数字孪生城市:赋能城市“全周期管理”的新思路

新冠疫情防控展示我国制度优势和人民力量的同时暴露出我国城市治理体系的诸多短板,将习近平总书记提出的“全周期管理”意识融入城市治理,阐述城市“全周期管理”的内涵、特征,指出实现城市“全周期管理”需突破城市运行规律隐蔽难寻、城市治理模式碎片化、公众需求多元化、公共决策环境复杂化、技术应用引发新问题等现实困境。

引入数字孪生方法,梳理归纳数字孪生城市的内涵、总体框架和特征,提出数字孪生城市赋能城市“全周期管理”的内在逻辑与实现路径。

研究认为,数字孪生城市作为新一代信息技术综合集成应用创新,能够帮助洞悉城市运行规律、构建城市治理的闭环链条、促进城市资源的灵活使用、践行以人为本的城市治理理念,推动治理协同、服务升级、科学决策、创新实践,全面赋能城市“全周期管理”。

一、引言

习近平总书记在湖北省考察疫情防控时强调:“要着力完善城市治理体系和城乡基层治理体系,树立‘全周期管理’意识,努力探索超大城市现代化治理新路子。”

城市“全周期管理”要求实现对城市治理全场景、全过程、全要素的综合管控,注重城市治理的前瞻性、整体性、系统性和协同性。

2020年初的新冠疫情防控充分暴露出我国城市治理还存在诸多短板和弱项,包括城市风险预警预测滞后、突发事件应急响应迟钝、资源统筹协调能力不足等,将“全周期管理”意识落实到城市治理的具体实践中还有很多现实困难,需要解决目前还存在的技术应用割裂、数据碎片化分布、治理协同难以达成等问题。

技术变革是城市治理现代化的重要推动力量,作为技术集成创新和要素融合发展的城市新形态,以虚实精准映射、数据驱动决策、自我迭代优化为主要特征的数字孪生城市很好地契合了习近平总书记提出的“全周期管理”意识,能够有效回应城市治理的各种困境,突破传统城市治理模式的限制,为城市治理现代化提供技术支撑。

世界上的一些地区和城市已开始数字孪生城市的规划设计和探索实践,比如我国雄安新区数字孪生城市、虚拟新加坡平台、法国雷恩3D城市、多伦多高科技社区等,贵阳、重庆、南京江北新区、陕西西咸新区等也都提出要打造数字孪生城市或者以数字孪生城市为导向推进智慧城市建设,可见数字孪生城市的建设理念和模式正在被越来越多地采用,已经成为得到认可的未来城市发展方向。

基于“理论需求→现实问题→技术方法→具体路径”的思路,首先阐释城市“全周期管理”的内涵和特征,梳理城市治理的现实困境;然后引入数字孪生城市,详细阐明这一概念的内涵、总体架构和特征,在此基础上进一步分析了数字孪生城市赋能城市“全周期管理”的内在逻辑;最后从不同维度提出数字孪生城市赋能城市“全周期管理”的具体实现路径,以期为“全周期管理”意识在城市治理领域的落实、促进城市治理能力和治理体系现代化建言献策。

二、城市“全周期管理”的内涵、特征和现实困境

(一)城市“全周期管理”的内涵

“全周期管理”(也称“全生命周期管理”)是一种现代化管理理念和管理模式,它强调对管理对象进行全过程、全方位和全要素的整合,优化组织结构、业务流程和资源配置,实现管理的集成化、系统化和协同化。

目前“全周期管理”主要应用于产品制造、项目管理等领域,要求对产品或项目全生命周期内各阶段的信息和过程进行管理、跟踪和控制,促进各个主体间的信息共享和利益协调,增强上中下游各个环节的紧密性和连贯性,提高产品质量、管理质量和服务质量。

习近平总书记提出在进行城市治理时要树立“全周期管理”意识,这为我国城市治理体系和治理能力现代化提供了新的方向指引。城市系统要素众多、结构复杂且处于动态变化之中,城市发展有着阶段性的成长过程,城市建设管理与产品制造或项目管理有着相似的周期性特征。随着城市的扩张、人口的聚集和技术的发展,城市治理面临越来越复杂的情形,城市要素相互关联影响,各类安全风险叠加交织,需要加强城市治理的前瞻性、整体性、系统性和协同性,以提高城市常态化治理和非常态化危机应对的能力,这些都与“全周期管理”的要义非常契合。

城市“全周期管理”要求将“全周期管理”的理念和方法贯穿到城市治理的全过程,优化城市运行体系和城市结构关系,重塑城市治理逻辑。

城市“全周期管理”强调将城市系统看作一个动态生长的有机生命体,实时观察城市的动态变化,洞悉和遵循城市运行规律,通过信息等要素的流动构建城市治理的闭环链条。在城市治理过程中要重视风险管理的前瞻性、各个环节的连接性、要素间的协同性和资源配置的有效性,提高城市战略布局、发展规划、建设管理的科学性。

(二)城市“全周期管理”的特征

⒈多维透视城市运行全场景

城市是人们生产生活的重要场所,城市治理的范围涉及经济社会各个领域,城市治理的主体和对象众多,城市治理相关事务千头万绪。城市“全周期管理”要求能够动态监测城市运行状态,把握城市运行规律,因此在进行城市治理时首先应有效解决城市治理场景“看得懂”“看得全”和“看得远”的问题,既要能从宏观上监测整个城市的运行状态,也要能从微观上呈现城市部件、城市活动的细节,达到城市运行全场景多维可视化的效果。进而深入了解城市运行机制,及时发现和诊断城市问题,综合分析研判城市运行态势,增强城市风险预警预测能力,提高城市治理的前瞻性。

⒉贯通管控城市治理全流程

许多城市治理活动都具有周期性和阶段化特征,比如城市的规划、建设和管理,公共政策的制定、执行、评估和监督,公共产品的需求感知、方案设计、生产制造、投入使用和用户反馈,城市风险的识别、评估、应对和监控等。城市“全周期管理”强调在进行城市治理活动时要注重全流程的贯通管控,使城市治理活动的各个环节前后连贯、紧密相扣、形成闭环,并且抓好每个环节的质量管理,让权力运行、指令传达、信息流转、资源配置、应急处置等变得更加顺畅和规范化。

⒊统筹协调城市系统全要素

城市政府职能实现的可能性是职权、职责等内在要素与人、财、物等现实资源的综合函数。[9]城市“全周期管理”要求实现城市治理主体、治理手段、治理资源、治理机制等要素的统筹协调,尽量减少各个要素本身及要素间的冲突矛盾。在政府、企业、非营利组织、公民等众多治理主体之间构建相关利益的分配和调整机制,创新性地应用各种有利于多元主体参与和管理协同的技术手段,促进城市的共建、共享、共管和共治;明确政府部门的基本职责、结构关系、治理边界和合作方式,构建常态化以及非常态化协同治理体制机制。

⒋以人民为中心的价值追求

城市是人们聚集生活的重要场所,承载着人们对美好生活的向往,城市治理的好坏与市民的生活质量、幸福感受息息相关。坚持以人民为中心是习近平新时代中国特色社会主义思想的重要内容,也是城市“全周期管理”所追求的价值目标。以人民为中心要坚持共享发展的理念,让公众参与到城市发展过程中来,提高公众的获得感。

要全面感知和判断人们的真实需求,让公众和公共服务组织共同参与公共服务生产,有针对性地提供公共服务,从而实现公共服务供给和公众真实需求的最优匹配以及公共价值的共同创造。

(三)城市“全周期管理”的现实困境

⒈城市系统动态变化,城市运行规律隐蔽难寻

城市系统是一个开放复杂巨系统,各类要素和各个子系统之间彼此关联、相互影响,这导致城市的结构和功能都处于动态变化之中。在城市发展过程中信息网络、交通网络、社会关系网络等的建立健全让不同主体、不同领域、不同地域之间产生了越来越多的互动关系和关联关系,人员、信息、物资、能量等在城市系统内频繁流动,不仅让整个城市的运行规律变得越来越隐蔽复杂,也为风险的形成、扩散、耦合和衍生提供了机会。近年来,自然灾害、社会安全、公共卫生等各类突发事件频发,新兴技术带来的安全风险也不断涌现,城市发展逐渐呈现出非线性和不确定性等特征,亟需新的技术方法和理论提高对城市系统及其相关风险的认知。

⒉城市治理模式碎片化,城市治理效率亟待提高

传统城市治理体系内部模块之间相互割裂、缺乏有机协同,无法有效处理跨界性、复合性公共事务。在条块分割体制下,政府信息系统由各部门独立建设,很多碎片化信息和数据资源无法得到有效整合和利用,跨部门信息共享和业务协同难以真正落实。

横向的功能性分工和纵向自上而下的权力运作方式也导致科层制组织结构效率低下,部门间缺乏沟通合作,无法适应环境的动态变化。

长期以来,我国城市治理缺乏多元共治的理念,在政府主导的管理模式下企业、非营利组织、公民等其他主体的参与度较低,而政府只能在纷繁复杂的城市治理事项中进行挑选,将有限的资源分配给有限的治理事项。

随着城市化进程的不断加快、城市问题的日趋复杂和城市安全风险的多元变化,这种缺乏整体性和灵活性、效率低下的城市治理模式已无法满足城市可持续发展的需要,亟待进行城市治理手段方法的创新和城市治理体制机制的变革。

⒊公众需求日益多元化,公共服务供需匹配不足

人们对公共服务的需求日益多元化,对公共服务供给提出了精准化、便捷化、个性化、智能化等更高的要求,这就要求政府能够动态调整和持续优化公共服务供需关系,创新公共服务供给方式,提高公共服务供给的质量和效率,促进城市的精细化治理。而我国公共服务面临着供给规模受限、供给结构失衡、供给主体单一、供给效率低下等问题,亟需优化公共服务供给模式,与公共服务相关的网络舆情和维权事件的爆发便是公共服务供给深层次、结构性矛盾的信号。有效沟通渠道的缺乏则阻断了政府和公众的互动连接,公众只能被动、单向地接受公共服务,政府难以有效感知公众的需求和作出适应性调整。

⒋公共决策环境复杂化,需提高公共决策科学性

城市系统各种要素流的大规模输入、输出导致城市管理极具复杂性,政府的决策事项常常交织着各种矛盾、融合了各类变量,决策者有时需要在目标模糊、动态发展、结果不确定等情形下作出决策。传统的政府决策模式主要依靠决策者的直觉判断和主观经验,需扩大信息基础、广泛吸纳民意、实时灵活反应,分析和回应社会各个层面的变化。然而在城市治理过程中,决策主体往往因为技术、信息、知识、资源等的限制而无法清晰了解城市问题的真实状况、形成原因和作用机制,给出缺乏科学性、合理性和针对性的解决方案,最终失误的决策则可能会损害公共利益、触发社会问题、催生社会风险。

⒌技术治理尚未成熟,技术应用引发新问题

第四次工业革命的到来促进了技术的飞快发展,城市则成为前沿技术的“试验场”。物联网、人工智能、大数据、区块链等新技术逐渐成为城市治理的“锐器”,在城市治理的各个场景得到广泛应用。我国各个省市纷纷推出各类技术治理项目,包括杭州的“城市大脑”、上海的“一网统管”等,提高了城市治理效率,便捷了社会公众生活,推动了城市治理的现代化。然而有些城市政府在还没有搞清楚自身需求和治理逻辑的情况下投资各种信息化建设工程项目,资源的投入实际上并未提高治理的效率。

我们享受着技术带来的红利的同时,也承受着技术带来的风险和代价,包括技术本身的安全隐患、对公民权利的侵犯、技术鸿沟的扩大、治理权力的集中、治理绩效的内卷化等。

三、数字孪生城市的内涵、总体架构和特征

(一)数字孪生城市的内涵

数字孪生的思想最早由美国密歇根大学Michael Grieves教授在其产品生命周期管理课程中提出,包括物理空间的实体产品、虚拟空间的虚拟产品以及两者之间的连接三个要素,最初被描述为“镜像空间模型”。

美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration)和美国空军研究实验室(Air Force Research Laboratory)在提出合作构建未来航天器的数字孪生体给出了数字孪生的定义:数字孪生是一种集成多学科、多物理场、多尺度、多概率的仿真过程,基于物理模型、历史数据以及传感器实时数据构建完整映射的虚拟模型,刻画和反映物理实体的全生命周期过程。

数字孪生被全球最具权威的IT研究与咨询公司Gartner列为2019年十大战略性技术趋势之一,美国通用公司和ANSYS公司、德国西门子公司、法国达索系统公司、德国软件公司SAP等外国企业都致力于将数字孪生技术与自身业务相融合,百度、华为、阿里、科大讯飞、紫光云等国内科技公司也开始提出基于数字孪生的智慧城市解决方案。

目前,已有部分城市政府开始将数字孪生的理念融入城市建设和管理中。

2015年,新加坡政府和达索系统公司宣布合作开发“虚拟新加坡”,构建新加坡城市3D数字模型,形成具有动静态数据和可视化技术的协作平台。

2018年,河北雄安新区规划纲要提出要坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设,打造具有深度学习能力、全球领先的数字城市。

数字孪生城市是数字孪生拓展到整个城市系统中的应用,基于物理城市再造一个与之精准映射、匹配对应的虚拟城市,形成物理维度上的实体城市和信息维度上的虚拟城市同生共存、虚实交融的城市发展形态[3]。融合了丰富城市数据(比如人口普查数据、社会经济数据、能源消耗数据等)和虚拟3D模型的城市信息模型(CIM)是数字孪生城市的基础,在此基础上虚拟城市与实体城市建立全面实时的联系,从而实现对城市系统要素全生命周期的数字化记录、对城市状态的实时感知以及对城市发展的智能干预和趋势预测。

数字孪生城市改变了城市规划、建设、管理的底层逻辑,将为城市治理注入新的活力。Dembski等展示了德国赫伦贝格市的数字孪生城市模型,将数字孪生城市做成一种协作和交流的工具,帮助公民更好地理解涉及公共决策的城市问题潜在解决方案,促进公民参与。Schrotter和Hürzeler也认为数字孪生城市为公民在城市治理中的参与提供了新的途径。Fan等提出了灾难城市数字孪生范式的设想,认为数字孪生可以在城市灾难响应和应急管理中起到增强评估、辅助决策、协调和分配资源等作用。Du等提出将数字孪生应用于针对城市居民实时信息的建模过程,以解决复杂信息驱动的认知超负荷问题,为未来智慧城市的个性化信息系统奠定基础。

(二)数字孪生城市的总体架构

数字孪生城市是物理城市和虚拟城市交互融合的城市新形态,是一个涉及多门技术、多源数据、多类资源、多元主体和多种活动的复杂巨系统。数字孪生城市构建了一个城市级数据闭环赋能体系,通过城市状态的实时感知、城市数据的汇集和分析、城市决策的模拟仿真、城市资源的统筹协调、城市问题的智能处置,实现数据在城市全生命周期中的循环以及物理城市和虚拟城市的交互。整个数字孪生城市通过物联感知和网络传输实现由实入虚,在虚拟空间进行仿真模拟和科学决策,然后通过决策指令的传达对物理城市运行状态进行干预,由虚入实,促进城市资源的优化配置和城市发展模式的适应性调整。优化后的城市再一次被感知,进入下一个虚实循环,就这样物理城市和虚拟城市不断交互,最终实现城市发展的持续优化(参见图1)。

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数字孪生城市的总体架构如图2所示。基础设施层包括感知设施、网络设施、计算设施和测绘设施,旨在实现对城市的全面感知和动态监测。智能中枢层由城市大数据平台、城市信息模型平台、共性技术赋能与应用支撑平台、智能操控平台组成,城市大数据平台汇集各类静动态城市数据并对数据进行融合处理,城市信息模型平台可视化呈现城市信息,模拟仿真城市真实运行情况、城市决策效果等,共性技术赋能与应用支撑平台为数字孪生应用提供技术支撑和各类共性基础服务,智能操控平台是数字孪生城市的“指挥中心”,集成各领域运行平台,对城市状态进行综合研判,作出科学决策,统筹发布各项指令。在应用服务层,城市业务场景、城市主体和城市资源三者实现灵活匹配和有机结合,形成各类超级应用和行业应用。

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(三)数字孪生城市的特征

⒈全域数字化标识,城市被立体感知

在数字孪生城市中,每一个城市物理实体都有唯一的数字化身份标识,作为在虚拟空间中用于区分实体身份的基础信息。通过大规模部署在空、天、地、海各个层面的传感设备,城市中人、事、物的状态信息被感知和输送到虚拟世界,并借由城市信息模型在虚拟世界得到完美复制。基于数字化标识和物联感知体系,数字孪生城市实现对城市全域、全周期信息的立体感知,展现包罗万象的城市全景图。

⒉物理城市和虚拟城市形成精准映射

通过在城市信息模型上加载静动态数据,模拟仿真构建出与物理城市对应的虚拟城市模型,实时同步数字化展示物理城市的真实状态,从而实现物理城市和虚拟城市的精准映射。物理维度的实体城市和信息维度的虚拟城市同步共生、完全镜像,城市要素在虚实两个空间一一对应,物理城市的任何变化都能在虚拟城市中得到反映,同时虚拟城市通过决策输出也能干预和优化物理城市的各类活动,两者交互融合、协同发展。

⒊城市级数据闭环赋能体系的形成

数字孪生城市以数据为驱动,形成整个城市级、全周期的数据闭环赋能体系,从基础设施层的物联感知、数据采集、数据传输到智能中枢层的政务数据、国家统计数据、行业数据、互联网数据等数据的融合汇集,形成统一的城市数据目录,面向各主体提供同一标准、不同层次的数据服务,支持城市治理各个环节的数据开发和应用,为整个城市的管理、决策和服务提供基础支撑,极大地释放数据价值。

⒋城市系统的持续迭代优化

数字孪生城市在对城市运行状态进行实时动态监测的基础上,进行综合数据分析、问题诊断、模拟仿真,然后在智能操控平台上进行科学决策和指挥调度,对城市运行状态进行智能干预。这种虚实互动不仅可实现对城市复杂运行规律的洞悉、对城市问题的快速响应,更可减少城市发展过程中的不确定性,实现城市系统的持续迭代优化。

四、数字孪生城市赋能城市“全周期管理”的内在逻辑

数字孪生城市的本质是通过物理世界和虚拟世界之间的精准映射、协同交互、动态反馈,发现、分析和解决城市治理过程中的隐蔽性、复杂性和不确定性问题,促进城市资源的配置效率,形成城市建设和治理的新模式。建设数字孪生城市能够帮助人们洞悉城市运行规律、构建城市治理的闭环链条、促进城市资源的灵活使用、践行以人为本的治理理念,从而突破城市治理的现实困境,全面赋能城市“全周期管理”,实现城市规划、建设、管理的全场景透视、全流程管控、全要素统筹,实现以人民为中心的价值追求。

(一)数字孪生城市能够更好地洞悉城市运行规律

数字孪生城市可根据应用场景的需要实时生成各个尺度的城市图景,展示二维模型无法提供的很多空间和属性信息,通过虚实城市的精准映射解决城市治理场景“看不懂”“看不全”和“看不远”的问题,突破目前推进城市“全周期管理”面临的技术瓶颈。

从二维到三维的转变增加了人们对城市的立体视觉感受,实时的数据呈现和模型渲染可以更加直观地观察各类城市要素,监测城市运行过程,了解各类城市部件、城市建设项目的全生命周期变化(参见图3)。

以北京市通州区城市地下管线管理为例,该区涵盖供水、燃气、电力等多个领域的市政道路地下管线布局图全部实现三维立体化,使整个错综复杂的神秘“地下城”得以清晰展现,在发现问题之后维护人员只需要通过特定的手机或电脑App就能够了解地下管线的复杂布局,“透视”整个地下管线的详情。

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不同领域、不同尺度、不同维度、不同事件的城市图景可视化不仅有利于清晰展现城市资源的空间布局、城市要素的流动情况、城市结构和功能的发展变化、城市治理活动的完整过程等,还能在大数据、人工智能、模拟仿真等技术的支持下对汇集起来的时空大数据进行综合分析,模拟城市事件、决策预案等的过程,深入挖掘城市运行规律,预测城市发展趋势。

比如南京江北新区在其智慧城市规划中提出要建设“全国数字孪生第一城”,致力于构建数字孪生智慧城市系统,在这个系统中既可以对其中央商务区进行大场景还原,也可以对具体片区进行精细化呈现,得到的不同尺度的城市图景与人工智能、仿真建模等技术相结合能够刻画城市全貌、呈现城市趋势和推演城市未来,为城市建设、城市管理和企业发展提供有益指导。

(二)数字孪生城市有利于构建城市治理的闭环链条

在数字孪生城市背景下,城市治理闭环链条得以完整构建,让城市治理活动的过程和环节更加紧紧相扣,让不同城市治理主体能够充分沟通交流,让分散的信息和资源得以循环流动和合理利用,从而使整个城市治理更具整体性、系统性和协同性。数字孪生城市促进了治理结构的清晰明了、治理资源的充分共享、治理主体的通力协作、治理过程的有效把控、治理结果的科学评估,解决了城市治理碎片化、无序化和难量化的问题。

虚实互动、综合集成的数字孪生城市能够有力支撑技术融合、业务融合、数据融合,帮助实现跨层级、跨地域、跨系统、跨部门、跨业务的协同管理和服务。数字孪生城市通过基础设施和共性平台的建设、各类资源的集中管理和技术模块的重复使用为政府内部结构优化和城市治理各个环节提供基础支撑,通过城市信息模型和动态数据加载可视化展现城市的发展变化,让城市治理前台(包括城市状态、公众需求等)和后台(包括态势研判、综合决策等)得以充分连接和融合,打通“三融五跨”的“任督二脉”,为城市治理闭环链条的构建奠定坚实的基础。

比如上海临港通过无人机巡查、摄像头监控、传感器感应等方式对垃圾违规倾倒、行人违规通行、建筑违规建造、人流密度过大等城市问题进行识别和监测,然后将与问题有关的图片、视频、文字等信息汇集到城市大脑平台上进行综合分析和决策,确定问题性质和责任归属之后推送给相关人员进行处理,形成从“主动发现”到“智能派单”再到“问题处理”的城市管理闭环,促进城市精细化管理。

数字孪生城市帮助追踪和监测城市规建管、城市项目运作、政府权力运行等活动的完整过程,智能分析城市各类参数的变化、人类行为的模式、突发事件的走向和城市发展的趋势,为各类城市治理主体适时调整城市治理决策和行动提供依据,不仅能够优化城市常态化的全周期管理,也能帮助城市在突发事件发生后快速转化为应急响应模式。

以安徽省铜陵市“城市超脑”项目为例,作为基于城市数字孪生平台的综合应用工具,安徽省铜陵市“城市超脑”项目通过城市数字底座、能力中台、应用场景的建构和融合,提高了城市问题感知、科学决策和协同治理的效率和质量,该项目在新冠疫情期间快速上线多个与疫情抗击相关的场景,为每日疫情的可视化展现、防控决策的动态调整、城市事件的及时处理、重点地区的安全防控等提供了强有力的支撑。

城市治理闭环链条还能为城市治理活动全过程数据档案的建立提供支持,不仅能帮助及时发现和纠正治理过程中的错误、适应性调整治理思路、量化评估治理效果和复盘总结治理经验,还能促进对城市治理主体权力运用和职责履行情况的监督,以达到规范各主体治理行为的目的。吉林省高级人民法院为规范工作人员的司法行为建立专门的审判监督管理平台,让工作人员的所有操作都在平台上全公开、全留痕、可溯查,实现对案件办理的全流程和全方位监管。

(三)数字孪生城市促进城市资源的灵活使用

传统智慧城市建设缺乏顶层设计和统筹管理,经常出现信息系统重复低水平建设、建设标准不统一导致的系统不能互联互通和信息共享受阻等问题,政府和企业投入很多但资源利用率却很低,没有达到应有的治理效果。

数字孪生城市则通过数据的全面采集、资源的开放共享、技术的共同研发、需求的充分感知、服务的人机交互等方式,将分散在不同领域和不同系统的数据资源进行汇聚融合,让共性技术能力能够被重复使用,使政府、企业、行业组织、科研机构和公众等都融入城市治理体系之中,形成以应用场景为基础、以问题为中心的资源使用模式。

数字孪生城市的各类共性开放平台按照统一标准向各类主体提供可以重复使用的通用资源,包括信息基础设施、数据资源、算法代码、计算资源、模型资源等,以及数据服务、场景服务、仿真服务等基本服务,实现城市治理资源的集中式建设和管理。

各类主体不再需要单独投资建设基础设施和采集数据,也不需要担心技术的更新换代带来资源浪费和需求无法满足等问题,对平台资源可以按需获取、即拿即用,由平台进行更新、升级和维护,从而降低使用主体的建设成本、资源获取的时间成本和主体间的沟通成本,优化各主体获取资源的路径,提高城市资源使用的灵活性。

在发生突发事件时,数字孪生城市也能够迅速匹配相关城市治理主体,合理配置数据、技术、人力等资源,帮助各主体快速作出响应。京东科技集团帮助雄安新区打造了一个集数据汇集、数据管理、数据服务和AI赋能等功能于一体的开放式智能城市大数据平台,该平台能够实时汇聚和融合全量多模态的城市数据,促进各领域数据的互联互通、统筹管理和创新应用,支撑不同政府业务系统的构建和发展。

(四)数字孪生城市践行以人为本的治理理念

数字孪生城市能够提高城市治理的清晰性,促进公众对城市治理活动的关注和参与。从治理对象看,城市问题纷繁复杂,由于城市治理主体能力和精力有限、城市资源数量有限,很多公众关心但相对隐蔽或复杂的城市问题并没有得到关注和重视。在数字孪生背景下,城市全域数据的实时感知和城市信息模型的构建实现对城市要素的数字化表达和动态监测,让更多社会事实(尤其是隐形的社会事实)变得“可见”“可读”和“可知”。

江西省鹰潭市以物联网技术为抓手,大力推动数字孪生城市的发展,构建了一个集物联感知体系、地下8大类三维数字管网模型于一体的智慧管网信息平台,用于感知城乡融合中的痛点难点问题,在此基础上推动了智慧水表、智慧路灯、智慧净水器、智能家居等百万量级的物联网应用,为公众生活带来了全新的体验和感受。

从治理过程看,事务处理流程和权力运行过程都实现数字化和可视化,行为人与其行为相关数据形成一一对应的映射关系,整个治理过程可以得到追溯,便于进行事后追责和接受公众监督。从治理结果看,全面真实的数据、智能精准的计算、直观明了的可视化评价方式代替以往依靠人工信息填报和简单计算、主观打分、计算过程非公开的评价方式,让城市治理结果变得更加清晰,让公众能直观了解、感受和判断城市治理带来的变化。

数字孪生城市的建设有利于改善公共服务内容,优化公共服务供给模式。数字孪生城市形成的丰富、全息、动态的城市画像和个人画像能够帮助政府、企业等公共服务供给方精准感知公众需求,准确设计和灵活调整公共服务供给的内容、方式和数量,从而提高公共服务的质量和效率。数字孪生技术还可以虚拟化展现各种服务场景,包括虚拟政务服务大厅、虚拟景区、虚拟学校、虚拟医院等,为公众提供立体式、沉浸式、交互式的虚拟服务,增强公众的服务体验和感受。《上海市促进在线新经济发展行动方案(2020—2022年)》已经明确提出要创新发展旅游景点、专业化会展的在线展览展示,大力支持互联网教育服务和内容创新,积极推广基于5G技术的远程医疗应用。

五、数字孪生城市赋能城市“全周期管理”的实现路径

(一)改变碎片化的城市治理模式,促进城市治理的全方位协同

⒈重塑城市数据结构,形成以问题为中心的协同工作机制

数字孪生城市改变城市数据的获取方式、分布结构和使用模式,打通整个城市数据的脉络,重塑城市数据结构。从获取方式看,通过物联感知体系实现城市数据的直接获取,能够实时感知城市运行状态,及时发现城市异常情况;从分布结构看,分散在各领域的数据全都汇集到城市大数据平台进行统一管理,便于标准化处理和广泛共享;从使用模式看,可以对经过汇集和处理的数据进行排列组合,根据不同的应用场景形成数据模块提供给相关主体使用。

政府部门可以基于这种新的数据结构,以识别出的城市问题为中心,通过数据调用、模型建构和数据分析等环节对城市问题进行研判并作出决策,协调各相关部门共同对问题进行处理,形成高效率、有弹性的协同工作机制。这种以问题为中心的工作机制有利于降低制度性交易成本、提高协作效率,在一定程度上解决城市治理的协同、全周期管理和应变能力等难题。

⒉变革城市管理体制,形成权责清晰的协同化组织结构

数字孪生城市加快技术融合、数据融合和业务融合,促进政府组织结构的调整和优化。首先,利用城市大数据平台、城市信息模型平台、共性技术赋能和应用支撑平台帮助和带动政府各部门内部、部门与部门之间进行数据共享、功能整合、结构调整和流程再造。借助仿真方法模拟工作场景、数据流动和各方行为,厘清政府内部的运作机制,明确部门的权力范围、责任边界和合作方式,为协同工作机制提供组织结构支撑。其次,设立专门的数据治理机构,进一步明确数据治理机构的功能定位、人员配置等,以协同政府数据治理工作。虽然目前一些地方政府已经建立了专门的数据治理机构对整个政府数据进行统一管理,但相关工作还处在探索与起步阶段[49],未来数据治理机构的组建方式和职能设置将会更加科学合理。

⒊赋能城市治理相关主体,形成多元主体参与的协同共治模式

首先,数字孪生城市为政府、企业、公众等城市治理相关主体创造一个协作环境。基于数据分析和仿真建模等技术为各类主体提供可视化、易理解的城市模型,让其能够读懂城市、了解城市治理的相关政策和技术手段,判断城市治理效果。其次,城市数据资源和技术资源的开放共享在提高资源利用效率的同时增强城市治理各类主体的数据获取和开发能力,让各类主体即使不具备专业知识也能够调用数据和相关技术进行开发活动,提高各类主体参与城市治理的积极性,让他们发挥各自的优势,创造更多的社会价值。再次,数字孪生城市加强人与人、人与物、物与物之间的连接,有利于加强多元主体间的互动和沟通,政府、企业、科研机构等将会围绕数据、技术等展开更多的合作。公众可以通过传感器、移动设备等向相关主体反映城市问题、表达利益诉求、反馈服务体验,还能以可视化的方式了解问题解决进度和最终呈现的效果。

(二)优化公共服务供给模式,促进公共服务全线升级

⒈深化公共服务供给侧改革,着力推进公共服务精准化

利用数字孪生城市的数据和技术优势,充分感知公共服务需求,协同公共服务供给主体,优化公共服务资源配置,以深化公共服务供给侧改革,着力推进公共服务精准化。首先,应提高感知数据的质量和数据分析的能力,基于个人基本数据、个人行为数据和其他城市数据等生成公共服务需求者的个人画像,提取不同需求者的属性特征,精准识别和预测不同需求者的服务需求。其次,对不同需求者进行分类,设计、模拟、推演、对比和匹配相应的公共服务提供方案,精准计算和统筹安排所需的公共服务资源,向需求方提供不同层次、不同类别的公共服务,数字化跟踪和可视化展现公共服务资源的使用情况,力求实现服务需求和服务供给的有效匹配和服务资源的动态调整,实现公共服务供给的可视和可控。最后,可以利用各种技术手段获取公共服务供给方的行为数据,对供给方的行为进行模拟仿真,智能识别公共服务供给过程中的问题,用这些数字化证据对供给方提供公共服务的过程进行监管。

⒉创新公共服务方式,增强公共服务体验感

在数字孪生城市建设过程中,应借助机器学习、可视化建模、VR等技术推动公共服务方式向虚拟化、智能化方向发展,实现公共服务产品生产的低成本试验试错和公共服务方式的多元化。以医疗服务为例,可通过智能手环等智能可穿戴设备监测和收集人们的生命体征数据,形成个人医疗健康信息档案,通过建模完美构建出虚拟人体,专家基于这些数据和模型可以进行远程可视化会诊、虚拟手术验证与训练、药物研发等。

(三)以数据驱动决策,提高公共决策科学性

⒈充分挖掘海量数据,改变议程设置模式

数字孪生城市大数据平台有着庞大的数据资源体系,这些数据资源来自空、天、地、海不同层面,涵盖政治、经济、社会、文化、生态、能源等不同领域,涉及政府、企业、媒体、专家、公众等不同主体,隐含着众多城市问题和公众利益诉求,能够为公共决策提供丰富的信息。利用知识图谱、文本分析、语义识别、机器学习等方法对这些数据进行深度分析,智能识别城市问题,同步可视化呈现城市问题的场景,计算城市问题、公众需求和政府资源的匹配度,根据匹配度决定是否开启相关政策议程。由此通过对数据的挖掘实现城市问题、公众需求和政府注意力的三源合流,旨在改变传统由精英阶层掌握的政策议程触发机制,形成以数据为驱动的议程设置模式[51]。

⒉增强决策的预见性,实现决策的迭代优化

数字孪生城市通过一体化的感知监测体系监测城市运行状态,通过城市信息模型集中可视化呈现各领域实时信息和城市运行效果,通过智能操控平台合理配置资源和远程干预城市运行状态,能够为城市问题的跟踪识别以及决策方案的生成、选择、执行、反馈等各个环节提供数据支撑,帮助决策者进行前瞻性的预判、制定全局最优的决策方案和有效应对各类突发事件。

当监测到异常情况之后,整个智能中枢层便迅速作出反应,进行态势研判,自动生成决策方案。基于城市大数据和城市信息模型对问题场景和决策方案进行仿真模拟,可视化呈现决策效果,再通过智能操控平台快速形成决策建议,自动分发给相关部门予以执行,或直接向智能设备发布任务指令。然后动态跟踪和监督决策执行情况,根据实时反馈的数据进行效果评判和经验总结,缩短“数据获取→数据分析→综合决策→效果反馈”的周期,通过虚实城市的互动、数据和指令的交换实现公共决策的迭代优化。

(四)促进技术研发和应用,助力城市治理创新实践

⒈为技术研发和社会应用提供试验机会和观察窗口

虚实精准映射、资源协同共享的数字孪生城市有利于超前研判技术的应用效果以及带来的社会影响,应充分利用数字孪生城市为技术研发和社会应用提供的试验机会和观察窗口。在数字孪生背景下,政府、企业等可以数字化复制还原各类要素、可视化技术研发环境和过程、模拟仿真应用场景,为技术研发和应用提供一个可拆解、可复制、可转移、可修改、可删除、可重复操作的虚拟环境,对各类新技术应用场景进行逼真的虚拟验证和参数调试。当技术经过验证真正投入社会应用,还应通过物联感知形成的虚实精准映射收集相关技术使用的动态反馈数据,实现对技术项目的全生命周期监管。

⒉为城市治理创新提供良好的平台资源和生态环境

数字孪生城市建设过程将推动从事测绘、物联网、云计算、大数据、CIM、仿真、人工智能等相关技术研发和应用的企业进行广泛合作,形成庞大的产业链。数据资源、模型资源、技术资源、知识资源等要素将逐渐汇集到相应的平台上,不同来源的数据、不同尺度的城市信息模型、不同用途的技术、不同领域的知识交互融合将会涌现大量城市治理创新点。要素的流动、资源的共享、技术的合作等紧密联系政府、企业、科研机构等相关主体,促进城市创新生态系统的形成和优化,形成主体有效协作、资源优化配置、价值协同共创的创新氛围。城市治理主体还可以利用城市信息模型和模拟仿真,对项目的创新环境、创新需求、创新效果等进行综合评估,决定是否针对创新点开启创新议程以及资源投入的多少,增强城市治理创新的可行性评估和成本控制。

六、结语

城市是人们生产生活的栖息地和实现经济社会各项功能的重要载体,城市治理不仅关乎个人的生活质量,更是国家治理的重要组成部分,影响着国家治理体系和治理能力现代化进程。然而信息技术的迭代发展、系统要素的频繁流动、公众需求的不断变化、突发事件的频繁发生、安全风险的叠加交织等都加大了城市治理的难度,扩展着城市治理的边界,让城市治理面临极大的复杂性和不确定性。

传统的碎片化城市治理模式和单点式的技术应用模式已经无法满足动态化、清晰化、精细化、个性化等城市治理新需求。城市“全周期管理”是将“全周期管理”理念和模式引入城市治理领域的重要创新,也是习近平总书记对城市治理现代化提出的新要求。

城市“全生命周期”管理强调将城市看作一个有机生命体,从整体、系统、动态的角度去看待和分析城市的成长过程和发展变化,从纷繁复杂的治理场景中厘清城市系统要素及其相互间的结构关系和影响关系,重视城市系统的每一个要素和城市治理的每一个环节,重视常态化管理和非常态危机应对的结合,对城市系统要素、城市运行机制、城市治理过程等进行全方位的统筹管控,提高城市治理的前瞻性、整体性、系统性和协同性。

实现城市“全周期管理”不仅需要重塑城市治理的基本逻辑,更需要强大的技术力量予以支撑,数字孪生城市能够为城市“全周期管理”提供新的思路和技术路径,为城市治理体系和治理能力现代化提供新的契机。数字孪生城市是城市级别的新一代信息技术综合集成应用创新,也是未来城市发展的重要方向,致力于实现新兴技术的集成创新、多源数据的有效整合、治理场景的仿真模拟、共性平台功能的相互支撑、虚实世界的协同管控,与城市“全周期管理”的理念一脉相承。

数字孪生城市可以帮助我们更好地理解城市、规划城市、建设城市和管理城市,更加从容地应对城市的发展变化,赋能城市的“全周期管理”。数字孪生城市的探索实践才刚刚开始,其对城市治理的影响才刚刚显现,未来需要更加努力推动数字孪生城市的落地,实现数字孪生城市的美好愿景,发挥数字孪生城市在城市治理现代化进程中的重要作用。

来源:《电子政务》2021年第8期
原文:毛子骏,黄膺旭. 数字孪生城市:赋能城市“全周期管理”的新思路[J]. 电子政务,2021(08): 67-79.

作者简介:

毛子骏(1981—),男,湖北武汉人,教授,从事数字政府、非传统安全研究。

黄膺旭(1992—),女,重庆万州人,博士研究生,从事智慧城市、非传统安全研究。

*基金项目:国家社会科学基金重大项目“数字政府建设的安全治理体系研究”(项目号:20ZDA038);国家社会科学基金项目“政府数字化转型的创新机理与路径解析研究”(项目号:20BGL28)。

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