国际欧亚科学院院士、北京大学教授邬伦通过《数字孪生智慧城市理念与建设重点》演讲，深入分析了新时代、新背景下，数字孪生技术的发展趋势。以下为邬院士演讲实录，以文字 PPT的形式呈现。
关于数字孪生和数字孪生城市，目前非常火热。最早由美国航空航天局提出，数字孪生就是指充分运用物理模型、传感器、运作历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的模拟仿真全过程，在虚拟空间中完成映射，进而反映相对应的实体设备的生命周期全过程。简而言之，数字孪生就是将现实世界的物理体、系统及其流程等复制到赛博空间，形成一个“克隆体”，两者最终构成一个“数字双胞胎”。
目前数字孪生已经在很多领域进行了应用。前不久发布的《中国信通院的数字孪生城市白皮书》，指出数字孪生就是数字孪生城市在城市层面的广泛应用，由此可见，数字孪生已经成为新型智慧城市发展的必由之路和未来的选择，它已经由概念培养期进入到建设的探索期。
李德仁院士也指出数字孪生城市就是通过对物理城市的人、物、事等数字化制造一个与之对应的虚拟城市，物理维度上的实体城市和信息维度上数字城市同生共存、虚实交融。数字孪生城市是数字城市的目标，也是智慧城市建设的新高度。
发展沿革与技术脉络
数字孪生相关的概念，包含很多领域。比如CIM领域，对数字孪生技术也很重要。刚好今天上午参加了智慧城市工委会举办的《CIM应用与发展》白皮书的研讨会。下面我们回顾一下数字孪生的发展和技术脉络。
90年代我和几位专家参加编写《城市地理信息系统指南》，那时还没有数字城市这个概念。当时就是用GIS把城市多个图层、各个方面进行管理来服务城市。90年代末，出现数字地球理念，衍生出了数字城市，通过地理空间坐标，把各种各样的信息集中在一起。实际上当时也已经提出了数字地球的三个目标，数字化、网络化、智能化。
后来由于AI、物联感知等互联互通技术的发展更加智慧，开始提出强调智能化的智慧地球，由此衍生了智慧城市。再后来，大家在做的过程中，很多人对把数字城市改成智慧城市有意见，又提出新型智慧，强调新一代信息技术应用。在数字城市建设过程中，地理信息实际上是起到了非常关键的作用，此前，测绘地理信息局专门做了数字城市的地理空间框架试点建设，发展到智慧城市变成了工业平台，到现在叫做数字孪生城市。数字孪生城市，按照李院士指出的观点，他是智慧城市的一个新的、更高的阶段，显然，它不光具有智慧城市特点，更多的是数字孪生技术，映射虚拟仿真，虚实共存
智慧城市理念与特征
周成虎院士倡导全空间地理信息如何结合区块链，这与我们地理信息相关的是CIM空间信息基础设施平台。2011年，北大数字中国研究院的一个发展报告中，探讨了相关的智慧城市理念。当时数字城市刚刚向智慧城市转型，但是怎样才算智慧？万物之间人是最智慧的，城市要达到智慧，应该与人相比。那人怎样才算智慧呢？首先能够眼观六路耳听八方，如果这个人什么都感觉不到，显然算不上智慧；第二，人能感受到的信息，是海量的，人身上不仅有五官，还有皮肤等遍布全身的各种感知器官，通过各种感知，就形成大数据，需要大脑加工处理。和数字城市阶段不一样，数字阶段都是处理的数据库没有知识，而我们人脑不光有数据，还有知识储备，同时这些信息通过各种神经网络快速传输，带动我们身体产生智慧敏捷的反应。
由此可见，智慧城市的特点有通过立体感知，物联网、互联网及智联网汇聚大众智慧，实现数字城市的升级。物联感知使数字孪生实现虚实之间的映射、动态交互成为可能。因此智慧城市在感知方面，需要新一代感知和神经网络。而且虚拟现实要有依据，需要区块链保障数据可靠性。不仅需要物理感知，还需要遥感传感器、社会感知等全空间、多维度、多物理量监测。
中枢大脑建立知识图谱，进行态势感知和决策分析，如同人的左右脑结合。实际上人类大脑处理最为重要和比较高级的活动。人动一下手的时候，涉及到了骨骼、肌肉等很多部位相互协调，不是大脑控制的，而是一个复杂的协同机制，可能是大小脑协同，或者是肌肉的记忆等，这就是所谓的云边端的结合。就像人需要强健的骨骼将人体组织联系一样，原来的城市地理信息系统到地理空间框架，再到施工云平台，也需要新一代的骨骼支撑融合，也就是所谓的CIM加BIM的数字底座。
数字孪生智慧城市建设重点
面对数字孪生的发展需求和功能等特点，我们需要建立数字孪生城市，这是一个非常复杂的系统工程。其中有几方面建设重点，首先需要新一代信息技术融合赋能创新驱动，实现空天地一体化泛在感知与实时监测能力，铺设立体化全方位广义时空感知网；第二虚实结合双向映射与数据挖掘知识发现能力，依靠CIM城市信息基础设施构建数字底座与信息聚合大数据中台；第三数字孪生强调全空间、全生命周期模拟仿真与预测能力，建立强大的知识库与模型库；第四综合态势研判与智慧决策能力，实现智慧城市运行大脑。
其中，建设广义时空感知网包括空天地一体化的遥感感知网、物联网等，还需要增加社会感知，截止到目前，遥感在全面发展，空天地海一体化的遥感网已初步建成，在宏观尺度建立全覆盖城市的连续空间感知。但是这些感知主要侧重在物理、地貌、自然、地理等层面，而对城市人文和经济要素的感知较为欠缺。而数字孪生，不能光是山川、河流、地貌这些东西，而是要以人作为最小粒度的感知单元，以各类手机定位、社交媒体、出租车轨迹、公交刷卡等地理空间大数据为数据源，基于并扩展GIS空间模型和分析方法，通过数据融合、机器学习等手段，提取人的时空行为模式，反演人文及社会经济要素的地理空间特征，从而为定量刻画和揭示人地关系等学科发展提供新的技术支撑，为智慧城市等应用提供新的数据依据。例如，我所在的实验室一个学生的毕业论文，研究北京蚁族村，蚁族村通过卫星看人类居住特别密集，而隔壁的别墅区人员分布特别稀疏。我的学生利用这个数据,结合人们不同时段的变化出行等情况，分析人们的出行需求，改善了这个区域相关的状况。可见，物联感知强化了对城市各种精细化的感知，如城管事件、pm2.5等。
第二方面，CIM城市信息基础设施/数字底座与信息聚合大数据中台，形成虚实结合、双向映射、深度挖掘、知识发现、仿真模拟、分析预测能力，形成数字孪生的数字底板，甚至操作系统。比如将多个摄像头叠加到一个城市BIM三维上，融合影像，甚至做出智能的提取和分析。例如调取广场各个不同方向的摄像头，将每个人的位置叠加到上面，人工智能识别分析是否聚集、是否有踩踏危险，以及通过分析周边通道人流量，为城市公共安全提供智能分析预警。另外基于大数据融合，智能化分析城市事件，实现网格化城市管理。比如通过网格巡查力量、组织力量，进行空间分配，通过视频发现问题，实现快速到场处置。
第三个方面，基于强大的知识库与模型库，形成形成全生命周期动态模拟与仿真预测能力，比如洪水、污染等。还有前不久日本宣布将福岛核电站的废水排到太平洋，按照他们说的话，现在核电厂没有地方修建核废料的储水罐，但是实际上从卫星上看，他们是有空地可以修建的。而如果他们继续排放，会出现什么状况，德国的海洋科学研究所做了一个模拟，可以看到排放后100天、 200天到800天的情况。实际上，不光是对单个事件的模拟，数字孪生是贯穿我们城市规划建设管理的全生命周期的，比如说城市的二三维表达，城市的各种各样的可视化设计，规划高度的分区，在建项目的审批，建设施工过程的全流程管理，乃至未来的城市管理，未来的社区管理等方方面面。
第四个方面，通过构建城市运行大脑，达到综合态势研判与优化运行能力，形成对城市的总体把握。通过建立城市运行提升指标，使我们对城市有个总体的、精细的把控。另外通过指标的变化分析，预测城市各个方面体征，甚至通过一部分的提升来预测另外一些提升，从而可以使得我们不用等到城市发展到了非常病态，比如交通拥塞的要命阶段或是污染很严重再来治理，促使我们能够达到一个更高的、智慧决策和精细调度的阶段。北京城市运行指挥平台是我们在2008年的时候最早的智慧城市大脑模型，都是通过融合分析指标进行优化，来提高我们城市的决策水平。
数字孪生建设与智慧城市发展愿景
“数字孪生”不再仅仅是一种技术，而是成为一种发展新模式、一个转型的新路径、一股推动各行业深刻变革的新动力。
数字孪生是智慧城市的新阶段、新模式和新高度，将使我们能更深刻及时地刻画和理解城市状态及规律，走出只有局部没有综合、缺乏时空耦合与预见性造成的“头疼医头、脚疼医脚”、“事后诸葛亮“等决策困境，实现由静态信息向动态体征，由被动方式到主动方式，由事后处理到事前预知，由具体事务到系统综合的创新发展，通过孪生映射、把脉诊断与共生治理达到城市决策科学、管理精细及时、企业敏捷高效、公众生活幸福的新境界。
以下是演讲PPT：
