的地理信息服务。 5 图 1 数字孪生智慧园区 大型工业生产制造数字孪生风行。通过数字孪生模型与仿真技 术，对高成本高复杂性大型设备产品进行设计、生产、装配全流程 的数字化，并借助传感器实时数据与运行数据，实现对设备产品的 远程监控和预测性维护，已成为大型工业制造企业的共识。西门子 建立了贯穿于产品生命周期各环节间的数据模型，仿真模拟一些工 厂的实际操作空间；通用电气与 ANSYS 公司借助数字孪生概念，提 出物理机械和分析技术融合的实现途径，让每个引擎，每个涡轮， 6 每台核磁共振都拥有一个数字化的“双胞胎”；德国*** SAP 利用数字孪生概念，在产品试验阶段采集设备的运行状况，通过分 析后得出产品的实际性能，再与需求设计的目标比较，从而形成产 品研发的闭环体系。波音 737 MAX8 不到半年发生两次重大事故，而 数字孪生技术可用于航空飞机的维护与保障。美国空军已经和波音 合作构建了机体数字孪生模型。***在最新的 NMA 项目上，已 经率先使用数字孪生技术进行研发。泰瑞数创在能源电力行业，利 用数字孪生技术建立了电厂规划设计和运营服务的一体化系统，目 前已经在国家能源集团和中石油等企业投入使用。 数字孪生提升智能驾驶试验精度。通过搭建真实世界 1:1 数字 孪生场景，还原物理世界运行规律，满足智能驾驶场景下人工智能 算法的训练需求，大幅提升训练效率和安全度。如通过采集激光点 云数据，建立高精度地图，构建自动驾驶数字孪生模型，完成厘米 级道路还原，同时对道路数据进行结构化处理，变现为机器可理解 的信息，通过生成大量实际交通事故案例，训练自动驾驶算法处理 突发场景的能力，最终实现高精度自动驾驶的算法测试和检测验证。 数字孪生在医疗领域获得突破性进展。数字孪生给予健康医疗 新的视角和手段，通过对身体器官、血液循环、神经系统、肌体骨 骼、心率脉搏等进行“镜象映射”，建立人体的数字孪生体，进而 通过人体标准数据库，记录人体每个细节特征，进行人体健康的实 时动态管理。通过引进小型化的穿戴式设备，实时对人体进行数据 收集。孪生数据还可来源于 CT、核磁、心电图、彩超等医疗检测和 扫描仪器检测的数据，血常规、尿检、生物酶等生化数据，医疗机 构基于人体数字孪生综合数据，可对患者提供健康状况预测与及时 7 干预，同时人体的数字孪生还将大大提高诊断的准确性和手术的成 功率。 数字孪生为智慧校园经济管理赋能。数字孪生将学校物理空间 与数字空间有机衔接，全面感知校园物理环境，建立智能舒适的生 活与教育环境，实现二维三维一体、虚实一体的校园精细化管理。 我国多所大学已建立三维数字校园信息系统，在地上地下一体化、 室内室外一体化的全三维校园空间信息中整合地下管理、能源、安 全等多种传感器信息，实现对校园后勤资源、教学教育设施、能源 管控、校园安全等多种管理功能。 二、 ***平台 （一）三横两纵总体架构 本质上，数字孪生城市是面向新型智慧城市的一套复杂技术和 应用体系，多门类技术的集成、多源数据的整合和各类平台功能的 打通是数字孪生城市成功的关键要素。 因此，数字孪生城市并没***，由 新型基础设施、智能运行中枢、智慧应用体系三大横向层，以及城 市安全防线和标准规范两大纵向层构成。 区别在于延展与增强。技术体系内涵延展，新增强化了新型测 绘、标识感知、三维建模、仿真模拟等技术 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 三维、从平面 到立体、从静态到动态的升级，如虎添翼、事半功倍，大大提升管 理能力，使管理更加可视化、精细化、智能化。可以预见的是，越 来越多的管理系统将与三维信息模型进行嫁接，实现管理能力的快 速升级。 从局部走向全域、从粗粝走向细腻，从映射走向操控。受管理 难度和技术成本影响，数字孪生将从社区、园区、校园、XX等小 范围的封闭区域开始，逐步向城市全域、城乡一体化以及陆海空天 一体化的孪生大世界过渡。此外，数字孪生程度不断深化，实景三 维模型的精密度将由满足普通的城市管理向满足人工智能算法训练 的高精度演进，实时渲染的效果也更加真实，比如 24 小时昼夜变换， 夜晚、清晨/黄昏、白天的效果，天空光的颜色和强度，天气变化和 自动光照变化的效果将逼真呈现，达到仿真的“镜像”效果。当前， 77 数字孪生城市建设重点还聚焦于对物理城市的精准映射，未来建设 重心将向对物理城市的智能操控转变。 78 中国信息通信研究院 地址：*_**花园北路 52 号 邮政编码：100191 联系电话：010-*** 传真：010-*** 网址：www.caict.ac.cn [文章尾部最后500字内容到此结束,中间部分内容请查看底下的图片预览]请点击下方选择您需要的文档下载。

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