1  数字孪生城市建设模型的研究背景

1.1  数字孪生城市建设成效初显、挑战并存

数字孪生城市是数字技术革新与城市机制创新的有效结合，是推进城市全域数字化转型的重要路径之一。当前，中国数字孪生城市建设仍处于实践探索期，面临多方面挑战。一是数字孪生城市建设推进路径尚未形成共识，仍存在统筹协调不够、部分系统分散建设、各领域条线化推进等问题，仍需进一步强化系统思维，形成数字孪生城市建设的共性模型。二是数字孪生城市建设运营模式仍需完善，部分城市数字孪生城市的建设与城市业务脱节，系统建设的投入产出比不高。同时，中国的数字孪生城市商业模式尚不清晰，资金来源渠道单一，数据要素价值挖掘不够充分，可持续的运营模式仍需探索。三是数字孪生城市数据与能力供给方式仍需创新，数据缺乏有效标准化框架，异构数据融合应用面临困难；部分数字孪生技术能力与生态绑定难以解耦服务，能力复用面临挑战。四是数字孪生高价值场景仍需挖掘，部分数字孪生城市建设存在重“外观呈现”、轻“业务机理”现象，亟须进一步挖掘数字孪生城市务实生效、虚实互动的高价值场景，增强群众的满意度和获得感。

1.2  国外工业数字孪生模型应用广泛

2002年，Michael Grieves提出“镜像空间模型”（Mirrored Spaces Model），成为“数字孪生”概念的雏形。2011年，美国空军研究实验室明确提出“数字孪生”，经研究证实是最早提出这一概念的机构。2017年6月，洛克希德·马丁公司提出了“Product Digiverse”理念，即“产品数字孪生”，并在美国、欧洲等大型军工企业装备研制生产与维修保障中实现应用。2023年，《数字孪生的基础研究差距和未来方向》强调了数字孪生在科学研究、工业实践和日常生活等多领域的应用潜力。近年来，西门子、达索系统等国际厂商不断推进数字孪生的落地，在工厂、铁路、电网、碳捕捉等行业领域开展了应用实践。随着数字孪生技术的不断成熟，数字孪生逐步应用于城市领域，如新加坡推动的“虚拟新加坡”建设；此外，加拿大多伦多、法国雷恩等地也纷纷开展数字孪生城市建设。

1.3  中国数字孪生模型研究进展加快

近年来，中国产业界和学术界均提出了数字孪生模型构建观点，为数字孪生城市模型构建提供了有益参考。1994年，钱学森将“虚拟现实（Virtual Reality）”翻译为“灵境技术”。“灵境技术”的提出是继计算机技术革命之后的又一项技术革命，为数字孪生理念的建立和发展提供了重要启示。2019年，陶飞等提出数字孪生五维模型，认为数字孪生模型包含物理实体、虚拟实体、服务、孪生数据和连接五大维度。2022年，田颖等提出城市信息模型（City Information Model，CIM）平台框架，认为CIM由数据治理、智能模型分析、人机交互三大体系共同构成。庄存波等提出了产品数字孪生体的内涵，认为产品数字孪生体包含产品设计模型、产品工艺模型、产品制造模型、产品使用与维护模型、产品报废与回收模型5个部分。2022年，世界经济论坛与中国信息通信研究院联合提出“4+5”数字孪生城市框架，即基础设施、数据资源、平台能力、应用场景4个内部要素，以及战略与机制、利益相关方、资金与商业模式、标准与评估、网络安全5个外部要素。同时，唐文虎等提出了智慧能源数字孪生架构，董雷霆等提出了飞机结构数字孪生架构，郑州轻工业大学与剑桥大学联合提出了工业数字孪生系统结构，为数字孪生城市建设模型的构建提供了有益参考。

整体来看，中国外学者均提出了数字孪生模型共性理念，但围绕数字孪生城市建设模型的研究较少，尚未提出指导城市、园区建设的数字孪生城市共性模型。因此，亟须从城市、园区发展需求出发，构建涵盖孪生数据、平台、场景等多维度的数字孪生城市建设模型，为政府和企业推进数字孪生城市建设提供参考。

2 数字孪生城市建设模型的构建

以目标导向、指导建设、易于操作为原则，本研究创新提出了“数字孪生城市建设五维模型”（简称“五维模型”）。五维模型以“战略与人才”为基础，以“商业与运营”为长效保障，以“设施与数据”为底座，以“技术与平台”为中枢，以“应用与场景”为重要抓手，旨在促进数字孪生城市系统性谋划、高质量建设和可持续发展（见图1）。五维模型既适用于大、中、小型城市等整体型数字孪生城市建设，也适用于园区、城市功能区等区域型数字孪生城市建设。结合《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》，数字孪生城市建设的五大维度可以划分为两大层级，分别为“城市数字底座筑基工程”和“数字制度改革创新工程”，以技术创新和制度创新双轮驱动建设数字孪生城市，赋能城市全域数字化转型。

3 开展城市数字底座筑基工程，夯实数字孪生城市技术能力支撑

3.1  设施与数据维度

3.1.1  建设城市一体化感知体系，强化数字孪生感知神经末梢

一是强化城市感知设施共建共享，推进城市感知设施载体统筹建设、集约共享，推动照明、交通、安防、通信、环保等感知设备“多杆合一”，打造智慧杆柱等试点示范。二是推进城市感知终端统筹管理，推动建立城市感知终端台账，实现城市感知终端普查和统一编码。例如，北京市推动城市感知设备统一编码，实现对各类感知终端设备的精细化管理。三是推进城市感知体系全面覆盖，推进城市地上、地下、空中、水域等空间感知设施部署升级，打造“数联、物联、智联”的新型城市感知体系。

3.1.2  完善城市网络与算力设施，筑牢数字孪生传输与计算基础

一是加强通信基础设施的建设，推进光纤网络、5G网络等延伸覆盖，为城市各区域提供高速、稳定的网络支持。二是加强物联网普及和应用，为感知数据采集提供可靠网络支持。如利用传感器、摄像头等设备收集实时数据，为数字孪生城市高效运行提供实时信息。三是构建云边协同的算力基础设施，提高城市计算能力，支持大规模数据处理和实时仿真分析。如云计算中心可以集中处理大量数据，提供强大的计算能力；边缘计算则可在数据产生地完成初步处理，降低网络延迟并提高响应速度。

3.1.3  创新构建城市数字孪生体，推动城市全要素数字化表达

一是创新数据组织方式，以实体对象为核心，构建城市数字孪生体。城市数字孪生体有利于推动跨界数据融合、提高数据管理效率，有助于促进数字孪生应用创新。各级城市可以从城市治理、惠民服务等场景需求出发，针对城市建筑物、自然景观、道路、桥梁等实体对象，通过倾斜摄影、智能建模等方式，采集和融合多源数据，形成与物理城市相互映射的数字孪生体。如数字孪生楼宇场景，围绕场景需求，逐步建设建筑孪生体、设备孪生体、机房孪生体等模型。二是推动多源数据融合，打造多元化城市数据服务。以数字孪生体为抓手，促进地理空间数据、社会经济数据、物联感知数据等关联融合，未来可将数字孪生体发布为机器可读取的Web服务，便于企业和公众获取数据服务。

3.2  技术与平台维度

3.2.1  建设城市物联感知平台，提高实时数据处理水平

一是搭建城市物联感知平台，实现传感信息的融合与共享。充分利用智慧城市已有平台基础，建立城市物联感知平台，实时获取城市水、电、气、交通、环保、公安、气象等各类物联感知数据。通过城市运行指标统计分析，辅助预警和决策，实现区域设施设备的动态监测、预警决策和远程控制。二是打造感知数据共享服务接口，支撑各类管理和服务应用。物联网感知平台可以提供标准化的感知数据共享服务接口，构建城市影像与城市体征于一体的城市画像，为城市管理、惠民服务等提供数据支撑。

3.2.2  构建城市数字孪生体模型平台，实现全要素数字化表达

一是搭建城市数字孪生体模型平台，推动城市人口、房屋、经济、事件等多源数据进行空间对齐与融合，利用图形渲染、人机交互等技术，实现在大、中、小屏等各类终端上呈现不同精度、不同类型的数字孪生体。二是推动城市数字孪生体数据资产化管理，构建数字孪生体汇聚、构建、应用、共享等全生命周期管理机制，并提供个性化编辑、互动操作等功能，为数字孪生城市管理、服务等各类应用提供高效数据支持。推动对自然资源数据、地理信息数据、三维模型数据、实时运行数据等数字孪生数据进行资产化管理，打造一批行业高质量数据集。

3.2.3  构建城市数据智能服务平台，驱动城市业务改革创新

一是提供多维度数据分析计算能力，针对城市数字孪生体的各类属性数据，推动城市时空位置信息、运行状态信息以及实体关系信息的融合分析，辅助城市科学决策。二是提供智能分析计算能力，推动人工智能算法、大模型、智能体等技术在城市交通管理、能源管理、应急管理等领域的应用，加强城市数据智能分析，从而实现对城市数据全要素、全过程、全生命周期的智能分析与计算。三是提供场景仿真推演能力，基于数字孪生环境和历史数据，对城市人流、车流、能源等信息进行仿真推演和智能预测，实现数据驱动的业务创新。

3.2.4  搭建场景开放与创新平台，实现开放式、低门槛场景构建

一是搭建场景开放与创新平台，推动城市数字孪生体数据、模型、场景面向公众开放，企业和个人开发者可基于平台能力，实现低门槛、拖拽式场景构建，支撑城市场景创新。二是促进创新资源流通共享，利用开放与创新平台，汇聚一批数字孪生行业的能力引擎、典型场景和解决方案，打造数字孪生城市在线案例库和工具箱，促进数字孪生供需对接和项目落地，推动城市数字经济的培育壮大。

3.3  应用与场景维度

一是构建“场景清单-揭榜挂帅-政企合建-成效评价-塑造品牌”五大环节的场景建设机制，推动政企合作、场景开放和协同创新。二是谋划一批普惠便捷的惠民场景，降低数字孪生技术使用门槛，为人民群众提供普惠均等、友好便捷的孪生服务。如通过虚拟现实技术开展物理化学等教学实验；通过增强现实、虚实互动增强文旅服务体验；医疗、教育等公共服务通过数字孪生平台惠及更多人群。三是谋划一批精准高效的治理场景，运用数字孪生技术手段，实现城市运行状态一张图呈现，以实时监控和仿真预测的方式，助力城市节能减排，快速响应城市公共问题，提高城市安全韧性。四是谋划一批降本增效的兴业场景，推动数字孪生车间、数字孪生工厂等场景建设，实现无人化作业、远程巡检、远程操控等功能，形成绿色集约高效的发展模式，推动城市数字化建设与数字经济协同发展。

4 开展数字制度改革创新工程，增强城市适数化制度保障

4.1  战略与人才维度

4.1.1  深入调研城市发展现状，科学制订战略规划

一是深入调查研究，深度把握城市政策、经济、社会、技术现状和城市特色，摸清城市数字化发展底数。二是科学编制规划，根据城市战略部署和行业标准规范，结合技术发展方向，高标准、定制化编制数字孪生城市规划，为技术选型和项目实施提供政策支撑。三是有序推进实施，形成可落地可操作的实施推进方案，近、中期率先推动一批解决城市共性问题、痛点难题、成效显著的数字孪生场景落地，远期保持建设框架和实施路径灵活性和包容性，促进孪生城市可持续发展。

4.1.2  聚焦关键岗位人才培养，打造复合型人才梯队

一是打造复合型、有梯次的数字孪生人才队伍。构建覆盖“高校培养—技能培训—能力认证”的人才培育闭环体系。制订不同层次、不同专业的数字化技能培训，定向输送数字孪生设施、数据、平台、应用等领域人才。二是聚焦关键数字化岗位的人才培养，注重首席数据官、首席技术官等关键岗位人才培养，提升组织数字化领导者运用数字技术解决问题的能力，为数字孪生城市建设、管理和运营提供人才保障。

4.2  商业与运营维度

4.2.1  厘清相关利益方角色定位，创新政企协作组织架构

一是明确数字孪生城市运营管理架构，政府部门作为数字孪生城市的统筹管理者，发挥统筹协调、组织领导和监督管理的优势。社会主体作为承建方或共同出资方合作开展数字孪生城市建设，通过政企合作模式建设运营，确保数字孪生城市建设有序推进。二是建立优势互补、协同创新的数字孪生共建生态，数字孪生城市建设主体包括城市规划、建模仿真、可视化渲染、感知标识、交互控制等各领域企业，各行业企业需重视分工与协作，为数字孪生城市建设提供必要的产品与服务。通过资源置换、项目合作、产品联营、联合开发等形式，打造优势互补、协同创新的良好生态。三是构建数字孪生项目评价机制，建立准确反映数字孪生城市建设水平的评估指标体系，定期开展数字孪生城市项目评估，实现“以评促建，以评促优”。

4.2.2  推动数据要素价值化发展，探索可持续运营商业模式

一是以数据驱动城市治理模式优化，充分利用数字孪生、人工智能等技术，为城市治理提供有效数据支持，提升城市智能决策和资源优化配置的能力。二是通过数字孪生三维模型共享、数字孪生平台软件即服务、定制化数据开发等模式，推动数字孪生城市数据运营、能力运营、平台运营和场景运营，促进孪生城市长效发展。

5 策略建议

数字孪生城市建设五维模型为各地推进数字孪生城市建设提供了方向指引和共性方案。然而，各地在数字孪生城市分类建设、场景构建、生态培育等方面仍面临困惑，研究提出分类施策、特色引领、生态协作等建议，为推进数字孪生城市建设提供参考。

5.1  分类施策，推进数字孪生城市建设

一是数字化基础较好的区域突出标杆引领，打造能力领先的数字孪生底座平台，创新孪生体建设和场景应用，促进平台共建、数据共享和能力复用。利用技术、应用等先发优势培育数字孪生产业，形成辐射带动效应。二是数字化基础中等的区域突出稳健发展，适度或试点开展场景创新、数据融合、技术平台搭建等工作，实现稳步升级。三是数字化基础较弱的区域应突出复制推广，充分借鉴基础较好区域经验，选取成熟度高、应用效果好的应用领域，开展数字孪生城市建设，实现少走弯路、节约投资、尽快见效。

5.2  特色引领，打造数字孪生先锋场景

一是政府侧根据城市资源禀赋、产业特色和重大需求，打造一批数字孪生城市特色示范场景，形成数字孪生赋能产业高质量发展的正向循环，如港口型城市打造数字孪生港口，提升自动编组、运输调度的管理效率，赋能港口业务发展；工业型城市打造数字孪生工厂、数字孪生车间试点示范，促进产品全生命周期管理，赋能工业产业发展。二是企业侧根据不同区域场景需求，打造一批行业领先、具有推广价值的孪生城市解决方案，聚焦城市智能体、城市生命线、大模型应用等领域，打造一批务实生效、行业领先的数字孪生城市先锋场景。

5.3  生态协作，营造共建共享发展格局

一是充分发挥数字孪生产业联盟、行业协会的作用，引导龙头企业围绕三维建模、空间计算、虚实交互等关键技术开展协同攻关，推动产业协作和自主创新。二是高水平打造数字孪生城市公共服务平台，依托第三方协会、联盟、智库等力量，建设面向产业发展的数字孪生城市公共服务平台，提高产业资源利用效率和业务响应速度，培育一批数字孪生领军企业。推动更多企业持续推出优质数字孪生应用产品，赋能数字孪生城市高质量建设，助力数字孪生产业发展。

6 结束语

数字孪生城市已经成为推动城市全域数字化转型的重要抓手。本文创新提出了数字孪生城市建设的五维模型，为政府和企业推动数字孪生城市建设提供有益参考。未来，将结合城市发展需求和技术演进趋势，迭代完善数字孪生城市建设模型研究，推动数字孪生城市高质量发展，助力中国式现代化城市建设。