前言：城市数字孪生基本概念
当前，城市数字孪生已经发展成为支撑智慧城市的重要技术手段。城市数字孪生通过在数字空间对城市物理空间和社会空间进行全要素表达、全过程呈现、全周期可溯，实现城市全面感知、虚实交互、智能决策、精准控制，推动城市智能化、智慧化发展。
一、城市数字孪生概述
1、城市数字孪生内涵及概念模型
城市数字孪生是利用数字孪生技术，以数字化方式创建城市物理实体的虚拟映射，借助历史数据、实时数据、空间数据以及算法模型等，仿真、预测、交互、控制城市物理实体全生命周期过程的技术手段，可以实现城市物理空间和社会空间中物理实体对象以及关系、活动等在数字空间的多维映射和连接。
2、城市数字孪生典型特征
（1）全面感知
城市数字孪生以全面感知为前提。城市是一个复杂巨系统，时刻处于发展变化中，必须时刻掌握物理城市的全局发展与精细变化，实现孪生环境下的数字城市与物理城市同步运行。城市数字孪生通过布设覆盖城市范围的多种类型传感器，建立全域全时段的物联感知体系，对城市运行状态进行多维度、多层次精准监测，全面获取影像、视频、各类运行监测指标等海量城市数据，实现对城市环境、设备 / 设施运行、人员流动、交通运输、事件进展等的全方位感知，实时获取城市全域全量运行数据，为城市数字孪生提供数据基础。
（2）精准映射 映射是构建数字世界并建立数字世界与物理世界紧密关系的过程。各类信息要素的精准匹配与精准表达是实现物理城市向数字城市映射的关键。城市数字孪生的实现场景下，物理城市与数字城市是一一对应、紧密融合、双向互动的关系。通过物联感知、数字化标识、多维建模等技术，数字空间实现全域模型精准建立、全量数据精准标识、全盘孪生精准运行，保障孪生环境下的仿真推演具有可信性和参考性，从而指导物理世界运行管理决策。
（3）智能推演
智能推演是城市数字孪生具备智慧能力的体现，是实现对物理城市进行科学预测、指导与优化的关键。可以依据物理城市的真实运行数据，构建不同场景下的推演模型，进而模拟和分析物理城市的运行状态和发展趋势，推演预测物理城市的发展态势与运行结果，并提出优化建议，辅助城市日常管理、应急指挥和科学决策。随着城市数字孪生数据的日渐积累，使其可以通过数据去发现城市更多场景下的运行规律，从而能够更多样、更精准的建立推演模型，使城市管理者可以更好的掌握城市运行趋势和可能发生的事件，真正实现数据驱动的城市智能化分析和运行。
（4）动态可视
动态可视是指通过将感知的多源数据进行数字化建模和可视化渲染，城市数字孪生提供了全要素、全范围、全精度真实的渲染效果，实现全空间信息和城市实时运行态势的动态展示。一方面，城市数字孪生既可以展现宏大开阔的城市全貌场景，也可以展现诸如地下管线、室内设施等城市微场景，提供全粒度、多尺度的多维展现能力。另一方面，城市数字孪生可视化具有突出的动态性特点，可将城市实时运行体征，如交通运行、城市环境、监控视频等城市实时信息与空间模型紧密融合，实时动态展示可视化对象的状态变化，精准反映物理城市的真实状态和运行情况，使数字城市更加鲜活。
（5）虚实互动
虚实互动是指物理空间与数字空间的互操作和双向互动，借助物联网、图形 / 图像、AR/VR、人机交互等领域技术的协同和融合，实现城市级虚实空间融合、控制与反馈等能力。虚实互动的过程是指通过对物理世界的数据实时采集、接入并映射到数字世界，实现对物理世界的仿真和模拟，在数字空间中进行大数据量的计算、预测和演练，提出城市规划、城市建设、城市治理等的科学决策建议，相关决策建议可以指导或直接反作用于物理世界，在物理世界执行完成后，相应的执行结果再映射到数字世界，并进行信息及时更新，实现物理空间与数字空间的双向闭环互动。
（6）协同演进
协同演进是城市数字孪生具有高阶智慧能力的体现。城市数字孪生过程中，物理城市与数字城市在城市运行、数据、技术、机制等方面存在长期协同关系，长期相互反馈、相互影响。协同演进是以物理空间和社会空间为主体，数字空间进行推演，并反馈进化结果，使物理空间和社会空间协同推进的过程。协同演进不仅是“协同”的，更是“演进”的，是“物理城市与数字城市在各种因素的相互作用下的演进关系”，这种演进关系最终推动物理城市与数字城市共同发展进步。
3、城市数字孪生相关方
4、城市数字孪生技术参考架构
为实现城市数字孪生，首先需对物理空间以及社会空间中的物理实体对象、事件对象以及关系对象进行数字空间的虚拟表达以及映射。在此基础上，依托信息基础设施实现数据的汇聚、传输以及处理，形成数据资源，在通用服务能力的支撑下进一步融合数字孪生技术，形成能够对外提供的数字孪生服务，并通过交互服务实现与上层应用场景的融合。同时，需提供立体化安全管理以及全生命周期的运营管理，保障数字空间各类资产以及服务的安全高效运行。
5、城市数字孪生关键技术
城市数字孪生丰富的内涵和特征决定了它的实现具有高度复杂性，涉及一系列复杂技术。其中，感知互联、实体映射、多维建模、时空计算、仿真推演、可视化、虚实交互七个方面的相关技术构成了城市数字孪生关键技术体系。此外，城市数字孪生也离不开基础网络、5G、大数据、人工智能、云计算、区块链等相关技术的支撑。
二、智慧城市数字孪生发展现状
1、政策引导现状
近年来，我国高度重视城市数字孪生发展，在国家层面出台了一系列指导文件。2018 年 4 月，中共中央国务院关于对《河北雄安新区规划纲要》的批复中指出“坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设，适度超前布局智能基础设施，打造全球领先的数字城市”。
2020 年 4 月，国家发展改革委、中央网信办发布《关于推进“上云用数赋智”行动培育新经济发展实施方案》，提出“支持在具备条件的行业领域和企业范围探索大数据、人工智能、云计算、数字孪生、5G、物联网和区块链等新一代数字技术应用和集成创新”“开展数字孪生创新计划。鼓励研究机构、产业联盟举办形式多样的创新活动，围绕解决企业数字化转型所面临数字基础设施、通用软件和应用场景等难题，聚焦数字孪生体专业化分工中的难点和痛点，引导各方参与提出数字孪生的解决方案”。
2020 年 5 月，国家发展改革委联合有关部门、国家数字经济创新发展试验区、媒体单位、互联网平台、行业龙头企业、金融机构、科研院所、行业协会等 145 家单位发布了《数字化转型伙伴行动倡议》，指出“探索大数据、人工智能、数字孪生、5G、工业互联网、物联网和区块链等数字技术应用和集成创新，形成更多有创新性的共性技术解决方案及标准”。
2021 年 5 月，国家住建部印发的《城市市政基础设施普查和综合管理信息平台建设工作指导手册》（建办城函〔2021〕208 号）指出“依托城市信息模型（CIM）基础平台，建立可感知、实时动态、虚实交互的城市地下基础设施数字孪生融合应用”。
2021 年 7 月，国家工信部等十部门印发的《5G 应用“扬帆”行动计划 (2021-2023年 )》（工信部联通信〔2021〕77 号）指出“加快智慧表计等产品在市政管理、环境监测等领域部署，探索构建数字孪生城市，提高城市感知能力”。
2021 年 8 月，自然资源部印发《实景三维中国建设技术大纲 (2021 版 )》（自然资办发〔2021〕56 号），指出“调动各级自然资源主管部门和社会力量，构建‘分布存储、逻辑集中、时序更新、共享应用’的实景三维中国，为数字中国建设提供统一的空间基底”。
2021 年 9 月，国家工信部、住建部发布《物联网新型基础设施建设三年行动计划》，提出“到 2023 年底，在国内主要城市初步建成物联网新型基础设施”“加快边缘计算、数字孪生、IPv6 等技术研发与应用”。
2021 年 12 月，国家标准委、网信办、科技部、工信部等十部门联合印发《“十四五”推动高质量发展的国家标准体系建设规划》。该规划中明确指出“围绕智慧城市分级分类建设、基础设施智能化改造、城市数字资源利用、城市数据大脑、人工智能创新应用、城市数字孪生等方面完善标准体系建设”。
2021 年 12 月，中央网络安全和信息化委员会印发《“十四五”国家信息化规划》，提出“稳步推进城市数据资源体系和数据大脑建设，打造互联、开放、赋能的智慧中枢，完善城市信息模型平台和运行管理服务平台，探索建设数字孪生城市”。
2022 年 1 月，水利部印发了《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》以及《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》，明确了“建设数字孪生流域，包括建设数字孪生平台、完善信息基础设施” 推进智慧水利建设的主要任务。
2、智慧城市数字孪生产业生态现状
3、智慧城市数字孪生总体发展趋势
随着各地城市数字孪生探索与落地，智慧城市建设也将进入新的发展阶段。未来，关于城市数字孪生的技术创新、产业发展、标准规范等将迎来快速发展期，呈现物理城市和数字城市并行共生的新发展格局。
（1）城市数字孪生将成为智慧城市建设技术底座
城市数字孪生将成为智慧城市发展新阶段的核心底座，为城市构建虚实共生的数字基础设施能力。当下，城市数字孪生已经从概念培育期加速走向建设实施期，随着物联感知、BIM 和 CIM 建模、可视化呈现等技术加速应用和融合，万物互联、虚实映射、实时交互的城市数字孪生将成为赋能城市实现数字化转型、提升长期竞争力的核心抓手。多地出台指导政策，如北京市发布的《北京市“十四五”时期智慧城市发展行动纲要》提出“加强市大数据平台汇聚、共享、开放等服务能力建设。积极探索建设虚实交互的城市数字孪生底座”。上海市发布的《全面推进城市数字化转型“十四五”规划》提出“加快推动城市形态向数字孪生演进，逐步实现城市可视化、可验证、可诊断、可预测、可学习、可决策、可交互的‘七可’能力，构筑城市数字化转型‘新底座’”。
（2）城市数字孪生将在智慧城市中迎来深度应用
自 2017 年来，城市数字孪生相关产业快速发展，市场规模不断扩大，以城市大脑、城运中心、城市信息模型、城市数字孪生运营管理为主的相关领域市场迅速升温。据数据统计，2021 年城市数字孪生相关公开招投标数量已达 200 多个，金额近百亿，较上年有了大幅增长。随着建设工作的不断进行，城市数字孪生作为政府数字化转型的新型基础设施和城市运营赋能平台。以各类时空基础数据、三维模型数据、业务系统数据、IOT 传感器数据为基础，结合云渲染、API 场景调用中间件、数据中台等服务，通过数据全域标识、状态精准感知、数据实时分析、模型科学决策、智能精准执行，实现城市的模拟、监控、诊断、预测和控制，解决城市规划、设计、建设、管理、服务闭环过程中的复杂性和不确定性问题，全面提高城市物质资源、智力资源、信息资源配置效率和运转状态，实现数字孪生城市的内生发展动力。
未来更多的信息管理系统将会与三维信息模型进行信息嫁接，实现从平面到立体，从二维到三维，从静态到动态的升级，同时随着城市数字孪生技术的不断发展，实景三维的准确度也将从满足基本的城市管理到训练人工智能算法这种更高精度的过程演进，实现城市从精准映射到智能操控的升级演变，深入城市治理的方方面面，实现城市治理的快速升级。
（3）城市数字孪生将形成跨行业协作生态共融
围绕城市数字孪生建设，跨行业协作生态共融已成为必然趋势。城市数字孪生的建设是以城市为数字孪生主体，是一个涉及多尺度空间、多领域、跨部门的复杂系统工程。早期智慧城市建设中，各个委办局的信息化系统都局限在组织内部，呈现纵向形式，跨部门的应用难以进行复用和互通。而随着数字化转型的不断开展，城市数据源多点开花，来自于企事业单位的数据逐渐成为城市管理的重要组成部分，新需求的不断刺激也带来了智慧城市行业的高速发展，数据治理水平不断提高。
数据融合、技术融合和业务融合推动城市数字孪生产业链上下游的多元主体在竞争中发展出共生关系，生态共融正成为行业共识。城市数字孪生以推进城市精细化治理为总体目标，融合社会各方的制度力量、技术力量、人才力量，通过政府、企业、社会合作共同构建数字孪生产业联盟，打造集约化平台，形成可复制的智慧城市一体化解决方案 , 培育数字孪生生态圈。一般而言，政府搭建开放合作平台，各大 ICT 企业及互联网巨头主导生态建设，空间信息、BIM 模型、模拟仿真、人工智能等各环节技术服务企业积极参与，同时，运营商、技术提供商、集成商、设备供应商等产业链上下游企业及其他行业伙伴全面激活，联合打造数字孪生城市场景应用，初步形成共建数字孪生城市底座与开放能力平台的生态化发展模式，用技术进步带动科技产业发展，推动整个社会参与数字孪生下的城市治理，服务数字经济发展。
4、面临的问题与挑战
城市数字孪生从概念培育逐步走向建设实施，各项支撑技术日渐成熟，但仍面临着供应链安全性不足、数据支撑不足、应用深度不足、产业联动不足和标准支撑不足等问题与挑战。
三、城市数字孪生标准化现状
城市数字孪生相关的国际国内标准化均处于起步阶段，尚缺乏系统的标准体系规划，标准缺失问题突出。但值得注意的是，城市数字孪生主要的国际国内标准化工作平台作用已逐步凸显。
1、国际标准化现状
自 2015 年开始，数字孪生技术已开始得到了 ISO、IEC、ITU-T、IEEE 等国际、国外标准化组织的关注，各组织力求从各自的领域和层面出发探索相关标准化工作。截至目前，智慧城市、能源、建筑等领域的数字孪生国际标准化工作已进入探索阶段。
2021 年，ISO/IEC JTC 1/WG 11（智慧城市工作组）成立了城市数字孪生及操作系统专题研究组。该研究组专门研究讨论数字孪生技术在智慧城市中的应用场景、预研分析和技术方案并计划发布相关标准化成果物。后续，该组织将基于国内及国外专家在城市数字孪生参考架构、案例分析等方面的成果，推动开展相关国际标准研制工作。
2020 年，ISO/IEC JTC 1/SC 41 成立 WG 6（数字孪生工作组），开展数字孪生相关技术研究，并推动了 ISO/IEC 5618《数字孪生 概念与术语》和 ISO/IEC 5719《数字孪生 应用案例》两项国际标准的预研和立项工作。
ISO/TC 184/SC 4（工业数据分技术委员会）立项并发布了 ISO 23247-1：2021《自动化系统及集成 - 面向制造的数字孪生系统框架 - 第 1 部分：概述与基本原则》。ITU-T 近年也加大了数字孪生相关技术的标准化工作，在 SG 17（安全研究组）、SG 20（物联网及智慧可持续城市研究组）分别立项了数字孪生技术相关应用需求、参考框架以及安全框架等国际标准。
IEEE 推进了数字孪生在智能工厂中应用的相关标准项目，如 IEEE 2806 系列标准《智能工厂物理实体的数字化表征系统架构》《工厂环境中物理对象数字表示的连接性要求》。
2、国内标准化现状
随着全国信息技术标准化技术委员会等国内标准化组织的关注和推动，城市数字孪生标准化工作也已经步入起步阶段。
2021 年 3 月，全国信息技术标准化技术委员会智慧城市工作组成立了城市数字孪生专题组，负责开展城市数字孪生标准体系研究、城市数字孪生关键标准研究，并推动标准试验验证与应用示范工作。目前，已完成了国内城市数字孪生标准《城市数字孪生 第 1 部分：技术参考架构》的预研究工作，并进入了国家标准申报流程中。同时，组织国内相关产学研用单位共同开展了城市数字孪生标准体系的研究工作，并编制本白皮书。
2020 年 9 月，全国信标委物联网分委会下设数字孪生工作组，对口 ISO/IEC JTC1/WG 6，开展数字孪生技术相关标准研制工作。
此外，全国智能建筑与居住区数字化标准化技术委员会设立 BIM/CIM 标准工作组，探索开展 BIM/CIM 标准研制工作。全国地理信息标准化技术委员会从测绘、地理信息两个方面推动相关标准研制工作。
四、城市数字孪生标准体系-总体框架
在对城市数字孪生内涵、技术参考架构、关键技术等进行系统认识基础上，结合城市数字孪生标准化需求，构建形成了国内第一版城市数字孪生标准体系总体框架，并在此框架指导下提出了标准明细表。
城市数字孪生标准体系总体框架（1.0 版），城市数字孪生标准体系由“01 总体”“02 数据”“03 技术与平台”“04 安全”“05 运维 / 运营”“06应用”六部分的标准分体系组成。
