数字孪生视角下城市信息模型CIM与现代城市治理的几点思考

杜明芳

答：十九届中央委员会第四次全体会议着重研究了坚持和完善中国特色社会主义制度、推进国家治理体系和治理能力现代化的若干重大问题。如何从城市治理现代化的角度支撑国家治理体系和治理能力现代化已成为重要的历史命题。

习近平总书记2020年3月10日在赴湖北省武汉市考察疫情防控时表示，要着力完善城市治理体系和城乡基层治理体系，树立“全周期管理”意识，努力探索超大城市现代化治理新路子。习近平总书记也曾深刻指出，“治理”和“管理”一字之差，体现的是系统治理、依法治理、源头治理、综合施策，要实现从“管理”向“治理”转变，激发基层活力，提升社区能力。当前，就城市而言，已经进入从管理升华到治理的历史阶段，网格化精细管理模式将逐步向数字孪生强智能化自治模式演进。

治理是政府的治理工具，是指政府的行为方式，以及通过某些途径用以调节政府行为的机制。在治理的形态中，政府治理主要体现在制度供给、政策激励、外部约束。格里·斯托克指出:“治理的本质在于，它所偏重的统治机制并不依靠政府的权威和制裁。”治理发挥作用的方式：它所要创造的结构和秩序不能从外部强加，而是要依靠多种进行统治的以及互相发生影响的行为者的互动发挥作用。城市全周期管理是指从立项、规划、设计、施工、调试到运行、维护等环节的管理过程，关系到政府、市民、城市设计者、供应商、城市维护人员等利益相关者，每一步都要求做到坚持系统思维和治理思维。

如何从数字化、信息化角度为城市治理提供支撑已经成为时代的迫切需求。城市信息模型（CIM）为城市现代化治理提供了新方法、新途径、新工具。城市信息模型试图从城市建模的角度为城市提供更加科学严谨的表达，以“信息”为主线贯穿城市空间，使物理分散的城市在信息空间中实现逻辑集成，因此能够更好地优化城市、管理城市、治理城市。 

杜明芳

答：当前，对城市信息模型（City Information Modeling，CIM)比较普遍的一种理解是：以城市的数据为基础，建立起三维城市空间模型和城市信息的有机综合体。城市信息模型目前尚无统一的明确定义，CIM的内涵和外延目前仍处于探索期，业内较有代表性的解释为：一是CIM=GIS+BIM；二是CIM= BIM+GIS+物联网（IOT）；三是CIM= BIM+城市业务实体。本文作者认为，CIM= 以数字技术为治理引擎（简称数字引擎）的数字孪生城市之数字孪生体。其中，数字技术 = BIM+ GIS + IOT + AI + 5G + Block Chain + 卫星互联网 + ……。基于数字孪生的城市信息模型（CIM）概念图如图2-1所示。

图片来源：杜明芳

图2-1 基于数字孪生的城市信息模型（CIM）概念图

建立城市信息模型的目的是：使城市信息得到更加科学、严谨、统一、明确的表达，作为数字引擎驱动城市建设与发展。

数字孪生城市的目标是：构建“城市规划建设一张图，城市治理虚实一盘棋，城市服务情景一站式”的现代城市治理模式。

杜明芳

答：数字孪生城市的理论基础是数字孪生，而数字孪生又和数字工程、系统工程特别是基于模型的系统工程密切相关。美空军在2013年发布的《全球地平线》顶层科技规划文件中，将数字线索（Digital Thread）和数字孪生（Digital Twin）视为“改变游戏规则”的颠覆性机遇。西门子公司提出了“综合数字孪生体”的概念，其中包含数字孪生体产品、数字孪生体生产和数字孪生体运行的精准的连续映射递进关系，最终达成理想的高质量产品交付。

2018年7月5日，美国国防部正式对外发布“国防部数字工程战略”。数字工程战略旨在推进数字工程转型，将国防部以往线性、以文档为中心的采办流程转变为动态、以数字模型为中心的数字工程生态系统，完成以模型和数据为核心谋事做事的范式转移。

美国国防部正在通过数字孪生化为军队的数字化转型提供基础，满足美国国防部所强调的“速度”要求。其数字工程战略五大目标是：目标（一）：推进数字孪生化；目标（二）：确保数据单一来源；目标（三）：保证开放式创新；目标（四）：建设数字孪生基础设施；目标（五）：建立数字文化和团队。按照美国国防部推进的流程，以上五个目标是指引数字工程战略实施的主攻方向。

数字线索是数字孪生的核心技术。美空军认为，系统工程将在基于模型的基础上进一步经历数字线索变革。数字线索是基于模型的系统工程分析框架。数字线索的特点是“全部元素建模定义、全部数据采集分析、全部决策仿真评估”，能够量化并减少系统寿命周期中的各种不确定性，实现需求的自动跟踪、设计的快速迭代、生产的稳定控制和维护的实时管理。数字线索将变革传统产品和系统研制模式，实现产品和系统全生命周期管理。数字线索的应用，将大大提高基于模型系统工程的实施水平，实现“建造前运行”，颠覆传统“设计－制造－试验”模式，在数字空间中高效完成大部分分析试验，实现向“设计－虚拟综合－数字制造－物理制造”的新模式转变。基于数字线索和数字孪生可构建智能应用场景，典型的如：故障诊断、预测性维护等。

图3-1 故障诊断、预测性维护数字孪生应用场景

由于城市要素的多元化、多颗粒度现实，城市复杂系统工程具有多粒度特点，因此，需要构建多粒度数字孪生城市才能刻画出真实的智慧城市。从系统工程视角分析，数字孪生城市系统可以按粒度分为设备级、系统级、复杂系统级、复杂巨系统级四个系统层级，且自顶向下具有包含关系。各层级内部及层级之间又通过数据实现关联、迭代及优化，最终使系统处于最优平衡状态。

基于大数据和知识工程的多粒度城市治理需要一套能够指导实践的模型，本文提出一种数字孪生城市数据闭环生态模型，如图3-2。

图3-2 数字孪生城市数据闭环生态模型（数字孪生视角的城市信息模型）

基于闭环数据生态模型构建形成融智能业务体系和数据资源体系为一体的数据综合集成模型，可满足城市复杂多变的应用场景需求，同时具有抗突发事件的足够应急能力和持久韧性。数字孪生城市数据闭环生态模型，即数字孪生视角的城市信息模型（CIM）为一体化智慧城乡技术体系和治理体系构建提供了切实可行的方案。

数字孪生强调仿真、建模、分析和辅助决策，侧重的是物理世界对象在数据世界的重现、分析、决策，而可视化做的就是对物理世界的真实复现和决策支持。

基于海量数据信息，通过数据可视化建立一系列业务决策模型，能够实现对当前状态的评估、对过去发生问题的诊断，以及对未来趋势的预测，为业务决策提供全面、精准的决策依据。

杜明芳

答：数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、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，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体的全生命周期过程。将设备的数字孪生模型与生产设施、环境，以及人、业务和流程的数字表达结合起来，可实现对现实世界更加精确的数字表达，从而实现仿真、分析和控制。数字孪生的本质是基于数据线索的控制。

数字孪生七大要素是：物理空间、数字空间、数据、模型、控制、管理、服务。数字孪生及数字孪生-X系统（如：数字孪生城市、数字孪生工厂、数字孪生园区、……）七大组成部分如下：传感器、控制器、执行器、智能管理与决策平台、智能控制算法与模型、数据、系统集成。

数字孪生具有如下重要作用：提升生产能力，提升协作效率，带来成本的极大下降，提供通用智能基础设施。系统工程包括技术过程和管理过程两个层面，技术过程遵循分解-集成的系统论思路和渐进有序的开发步骤。管理过程包括技术管理过程和项目管理过程。

工程系统的研制，实质是建立工程系统模型的过程，在技术过程层面主要是系统模型的构建、分析、优化、验证工作，在管理过程层面，包括对系统建模工作的计划、组织、领导、控制。数字孪生为系统工程的管理和技术提供了数字化理论支撑，也提供了能够融管理和技术于一体的“容器”。在新一代智能基础设施的推动下，数字孪生将逐步应用到众多行业领域，并实现对各行各业的数字化提升改造。

数字孪生城市三要素是：数据、模型、服务。当空天地一体化网络、智能无人系统等技术充分发展起来以后，传统城市电子地图精度提升近百倍，实现高精度实时城市三维建模成为可能，数字城市孪生具备技术条件。各类业务平台系统数据、物联网终端数据、城市三维模型数据通过有序组合形成城市之数字孪生体，在城市数字孪生体中存在各类智能模型与算法，与城市业务融合后，可产生各类有价值的城市服务。数字孪生城市概念模型如图4-1所示。

图片来源：杜明芳

图4-1 数字孪生城市概念模型

数字孪生系统（DT城市）的典型特征是：（1）胖客户机/服务器架构；（2）边缘智能；（3）反馈控制。海量运算是数字孪生城市接入设备的普遍特征，接入设备通常具有强大的计算能力。DT不仅仅实现感知功能，还需要实现控制，其对设备计算能力的要求远远超过了物联网、传感网所要求的。

数字孪生注重的是感知、控制、泛在连接、管理、治理，目标是无人自主控制、协同自治。物联网注重的是连接与通信。所以，二者本质上有差异。数字孪生（DT）是开放的嵌入式系统加上网络和控制功能，其核心是3C融合、自主适应物理环境的变化，其中网络的功能主要是为了实现控制的目的，和一般意义上的网络有区别。物联网、传感网所擅长的是基于无线连接，主要实现的是感知，这对于DT来说太过简单， DT需要实现的是感控， DT不仅仅实现感知功能，还需要实现控制，其对设备计算能力的要求远远超过了物联网、传感网所要求的。

图4-2 数字孪生和物联网的比较

DT在继承IoT无处不在通信模式的基础上，更强调物体间的感知互动，强调物理世界与信息系统间的循环反馈，它将地理分布的异构嵌入式设备通过高速稳定的网络连接起来，实现信息交换、资源共享和协同控制。

杜明芳

答：智慧城市通过综合应用物联网、云计算、大数据、移动互联网、工业互联网、人工智能、区块链、量子计算、卫星导航等新一代信息技术，将政府、企业、个人汇集到城市系统中，通过城市应用系统的不断交互作用，促进城市各组成要素间的协同、改进城市功能、提高城市服务能力，形成更加智慧的整体。智慧城市的深度发展亟需建立城市智慧治理体系。结合当前技术现状和政策环境下，提出并以下几个相辅相成的概念。

数字生命体：以数字技术为系统骨架、神经中枢、智慧元细胞的数字基础设施，具有生命体的一般特征，符合生命体的一般规律。

城市数字生命体：对城市而言，城市数字生命体可等同于城市信息模型。

城市数字孪生体/城市信息模型：在城市空间内，以数据流纵横联通编织神经网络，以“人工智能+”城市业务领域全时空优化形成大规模并行计算神经元触点群，打造出的高度智能、协同、自治的数字生命体。城市信息模型是物理城市的虚拟镜像，它以数字基础设施融合体作为引擎驱动城市与经济社会发展，是城市智慧治理体系的智慧支撑。

数字孪生/城市信息模型操作系统：以数字生命体为操作、调度、管理、协作统一平台，服务于基础设施建设、产业发展、民生服务、政府管理等各领域的底层通用技术与管理系统，为城市智慧治理体系提供数字系统基座。

城市智慧治理体系：是城市支撑国家治理体系和治理能力现代化水平提高的实现载体，是一套在数字政府管理与决策平台统一指导下的多方协同共治体系。从{个人行为，政府行为，城市事件}不确定性关系三元组合体平衡的视角，建立一种可应用于实际工程的具有治理意图的城市智慧治理模型体系。

以14个基础“微循环体”（对应14个智慧治理子模型，可依据实际情况拓展）作为城市智慧治理模型体系的核心，各“微循环体”以模型方式封装设计，构成智慧治理模型矩阵。14个智慧治理子模型分别为：城市构件模型、元技术模型、元业务模型、数据智能模型、管控模型、决策模型、服务模型、资产模型、评价模型、组织模型、安全模型、标准模型、政策模型、风控模型。

城市智慧治理体系以满足城市发展需求为目标，以数据智能科学和城市科学为核心理论支撑，以多活大数据智能治理中心为主节点，以分散协同的中小治理中心为普通节点，以泛在智能物联网为传输神经系统，以人工智能、大数据、BIM、GIS、云计算、物联网等新型信息基础设施的超融合技术为智慧引擎，具有经济社会发展需求触发下的自组织、自协同、自学习、自演进本质特征。

图5-1 城市数字生命体与城市信息模型

图5-2 城市信息模型支撑模型化城市智慧治理体系

城市数字孪生体/城市信息模型的落地实施必须具备四个前提：海量多元的数据，智能的算法，强大的算力，足够大且安全的存储。目前，海量、多元、异构数据的规范化采集、分析、处理及在此之上的数据互联互通、共治共享仍存在困难。以城市为单位，每一秒钟产生的数据大到惊人，这对带宽要求非常大，而且在很多城市场景中对数据实时性、可靠性的要求非常苛刻。这就要求城市中亿万节点必须全面实现“智慧化”，每一节点都应具备自主智能计算、分析、处理能力，在此基础上形成一张分布式、自组织、自学习的智能网络，必须综合运用云计算、边缘计算、人工智能、物联网、数据仓库、数据湖等多种数字技术。

城市数字孪生体/城市信息模型的系统架构设计必须兼顾逻辑模型和技术模型，从业务管理视角和技术视角进行全方位的系统规划设计。从数据基础设施层面看，必须要健全基础数据库、业务数据库、知识库、算法库、元数据库、主数据库体系，必须构建内部、外部两套数据源体系，在此基础上融合形成可便捷交换共享的数据服务平台。以“数据->知识->服务->资产”的逻辑脉络构建城市数字孪生体/城市信息模型总体逻辑架构，以“物联感知->边缘控制与服务->网络传输->云控制与服务->数据资产运营管理”的技术脉络构建城市数字孪生体/城市信息模型总体技术架构。

杜明芳

答：一方面，开发构建数字技术体系，充分发挥数字新基建的支撑作用；另一方面，加强现代城市治理体系建设，城市信息模型与数字孪生城市同步推进。

数字技术体系建设方面包括以下重点：提升底层技术自主可控能力，打造海量数据智能敏捷互联城市；基于数字新基建构建城市信息模型CIM。现代治理体系建设方面包括以下重点：拥抱系统思维，打造数字孪生城市；构建人-机融合智慧治理体系；推进多元共治体系建设，构建更加公平化、公正化、法制化、民主化、文明化的社会环境。

图6-1 技术体系与治理体系并行推进融合发展

提出基于城市信息模型的城市现代化转型发展路径，实现逻辑为：

（1）构建城市信息模型CIM；

（2）建设城市信息模型驱动的智慧城市；

（3）基于CIM和智慧城市构建现代城市治理体系；

（4）在现代城市治理体系的推动下，逐步完成城市现代化转型发展。

在以上进程中，数字孪生城市将贯穿于智慧城市和现代城市治理体系之中，城市信息模型（CIM）、智慧城市、现代城市治理体系共同勾勒出基于模型的城市治理体系总体框架。

图6-2 基于模型的现代城市治理体系及城市现代化转型发展模式

基于数字孪生的城市信息模型及城市治理进一步发展建议如下：

（1）以数字孪生为理论和技术支撑构建超大城市及城市群现代治理体系，构建数字孪生城市理论体系，丰富中国现代城市治理理论体系；

（2）研发城市多数字技术融合引擎（CityDTEngine），并基于CityDTEngine和数字孪生城市构建城市信息模型（CIM）；

（3）面向城市超大规模物联感知场景需求，提出并研究多物联点感知、多触点控制、多业务领域协作、多城市系统协同的泛在并行协同计算理论、方法与技术；

（4）提出并研究超大规模城市数据治理方法与技术，提出分布式实时大数据智能处理新算法，从采集层到管控层构建贯穿城市群全领域的数据标准；

（5）提出并研究超大规模城市网络融合方法与技术，构建“一张网”下的高效便捷业务处理体系，制定感知层、边缘计算层等关键技术装置的先进网络通信标准。

结合新基建的新特点和新需求，提出以下发展建议：更新发展理念，推进治理模式改革；健全政策法规体系，推进新基建体系化建设；统筹存量和增量，统筹传统和新型基础设施；打造现代基础设施体系，推进绿色智慧城市建设。