一、数字孪生体发展综述

当前，以物联网、大数据、人工智能等新技术为代表的数字浪潮席卷全球，物理世界和与之对应的数字世界正形成两大体系平行发展、相互作用。数字世界为了服务物理世界而存在，物理世界因为数字世界变得高效有序。在这种背景下，数字孪生体技术应运而生。

数字孪生体最早的概念模型由当时的 PLM 咨询顾问 Michael Grieves博士（现任佛罗里达理工学院先进制造首席科学家）于2002年10月在美国制造工程协会管理论坛上提出。数字孪生体（Digital Twin)这一名称最早出现在美国空军实验室2009年提出的“机身数字孪生体（Airframe Digital Twin)”概念中。2010年，NASA在《建模、 仿真、信息技术和处理》和《材料、结构、机械系统和制造》两份技术路线图中直接使用了“数字孪生体（Digital Twin)”这一名称。2011年 Michael Grieves 博士在其新书《虚拟完美（Virtually Perfect : Driving Innovative and Lean Products through Product Lifecycle Management)》中引用了NASA先进材料和制造领域首席技术专家John Vickers(现任马歇尔中心材料与工艺实验室副主任和NASA国家先进制造中心主任）所建议的“数字孪生体（Digital Twin)”这一名称，作为其信息镜像模型的别名。2013年，美国空军将数字孪生体和数字线程作为游戏规则改变者列入其《全球科技愿景》。

二、数字孪生系统架构

概念模型

基于数字孪生体的概念模型，并参考GB/T 33474-2016和ISO/IEC 30141:2018两个物联网参考架构标准以及ISO 23247（面向制造的数字孪生系统框架）标准草案，下图给出了数字孪生系统的通用参考架构。一个典型的数字孪生系统包括用户域、数字孪生体、测量与控制实体、现实物理域和跨域功能实体共五个层次。

通用参考架构

第一层（最上层）是使用数字孪生体的用户域，包括人、人机接口、应用软件，以及其他相关数字孪生体。

第二层是与物理实体目标对象对应的数字孪生体。它是反映物理对象某一视角特征的数字模型，并提供建模管理、仿真服务和孪生共智三类功能。建模管理涉及物理对象的数字建模与展示、与物理对象模型同步和运行管理。仿真服务包括模型仿真、分析服务、报告生成和平台支持。孪生共智涉及共智孪生体等资源的接口、互操作、在线插拔和安全访问。建模管理、仿真服务和孪生共智之间传递实现物理对象的状态感知、诊断和预测所需的信息。

第三层是处于测量控制域、联接数字孪生体和物理实体的测量与控制实体，实现物理对象的状态感知和控制功能。

第四层是与数字孪生体对应的物理实体目标对象所处的现实物理域。测量与控制实体和现实物理域之间有测量数据流和控制信息流的传递。

测量与控制实体、数字孪生体以及用户域之间的数据流和信息流动传递，需要信息交换、数据保证、安全保障等跨域功能实体的支持。信息交换通过适当的协议实现数字孪生体之间交换信息。安全保障负责数字孪生系统安保相关的认证、授权、保密和完整性。数据保证与安全保障一起负责数字孪生系统数据的准确性和完整性。

三、数字孪生体成熟度模型

数字孪生体不仅仅是物理世界的镜像，也要接受物理世界实时信息，更要反过来实时驱动物理世界，而且进化为物理世界的先知、先觉甚至超体。这个演变过程称为成熟度进化，即一个数字孪生体的生长发育将经历数化、互动、先知、先觉和共智等几个过程。

数字孪生体成熟度模型

1. 数化

“数化”是对物理世界数字化的过程。这个过程需要将物理对象表达为计算机和网络所能识别的数字模型。建模技术是数字化的核心技术之一，例如测绘扫描、几何建模、网格建模、系统建模、流程建模、组织建模等技术。物联网是“数化”的另一项核心技术，将物理世界本身的状态变为可以被计算机和网络所能感知、识别和分析。

2. 互动

“互动”主要是指数字对象间及其与物理对象之间的实时动态互动。物联网是实现虚实之间互动的核心技术。数字世界的责任之一是预测和优化，同时根据优化结果干预物理世界，所以需要将指令传递到物理世界。物理世界的新状态需要实时传导到数字世界，作为数字世界的新初始值和新边界条件。另外，这种互动包括数字对象之间的互动，依靠数字线程来实现。

3. 先知

“先知”是指利用仿真技术对物理世界的动态预测。这需要数字对象不仅表达物理世界的几何形状，更需要在数字模型中融入物理规律和机理。仿真技术不仅建立物理对象的数字化模型，还要根据当前状态，通过物理学规律和机理来计算、分析和预测物理对象的未来状态。这种仿真不是对一个阶段或一种现象的仿真，应是全周期和全领域的动态仿真。

4. 先觉

如果说“先知”是依据物理对象的确定规律和完整机理来预测数字孪生体的未来，那“先觉”就是依据不完整的信息和不明确的机理通过工业大数据和机器学习技术来预感未来。如果要求数字孪生体越来越智能和智慧，就不应局限于人类对物理世界的确定性知识。其实人类本身就不是完全依赖确定性知识而领悟世界的。

5. 共智

“共智”是通过云计算技术实现不同数字孪生体之间的智慧交换和共享，其隐含的前提是单个数字孪生体内部各构件的智慧首先是共享的。所谓“单个”数字孪生体是人为定义的范围，多个数字孪生单体可以通过“共智”形成更大和更高层次的数字孪生体，这个数量和层次可以是无限的。众多数字孪生体在“共智”过程中必然存在大量的数字资产的交易，区块链则提供了最佳交易机制。

四、数字孪生城市的关键技术

数字化建模技术起源于上世纪50年代。建模的目的是将我们对物理世界或问题的理解进行简化和模型化。而数字孪生体的目的或本质是通过数字化和模型化，用信息换能量，以更少的能量消除各种物理实体、特别是复杂系统的不确定性。所以建立物理实体的数字化模型或信息建模技术是创建数字孪生体、实现数字孪生的源头和核心技术，也是“数化”阶段的核心。

其中数字孪生城市作为面向新型智慧城市的一套复杂技术和应用体系，多门类技术集成、多源数据整合和各类应用平台功能的打通是建设成功的关键要素。数字孪生城市除了数字孪生体的通用关键技术外，还有其独特的关键技术领域，简要介绍如下：

1. 新型测绘

测绘技术的发展经历了模拟测绘、数字化测绘和信息化测绘发展阶段。随着物联网、大数据、移动互联网等空间技术和信息通信技术的不断进步，测绘技术也逐渐由靠人工进行内、外业采集的传统测绘，发展到今天的使用卫星导航定位、无人机、物联网、大数据等先进技术手段的智能化测绘。

数字孪生城市的构建需要新型智能测绘技术的强力支撑，在城市时空大数据管理、地理监测、高精度实体测绘等方面提出快速测绘和精准采集的高要求，基于实景三维的新型智能测绘技术构建的CIM是数字孪生城市运行的主要载体。实景三维测绘是利用倾斜摄影、全景拍摄和激光雷达（LiDAR）等技术，通过多视角图像匹配、多数据融合来真实展示现实三维世界的新技术。其中倾斜摄影测量因其数据获取容易、建模快速、纹理真实，已成为实景三维构建最常用的方式。

基于“城市实景三维”动态可视化的实现，其核心技术构成包括：高精密测量及数采设备、领先且主流的测绘方法、快速激光三维建模技术和高效数据处理技术等：

高精密测量及数采装备：包括多视角航摄仪系统、适合直升机和无人机平台的测绘级航摄仪、全谱段多模态成像光谱仪、高光谱遥感系统、机载双频激光雷达设备等；

领先且主流的测绘方法：目前主要是倾斜摄影技术和三维激光扫描技术。倾斜摄影技术突破了以往三维建模正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、4个倾斜等5个不同的角度采集影像，同时辅助带坐标姿态信息的室外影像和LiDAR数据获取，改变不具备空间信息的传统影像拍摄的现状，并实现与倾斜摄影影像等多源数据的融合。三维激光扫描技术可大面积高分辨率获取被测物体表面的三维坐标、反射率和纹理等密集点云数据，快速复建出被测物体的三维模型及线、面、体等各种图件数据；

快速三维激光建模技术：主要指依托倾斜摄影测量遥感数据成果，结合摄影测量学、计算机图形学算法，通过自动化处理流程手段，获取三维点云、三维模型、真正射影像（TDOM）、数字表面模型（DSM）等测绘成果的模型构建技术，如激光三维点云建模技术；

高效数据处理技术：指利用机器学习或深度学习算法以及SLAM算法对测绘地理大数据进行自动识别、数据挖掘和三维重建，快速提取地物特征、发现隐藏在大数据中的知识和还原地物模型，结合充实各地理实体的社会经济属性，形成多源异构且多时态空间数据的多源数据融合技术。利用移动互联网和智能手机终端采集的大量实时动态非标地理信息数据和专业的测绘地理信息数据进行匹配，提高地图生产效率的移动互联及动态众包数据更新技术。

基于新型测绘技术，可一次性获取大面积的城市建筑物及地形模型，大大降低了测绘工作经济成本和时间代价，支持城市数字孪生体模型的高精度和快速构建。基于新型测绘技术获取的城市实景三维数据是数字孪生城市空间地理框架建设的基础数据，更是数字孪生城市时空信息模型空间基础设施建设的重要内容。利用这种可量测、真实、实体化管理的三维数据构建的城市信息模型，在数字孪生城市管理、规划、地质灾害、安全保障、城市形象展示等方面发挥至关重要的作用，为政府基于数据的治理决策提供技术支撑，为公众提供数字智能化服务。例如利用城市实景三维数据，在城市公共安全与应急反恐等方面，可使指挥决策者看到比正射影像更多的环境信息，可看到事发地建筑物侧面的紧急出口，可以进行准确量算，比如计算通视距离、设计制高点和狙击方案等。这些事发地周围的详细信息，在城市安防应急行动中关乎人员及财产的安全，有时甚至能起到决定性的作用。

2. BIM

BIM的全称是建筑信息模型（Building Information Modeling），它包含了不同专业的所有信息、功能要求和性能，把一个建筑工程项目的所有信息，包括设计过程、施工过程、运营管理过程的信息全部整合到一个模型里。

BIM是对包括工程建设行业在内的多个行业的工作流程、工作方法的一次重大思索和变革。美国佐治亚技术学院建筑与计算机专业的Chuck Eastman博士1975年提出了BIM的概念。在20世纪70年代末至80年代初，英国也在进行类似BIM的研究与开发工作。当时，欧洲习惯把它称之为“产品信息模型（Product Information Model）”，而美国通常称之为“建筑产品信息模型（Building Product Model）”。1986年Robert Aish发表的一篇论文中，第一次使用“Building Information Modeling”一词。他在这篇论文中描述了今天我们所知的BIM论点和实施的相关技术，并在该论文中应用RUCAPS建筑模型系统分析了一个案例来表达他的概念。21世纪前的BIM研究由于受到计算机硬件与软件水平的限制，仅能作为学术研究的对象，很难在工程实际应用中发挥作用。21世纪后，随着计算机软硬件水平的迅速发展以及对建筑生命周期的深入理解，推动了BIM技术应用的不断前进。

BIM技术是以三维数字化为载体，关联整合了城市建筑物设计、施工建造、运营到拆除等全生命周期各阶段空间及语义信息，并同时在各阶段得到应用，在提高设计和建设质量、降低建设成本、提高生产效率等方面有重要作用。

基于美国国家BIM标准（NBIMS）对BIM技术的定义，定义由三部分组成：

1）BIM是一个设施（建设项目）物理和功能特性的数字化表达；

2）BIM是一个共享的知识资源，是一个分享有关这个设施的信息，为该设施从建设到拆除的全生命期中的所有决策提供可靠依据的流程；

3）在项目的不同阶段，不同利益相关方通过在BIM中输入、提取、更新和修改信息，可以支持各相关方的协同作业。

BIM建筑信息模型的建筑构件语义化定义、数据转换及共享应用等过程中遵循通用的IFC国际标准。IFC标准使用EXPRESS语言定义，涉及包括建筑控制、消防管道、结构单元、结构分析、供热通风、电气、结构、施工管理等众多领域。最新版本的IFC4包含大量的类定义，有775个实体，418个属性集，390个数据类型。从下往上由资源层、核心层、共享层、领域层4层组成。资源层定义了21类可重复引用的实体与类型，如几何资源、拓扑资源、材质资源等。核心层定义了4类IFC模型的基本结构、通用概念和基础关系。共享层提供了5类通用对象，如建筑元素、管理元素、设备元素等。领域层定义了特定的8类专业领域，如建筑领域、结构分析领域、电气领域等。在IFC标准中，只允许上层资源引用下层资源，其可保证拓展领域层时，下层资源不受影响，有利于IFC架构的拓展与稳定。

BIM技术是创建和使用“数字孪生城市信息模型”（CIM）的基础工具，例如建设“智慧建筑”应用系统，可实现城市建筑物的能耗监测和全生命期的动态管控。

3. 3D-GIS

3D-GIS是以计算机软件和硬件作为依托，以空间数据库技术作为基础，对城市三维空间数据加以科学的分析和管理，为决策、规划、研究和管理提供逼真信息的一项全新技术。3D-GIS是随着计算机可视化技术的发展和2D-GIS的成熟，在20世纪90年代初开始为人们所关注的。在传统的GIS领域内，信息主要是以二维平面地图的形式呈现给使用者。这种形式继承了普通二维地图显示的特点，对移动设备的硬件条件要求较低，数据传输量较小，但其直观性和使用体验较差。进入20世纪90年代后，三维可视化与虚拟现实技术的迅猛发展使得建立3D-GIS成为可能。

城市3D-GIS技术是将虚拟现实技术用于城市环境及资源的仿真，对城市的真实地形、地上地下景观进行数字化三维模拟，给用户提供一个与真实城市一致的虚拟城市环境，具有三维浏览、三维空间分析、信息检索、辅助设计等功能。3D-GIS是一个综合性的研究领域，包括了计算机图形、三维可视化、虚拟现实、空间数据结构以及三维空间交互与分析等多项技术。例如最关键的三维可视化技术就是以三维立体的形式利用计算机图形技术和方法，对大量数据进行处理，用图形、图像的形式，形象而具体地显示出来，通过将科学计算过程及计算结果所产生的枯燥数据转换成直观的图形和图像信息，来仿真人脑映像的构造过程，帮助人们洞察数据所蕴含的关系和规律，以支持用户的判断和理解。通过交互式的图形、图像系统，能便捷地获得关于数据的直观、形象、深刻和全面的理解。三维可视化处理的流程包括数据预处理、几何变换、选择光照模型和纹理映射等。

围绕3D-GIS领域应用的研究热点有三维空间数据模型、三维拓扑数据模型、三维空间数据库、三维空间查询和三维空间可视化等。与2D-GIS相比，3D-GIS技术利用三维可视化技术对城市空间地理信息进行展现和分析，给人以更为真实的感受。同时，与虚拟现实技术融合，可以将城市现实物理空间环境中的视、听、动等行为全方位展现在数字孪生城市中。同时它具有独特的管理复杂空间对象和空间分析能力。

今天，3D-GIS技术已经深入到城市的各行各业中，如土地管理、电力、电信、水利、消防、交通以及城市规划等的数字化智能应用。

4. CIM

城市信息化经历了“实体城市→数字城市→传统智慧城市→数字孪生城市”的发展过程。在完全数字化的城市基础上建设数字孪生城市，是城市全面智慧化的关键、是实施新型智慧城市建设极其重要的战略步骤。实现城市彻底数字化的关键途径就是三维空间地理信息系统（3D-GIS）与建筑信息模型(BIM)之间的模型整合、数据融合和综合集成应用。但是BIM与3D-GIS的融合和集成应用并不是简单的将两个技术中的功能直接组合，而是需要建立整合的三维城市信息模型（CIM），对数据进行有序整合。

CIM是BIM与3D GIS的集成应用，是集成实景三维、BIM、新型街景、GIS、遥感等的新型空间信息技术手段，是城市空间信息的高度集成和真实再现，是数字孪生城市的地理空间信息平台和大数据集成中心。

在CIM构筑的过程中，CIM遵循的数据交换标准主要是City GML。City GML是一种用于虚拟三维城市模型数据交换与存储的格式，是用以表达三维城市模板的通用数据模型。它定义了城市和区域中最常见的地表目标的类型及相互关系，并兼顾了目标的几何、拓扑、语义、外观等方面的属性，包括专题类型之间的层次、聚合、目标间的关系以及空间属性等。在尺度表达上，City GML采用多尺度建模方式，即5个层次细节（LoDs）描绘了从城市宏观场景到建筑物内部的不同尺度、不同细节的信息。LoD0本质上是2.5维的DTM（数字地面模型）叠加在影像或地图上的粗糙表达，包含了建筑物的屋顶平面和底层平面。LoD1是块模型，建筑物表达为具备平顶结构的柱形体。LoD2为不同建筑加入了不同的屋顶结构和边界表面。LoD3为建筑提供了更加详细的墙、屋顶结构，甚至门、窗信息。LoD4是对LoD3的进一步完善，增加了详细的室内结构，如家具、楼梯等，具有最详细的几何、语义信息。

CIM及支撑平台是城市数字孪生体的信息载体，也是数字孪生城市的基础设施。该技术可构建微观宏观一体的、动态增长的、可支撑业务应用的、可更新和可追溯的全方位城市时空信息孪生模型，是实现城市数字孪生体资源集中管理与应用、信息互通与共享，并保证数字孪生城市规划一张蓝图的有效性和实时性的重要工具。

五、数字孪生城市的典型应用案例

1. 项目简介

“虚拟新加坡”是一个动态的三维城市模型和协作数据平台，包括新加坡的3D地图，成为供政府/企业/私人/研究部门使用的权威3D数字平台。

“虚拟新加坡”是一个包含语义及属性的实景整合的3D虚拟空间，通过先进的信息建模技术为该模型注入静态和动态的城市信息数据。该项目覆盖范围718平方公里、500-660万人口、16万幢建筑物、5500公里街道。于2014年-2016年1月完成城市空间初步数据采集，包括地理信息和城市设施（公交站、路灯、交通信号灯、高架桥）。

该项目得到了新加坡国家研究基金会（NRF）、新加坡总理府、新加坡土地管理局（SLA）和新加坡政府技术局（Gov Tech）的支持。NRF领导项目开发，而SLA将通过其3D地形图数据提供支持，并在虚拟新加坡建成后成为运营商和所有者。Gov Tech根据项目要求提供信息和通信技术及其管理方面的专业知识。其他公共机构在各个阶段参与虚拟新加坡建设。

实景整合的3D的虚拟新加坡（来源：新加坡政府技术局）

2. 项目可实现的具体应用

“虚拟新加坡”使来自不同领域的用户能够开发复杂的工具和应用程序，用于概念测试、服务、规划决策以及技术研究，以解决新加坡面临的新兴和复杂挑战。其可实现的具体应用包括以下几个方面：

合作与决策：利用不同公共部门收集的图形和数据，包括地理、空间和拓扑结构以及人口统计、流动和气候等传统和实时的数据，“虚拟新加坡”的用户能打造丰富的可视化模型并大规模仿真新加坡市内真实场景。用户能以数字化的方式探索城市化对国家的影响，并开发相关解决方案如优化环境、灾难管理、基础设施、国土安全及社区服务等有关的后勤、治理和运营。“虚拟新加坡”集成了各种数据源，包括来自政府机构的数据、3D模型、来自Internet的信息以及来自物联网设备的实时动态数据。该平台允许不同的机构共享和查看同一区域内各个项目的计划和设计。例如：虚拟新加坡可以根据当前和未来市政工程的规划提供一个可视化景观，这有助于相关机构能够相互协作，以协调各自的工程并优化整体设计和实施；可以在新设施周围建立通路，以在改扩建工程期间重新定向人流和交通流，最大程度地减少给公民带来的不便；在虚拟天桥中，规划人员可以预览人行天桥的各种设计方案，以及如何将其与已经进行了改造的社区公园无缝集成。

虚拟新加坡—决策优化应用

交流与可视化：“虚拟新加坡”提供了一个方便的平台，以可视化方式与市民进行交流，并允许他们及时向相关机构提供反馈。例如，雨花庄园是美国住房和发展委员会绿色计划的试验基地，该计划具有可持续和环保功能，包括太阳能电池板、LED灯、气动废物输送系统、增强的行人网络和扩展的自行车网络等。随着其对应的虚拟庄园的完成，美国住房和发展委员会可以用来展示绿色计划的可行性和好处。

改善公众可访问性：“虚拟新加坡”包括地形属性，例如水体、植被和交通基础设施。这与传统的2D地图不同，后者无法显示地形、路缘石、楼梯或坡度。作为对自然景观的准确表示，“虚拟新加坡”可用于识别和显示残疾人和老年人的无障碍路线。他们可以轻松找到通往公交车站或地铁站的最便捷路线，甚至是被遮蔽的道路。公众也可以通过“虚拟新加坡”的可视化公园来计划其骑行路线。

虚拟新加坡—可访问性改善应用

支持城市规划：“虚拟新加坡”可以提供有关全天环境温度和日照如何变化的信息。城市规划人员可以直观地看到建造新建筑物或装置（例如雨花庄园内的绿色屋顶）对温度和光强度的影响。城市规划人员和工程师还可以在“虚拟新加坡”上叠加热图和噪声图，以进行仿真和建模。这些措施可以帮助规划人员为居民创造更舒适、更凉爽的居住环境。“虚拟新加坡”还支持半自动化的规划流程，规划人员可以根据预设参数快速过滤感兴趣的建筑物。例如，在根据HDB Green print计划确定适合安装太阳能电池板的HDB块时，城市规划人员可以根据指定标准（例如层数和屋顶类型）快速过滤合适的块。

虚拟新加坡—支持城市规划应用

太阳能生产潜力分析：“虚拟新加坡”提供了建筑物高度、屋顶表面和日照量等数据。这使城市规划者可以分析哪些建筑物具有较高的太阳能生产潜力，因此更适合安装太阳能电池板。 进一步分析可使计划人员估计一天可产生多少太阳能，以及节省的能源和成本。通过与相邻建筑物历史数据的交叉引用，来验证以上分析的正确性，并进行季节性调整以反映出更准确更精细的预测。

虚拟实验与测试：“虚拟新加坡”可用于虚拟测试或实验，例如可用于检查3G/4G网络的覆盖范围，提供覆盖率差的区域的可视化地图，并突出显示可在3D城市模型中改进的区域。“虚拟新加坡”还可用作测试平台，以验证服务的提供。例如，新体育中心的3D模型可用于模拟人群分散，以在紧急情况下建立疏散程序。

3. 项目给用户带来的价值

通过适当的安全和隐私保护，“虚拟新加坡”使政府、公共机构、学术界、研究界、私营部门以及社区能够利用信息和系统功能进行政策和业务分析、决策制定、测试想法、社区协作和其他需要信息的活动。其应用带来的好处如下：

政府：“虚拟新加坡”是一个关键的推动者，将加强各种WOG计划（智能国家、市政服务、全国传感器网络、Geo Space和OneMap等）；

公民和居民：“虚拟新加坡”中的地理可视化、分析工具和3D嵌入式信息将为人们提供一个虚拟而现实的平台，以连接和创建丰富社区的服务；

企业：可以利用“虚拟新加坡”内的大量数据和信息进行业务分析、资源规划和管理以及专业服务；

研究机构：“虚拟新加坡”的开发创造了新的技术，如语义三维建模是一个新兴领域，可用于在多方协作、复杂分析和测试应用场景下的核心技术。