杨春立：基于数字孪生的智慧城市顶层设计探索与实践

数字孪生连续两年被列为当年十大战略科技发展趋势，也是赛迪网在2018年公布的智慧城市十大热词之一，数字孪生是一个集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，越多越多的城市建设者认为智慧城市的前提是将真实世界与虚拟世界一一映射，在虚拟空间中完成对城市的运营。

市场调研机构Gartner早在2017年就已经把数字孪生技术列入了当年十大战略科技发展趋势之中。在最近一次报告中，Gartner则是进一步预测，到2020年，互联传感器与端点将超过200亿，数字孪生将以数据为基础，服务于数十亿个物联网设备。

杨春立认为，关于智慧城市有两类顶层设计方法论。数字型是其中一种，这是院里评测中心软件和集成电路评测中心2010年左右提出的智慧城市顶层设计方法论，主要的理念是按照统承的思想，采用“梳子模型”对城市的建设和规划进行系统的设计。另外他还提出“双核一带全覆盖”五个功能区。

杨春立：尊敬的各位嘉宾下午好！非常高兴参加本次论坛，今天想跟大家一块探讨智慧城市的顶层设计。刚才张总提了几条我非常赞同：一是以人为本；二是一城一策；三是把时间维度和属性维度添加进来我非常赞同。

智慧城市这个理念开始提出以来，经过十几年的发展，我们可以看到城市在精细化管理、智能的运行甚至提高人们的生活品质方面发挥了很大的作用，这些作用集中体现在信息技术和城市发展在城市中的创新应用。

截止到目前，全球有1000多个城市都在积极的探索数字城市、无线城市、智慧城市，其实都在不同程度的探索。目前成为经济社会创新发展的载体，但是我们说十几年来智慧城市的建设成效是什么向的？实际上不太乐观，2017年发布的全球智慧城市战略指数，只有19个城市超过了50分，我们国家2019年开始提新型智慧城市，2016年我们国家发改委对新型智慧城市进行评价，第一年的评价报告来看，成效也不太乐观，平均分也不太及格，成熟分的城市为0，成长期的城市40个，超过17%的城市还是处于起步期，市民的体验刚刚及格。

为什么智慧城市经过这么多年的建设，为什么成效上存在不容乐观的情况？比如说重硬轻软，很多的市民沟通参与不够、智慧城市的运营模式不成熟或是没有成功，这里面提了十个，都归结为顶层设计，顶层设计方面存在或多或少的问题。

现在，我们顶层设计哪些方面存在难点和瓶颈？实际上现在很多的智慧城市在顶层设计的过程中，更多的是把它当成信息化的建设项目，信息技术的单纯应用出来进行顶层设计。还有在智慧城市顶层设计过程中不太注重总体的架构和整个实现路径，所以从目前来看，这些智慧城市的建设过程中又形成新一轮的信息孤岛，这就是我们现在智慧城市顶层设计过程中存在的突出问题。使得很多的智慧城市存在千人一面的局面，我们怎么对智慧城市进行顶层设计？

我们先来看看智慧城市顶层设计的演变，上面这张图是赛迪顾问梳理2009年，我们国家开始进行智慧城市建设。一直到今天，不同程度出台的相关战略文件，政策和相关的标准规范，有概念导入期和建设加速期、升级发展期，划分了三个阶段，不同的阶段中，我们出现的智慧城市顶层设计的方法论主要有以下几个方面：一是EA（企业架构），主要在企业信息化方面用到顶层设计方法，最大的特点是以业务驱动信息系统的建设；二是SOA（面向服务的架构），最大的特点就是实现了中立，把各个组件当成是服务的功能模块，在接口上独立于硬件、独立于操作系统、独立于编程语言；三是信息工程方法论，还有我们后面提到的Cobit IT治理，IT治理是国外的政府机构把IT的审计规则和相关的规范引入到智慧城市的设计理念来，最大的突出特点就是把智慧城市的构建目标和IT的审计规则有效的衔接起来，还有后面提到的信息技术或是IT服务论这套方法。还有共享服务的模式，非常契合今天我们提到的共享经济理念，就是把很多的共性功能，以高效低成本的方式提供给各个相关的部门。

还有后面列举的两点，这个是今天重点跟大家探讨的两类顶层设计方法论：一是数字型，这是我们院里评测中心软件和集成电路评测中心2010年左右提出的智慧城市顶层设计方法论，主要的理念是按照统承的思想，采用“梳子模型”对城市的建设和规划进行系统的设计。主要特点是采用的基于服务的SOA架构体系，功能模块紧内聚又实现了松耦合，大家梳头用的梳子大家都不陌生，他们可以拆卸，非常柔性、非常灵活的应用服务平台。

梳子上的一个一个的齿是多种多样的应用，它是相对独立存在的行业应用系统，与这些应用服务平台组装在一起满足智慧城市发展需求的各类应用。按照这种形式进行设计，可以从根本上消除信息的孤岛，保证投资的连续性，也能够对各类基础设施的适应性、适配性大大的提升，实现各个应用系统的集成，实现真正的业务系统，实现信息的共享，这是我们2010年前后提出的智慧城市“梳子模式”。

我们采用这种方法对几个城市进行了顶层设计，我们最早在北京市东城区开展的顶层设计，主要实现了“三化一体系”的发展战略，推进城市管理的精细化、公共服务的个性化、服务经济低碳化、构建政府服务各管理的支撑体系，整个架构包括五个，有一个网络基础设施的支撑，再就是两个服务，技术支撑的服务和综合服务的框架。另外两纵还包括网络安全和政策相关的标准规范。这是“梳子型”设计的顶层设计（如下图）。

后来我们又参与到上海张江城智慧城市发展规划，张江是作为上海国际科技创新中心核心功能承载区，是推进自由贸易区和自主创新示范区两大国家战略，实现“双自联动”的前沿阵地，我们提出“双核一带全覆盖”五个功能区，双核是指云计算大数据中心和智慧城市的运营中心，“一带”指南北创新剂科技信息服务带。五个中心包括智慧政务、智慧科创服务、智慧社区、智慧楼宇、智慧交通。

重庆市智慧南岸顶层设计，我们提出五层架构，五层框架包括感知的终端层、网络设施层、信息资源层、共享交换层、智慧应用层。

我们和联通共同做枣庄智慧城市架构，张总介绍中也能感受到数据量非常大，而且现在明显的智慧城市发展的特征就是以数据来跑路、以数据说明、以数据决策，整个智慧城市未来发展的重点也是以数据核心推动，智慧城市的建设中作用越来越突出。

我们基于“梳子型”顶层架构的方法论，我们提出三层的架构，第一层没有变，基础设施层；二是核心的赋能层，这一层主要解决城市里面大数据资源体系的构建，在这里面用数据资源层；三是释放能量、赋予能量层，各类的应用在这里。智慧城市是信息系统的大综合、大集成、大协同。

我们的基础设施、信息资源、应用服务、安全体系、体制机制、标准规范要实现综合，智慧城市覆盖的各个领域，经济、社会、文化、政治、生态五位一体方面。应用信息系统不是简单的堆积。它也是可以升级、演变的，这是我们当时认为的智慧城市，我们又形象构建了像一棵智慧树一样形成的智慧城市框架，底层的根基是基础设施，枝叶部分是服务，树干、核心是城市生命线的智慧运行。各类应用和城市里发展的各种产业，这是当时我们认为智慧城市是信息系统，大家可以看之前的这些顶层设计还是从信息系统维度进行顶层设计的，要做好智慧城市的顶层设计有三大原则：面向未来，有哪些问题、哪些需求，我们要面向服务的对象，面向有一定的前瞻和引领，要具有未来，而且还要考虑考虑服务的对象。

我们国家提新型智慧城市，智慧城市有建设的需求方，有提供解决方案方，有需求、有供给，对于这些需求和供给来说是不是智慧城市的主角？这些主角对城市的发展有什么样的智慧需求？追求经济增长、追求管理和追求服务的便捷性，解决方案提供商最终的关注点在哪里？这些都是我们在新型智慧城市顶层设计中需要重点考虑和解决的维度。新型智慧城市的目的、手段又在哪里？新型体现在哪些方面？新型智慧城市体现在以人为本，体现在新型智慧城市的建设，顶层设计、建设、应用过程中要有系统化的思维，它是一个系统工程。智慧城市这么多年的发展是不断的完善、不断升级、不断演进的过程，而且我们说新型智慧城市一定要有专业的服务在里面。当然这些智慧也在不断的演进升级，不同的时代内部的含义不一样，就是因为我们应用到了不同的以后，技术在演进、技术在不断的突破、不断的创新，推动智慧的层级在不断提升。

居住在城市里的居民、企业、政府，这些是城市服务的主体，对于城市来说服务的主体考虑到城市的可持续发展能力，城市的治理能力，这些是智慧城市今天所要考虑构建的目的和实验的技术手段，原来追求土地空间的发展，从这种模式中解脱出来。要把政府、企业和居民作为新型智慧城市建设中缺一不可的主体，明确各方承担的职责，特别要把居民主人公的意识激发出来，共建共治共享共惠的局面，数据是在自由的流动，是否合理的开发利用，可以合理的追踪责任和动态的分配利益。

当然，新型智慧城市也要体现我们时代的特色，政府层面要简政放权、放管结合、优化服务，要进行深层次的改革，基于新型智慧城市的考虑，我们在探索，是不是在原来智慧城市顶层设计的理念中，探索数字孪生加上数据模型CIM的方法构建新型智慧城市。

刚才主持人介绍了数字孪生大家都不陌生，最早起源于CAD软件，主要应于制造业领域的产品研发设计，其实到了今天，数字孪生仍然没有得到大规模的推广，最初是在轮船、飞机这种极端复杂的产品，在虚拟仿真领域应用比较多。今天，新型智慧城市建设过程中，在新型智慧城市的顶层设计里应该把数字孪生的这套技术、这套方法论引进来，所以我们提了数字孪生加城市信息模型构建新型智慧城市的这套方法论，核心就是以城市的信息数据为基础建立起三维城市的空间模型，和城市的信息形成有机的综合体。范围上来讲是一个大场景的GIS，地理信息空间数据加上一个小场景的BIM，CIM是在BIM的基础上进行提升，加上新兴的技术，物联网、人工智能和大数据有机结合在一起。技术上讲，就是数字孪生加上BIM形成的，好处是自动调动流程中各种信息。现实中有一个实体正在建设的城市，对应我们的软件里面，我们信息系统里有一个和它一模一样的模型。

CIM的前身是BIM，主要是起源于建筑信息模型，同时基于这些数字模型对项目进行设计、建造和运营管理，BIM的特点和建筑本身的全生命周期作为对象进行管理、设计、施工和维护。CIM基于BIM构建建筑物的轮毂、主体结构和物理设施的设计，实现建筑物各类资源的优化和应急方案预演以及对各个建筑群之间资源进行动态的优化和配置。从本质上来看，CIM就是由计算机三维模型的数据库创建建筑的信息，容纳设计、建成、使用甚至到后期的维护，全生命周期、全过程的信息。

数字孪生、BIM、CIM的本质思想是集成、并行、迭代，所有的应用程序和业务都是基于数据流，还有一个关键就是场景，把一个一个划分成相对独立的场景解决人和各个参与主体之间的业务关系。我们说基于数字孪生和城市信息模型构建的顶层设计，主要遵从几个理念：一是遵循大的视野，凸重点、重实效。立足以人为本，落脚智慧化建设，民生的需求，城市的功能定位出发，分析整个城市的核心优势和面临的短板，明确智慧城市的需求、分级、分类建设智慧城市。既注重新技术又注重信息安全。二是数据驱动，智慧城市更多的是数据的自由流动，数据来说话，数据跑路、数据决策，把城市的数据能够进行集成和动态分析。形成城市运行全生命周期动态管理，提升管理水平。三是注重多方的协同，通过参与主体多元利益相关交互参与，改变政府主导单一建设模式，从今天来看，越来越多的智慧城市，从政府主导的模式向社会共同参与，联合建设运营的多元化模式，很多城市都在向这些方面探索。

总体来看，随着今天技术的发展，CIM的这套方法论已经在技术上不存在任何障碍。基于这套方法论我们提出新型智慧城市的SMART模型，主要是由三层构成：

1、投入层，为实现战略目标所做的资源、技术的投入。

2、产出层，建设产生的应用平台、业务系统。

3、绩效层，是智慧城市将来运营成败最关键的一层。

新型智慧城市框架是什么样的？有一个通用的平台、开放的应用体系、共用基础的一张网、高效的城市运行指挥中心，明显的几个特征是基础设施层面强化共用，核心平台层又称之为操作系统层，最大的特点是能整合、通用，应用服务层是智慧城市成败的关键，最大的特点就是开放。

CIM的应用呈现，不同的呈现不管是智慧社区还是虚拟巡逻，管线的布控，都是划分成典型的应用场景。新型智慧城市和顶层设计方面的探索和应用，说到数字孪生，雄安新区这是在应用顶层设计方法论在构建，有物理实体的雄安在建设，系统里面也有跟它相对应的模型在构建，这套方法论最大的好处是通过数字模型模拟就能知道未来几年，比如说未来城市发展成什么样？假如说我引进产业、引进龙头企业能够带动多少就业，能够产生多大的产出，这是这套模型最大的好处，能够提前引领性的预示出未来新型智慧城市的发展格局。

当然国外也在积极的探索，比如说新加坡就有虚拟新加坡，他们已经在用这套方法论在构建。法国也有相应的城市在用这套方法论探索。

这是赛迪在智慧城市实践中一些案例，我们现在的实践是规划、建设、评估三方分离进行构建。

上午有演讲嘉宾提到诺贝尔奖获得者斯帝·格利茨提出影响21世纪两件事：一是美国的新技术革命；二是中国的城镇化。我们国家的城镇化，特别是新型智慧城市的建设承担了这个重任，承担了推动全球经济发展的重任。