基金项目：河北省省级科技计划资助、河北省科技计划项目软科学研究专项“河北视角下推进京津冀协同创新的体制机制及重大政策设计研究”（项目编号20557601D）；河北省教育厅科学研究计划项目河北省高等学校人文社会科学重点项目“大智链云”赋能我省城市治理体系现代化研究（编号SD2021043）；秦皇岛市科学技术研究与发展计划“秦皇岛市高新技术发展及产业化研究”（项目编号201901B030）。
摘要：数字孪生城市建设是实现城市治理现代化的重要引擎。数字孪生城市具有公共物品特征，宜采用政府主导、市场主体的建设机制。借鉴城市经营多种模式，基于社会影响力债券的设计机制，构建数字孪生城市建设的一种多方共建的协同创新机制。最后，提出推进数字孪生城市建设路径：一是强化顶层设计，推进完善制度体系建设；二是重视人才培养，攻克技术难关；三是积极布局发力新基建，鼓励数字孪生产业生态共融。
关键词：数字孪生城市；协同创新机制；建设机制；治理现代化
引言
随着数字孪生技术的快速发展，万物皆可孪生，数字孪生城市也应运而生。数字孪生城市是数字孪生技术在城市层面的创新应用，进入实践阶段的城市在国外有澳大利亚悉尼、德国黑伦贝格小城，在国内有上海、天津、雄安、武汉、贵阳、郑州等。数字孪生城市跨领域、跨层级等特性，对高效推进城市治理现代化有着重大作用。我国“十四五”规划中已明确提出“探索建设建设数字孪生城市”。如何更好地建设数字孪生城市，不仅需要在技术上的不断突破，而且其建设机制与路径也亟待探讨和研究。
一、数字孪生城市建设正成为城市治理现代化的重要引擎
（一）数字孪生城市的内涵
数字孪生城市，即“数字孪生+ 城市”，是智慧城市的发展方向和高级阶段。数字孪生的概念最早可追溯到美国航天局的阿波罗项目，该项目为实现空间飞行器的正常安全运行而同时制造两个完全相同的飞行器，将其中一个留存于地球上，称之为“孪生体”，用于开展仿真试验来反映太空飞行器的实时状态，辅助管理和决策。随着数字仿真技术的发展，2003年迈克尔·格里夫斯教授提出不同于实物状态“孪生体”的虚拟数字化表达，即“镜像的空间模型”和“信息的镜像模型”[1]，并于2011 年正式提出与物理实体相对应的数字孪生体概念[2]，其内涵是物理实体在数字空间的虚拟映射。“数字孪生体”与“数字孪生”二者的区别在于，前者是物理现象界名词，后者更多的是指一种技术。数字孪生城市是数字孪生技术在城市层面的创新运用，可实现现实城市治理向数字平台治理的全面转化，使治理问题情境化可视化、治理方式聪明化智能化、治理流程高效化精简化、治理决策互动实时化[3]。数字孪生城市，是将现实城市的全部物理实体同步映射成的一个数字化镜像城市，有着物理城市中的一草一木。数字孪生城市构件可概括为“感知端口—映射链路—耦合网络”，如图1。数字孪生城市的建设是基于城市信息模型（CIM），将现实城市进行数字化映射，借助数字孪生体来模拟、仿真和处理现实城市中的问题，实现虚实交互式的城市现代化治理。周瑜、刘春成以建设数字孪生雄安为例，认为数字孪生城市不是智慧城市的升级版本，而是数字时代城市实践的全新探索 [4]。
图1 数字孪生城市构建概念示意图
（二）数字孪生城市与现实物理城市实时映射、虚实互动
数字孪生城市建成后，形成数字与现实互耦的孪生城市双螺旋式运行模式，将城市治理现代化推向新的高度。以雄安为例，数字孪生城市与现实城市的系统耦合需要时间和空间上的同步联动，而城市的数据和模型丰富多样，相对于空间层面，时间层面特别是各类时间间隔和频率的处理相对复杂，因此建立耦合网络的首要前提是解决数据输入和输出在时间线上的一致性问题。若将现实城市的运行作为时间主轴，数字孪生城市一方面将形成孪生副轴，并努力保持与真实时间主轴同步，另一方面将在孪生副轴的有关节点延伸出耦合支线，用以支持数字孪生城市在虚拟时空中的模拟推演、预测分析等工作，最终这些耦合支线将再次汇入时间主轴及孪生副轴中，即意味着数字孪生城市也将影响现实城市的有关进程，由此形成双螺旋式演进结构，现实城市与数字城市将互促共生。耦合支线在时间维度上实现了虚实融合，也反映了虚实城市共同体的运行记忆和发展轨迹，构成了“双螺旋式虚实耦合运行”的一部分。参见图2。
图2 数字城市与现实城市的双螺旋式耦合运行
二、数字孪生城市建设中的政府机制和市场机制
（一）数字孪生城市是一种公共物品
数字孪生城市属于公共物品。公共物品具有非排他性和非竞争性的特征。数字孪生城市不论是用于提供城市其他公共物品或服务，还是治理城市公害，都具有很高程度的非排他性和非竞争性；当数字孪生城市为实体城市提供各类安全、生态保护时，明显的具有非排他性；当数字孪生城市为实体城市提供公共服务时，一般不会因为服务对象的增加而增加成本，反而会因服务对象的增加而降低平均成本，即具有明显的非竞争性。数字孪生城市的公共物品特征，使其边际成本接近于零。建设数字孪生城市属于新基础设施建设的范畴，具有投资规模大、投资周期长、近期收益低的特点，与基础设施一样容易成为城市发展的瓶颈。基于以上分析，数字孪生城市的建设应以政府“有形之手”来主导，即采用以政府机制为主、辅以市场机制的建设机制。
（二）政府机制的主导作用
1. 政府通过前瞻性地统筹规划、顶层设计，为数字孪生城市建设提供政策支持。首先，政府做出数字孪生城市建设战略规划，出台一系列相关政策，统筹推进数字孪生城市建设。其次，政府应为数字孪生城市建设制定出科学合理规范、运行高效安全的制度体系。坚持全面深化改革，打破地方政府“各自为政”的割裂局面，促进信息数据、决策意见实时共享，让行政服务提质增效。2018年以来，我国中央政府相关部门和一些地方政府已先后出台了一系列支持、鼓励、促进数字孪生城市建设的相关的政策文件。
2. 政府通过规制政策、城市经营，引导资源在数字孪生城市建设中的合理配置。企业为追逐新技术超额利润会盲目上马数字孪生技术相关的项目，极易导致资源的浪费，需要政府通过相关政策的发布来积极引导市场资源的合理配置，比如规定数字孪生技术相关项目的建设权限、制定技术考核标准等。同时，政府应运用城市经营的手段引领社会资本的积极参与共建数字孪生城市，实现城市公共资源或产品的保值增值。
3. 政府通过支持技术研发和赋能城市建设，提升城市公共服务质量，改善民生。政府积极部署新基建，推动构建新基建时代下数字孪生驱动的现代化城市治理体系。新基建视角下的城市公共服务包括智慧政务、智慧教育、智慧医疗、智慧交通、智慧市政、智慧社区、智慧服务、智慧环保等方面，以海量多元数据与多种智能模型和算法来赋能城市业务，可提升城市公共服务效率，更好地改善民生。
（三）市场机制的主体作用
市场通过价格机制、供求机制调节数字孪生城市建设的资源配置，促进竞争和激励创新。价格的变动调节数字孪生城市建设中基础设备、软件设计的资源配置及其效率，也是企业作为主体参与城市建设不断创新并保持长期活力的关键。这里存在一个正向的循环累积因果关系：市场善于发现需求，企业为追求超额利润，通过创新不断满足市场需求。长此以往，企业能够不断的创新，则数字孪生技术不断的完善，有助于缩短数字孪生城市建设进程。
市场通过竞争机制、风险机制，使数字孪生城市建设的成本更低、企业长期保持创新活力。竞争使得企业只能不断的进步，进行一轮又一轮的创新，满足数字孪生城市建设多方面的需求。市场竞争作用激发数字孪生城市生态下的技术创新，让孪生技术的创新成为本能。风险机制给企业以压力，使企业不断改善经营、改进数字孪生技术，促进数字孪生产品的优化，使数字孪生城市的功能越来越完善，降低政府提供城市公共服务的成本。
三、数字孪生城市的多方共建机制与协同运作模式
（一）多方建设主体
城市是一个结构复杂、功能多样的动态开放巨系统，有与外界交互的需求和活动，具有明显的生命特征。基于城市生命体的数字孪生城市建设需要政府、社会组织、专家智库、市民等多方的积极参与和及时响应反馈。作为数字孪生城市四大构成要素，数据、模型、技术、场景应用（服务）都离不开多方建设主体的作用，如图3。数字孪生城市是一种典型的公共物品供给，需要政府在其建设过程中担负主要责任，发挥主导作用。政府通过科学制定数字孪生城市建设的前期规划、顶层设计，制定激励机制鼓励社会组织、专家智库为数字孪生城市建设献计献策，吸纳广大市民建议和意见。市场营利组织是建设主体，凭借市场力量、资本权力，以利润和效率为导向[5]，不断追求数字孪生城市的技术创新、多领域融合服务与场景应用落实。市民是数字孪生城市建设的服务对象，只有市民积极参与城市建设过程中的公共决策，才能体现和落实“人民城市人民建，人民城市为人民”的理念。非营利组织在城市建设中占辅助地位，拥有社会权力和社群力量，以兴趣和能力为导向积极参与到建设中来。专家智库在数字孪生城市建设主体中最具主观能动性。中央城市工作会议（2015）指出，“要健全依法决策的体制机制，把公众参与、专家论证、风险评估等确定为城市重大决策的法定程序。”这就表明专家智库是数字孪生城市建设的重要主体，将发挥更大的作用。
图3 数字孪生城市多方共建示意图
（二）共建机制与协同运作模式
1. 协同创新，“政产学研金介用”七位一体共建数字孪生城市
数字孪生城市建设，既是公共物品与服务的提供，也是高科技产业，协同创新为其第一动力和特征。因此，需要政府、产业界、大学、科研机构、金融界、中介和用户的共同参与、协同创新。其中，首要的是政府牵头和主导，其次是产业界即企业的跨行业协作形成数字孪生生态共融。多个关键环节企业例如超图、泰瑞数创、51WORLD等，发挥自身技术专长广泛参与数字孪生城市建设中的多个生态组团，联合打造多种场景应用，在谋求新发展机遇的同时加快城市建设步伐。在企业层面，GIS与测绘企业、建模仿真企业、BIM企业以及集成商、运营商企业进一步壮大，多类型企业如苍穹数码、四方伟业等新入局数字孪生城市生态研究。同时，也需要高校以及科研院所积极参与数字孪生城市建设，各展所长。另，数字孪生城市建设需要长期稳定且持续的资金支持，但政府的财政投入、转移支付不足以满足资金条件，这就需要与融资机构、基金会、科技巨头建立合作伙伴关系，确保城市建设资金的可持续。最后，数字孪生城市的用户是否满意是成功的重要标准。
2. 城市经营，多方协同运作模式
数字孪生城市建设需要稳定且持续性的资金投入，政府可通过城市经营从社会筹集建设资金。城市经营是政府主导的社会组织、公众等共同参与的多元经营主体协同运作，对公共资源进行市场化运作，在实现城市资产保值增值的同时，实现城市建设良性循环、城市功能提升。常见的城市经营模式有BOT、TOT、PPP、城市影响力债券、社会影响力债券等[6]。由于与其他城市基础设施相比数字孪生城市的公共物品特征更突出，其一级使用者主要是城市政府的功能部门，BOT、TOT不太适用。PPP则是政府与私营企业、民营资本等全程深度参与公共设施的建设过程。除了融资，其根本作用在于能够使政府、市场、社会协同运作，共同实施对城市项目的建设。此外，社会影响力债券类似于城市经营，联系政府、市场和社会，融入私人资本提供公共服务的一种商业化模式，也是一种值得参考的模式。
基于社会影响力债券模式，结合数字孪生城市的重要特征，本文设计一种多方共建机制及其协同运作模式，见图4。在调查了解市民需求、城市政府进行城市治理的需求之基础上，专家智库建言献策、辅助政府规划布局数字孪生城市建设项目并成功立项后，政府与中介机构合作推出社会影响力债券。根据合同，中介机构负责发行社会影响力债券吸引社会资本，同时寻找非营利组织提供服务。在项目建设达到合同期限后，经专家培训指导的专业性第三方评估根据一些评价指标确定项目是否达到预期，若合同目标实现，政府将为其成功付费；反之，则不支付。顺利达成的项目，项目中介收到政府款项后，按预先合同约定的回报率，支付给社会投资者本金和回报。
图4 基于社会影响力债券的数字孪生城市多方共建机制
四、数字孪生城市建设的推进路径和政策建议
（一）以顶层设计、制度创新引领数字孪生城市建设
在顶层设计上，国家要积极出台政策，明确数字孪生城市建设原则、职能和方向，支持因地制宜进行数字孪生城市建设。制度创新方面，一是在指明建设方向的基础上，要规范市场，避免盲目跟风和新瓶装旧酒的情况出现；二是统一CIM平台规范，通过数据的标准化、关联化，促进数据整合、联通和应用开发；三是拓宽融资渠道，完善数字孪生城市建设的投融资体系。制定数字孪生城市绩效管理机制、数字孪生城市建设的低息贷款机制；建立融资部门，创新融资方案，通过公私合作模式等多渠道确保数字孪生城市资金投入的稳定性和可持续性。
（二）重视人才培养，攻克技术难关
数字孪生城市的建设需要既懂技术、又懂管理、还懂城市的复合型人才。新兴数字化技术、智能感知设备、智能决策平台等，对城市建设者、治理者、服务者提出了更高的要求。在技术攻克方面，数字孪生技术应用于城市建设面临着不少技术挑战，尤其是智能全息测绘、全域智能感知、模拟仿真等领域的关键技术存在被卡脖子的问题和风险，亟待解决。海量数据加载、边缘计算、协同计算等技术仍不成熟，数字孪生城市自学习自优化能力凾待提高。此外，城市建设方面的设计软件多由国外主导，国内缺乏核心技术，自主程度不高。因此，需高度重视数据信息技术人才的培养和引进，弥补创新人才缺口，攻克技术难关，实现自主创新。
（三）积极布局发力新基建，鼓励数字孪生产业生态共融
城市新基建涉及的物联网、数据中心、5G、市政数字化设施、公共服务智能化设施等，同时也是数字孪生城市建设中的设施类建设，布局推进城市新基建是建设数字孪生城市的必经之路。在行业层面，需要各大信息技术公司在自身发展优势的方向上继续进行技术创新，甚至进一步跨行业跨领域向着数字孪生共同努力。在企业层面，鼓励多个企业联合打造多种场景应用，为高校和科研机构提供实践平台。在推进产学研深入融合过程中，加强各方在技术、标准、应用方面的合作，鼓励数字孪生产业生态共融，协同攻克数字孪生城市建设难题。
五、结语
数字孪生城市建设，是实现城市治理现代化的重要引擎，为实现城市治理现代化提供新底座。目前，数字孪生城市建设的研究主要还集中在关键技术如数据融通、配套设施、场景应用等多方面，对建设机制和治理方面的关注尚少。由于数字孪生城市具有准公共物品和服务的特点，纯粹的市场机制难以发挥资源优化配置的作用，需要重点发挥政府的“有形之手”的功能，通过顶层设计、城市经营等路径和模式来引导和促进其发展。
作者简介：
梁兴辉，1968.3-，男，贵州石阡人，博士，教授，研究方向：区域经济、技术经济。（联系地址：河北省秦皇岛市海港区燕山大学经济管理学院经济系，邮编：066000，手机号：13171961920，邮箱：lxhyk@163.com。）
张旭冉，1997.10，女，河北深州人，硕士研究生，研究方向：区域经济。
参考文献
[1] 陈根. 数字孪生[M]. 北京：电子工业出版社，2020: 19.
[2] Grieves M. Virtually perfect: Driving innovative and lean products through product lifecycle management[M]. Florida: Space Coast Press,2011: 15.
[3] 向玉琼, 谢新水. 数字孪生城市治理：变革、困境与对策[J]. 电子政务,2021(10):69-80.
[4] 周瑜，刘春成. 雄安新区建设数字孪生城市的逻辑与创新[J]. 城市发展研究，2018(10): 60-67.
[5] 王佃利. 城市治理体系及其分析维度[J]. 中国行政管理,2008(12):73-77.
[6] 李宜强, 韦佳慧.PPP: 国家治理现代化的政策工具—— 借鉴法国城市合同经验[J]. 经济研究参考,2017(53):24-28.
来源： 高科技与产业化
作者：梁兴辉，张旭冉
