Urban Digital Twin · 2026

城市数字孪生模型进展及
PSIT四维耦合框架

Physical-Social-Information-Time Framework

赵鹏军 · 俞泽欣 · 陈睿
2026年1月
地球信息科学学报

核心突破

首次将时间维度从背景参数提升为独立维度,构建PSIT四维耦合框架

突破传统PSI三维模型对空间的过度强调,实现时空一体化建模

从"数字镜像"升级为具有自组织能力的时空智能系统

传统模型的致命缺陷

01

时间维度简化

将时间视为线性序列参数,无法刻画城市系统的时空分异特征和相变过程

02

异速演化失配

采用固定时间步长,难以协调快慢变量的多层级时间结构

03

时间约束缺失

忽视时间的资源属性和对社会行为的刚性约束机制

时间维度的四重关键作用

时空耦合与不可逆性

时间是与物质运动深度耦合的第四维度,其单向演进导致建成环境的路径依赖和时空锁定效应

时间约束下的社会活动

个体活动受24小时预算刚性制约,通勤时间超过30-40分钟阈值将引发职住空间重构

异速时间尺度

城市子系统遵循异速缩放规律,短时高频波动与长时低频趋势构成分形嵌套层级

系统相变的时间依赖

时间累积效应导致临界阈值相变过程,揭示城市演化的突变规律

PSIT四维耦合框架

P

物理维度

考虑基础设施老化速率、热环境昼夜波动等时变属性,构建时空连续体

S

社会维度

嵌入时间预算机会成本贴现偏好,构建时间约束下的博弈网络

I

信息维度

构建时空数据立方体,集成多源动态信息流,实现自适应预测预警

T

时间维度

内容、尺度、结构、场景四方面独立建模,表征时间的资源性与秩序性

CitySPS平台实践

Peking University · City Simulating and Planning System

94.1%

土地利用预测

缓慢变化类要素精度

91.6%

房价预测

较快变化类要素精度

89.7%

交通需求

快速变化类要素精度

核心创新

支持柔性可调时间步长,兼顾宏观政策长周期推演与微观实时模拟

结合历时性与实时性数据,实现"机理规则+数据驱动"混合建模

构建"过去-现在-未来"全周期分析范式

关键技术挑战

时空知识图谱构建

需跨学科深度融合,实现多模态、多时间尺度数据流的语义统一

跨尺度迁移学习

自适应调整观测粒度,捕获高层次时间动态和尺度间相互作用

算力资源适配

突破传统架构限制,支撑高时间精度动态网格重构与战略推演并行运算

维度间耦合机制

构建时空一体化算子,实现物理-社会-信息-时间的非线性交互

应用前景与价值

🏙️

城市规划

从空间形态设计升级为"空间-时间"双变量系统调控,实现全生命周期动态推演

🚗

交通治理

捕捉流量-速度-密度非线性相变趋势,预测拥堵指数与时间成本

🛡️

韧性提升

识别临界时间阈值,预警系统相变,增强城市应对突发扰动能力

🎯

精准治理

实现动态监测-模拟预测-诊断预警-优化方案全流程智能决策