华为数字孪生城市白皮书全文

从实践应用角度对数字孪生城市说的最清楚的一篇报告，对建筑工程领域的同仁们有较强的阅读参考价值。十多年的BIM及建筑数字化历程充分证明了，建筑产业内生的数字化动力不强，不论是自上而下还是自下而上，我们都没看到太多成功的创新模式。建筑服务于城市，数字城市的系统进步，必将成为建筑数字化的最强动力。

新中国成立 70 年来，经历了世界历史上规模最大、速度最快的城镇化进程。党的十八大以来，在以习近平同志为核心的党中央坚强领导下，城市建设和发展步入了新的阶段，城镇化水平进一步提高，城市发展质量明显改善，城市功能全面提升，为全面建成小康社会搭建了一个坚实的平台。

目前城市的信息化发展还处于局部或单域场景的智能监测阶段，在城市发展成理想形态前，政府、市民、企业三大主体还存在诸多尚未实现的需求，城市要素的数字化未全域覆盖，基于物联网、大数据、人工智能、区块链等技术缺乏融合创新，各系统间有机融合的体系架构还在不断演进，城市运行和治理的水平有量的提升，但少有质的改变。这些问题根因可以归纳为城市不断扩张的规模与有限的资源分配间的矛盾，而从物理空间到数字空间的突破，以全局视野实现精准映射、感知交互、智能监测、模拟仿真等能力正是此矛盾的破题关键。数字孪生城市建设理念应运而生，为城市治理能力和治理体系现代化提供了新思路。

数字孪生城市是现代化城市治理方式的创新性变革。物理城市中所有的人、地、物、事、情、组织等要素，借助数字孪生技术在数字世界建设虚拟映像，实现“物理 - 数字”虚实融合交互，在物理世界不可能完成的工作，在数字世界则充满了丰富的想象空间。

关于数字孪生城市如何建设，业界还未形成充分共识，华为从项目实践中总结形成《数字孪生城市白皮书》（以下简称“白皮书”），内容涉及数字孪生城市的内涵与外延、建设方法论、关键技术应用、体系框架等理论内容，同时结合项目实践提供典型案例的分享，最后对数字孪生城市的未来发展进行了适度展望。“白皮书”意在“抛砖引玉”，贡献我们的一些思考与实践，一方面期望为数字孪生城市的建设提供有价值的参考；一方面期待携手更多专家和伙伴，共同探索数字孪生城市的未来！

胡芳-华为公司中国区智慧城市总经理

1.1城市孪生是通向智慧城市的“罗马大道”

智慧城市是城市发展的一个科技愿景。在城市不断进化的过程中，从数字化到智能化再到智慧化，数字孪生是通往智慧城市的一个重要技术路径。

数字城市发展阶段以城市数据为核心，核心任务实现城市要素和业务数字化。经过近十年的数字城市建设，城市运行数据大量汇聚积淀，城市画像日益清晰，跨层级、跨地域、跨系统、跨部门、跨业务的数据资源加速有序融合，基于海量多维数据分析的智能应用不断涌现，以“智能”场景为核心的智能城市已悄然而至。

城市智能应用随着技术创新以及业务融合，已逐渐走入人们日常的生产生活，但对城市治理如此复杂的问题改进还未有质的提升。城市系统的复杂特性，迫切需求技术应用实现新突破，支持从物理空间到数字空间以全局视野实现精准映射、感知交互、智能监测、模拟仿真，具备高纬宏观视角分析城市系统运行规律的能力。数字孪生城市—物理城市与数字城市虚实融合，以数据驱动业务、业务融合智能，智能服务场景，场景交互系统，系统虚实管控的新型城市治理模式呼之欲出。

城市全域数字孪生化和全域智能化不可一蹴而就，城市的智能演进是必不可少的一环。数字孪生更加侧重系统科学的认知，关注城市局部系统与城市整体系统的科学发展。智能化更加侧重与城市场景结合，关注场景化应用与人的获得感。两者发挥各自的技术特长共生互补，相互促进，让城市向更高级的智能转变，从而引领城市高质量发展，提升政务效率，提振经济运行，创新城市治理，优化公共服务，促进生态文明，实现城市智慧化的持续发展，建设成为一条通向智慧城市的罗马大道。

 

1.2数字孪生镜像平面是“虚实”镜像的介质

镜子前面是你，镜子后面是一个“数字镜像”的你！

在数字孪生世界中也存在一个虚实镜像的介质，我们将它定义为“数字孪生镜像平面”（简称孪生平面），平面一侧是物理世界的属性，平面另一侧是镜像的数字表达。孪生平面自下而上包括：智能设备、联接网络和数字孪生平台，分别归属于传统 IT 架构划分的感知层、传输层和平台层。

随着 5G、AI 芯片的普及和技术推广，感知终端由原有的“哑终端”逐步向智能终端演进，更加可通、可管、可控。感知终端以标准的传输协议将状态数据传送到应用层，支持实现物理城市的感知、互联、监测与预测。目前，物联感知终端在城市的诸多领域已发挥巨大作用，主要包括：计量终端（水务、燃气、热力、电力等），环境监测传感器

（大气、水、噪声、辐射、土壤、生态等）。未来，具备多样复合能力的智能终端，将走进城市，给我们带来更多惊喜，如城市巡检机器人、智能停车机器人、智能市政终端、智能监控终端等。

联接网络是智能终端的通信基础，不同的物联网场景和设备使用不同的网络接入技术和连接方式，包括有线和无线方式。有线方式主要应用在室内和大带宽有线连接业务场景。无线连接分为短距无线和长距无线，短距无线技术包括蓝牙、Zigbee、WiFi 等技术，主要应用在室内和短距离连接场景，一般是多个无线终端通过网关进行汇聚后连接到物联网平台。长距无线包括无线专网、运营商蜂窝网络等不同方式，主要应用在野外和长距离连接场景。多样性的网络接入技术，支持更加丰富的智能终端，面向场景化应用灵活选择合理的接入方式。

日益复杂的数据处理与多样性的网络接入，需要强大的数字孪生平台化能力作为支撑。数字孪生平台需具备端到端的 IT 服务能力，从功能角度划分，包括：物联网平台化能力、网络虚拟化管控能力、大数据平台能力、视频汇聚分析能力、融合通信能力、地理信息服务能力、孪生模型设计与管理能力、人工智能服务能力等。数字孪生平台是孪生平面的核心，一定程度上决定了物理城市与数字城市间“虚实”连接的数量以及交互质量。

1.3数字孪生城市是知识跨界融合的智慧结晶

数字孪生城市概念的提出是几十年来技术发展的必然结果，我们将几个维度的相关概念放在一起发现，它是一个螺旋式融合演进的过程。

在工业领域 CPS（Cyber-Physical Systems）作为德国工业 4.0 的关键技术，经历一段时期应用后遇到发展瓶颈，后与数字孪生相互融合，推动了智能制造产业的快速发展。

BIM(BuildingInformation Modeling) 技术是 Autodesk 公司在 2002 年率先提出，核心是通过建立虚拟的建筑工程三维模型，利用数字化技术，为这个模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库。随着城市信息技术需求的进阶，CIM (City Information Modeling) 一个新概念应运而生，目标实现跨部门，跨学科的信息融合，将信息化技术应用到城市生产生活中，继承并融合了 BIM 发展理念。

数字孪生城市的理念提出，是继承、融合工业领域的数字孪生、建筑信息领域的 BIM 和城市信息领域的 CIM，同时融入现代城市学科而催生的城市科技发展新理念。

CPS 与数字孪生本质来讲都是为了描述信息空间与物理世界融合的状态，但两个概念的历史渊源和工程意义并不完全相同。CPS 主要是产生于嵌入式系统在工业领域的深度应用，偏向一些科学原理的验证，而非工程应用的优化，所以，在实际工作中，真正采用CPS 概念去指导工程实践的情况，主要限于一些航天军工领域，这些领域的工程系统复杂性，用传统的工程系统难以描述清楚。为了寻找一种能够降低复杂工程系统建设费用的方法，数字孪生的价值得以显现。数字孪生以数据、模型为基础，采用 AI 和大数据等新技术能力，广泛应用于工业领域仿真分析、产品定义、制造装配工艺、测量检验等模型构建等环节，成为了智能制造、工业互联网等现代化先进制造业中的核心概念。

BIM 贯穿从建筑的设计、施工、运行直至终结的建筑全生命周期， 将各种信息始终整合于一个三维模型信息数据库中。借助 BIM 这个高度集成的三维模型，极大地提高了建筑工程的信息化程度，为建筑工程项目涉及的各方人员提供一个工程信息交换和共享的平台。然而，BIM 在提供精确的地理位置、建筑物周边环境整体展示和空间地理信息分析上存在不足，而三维 GIS（地理信息系统）正好可以对这些不足进行补充，完成建筑物的地理位置定位及周边环境空间分析，完善大场景的展示，使得信息更完整及全面。通过和 GIS技术进行融合，BIM 的应用范围从单一建筑物拓展到建筑群以及道路、隧道、铁路、港口、水电等工程领域。

BIM 整合的是城市建筑物的整体信息，而 GIS 则整合及管理建筑物的外部环境信息，它们的融合创建了一个包含城市大量信息的虚拟城市模型，因而，引出了 CIM 的概念。

CIM 是以城市信息数据为基础，建立起三维城市空间模型和城市信息的有机综合体。从狭义数据类型上讲，CIM 是由大场景的 GIS+BIM+IOT 数据构成，属于智慧城市建设的基础数据。基于 BIM 和GIS 技术的融合，CIM 将数据颗粒度精确到城市建筑物内部的单个模块，将静态的传统数字城市增强为可感知的、实时动态的、虚实交互的智慧城市，为城市综合管理和精细治理提供了重要的数据支撑。

2018 年，《雄安规划纲要》在雄安新区的城市智慧化管理领域上提出：“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”、“建立健全大数据资产管理体系，打造具有深度学习能力、全球领先的数字城市”等建设内容，数字孪生城市的概念开始在国内受到广泛关注。

2.1数字孪生城市工程方法

理论上物理世界万事万物皆可数字孪生，包括人、车、物、环境、城市部件等，但在一个城市里要把所有物理实体数字孪生化，成本极高，难度极大，同时为维护和管理带来极大挑战，造成社会资源浪费。我们认为，数字孪生需要以问题作为导向，以价值作为驱动，“按需孪生”。依此在实践中思考，提炼总结一套指导数字孪生建设的方法 -“DOS”工程方法：D（discriminate）识别 -7 个关键要素识别，O（optimize）优化 -3 类优化，S

（scenarios innovate）场景试错。

2.2数字孪生城市功能框架

数字孪生城市的功能框架是物理系统设计与 IT 系统设计的融合。

2.3数字孪生城市数据框架

依据“按需孪生”的核心理念，城市可根据不同的需求建立基础数据框架体系以及数据更新频度。通常我们认为，数字孪生城市的基础数据框架由宏观、中观与微观三层不同颗粒度数据框架组成。

围绕数字孪生城市数据体系建设和管理全过程，整合、集成和规范时空基础数据、工程建设项目数据、公共专题数据和物联网感知数据等数据资源，由按尺度分级的基础地理信息数据库向按地理实体分类的无尺度基础时空数据库转变，实现不同精度、不同层次、不同时相的地理实体数据集成，形成地上地下全域空间立体的三级数据框架体系，为数字孪生城市运行管理提供统一的数据底板。

2.4数字孪生城市平台能 力

数字孪生平台的核心架构以云为基础，联结无处不在的智能终端，以AI 为驱动，融合大数据、物联网、视频、地理信息等多种ICT 技术，以孪生数据服务、孪生应用服务和孪生集成服务为城市运行监测和城市仿真预测预警应用提供相应服务。

2.5数字孪生城市分级模型

建立数字孪生城市应用能力分级评价模型，有助于各参与角色对齐数字孪生城市建设方向与阶段建设成果评估。我们通过研究数字孪生、人工智能、地理信息等技术路径的发展史，从物理空间与数字空间的数据关系、物理状态监测预测度、数字使能控制物理实体三个维度，总结归纳设置L0--L4 五级评估模型。

3.1打造数字孪生城市全景实验室

2019年 3 月，Z 区大数据实验区管委会与华为公司联合打造基于现实、面向未来的城市全景实验室。将华为数字生态与 Z 区资源开放相结合，利用数字孪生、5G、人工智能等新 ICT 技术，全面数字化标识；利用二维码、GIS、移动互联等技术手段，对中央商务区城市公用设施、交通设施、园林设施、特种设备等实体城市部件进行唯一数字化身份标识；以大数据为基础，打造基于 GIS+BIM+IOT+AI 打造 1：1 的数字孪生体系，为 Z 区的规划、建设及运营提供决策支撑，搭建起面向未来的城市全景实验室。

3.2打造数字孪生第一城

2020 年 6 月，J 区联合华为发布 “孪生计划”，共同推进全国数字孪生第一城的建设，通过“虚实对应、相互映射、协同交互、推演进化”， 实现感知新区，发展新区，让城市更加智慧，让政府决策更加科学，让企业更快更好发展，让百姓更有幸福感和获得感。

4.1全域映射的城市信息模型

数字孪生与智能技术构建的全域城市信息模型是解剖城市的一把手术刀。如果将城市看作一个有机体，城市每一个部件就是城市的一个细胞，细胞里含有大量的数据和信息，数字孪生的目标是全域数字化，每一个细胞的刻画都是实现精准映射城市运行细节、挖掘洞悉城市发展规律、推演仿真城市未来趋势的综合信息载体，将城市中的物体、人、自然、环境等要素关系一一复制，形成全域城市信息模型（CIM），结合科学的数学模型和智能算法，分析微观世界和宏观世界的发展规律，解决城市粗犷式发展、资源分配不合理带来的城市病，甚至可以模拟跟踪“蝴蝶效应”，优化城市“熵减”效果。

4.2全场景城市智能体

数字孪生与智能技术打造的全场景城市智能体是融汇贯通的聚裂效应。全场景城市智能体，是随时随地的全流程联动，是全要素的、覆盖全域、联接万物的数字孪生城市。全场景城市智能体表现为城市各领域的一体智能化，通过智能交互、智能连接，实现城市级别的全域智能协同，让整个城市实现全智能的管理和服务。全场景城市智能体在城市管理和服务领域有突出的表现。在全场景的城市运行管理智能体中，城市的运行系统如水电气热及交通等，城市管理系统如城市事件，城市环境系统如城市水务、城市环保等，形成一体化、智能化的感知、连接、分析判断、预测、协同、派单、处置、反馈的城市运行管理体系，实现城市全域的数字空间和物理空间的智能协同处置和联动；在全场景的城市服务智能体中，个人通过孪生技术成为了数字孪生城市中的数字公民，个人信息和业务在安全有效的监管下，在个人授权下得以在城市全域乃至跨地区跨省市流动、协同和联动。人们通过各类智能交互的终端，如家庭机器人、公共服务机器人、个人智能终端等，通过语音、视频等智能交互方式，办理所有业务，享受所有服务，真正做到足不出户、随身随行的城市服务。

4.3万物互联时代的智能出行

数字孪生与智能技术创造的物理世界将突破空间限制，重塑我们的出行方式。在以电动化、智能化、网联化、共享化为特征的出行变革浪潮中，人、汽车、道路都在实现智慧互联。万物互联时代下，车内空间可随时切换模式，社交、娱乐、休息、视频会议等人类活动实现科技的智能联接。万物互联时代下，不再有交通信号灯，汽车会相互交流，在会车时，自动协商速度，避免相撞，并且可以高速通行；汽车可以精准地判断一切事物、动物和人的运动趋势，行人过马路不再需要左顾右盼，盲人都可以大胆通行。万物互联时代的智慧出行将是人和未来之间“心驰神往”的“传送”。

4.4如影随形的沉浸式体验

数字孪生与智能技术创造的数字世界将突破时空限制，打开最佳沉浸式体验的心流通道。对于AR、VR 的成长，一个关键的组成部分将是丰富、栩栩如生的体验。这些体验将真实地反映用户的生理和性格，从而提升在虚拟环境中所需的亲密感并实现共存。除视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知、甚至还包括味觉、嗅觉感知等需求满足，理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能。用户在数字世界内对物体的操作可直接相应的反馈到物理世界，交互性的满足感不断上升。未来的增强现实和虚拟现实技术将全面融入我们的生活、工作中，虚实融合，为我们探索数字世界架起了一座的桥梁。

 

4.5智能的机器人伙伴

数字孪生与智能技术应用的一个极致表现是智能机器人。对机器人而言，服务范围内的物理世界尽可能精准的数字化，真正形成数字空间和物理空间的互动，才能更高效的向人们提供服务，机器人的服务形态，取决于数字孪生及智能化的程度。未来机器人将进一步拥有语音交互、人脸识别、深度学习、场景理解乃至更高级的自主决策行为等各种功能，在各类生活、工作场景中重塑人们的生活和工作，成为我们的伙伴和朋友，对我们的工作生活的影响甚至比移动互联网更具颠覆性。如家用机器人，将彻底改变现在单一功能模式，将模拟人类认知世界和学习知识的方式，建立相应的数字空间深度学习能力，实现跨域、全域智能服务，将集成各类家务服务、陪伴服务、管家服务、甚至扮演家庭卫士角色，看护家庭安全。医疗机器人是有医护机器人和医疗机器人。在医疗应用方面，全场景医疗看护机器人将辅助乃至代替护士，在医院全域空间发挥更大作用。同时，微创手术机器人，将成为医生手里优良的手术工具，将被广泛应用，如当前的达芬奇手术机器人。商业机器人将以行业深度理解为基础提供服务，如餐饮机器人、酒店服务机器人、零售机器人等，实现专业化、拟人化的智能服务，全面推进行业服务向全智能化的高级形态发展。

 

4.6意识撬动世界的脑机互联

数字孪生与智能技术是开启数字空间与意识空间的一把钥匙。脑机互联，是科学与生命的联系，是数字孪生与生命体意识的联系，是一个融合生物学，物理学，计算机科学和数学等若干领域的新兴学科。脑机互联实现了信息与意识跨时代意义的首次握手，实现了数字空间与意识空间的映射、联系和互动。随着数字孪生技术的发展，脑机互联将在连接方式、互动模式等领域进行突破，对脑电波的认识也将达到新的高度，最终实现便捷可穿戴和无接触的脑机互联模式，形成意识空间、数字空间、物理空间的三维互动。在脑机游戏领域，将实现意识对游戏的控制，提高游戏执行效率，同时，游戏场景直接通过数字化反馈至脑意识中，全面提升游戏场景的体验，实现沉浸式娱乐，全面提升娱乐效果。在医疗脑机领域，采用侵入式脑机技术，对大脑神经产生一系列或抑制，或增强的电刺激，辅之以智能医疗器械，将抑制疾病或使残障人士重新获得行动能力。未来，脑机互联将进一步颠覆人机互动模式，为人们建立一个全新的交流方式，让意识、数字、物理三维交互更加顺畅、高效和便捷，让人们的生活、工作更便利。