随着 5G、云计算、大数据、人工智能、物联网、区块链、工业互联网的大规模投资与发展，整个社会的数字化转型必将全面加速，为整个社会走向数字孪生奠定坚实的基础。

数字孪生起源于工业制造，其在工业制造领域的普及和应用必将带来生产制造的革命性突破。随着整个社会走向数字化，数字孪生将会开始在更多的领域得到应用和发展，如社会治理、城市规划与建设、医疗、农业、交通、教育等领域，推动整个社会走向数字孪生。

因此，在 2030 年及以后的时代，随着信息和感官的泛在化，整个世界将基于物理世界生成一个数字化的孪生虚拟世界，物理世界的人和人、人和物、物和物之间可通过数字化世界来传递信息与智能（如图 3-2所示）。孪生世界则是物理世界的数字化模拟，它精确地反映和预测物理世界的每个智能体乃至整个世界的真实状态，并对未来发展趋势进行预测，提出和验证对物理世界的运行进行提前干预的必要手段和措施，避免物理世界的个体或群体灾害风险和事故的发生，帮助人类更进一步地解放自我，提升生命和生活的质量，提升整个社会生产和治理的效率，实现“重塑世界”的美好愿景。

 

图 3-2数字孪生世界^[10]

 

数字孪生不仅在工业领域发挥作用，也将在通信网络、智慧城市的规划与运营、家居生活、人体机能和器官的活动监控与管理等方面大有可为。下面以智慧城市的规划与运营为例，介绍数字孪生对未来社会的影响和意义。

随着城市基础设施数字化程度的不断提升，我们身边的城市也将逐步实现数字孪生。数字孪生城市是数字孪生技术在城市层面的广泛应用，通过构建城市物理世界、数字虚拟世界间的一一对应、相互映射、协同交互的复杂巨系统，在网络空间再造一个与之匹配、对应的“孪生城市”^[11]，实现城市全要素数字化和虚拟化、城市全状态实时化和可视化、城市管理决策协同化和智能化，形成物理维度上的实体世界和信息维度上的虚拟世界同生共存、虚实交融的城市发展格局。

数字孪生城市既可以理解为实体城市在虚拟空间的映射和状态，也可以被视为支撑新型智慧城市治理的复杂综合技术体系，是推进城市规划、建设、服务，确保城市安全、有序运行的赋能支撑。

在数字孪生城市中，基础设施（水、电、气、交通等）的运行状态、市政资源（警力、医疗、消防等）的调配情况都会通过传感器、摄像头、数字化子系统采集出来，并通过网络传递到数字空间。基于这些数据以及城市模型，城市的管理者构建数字孪生体，从而更高效地管理城市。相比于工业制造的“产品生命周期”，城市的“生命周期”更长，数字孪生带来的回报更大。当然，城市数字孪生的部署难度也更大。

事实上，新加坡、印度海得拉巴，还有中国的深圳、雄安，都已经在做这方面的摸索和尝试。在数字空间中，所构建的孪生城市叠加在城市物理空间上，将极大改变城市面貌，重塑城市基础设施，形成虚实结合、孪生互动的城市发展新形态。借助更泛在的感知、更快速的网络、更智能融合的计算，一种更加智能化的新型城市将得以创建。不久的将来，以数字孪生城市为代表的新型智慧城市将让城市生活变得更为美好。

数字孪生城市存在四大特点：精准映射、虚实交互、软件定义、智能干预。

·  精准映射：数字孪生城市通过空中、地面、地下、河道等各层面的传感器布设，实现对城市道路、桥梁、井盖、灯盖、建筑等基础设施的全面数字化建模，以及对城市运行状态的充分感知、动态监测，形成虚拟城市在信息维度上对实体城市的精准信息表达和映射。

·  虚实交互：城市基础设施、各类部件建设即有痕迹，城市居民、来访人员上网联系即有信息。未来数字孪生城市中，在城市实体空间可观察各类痕迹，在城市虚拟空间可搜索各类信息，城市规划、建设以及民众的各类活动不仅在实体空间，而且在虚拟空间得到极大扩充，虚实融合、虚实协同将定义城市未来发展新模式。

·  软件定义：孪生城市针对物理城市建立相对应的虚拟模型，并以软件的方式模拟城市人、事、物在真实环境下的行为，通过云端和边缘计算，软性指引和操控城市的交通信号控制、电热能源调度、重大项目周期管理、基础设施选址建设。

·  智能干预：通过在“数字孪生城市”上规划设计、模拟仿真等，将城市可能产生的不良影响、矛盾冲突、潜在危险进行智能预警，并提供合理可行的对策建议，以未来视角智能干预城市原有发展轨迹和运行，进而指引和优化实体城市的规划和管理、改善市民服务供给，赋予城市生活“智慧”。

数字孪生城市的作用有以下几个方面^[12]。

一是提升城市规划质量和水平。通过在数字孪生城市执行快速的“假设”分析和虚拟规划，把握城市运行脉搏，推动城市规划有的放矢，提前布局。在规划前期和建设早期了解城市特性、评估规划影响，避免在不切实际的规划设计上浪费时间，防止在验证阶段重新进行设计，以更少的成本和更快的速度推动创新技术支撑的智慧城市顶层设计落地。

  二是推动以人为核心的城市设计、建设协同创新。城市居民是新型智慧城市服务的核心，也是城市规划、建设考虑的关键因素。数字孪生城市将以“人”为核心主线，将城乡居民每日的出行轨迹、收入水准、家庭结构、日常消费等动态监测纳入模型，协同计算。同时，通过在“比特空间”上预测人口结构和迁徙轨迹、推演未来的设施布局、评估商业项目影响等，对实体城市的设计、建设和实施产生巨大的影响力和重塑力。通过搭建一个可感知、可判断、快速反应的数字孪生城市，支撑实现城市土地空间规划、重大项目建设以及随需响应、触手可及的惠民服务协同指引[12]。

三是城市治理的智能化决策，通过预测性治理大幅提升城市运行效率。基于数字孪生城市体系以及可视化系统，以定量和定性方式，建模分析城市交通路况、人流聚集分布、空气质量、水质指标等各维度城市数据，城市治理者可快速直观了解城市环境、城市运行等状态，并及时地预测城市的运行轨迹和状况，对可能的突发事件提前进行预警，最大限度地避免交通拥堵、基础设施损坏、环境的污染等，对突发性事件导致的不良影响进行必要的提前干预和疏导，避免灾难性结果的发生，实现整个城市的平稳运行。