专题丨系统性构建城市一体化数字孪生底座的路径研究

系统性构建城市一体化数字孪生底座的路径研究

张育雄¹  范晓峰²  孟楠¹  姜约瀚¹

（1.中国信息通信研究院产业与规划研究所，北京 100191；

2.苏州工业园区大数据管理中心，苏州 215127）

摘要：我国智慧城市先后经历局部探索期、条线整合期，正全面进入集成发展期。统筹推进技术融合、业务融合、数据融合，提升跨层级、跨地域、跨系统、跨部门、跨业务的协同管理和服务水平，成为新时期城市全域数字化转型的重要目标。近年来，各地积极开展城市共性基础平台建设，已初步形成若干一体化能力平台，与此同时，基础平台的重复建设、推倒重来、利用不足、难以支撑多跨场景等问题也逐渐显露。从数据融合利用、能力高效复用、场景快速构建、底座长效迭代等视角出发，提出系统性构建城市数字孪生底座平台的总体思路，创新性提出数字孪生体、能力组件体系、开放服务体系、可持续运营体系等具体建设思路。

关键词：共性基础；数字孪生；全域数字化转型；数字孪生底座

0  引言

我国智慧城市建设已进入全域数字化转型发展新时期。回顾我国智慧城市发展历程，主要有三大阶段。第一阶段是局部探索期（2014年前）：全国各地开始实践推进无线城市、数字城市，建设各类独立的“点状”信息化系统，智慧城市处于以概念驱动自发探索、以试点驱动管理模式升级的阶段^[1]。第二阶段是条线整合期（2014—2020年左右）：国家发布《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》，建立多部委协同工作机制，明确城市向智能化升级的目标和方向，协同指导地方智慧城市建设，各部门依据管理职能提供“条线”数字化应用和服务。第三阶段是集成发展期（2020年至今）：全国各地探索推进跨部门、跨业务、跨系统的“面上”集成应用，以“互联网+”“一网统管”为手段，推动以服务为导向、以集成应用为重点的智慧场景建设；利用云计算、大数据等技术加快系统上云，促进数据共享，跨部门、跨业务的城市治理与服务效能在此阶段大幅增加。当前，智慧城市发展正在向数字技术全面赋能、数据要素加速贯通、适数化制度持续创新转变^[2]。

城市全域数字化转型呈现出新要求与新特征。2024年5月，国家发布《关于深化智慧城市发展 推进城市全域数字化转型的指导意见》，明确推进城市全域数字化转型要做好三“全”，以“全领域、全方位、全过程”系统阐述了新时期城市全域数字化转型的任务举措。一是强调系统性变革城市数字化建设，提出建立并完善城市数字化共性基础平台体系，打造涵盖城市数字经济、新型产城融合、城市精细精准治理、数字公共服务、绿色宜居环境、城市安全韧性等方面的跨领域综合系统，形成一批可感可知应用场景^[3]。二是重视数字基础设施与数据要素双轮驱动，统筹推进城市算力网建设、数据流通利用基础设施建设，构筑以数据为代表的新型生产要素赋能体系，充分发挥数据的基础资源和创新引擎作用，促进数据资源合规、高效地流通使用^[4]。三是创新数字时代的城市运行生态，因地制宜推行适应数字化发展的制度机制规范和运行流程体系改革，创新长效化运营模式和一体化运维体系，探索建立结果导向型运营预算和考核机制，推动区域间、城乡间以及国际数字化协同发展^[5]。

数字化共性基础是整体性、系统性、协同性推进城市全域数字化转型的基石和重中之重。数字化共性基础通过统一规划、架构和标准，为城市运行和治理构建一个开放兼容的智能中枢，不仅推进了城市设施互通互联、数据贯通和业务协同，还加强了算法、模型等数据资源的一体化部署和共享^[1]。数字孪生底座作为数字化共性基础的重要演进方向，将为城市数字化转型提供统一的时空框架，促进了城市信息模型（City Information Modeling，CIM）、时空大数据等基础平台功能整合、协同发展、应用赋能。同时，将有力推动虚实共生、仿真推演、迭代优化的数字孪生场景落地，全面提升城市治理效能，提高公共服务质量，进而支撑整体性、系统性、协同性推进城市全域数字化转型。

本文通过研究CIM平台、实景三维平台、物联感知平台、智能中枢平台、“一网统管”平台等城市数字化共性基础发展现状，分析当前共性基础存在的问题，提出系统性构建数字孪生底座平台的建设思路，以求破解问题，高质量支撑城市全域数字化转型。

1  城市数字化共性基础发展现状

经过多年智慧城市建设，全国各地坚持基础先行、集约建设、统建共用、统分结合等思路，加速推进城市一体化共性基础平台建设，已初步在物联感知一体化、视频资源一体化、算力调度一体化、城市三维模型一体化、数字资源一体化等领域建成共性基础平台，共性基础统筹建设取得显著成效。

1.1  城域物联感知平台实时呈现城市运行体征

城域物联感知平台能够实时接入各项感知监测数据，并通过智能分析反馈数据信息，使以往难以被发现的风险隐患变得“一目了然”，可为城市提供实时感知数据，以及物联感知、交互控制等技术能力。自工业和信息化部等部门联合发布《物联网新型基础设施建设三年行动计划（2021—2023年）》以来，北京、上海、广州、深圳等特大城市率先启动城域物联感知平台建设。截至2023年10月，我国已有超过100个地级市发布城市级物联网（Internet of Things，IoT）平台建设任务^[6]。各地城域物联感知平台在城市交通、能源、市政等领域逐步实现融合应用。

1.2  视频“一张网”平台助力实景孪生、智能发现

视频“一张网”平台通过整合不同部门的视频资源和服务，可为城市提供视频流数据，以及视频智能分析、实景孪生呈现等能力，并向各部门统一共享。在全国“雪亮工程”推动下，全国有45个示范城市（区）重点公共区域视频覆盖率达到96%，基本达到“全域覆盖、全网共享、全时可用、全程可控”的视频感知“一张网”^[7]。在城市视频资源统筹和算力显著增强下，视频资源实景孪生、人工智能（Artificial Intelligence，AI）分析场景不断深化扩展，逐步从安防领域延伸到民生服务、社会治理等领域。

1.3  CIM与实景三维打造城市三维数据底板

近年来，自然资源部、住房和城乡建设部加速推进实景三维和CIM平台建设。CIM平台的建设极大丰富和完善了城市规划、建设、管理的三维空间数据，支撑了工程建设项目审批、城市体检、城市更新等精细化城市建设治理工作。对全国的政府采购网公开项目进行统计，2018—2022年间，CIM平台相关招标量增长率超过200%^[6]。实景三维平台通过各种测绘手段，实现对现实世界的三维虚拟呈现，为城市提供精确的地形、建筑、桥梁等物理对象数据。

1.4  数据资源一体化平台提供统一“采存治算用”全能力

在全国一体化政务大数据体系建设推动下，各级城市纷纷打造数据资源一体化平台，加强数据的统一汇聚融合、共享利用和开放开发，促进数据有序高效流动。截至2024年7月，国务院所属53个部委局、31个省（自治区、直辖市）和新疆生产建设兵团均建成一体化数据资源平台；全国已有226个地方建立省级和地市级公共数据开放平台，开放有效数据集超34万个^[8]。数据资源一体化平台的统一归集、统一治理、统一服务等能力，为城市海量应用场景建设提供有力支撑。

1.5  城市运行和治理智能中枢推动“一网统管”全面实现

城市智能中枢被看作是城市的“大脑”，是城市汇聚各类海量信息，并经分析计算后，对城市运行治理与服务作出的综合性、全局性和系统性的指挥决策调度枢纽。近年来，智能中枢已逐渐成为智慧城市建设标配。据公开数据统计（统计周期为2016—2023年），从113个核心城市（包括直辖市、计划单列市、省会城市及2023年国内生产总值超3 000亿元的地级市）建设情况来看，约69%的城市建设了“城市大脑”或智能中枢。随着时间推移，约30%的城市更加注重智能化水平和跨业务协同调度，逐渐将“城市大脑”升级为城市智能中枢。

2  城市共性基础难以满足全域数字化转型新要求

在国家政策和行业数字化快速发展推进下，各地城市物联感知“一张网”、视频一体化、算力一体化、城市三维模型一体化、数据资源一体化等城市共性基础平台建设趋于完备，为城市数字化转型奠定了良好基础。但由于条线统筹力度低、技术路线差异性、运营缺失、数据融合不足等，城市共性基础平台建设仍存在重复建设、推倒重来、利用不足、多跨场景难建设、“一网统管”难实现等突出问题，难以满足城市全域数字化转型新要求。

2.1  功能聚焦、业务支撑范围小导致平台重复建设

由于早期智慧城市建设缺乏统筹机构，多部门聚焦自身业务发展需求，分头建设了共性基础平台，导致平台功能局限性大，且很多共性能力重复建设。如CIM平台主要集中在城市规划、建设、对象管理等应用领域，城市实景三维平台主要集中在地理信息服务、自然资源管理等应用领域，两个平台都需要统一时空框架、空间三维模型、实体对象、编码标识等共性能力，各部门分头主导推进势必带来“重复建设”。

2.2  技术路线差异、产品紧绑定导致平台推倒重来

城市数字化共性基础建设涉及诸多技术能力、软件引擎的综合集成，由于技术路线差异、企业产品与城市共性平台绑定等，很多城市的共性基础存在“推倒重来”“换建设方即换平台”现象，难以保证共性基础的迭代生长性、应用普遍支撑力。如数字孪生城市建设涉及诸多技术路线，各个技术引擎擅长能力不一样，各地形成了不同主导企业建设的“偏科”数字孪生平台，具体如图1所示。

图1   各技术引擎在数字孪生“四大”主要能力需求上的优势

2.3  统一运营缺失、资源底数不清导致平台利用不足

由于智慧城市建设体系比较复杂，各地形成“分散建设、各自运维”发展现状，城市感知设备、视频资源、能力组件、数据资源、应用系统、云网资源等分散在各部门，缺乏一体化统筹运营管理，数字资源底数不清，“僵尸应用”难以发现，数据要素“一次采集、多次利用”的天然优势难以发挥，存在一定程度的资源浪费现象。此外，虽然各地统筹建设感知“一张网”、视频“一张网”等一体化平台，但数据供给仍然以“流数据”形式服务，数据二次加工、智能分析等潜能还远未释放出来。

2.4  数据分散、就绪度不高导致平台难以支撑多跨场景

在各地持续多轮推动城市一体化大数据平台建设下，城市数据资源初步实现统一归集、统一治理、统一服务，但平台功能主要聚焦在结构化政务服务运行数据上，面向各类治理服务对象、跨部门“一网统管”业务场景等深层次应用需求的跨部门数据融合不够、数据流通不畅，面向城市复杂系统分析、仿真推演等高价值应用需求的数据丰富度、就绪度不足。

3  整合城市共性基础，系统性构建数字孪生底座平台

为有力支撑整体性、系统性、协同性城市全域数字化转型建设，破解城市共性平台重复建设、推倒重来、利用不足、对多跨场景难支撑等问题，本文提出“整合城市共性基础，系统性构建城市数字孪生底座平台”的发展思路。通过整合感知、视频、业务系统等形成的各类数据资源，组件化集成建模、仿真、交互、智能分析、算法等各种能力，数字孪生底座平台将成为一个要素齐全、有机统一、可迭代可生长、可拆解可组合的智慧城市复杂巨系统的共性能力体系。

3.1  城市数字孪生底座平台构建思路

如图2所示，城市数字孪生底座平台主要包含城市实体对象的孪生体、能力组件体系以及多跨业务场景支撑体系等内容。在数据资源方面，通过整理城市海量数据，以城市实体对象为核心，建立全面反映城市对象全维度状态的数字孪生体，关联挂接与其相关的各类属性。在能力平台方面，依托城市已建功能性平台，形成系列能力组件和多跨融合服务能力。在能力服务方面，面向不同用户的场景构建需求，以组件化、低代码、配置式支持应用场景建设，支撑条线业务流程优化、多跨融合与再造。此外，要配套形成底座平台的总体性设计、全过程管理、标准规范、生态化建设等运营机制，保障底座平台可持续运行、迭代生长。

图2   城市数字孪生底座平台构建思路

3.2  推动跨域数据融合，面向对象构建城市数字孪生体

数字孪生体被视为物理实体的数字化镜像，能够与物理实体进行实时双向互动，能自始至终地描绘和反映物理实体状态^[9]。数字孪生体打破原有分行业、分图层的数据组织方式，而是围绕实体对象的全生命周期进行数据跨域融合^[10]。在综合参考自然资源、市场监管、交通运输、公安等部门关于城市实体的分类基础上，业界初步将城市孪生体分为管理实体、自然实体、建筑物与人工构筑物、自然人、法人、运载工具、物品设备、其他8类^[6]，并明确标识、时空、几何、状态、能力、关系、专有属性、扩展属性为对象语义属性，全面呈现实体对象特征。数字孪生体构建完全依赖于实体对象现有数据基础，需系统梳理汇聚城市的基础时空数据库、公共专题数据库、实时感知数据库以及业务扩展数据库等，按照城市数字实体分类和统一标识编码体系，将同一实体的不同维度模型数据汇聚、融合在同一数字孪生体上，进而实现城市对象的软件定义和资产化管理^[11]。

3.3  推进能力解耦重组，形成持续迭代的能力组件体系

在传统应用开发模式中，整个应用程序（Application，APP）构建为一个单一的码库和执行单元，这意味着所有功能和组件都是紧密耦合在一起的，APP协同开发难、维护难、复用性差，需要构建引擎解耦、功能组件化模块化的开发环境。组件式软件开发模式是一种将软件系统分解为多个独立、可重用功能组件的开发方法，这种模式可显著提升开发效率和应对复杂需求的能力。数字孪生底座平台可按照组件化开发模式，将城市各个共性基础平台的能力，解耦重组为标准化的、独立的功能组件，既保证能力复用，又确保平台的可维护性、可扩展性、开发效率和灵活性。在具体构建过程中，充分复用已有CIM、实景三维、物联感知、视频“一张网”、智能中枢等平台能力，将现有地理信息系统（Geographic Information System， GIS）、建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）、可视化渲染、仿真、IoT等基础引擎，以及AI、仿真、大模型等能力，拆解为不同功能的独立组件，最终重组构建一个灵活、可扩展的功能组件库，为上层应用按需调用。

3.4  支持多类场景构建，提供全面开放的底座服务体系

面向不同用户多样化的场景构建需求，数字孪生底座平台以组件化、低代码、配置式提供数据和能力服务。面向政府场景需求，平台提供数字孪生低代码开发中心，支持数字孪生体资产的自由编排、数据自动导入、实体关系关联以及多跨场景业务挂接等低代码服务能力，支持开发者快速配置业务场景。面向社会企业场景建设需求和个人开发者需求，平台可对外开放脱敏的数字孪生体数据和能力组件应用程序编程接口（Application Programming Interface，API）服务，并配备开发者中心，提供Web开发、APP开发、各类API服务、文档参考、开发工具等功能，支撑企业应用场景的开发。反之，企业或个人开发者也可开发形成新的能力组件沉淀到底座平台上。

3.5  创新建设运营机制，建立底座可持续运行支撑体系

数字孪生底座平台具有参与主体多、专业性强、需求复杂多变等特征，面临“规划—设计—建设—运行”各环节脱节风险，亟需建立总体设计和全过程管理机制，明确底座标准规范，加强技术协同攻关和合作。一是推进数字孪生应用总体设计。遵循系统工程思想，按照“业务架构—应用架构—数据架构”设计流程，将应用场景按照数字孪生体、能力组件和业务流程进行梳理，实现从业务需求到场景实施的闭环设计。二是建设数字孪生体数据和通用能力标准。构建覆盖数字孪生体全生命周期管理的标准规范，研制数字孪生城市的共性能力框架、接口规范、集成方式等标准规范。三是形成生态共建的长效化迭代机制。探索新型政企多方合作伙伴机制，强化平台开放性和兼容性，形成多方参与、共优共创共享的生态体系，形成多元参与、供需对接、价值驱动的数字孪生长效运营机制。

4  结束语

城市全域数字化转型是一项长期的、艰巨的、复杂的系统工程，共性基础平台是整体性、系统性、协同性推进城市全域数字化转型的重要基础。系统性构建城市数字孪生底座平台将全面整合城市数据、能力等共性基础，形成一个跨域数据深度融合、技术能力要素全面、平台可扩展性强、有力支撑多跨场景建设的基础发展环境。

Research on the path of systematic construction of urban integrated digital twin base

ZHANG Yuxiong¹, FAN Xiaofeng², MENG Nan¹, JIANG Yuehan¹

（1. Industry and Planning Research Institute, China Academy of Information and Communications Technology,Beijing 100191, China；

2. Big Data Management Center of Suzhou Industrial Park, Suzhou 215127, China）

Abstract: The development of smart cities in China has undergone phases of localized exploration and sectoral integration, and is now fully entering the stage of integrated development. The new era’s critical goal for comprehensive urban digital transformation involves coordinating the integration of technology, business, and data to enhance collaborative management and service levels across multiple layers, regions, systems, departments, and business domains. In recent years, various regions have actively promoted the construction of city-wide foundational platforms, resulting in the preliminary formation of several integrated capability platforms. However, issues such as redundant construction, repeated overhauls, underutilization, and challenges in supporting complex cross-sectoral scenarios have gradually emerged. This paper proposes a systematic approach to building a foundational platform for urban digital twins from perspectives including data integration and utilization, efficient reuse of capabilities, rapid scenario construction, and sustainable iterative development. It introduces innovative concepts for constructing a digital twin entity, a capability component system, an open service system, and a sustainable operation system.

Keywords: common foundation; digital twin; comprehensive digital transformation; digital twin foundation

本文刊于《信息通信技术与政策》2024年 第9期

《信息通信技术与政策》投稿指南！

为进一步提高期刊信息化建设水平，为广大学者提供更优质的服务，我刊官方网站（http://ictp.caict.ac.cn）已正式投入运行，欢迎投稿！

   推荐阅读  

专题丨城市数字化转型总体架构和实践路径研究

导读：城市全域数字化转型

《信息通信技术与政策》2024年第50卷第9期目次及摘要

你“在看”我吗？