数字孪生城市白皮书 002 数字孪生城市白皮书 华为技术有限公司 数字孪生城市白皮书 01 目录 第一章 CONTENTS 数字孪生城市的理解 1.1 城市孪生是通向智慧城市的“罗马大道” 04 1.2 数字孪生镜像平面是“虚实”镜像的介质 04 1.3 数字孪生城市是知识跨界融合的智慧结晶 05 1.4 数字孪生城市是多维技术融合的综合应用 05 第二章 数字孪生城市参考框架 2.1 数字孪生城市工程方法 08 2.2 数字孪生城市功能框架 09 2.3 数字孪生城市数据框架 10 2.4 数字孪生城市平台能力 11 2.5 数字孪生城市分级模型 12 第三章 华为数字孪生城市典型实践 3.1 打造数字孪生城市全景实验室 13 3.2 打造数字孪生第一城 15 第四章 数字孪生城市未来展望 数字孪生城市白皮书 02 引言 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 数字孪生城市白皮书 03 数字孪生 数字孪生是充分利用物理模型、传 数字孪生城市 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 2020 年 7 月大数据战略重点实 空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的 验室全国科学技术名词审定委员会研 全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的 究基地收集审定的第一批 108 条大数 概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依 据新词，报全国科学技术名词审定委 赖的装备系统的数字映射系统。 员会批准，准予向社会发布试用。 -- 百度百科 -- 百度百科 我们理解的数字孪生城市 运用数字技术在物理城市与数字城 市之间建立相互映射的关联关系，通过对 第一章 数字孪生城市的理解 物理实体、规则、边界、系统属性的数字化映射， 支持数字城市到物理城市的动态监测与模拟仿 真，实现城市从规划、建设、 管理到服务的全过程、 全要素、全方位、全周期的数字化、在线化和智 能化，依此指导优化城市面貌，重塑城市现 代化治理模式，促进城市的可持续高 质量发展。 数字孪生城市白皮书 04 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 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 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。 数字城市虚实融合，以数据驱动业务、业务融合智能，智能服务场景，场 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 景交互系统，系统虚实管控的新型城市治理模式呼之欲出。 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 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 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 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 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 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 能”场景为核心的智能城市已悄然而至。 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 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 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 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 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 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 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 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 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！ 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 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。 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 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 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。 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 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 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 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 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， 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 主要包括：计量终端（水务、燃气、热力、电力等），环境监测传感器 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、 （大气、水、噪声、辐射、土壤、生态等）。未来，具备多样复合能力的 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 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 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 能停车机器人、智能市政终端、智能监控终端等。 接的数量以及交互质量。 图 1 数字孪生镜像平面 数字空间/世界（赛博空间） 数字系统 影响 影响 数字虚体 （物、人、组织、环境） 动漫创意 转化 转化 数字内部 业务逻辑 虚体外部业务逻辑 平台+网络+智能设备 映射 映射 影响 转化 物理实体 物理内部 （物、人、组织、环境模型） 关系 物理系统 映射 数字孪生镜像平面 影响 转化 实体外部环境关系 物理空间/世界 已知但无法 定义事物 未知事物 数字孪生城市白皮书 05 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 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 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。 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 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。 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 BIM(Building Information Modeling) 技术是 Autodesk 公司在 2002 年 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 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 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 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 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 着城市信息技术需求的进阶，CIM (City Information Modeling) 一个新 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 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 现代化先进制造业中的核心概念。 用到城市生产生活中，继承并融合了 BIM 发展理念。 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， 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 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 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 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 催生的城市科技发展新理念。 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