摘要：其中，数字孪生是智慧城市的核心技术体系和实现路径，智慧城市是城市数字孪生的主要服务对象和价值体现。

AI大模型及城市垂域模型是智慧城市的大脑和决策系统。

城市数字孪生是智慧城市的“数字身体”与“平行宇宙”。

CIM是智慧城市的“记忆皮层”与“感觉中枢”。

软件定义城市SDC是智慧城市的“指挥系统”和“中枢神经系统”（控制系统）。

环境智能体是智慧城市的“自主神经末梢”、“反射弧”及“手和脚”。

环境智能是智慧城市所展现出的“智慧境界”。

其中，数字孪生是智慧城市的核心技术体系和实现路径，智慧城市是城市数字孪生的主要服务对象和价值体现。

数字孪生是智慧城市从“数字化”走向“智能化”的核心阶梯。

数字孪生让城市管理从被动响应变为主动干预，从经验驱动变为数据驱动和科学模拟驱动，最终实现城市的可感知、可预判、可调控。

数字孪生是贯穿城市信息模型CIM、软件定义城市SDC、环境智能AmI和智慧城市所有这些概念的“脊梁”和“基石”。

数字孪生与智慧城市

（1） 核心定义

数字孪生是物理实体（或系统）在虚拟空间中的 全生命周期、动态、高保真 的数字化映射（模型）。

数字孪生不仅仅是简单的3D模型，而是一个 与物理实体“同步生长” 、实时交互的虚拟副本。

（2）比喻：医院的重症监护室（ICU）

1）物理实体：

躺在病床上的真实病人。

2）传感器：

连接在病人身上的各种设备——心率监测仪、血压计、血氧仪等，它们实时收集病人的生理数据。

3）数字孪生体：

电脑屏幕上显示的病人数字化身，它实时反映着病人的所有生理状态（心跳、血压、体温等），并且能根据当前数据预测未来可能出现的风险（如即将发生的心律不齐），并模拟不同治疗方案（如果用A药物，血压会如何变化；如果用B方案，效果会怎样）。

这个数字化身就是病人的“数字孪生体”。它让医生能够在不直接触碰病人的情况下，进行深度分析、推演和决策。

（3）数字孪生的关键特征

1）虚实映射：

物理世界和虚拟世界之间建立精确的对应关系。

2）实时同步：

通过物联网（IoT）、传感器等技术，物理实体的状态、数据能够实时同步到虚拟模型中。

3）模拟推演：

可以在虚拟模型中进行测试、模拟、预测和优化，而 无需在物理世界中进行高风险、高成本的试错。

4）双向交互：

不仅是从物理到虚拟的数据流动，虚拟模型的分析结果和指令也可以反馈回去， 控制或优化物理实体的运行。

5）全生命周期：

贯穿物理实体从设计、建造、运营到维护乃至报废的整个生命周期。

▌2. 数字孪生与智慧城市的关系

智慧城市是目标，而数字孪生是实现这一目标的核心关键技术路径和基础设施。

（1）智慧城市 (Smart City)

1）核心定义

一个宏观的愿景和发展目标。

指利用各种信息技术（如物联网IoT、大数据、云计算、5G等）感知、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，从而对民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出智能响应，实现城市精细化、动态化管理，提升城市运行效率和市民生活质量。

核心：数据驱动的城市管理和服务优化。

2）智慧城市的挑战

a.城市是一个极其复杂的巨系统（包含建筑、交通、能源、人口等无数子系统）。

b.传统管理方式是“头痛医头、脚痛医脚”， 缺乏全局视角，难以预测复杂问题（如交通拥堵的连锁反应、暴雨后的内涝情况）。

（2）数字孪生如何赋能智慧城市

1）数字孪生技术为城市创建了一个 “城市级数字孪生体” ，通常基于城市信息模型（CIM）平台来构建。

2）这相当于为整个城市建造了一个 数字沙盘和模拟仿真实验室。

（3）两者的关系

1）智慧城市是愿景与目标：

让城市更智能、更高效、更宜居。

2）数字孪生是实现愿景的核心手段与引擎：

通过创建一个虚拟城市，来深度理解、分析、优化和指挥物理城市的运行。

（4）具体如何工作？（闭环流程）

下图 解释 了数字孪生如何在智慧城市中实现 “感知-分析-决策-控制” 的闭环：

（5）应用场景举例：

1）智慧交通

a.传统方式：

看到某条路堵了，再派交警去疏导。

b.数字孪生方式：

在虚拟城市中，实时模拟全部车辆的流动。预测到20分钟后城北将发生拥堵，于是 提前自动调整相关路口的信号灯配时，引导车辆分流 ， 从而避免拥堵真正发生。

2）智慧应急（如防汛）

a.传统方式：暴雨导致内涝后，再派人抢险。

b.数字孪生方式：将实时降雨数据输入虚拟城市模型，结合地下管网数据、地形数据， 精确模拟出积水范围和深度。提前生成应急方案 ， 通知可能受影响的居民疏散，并精准调度抢险队伍和物资。

3）城市规划

计划新建一栋高楼。

可以在数字孪生城市中模拟这栋楼对周边风环境、交通流量、日照采光、无线电信号的影响，从而优化设计方案，避免“建成即问题”的窘境。

（6）总结

1）是什么

a.智慧城市：一个宏大的发展愿景和目标 。

b.数字孪生：一项关键的使能技术和实现路径。

2）关系

a.智慧城市： “身体” 。

b.数字孪生：“数字大脑”和“神经系统”。

3）功能

a.智慧城市：提升城市管理效率、市民生活品质。

b.数字孪生： 提供深度洞察、模拟预测、科学决策的能力。

4）类比

a.智慧城市：健康、有活力的人体。

b.数字孪生： 人体的“高精度数字健康模型” （可用于体检、预测疾病、模拟治疗方案）。

数字孪生是CIM、软件定义城市SDC、环境智能AmI和智慧城市的基础和核心

可以通过下面的图谱来直观理解数字孪生如何作为核心，将其他概念串联成一个完整的智慧城市技术体系

▌1. 数字孪生与CIM的关系

（1）数字孪生（Digital Twin）

1）数字孪生是一个更广义的概念和范式。

2）数字孪生指的是一种技术体系，包含数据、模型、接口、服务以及与之对应的物理实体。

（2）CIM（城市信息模型）

1）CIM 是数字孪生理念在城市这个宏观尺度上的具体实现和核心载体。

2）可以说，CIM平台就是城市的数字孪生平台。

（3）结论

1）CIM是数字孪生的“产品化”和“场景化”落地。

2）数字孪生是“思想”，CIM是依照这种思想为城市建造的“数字身体”。

▌2. 数字孪生与软件定义城市 (SDC) 的关系

（1）数字孪生体是SDC的决策依据和操作界面

SDC的“大脑”（城市操作系统）需要基于数字孪生体提供的实时数据和仿真推演结果，才能做出科学的决策。

（2）SDC是让数字孪生体“活”起来、产生价值的动力源泉和执行机构

数字孪生体在数字沙盘上模拟出的优化方案， 需要通过SDC的控制指令下发给物理世界的执行单元 （如信号灯、水泵等）。

（3）结论

1）二者是一体两面、双向驱动的关系。

2）数字孪生负责“虚”的映射、模拟和预测，SDC负责“实”的控制、调度和执行。

3）它们共同构成了智慧城市的“数字大脑”和“神经网络”。

▌3. 数字孪生与环境智能 (AmI) 的关系

（1）数字孪生体是实现环境智能的必要基础

1）为了创造一个能自适应、预测性响应用户需求的环境，系统必须对这个环境有极其深刻和全面的理解。

2）数字孪生体提供了这种理解所需的所有上下文信息（Context）。

（2）环境智能 (AmI) 是数字孪生技术发展到高级阶段后在用户体验层面的集中体现

当数字孪生体能够无缝、实时、精准地映射现实，并通过SDC和环境智能体进行智能调控时，用户感受到的就是一种“润物细无声”的环境智能。

（3）结论

1）数字孪生是支撑AmI的“后台引擎”。

2）AmI是数字孪生呈现给用户的“前端体验”。

▌4. 数字孪生与智慧城市的关系

数字孪生是实现智慧城市愿景最核心的技术范式。 它几乎贯穿了智慧城市的所有层次：

（1）感知层：

物联网数据是数字孪生的生命线。

（2）网络层：

5G、F5G等是连接虚实双体的“高速公路”。

（3）平台层：

CIM平台就是数字孪生平台。

（4）应用层：

各类智慧应用（交通、应急、能源）都基于数字孪生体进行开发和分析。

（1）智慧城市

1）与数字孪生的关系：价值体现。

2）角色比喻：目标——建造一座高效、宜居的未来之城。

（2）数字孪生

1）与数字孪生的关系：本身。

2）角色比喻：核心方法，为城市创建一个数字副本，作为管理和优化的沙盘。

（3）CIM

（1）与数字孪生的关系：具体实现。

（2）角色比喻：数字底盘——城市数字孪生体的具体软件平台和模型。

（4）SDC

1）与数字孪生的关系：驱动与控制。

2）角色比喻： 神经系统——根据数字孪生的分析结果，控制物理城市运行。

（5）环境智能 (AmI)

高级体验氛围：数字孪生+SDC带来的“无形”却贴心的智能体验。

（6）CIM、SDC、AmI和智慧城市的基础和核心都是数字孪生

数字孪生是连接物理世界与数字世界、驱动城市走向智能化的核心主线。

智慧城市与软件定义城市SDC、环境智能体、环境智能的关

软件定义城市（SDC）、环境智能体（Ambient Agents）、环境智能（Ambient Intelligence, AmI）和智慧城市（Smart City）是四个紧密关联但又处于不同层次的概念。

“智慧城市”是目标和愿景；

“软件定义城市”是实现该愿景的核心方法论和基石；

“环境智能”是该方法论下所追求的高级状态；

“环境智能体”则是实现“环境智能”状态的执行单元和使能技术。

（1）软件定义城市 (Software-Defined City, SDC)

1）是什么

实现智慧城市愿景的具体技术路径和架构理念。

它借鉴了“软件定义网络（SDN）”的思想，其核心是解耦与虚拟化。

2）核心思想

a.资源虚拟化：

将城市的物理基础设施（道路、管道、电网、建筑等）的计算、存储、网络和感知能力抽象成虚拟化的、可统一管理的资源池。

b.控制与执行分离：

建立一个统一的、集中的“城市操作系统”（City OS）或数字孪生平台。这个“大脑”负责决策和控制，而下层的物理设施则负责执行指令。

c.可编程性：

城市管理者、甚至第三方开发者可以通过API和软件应用， 像编程一样灵活地调度城市资源、定义城市功能、开发创新服务。

（2）环境智能 (Ambient Intelligence, AmI)

1）是什么

a.一种终极的、理想化的用户体验和系统状态。

b.它描述了一个环境：

嵌入式、不可见的计算设备无处不在，通过传感器网络感知用户的存在和上下文，并能智能地、预测性地、自适应地响应用户的需求，整个过程自然、无缝、以人为本。

2）核心特征

a.嵌入式、上下文感知、个性化、自适应、预见性。

b.用户无需主动操作设备，环境会自动为其服务。

（3）环境智能体 (Ambient Agents)

1）是什么

a.实现“环境智能”的具体技术实体或软件单元。

b.这些智能体是分布在环境中的软件及硬件（通常基于AI，尤其是多智能体系统Multi-Agent Systems, MAS），它们能够自主或半自主地运行，通过感知、推理、决策和协作，来完成特定的任务，从而共同创造出智能的环境。

2）表现形式

可以是一个控制交通信号的AI程序、一个为你推荐最佳回家路线的导航助手、一个根据会议室人数自动调节灯光和空调的系统代理。

▌2. 关系：层层递进的框架

（1）比喻

1）目标（“我想过健康生活”）-> 智慧城市

2）方法和基础（“我选择通过科学健身和营养饮食来实现”） -> 软件定义城市

3）理想状态（“我的身体变得敏锐，能自动适应环境变化，精力充沛”） -> 环境智能

4）执行单元（“我的自律神经系统、肌肉记忆、新陈代谢系统”） -> 环境智能体

（2）详细解释

1） 智慧城市是“为什么”（Why）

所有努力的最终目的都是为了建设一个更智慧、更宜居、更可持续的城市。

2）软件定义城市是“怎么做”（How）

为了实现上述目标，我们不能再像过去一样“烟囱式”地建设一个个孤立的系统（智慧交通、智慧安防各干各的）。

SDC提供了一种根本性的方法：通过软件来统一定义、管理和调度城市的一切，打破数据孤岛，实现资源的全局优化。它是实现智慧城市的技术基石和操作系统。

3）环境智能是“做到什么样子”（What it feels like）

当软件定义城市SDC发展到足够成熟的程度，城市拥有了强大的感知、计算和决策能力后，它将呈现出一种高级形态和用户体验：市民和城市管理者会感觉到 整个城市像一个有生命的、体贴的有机体，能够主动、无缝地提供服务。

软件定义城市SDC是使能AmI的架构，而AmI是SDC成功应用后表现出来的特征。

4）环境智能体是“谁来做”（Who/What does the job）

在软件定义城市SDC的架构中， 具体的任务是由无数个分布在各个角落的“环境智能体”来协作完成的。 它们是构建环境智能的“细胞”和“执行者”。

（1）智慧城市

1）概念：宏观愿景与目标。

2）定位： 利用ICT技术提升城市效率与生活品质。

3）与其它的关系：是SDC、AmI和智能体共同努力的方向。

（2）软件定义城市 (SDC)

1）概念：技术方法与架构。

2）定位： 通过软件虚拟化、集中控制和可编程性来灵活管理城市资源。

3）与其它的关系：是实现智慧城市愿景的 核心技术路径 ， 是支撑AmI的基础架构。

（3）环境智能 (AmI)

1）概念：系统状态与用户体验。

2）定位：环境无处不在、不可见、自适应、以人为本地提供服务 。

（3）与其它的关系：是SDC架构所能支撑实现的高级理想状态和最终效果。

（4）环境智能体

1）概念：使能技术与执行单元。

2）定位：通过分布式、自主的软件智能体感知环境、执行任务。

3）与其它的关系： 是在SDC架构中具体实现AmI体验的技术工具和构建块。

结语: 智慧城市——一位拥有超能力的“超人”

（1）城市数字孪生：超人的“数字身体”与“平行宇宙”

1）它是超人的“数字身体”，是其存在于数字空间的化身。

2）它不是静态模型，而是一个与物理城市实时同步、呼吸与共的动态虚体。

3）它也是超人进行各种高风险“训练”和“推演”的“平行宇宙（沙盘）”，任何决策都可以在这里先模拟后果，再在现实世界执行。

（2） CIM平台：超人的“记忆皮层”与“感觉中枢”

1）它是超人“数字身体”的骨架和神经系统。

2）它负责接收、融合、处理来自眼睛（摄像头）、耳朵（声敏传感器）、皮肤（物联网传感器）等所有感官的信息，形成对自身和环境的完整、统一的认知。

3）它是 所有城市数据的唯一真相源。

（3）AI大模型及垂域模型：超人的“大脑皮层”

1）AI大模型： 是超人的“前额叶”，负责高阶的通用思考、战略规划、跨领域联想和创新。它能理解复杂指令（如自然语言），发现看似不相关数据间的深层联系。

2）城市垂域模型： 是超人的“功能脑区”（如视觉皮层、语言中枢、运动皮层）。每个模型是某一领域的专家，负责专业领域的深度分析和决策，如交通流优化、电网调度、疫情传播预测等。

（4） 软件定义城市：超人的“指挥系统”和“中枢神经系统”

1）它将“大脑”（AI模型）的决策指令，通过“脊髓”和“神经网络”（通信网络），高速、精确地传递到“四肢百骸”（城市基础设施），控制其运动和行为。

2）它实现了“意念（软件）驱动身体” 的超能力。

（5）环境智能体：超人的“自主神经末梢”与“反射弧”

1）它们是遍布全身的“神经节”，能不经过大脑思考就处理局部紧急事务，形成“反射弧”。例如，手碰到烫的东西会瞬间缩回，无需大脑下令。

2）一个智能体可以自主调节一栋楼的温度，或管理一个路口的车流，实现高效、快速的分布式智能。

（6）环境智能：超人所展现出的“智慧境界”与“生物力场”

1）这不是一种具体技术，而是当超人的“数字身体”、“大脑”、“神经系统”完美协作时，所自然散发出的一种无形的“生物力场”。

2）居民身处其中，会感到无比舒适、便捷和安全，无需主动提出要求，城市就能预见性地、不着痕迹地满足其需求。技术隐于幕后，体验臻于极致

▌2. 协作流程

（1）超人的 “感觉中枢”（CIM） 持续从物理世界感知数据，并同步给 “数字身体”（数字孪生）。

（2）“大脑”（AI模型） 对“数字身体”的状态进行思考和推演，形成决策。

（3）“中枢神经系统”（SDC） 将大脑的指令高速下达。

（4）无数的 “自主神经末梢”（环境智能体） 接收指令并高效执行，同时处理本地琐事，只将重要信息上报大脑。

（5）所有这些协作的最终目的，就是形成那个强大的、无所不在的 “生物力场”（环境智能） ，让每一位市民都享受到“超人”的保护与服务。

本文来自《中南建筑设计院工程数字中心》公众号，作者 李霆 。文章所列内容仅代表作者观点，不代表攀成德立场。

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来源：博学的火车n0Rjo2