智慧城市的构建不包含数字城市(张新长：智慧城市建设中的数字孪生与元宇宙探讨)

张新长, 廖曦, 阮永俭

基金项目：国家自然科学基金面上项目(42071441);自然资源部城市国土资源监测与仿真重点实验室开放基金

关键词：数字城市, 智慧城市, 数字孪生城市, 元宇宙时代, 智能生命体

摘要 ：随着城市管理和空间大数据、5G、人工智能等新型技术的深入结合,新型智慧城市相关的应用成为地理信息行业领域与社会重点关注的对象。本文主要介绍了智慧城市的背景与概念、理论与技术,阐述了数字城市、智慧城市及数字孪生城市三者的关系,总结了数字孪生城市现状及趋势,并探讨了元宇宙时代的智慧城市。智慧城市的萌芽期依靠空间信息技术、数据库技术、虚拟现实技术及计算机网络技术等构建数字城市,发展期在数字城市基础上融合人工智能技术、物联网技术、云技术及时空大数据技术等建设新型智慧城市,建设期结合新型智慧城市相关技术和实景三维技术等实现数字孪生。展望了跨时代的元宇宙智慧城市,或许会在数字孪生的基础上融合增强现实、扩展现实、脑机接口与体感设备等技术或设备,实现人类生活在两栖世界的美好憧憬。

“数字地球”(digital earth)于1998年由阿尔·戈尔提出^[1]，它并非一项孤立的计划，而是一个具有导向性的国家整体战略目标^[2]，有助于全球信息资源的共享^[3]。随后，数字城市的概念接踵而出，世界各地相继出现了赛博城市(cyber city)、在线城市(city online)、电子城市(e-city)和数码港(digital port)、信息港(information port)等形式的数字城市。数字城市是一个内涵丰富并不断发展与拓展的理念，至今未有一个权威与统一的定义或描述。在学术界，学者们提出“数字城市”的概念，即以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基石，以宽带互联网信息技术为纽带，运用空间信息^[4]、遥感、仿真—虚拟现实等各种科学技术，对城市实现多分辨率、多尺度、多时空和多类别的三维描述^[5]。

2008年，国际商业机器公司(IBM)^[6]提出了智慧城市的新理念^[7]，而后在2009年奥巴马举行的“圆桌会议”中，IBM首席执行官彭明盛建议采取转型投资新型智慧基础设施建设^[8]的措施，来应对当时巨大的金融危机。于是IBM在2010年明确了建设智慧城市的目标，随之而来的是建设智慧城市的热潮。在数字城市的基础上，智慧城市是结合了云计算和物联网等新一代信息技术所产生的新概念，是智能化的数字城市，是其功能上更进一步的延展、扩充与升级，是数字城市发展的必由之路^[9]。这一理念很快受到了社会各界的重视，并且世界各地的城市规划者们也似乎从中发现了有关城市发展建设的解决方案。

“孪生”概念最早起源于1960—1969年间美国宇航局阿波罗计划中。而后，Michael Grieves教授在2003年产品全生命周期管理课上明确提出了“数字孪生”概念，称之为“conceptual ideal for PLM(product lifecycle management)”，其描述产品全生命周期的主要手段是将现实物体映射成虚拟空间的数字模型。2010年，美国国家航空航天局(NASA)首次确切提出“digital twin”，即“数字孪生”。随后，NASA于2012年与美国空军共同撰写了有关数字孪生的学术论文，并提出了数字孪生的明确概念。

数字孪生城市是智慧城市建设的新高度^[10]，在我国其概念最早由信息通信研究院的工作人员提到，2018年被纳入《河北雄安新区规划纲要》^[11]。主要历经了2017年的概念萌芽阶段与2018—2019年的技术架构阶段，并于2020年踏入了建设阶段。2020年，被称为数字孪生技术应用的元年。同年4月，国家出台了相关文件，强调将数字孪生技术与5G、大数据、人工智能等技术并列为智慧城市建设的重要手段，并作出“引导各方积极参与提出数字孪生解决方案”的指示。国家住建部和自然资源部也出台了与建筑信息模型(building information modeling，BIM)和城市信息模型(city information modeling，CIM)等相关的应用标准和导则，全国各省市也纷纷积极采取措施并制定了相关方案，推动数字孪生城市发展。

在人工智能+三维建模等技术加持下，数字孪生的构建速率将大幅提升，届时将完成城市可视化平台的搭建，使得万物互联由2D(二维)升至3D(三维)，及至未来4D(四维)实景的跨越。那么在未来数字孪生城市建设完成后，它是否是智慧城市发展的最终形态？智慧城市在实现数字孪生后，其下一个阶段将会如何？2021年新生的时代热词——元宇宙，或许是智慧城市在数字孪生城市建设后下一个发展的方向。在数字孪生城市基础上，深度结合增强现实、扩展现实、脑机接口与体感设备等新技术与新设备，或许智慧城市会迈向跨时代的元宇宙智慧城市(如图 1所示)。