數字孿生與智慧城市

張靖笙

     今天城市數字化的發展理念已經得到了普遍共識，而一些新數字技術也必然將影響城市規劃、建設與發展，從而引導城市的數字化發展方向。2017年，全球領先的信息技術研究和顧問公司Gartner公布了將在2018年對大部分企業和組織機構必然產生顯著影響的首要十大戰略科技發展趨勢，其中就包括了數字孿生，如筆者前期文章《數字孿生為何成為戰略科技發展必然趨勢》的論述，數字孿生作為工業4.0至關重要的戰略科技，對工業界的影響日益顯現，近兩年也井噴式地涌現了大量新的研究和應用成果。而最近，數字孿生城市的概念也已經悄然興起，能不能把在工業界的數字孿生研究成果和最新進展應用到智慧城市的發展里面呢？這是一個很值得認真思考和探討的問題。

      我們先回顧一下最早誕生于工業界的數字孿生概念，數字孿生一詞，最早是美國密西根大學教授Michael

Grieves于2003年在產品全生命周期管理課程上提出，并被定義為三維模型，包括實體產品、虛擬產品以及二者間的連接。從這個概念里面，我們可以看到數字孿生最早的研究對象是產品，從實體產品的全生命周期的角度來建構一個如影隨形的數字虛擬產品，雖然后來的研究機構和企業對于Grieves教授的數字孿生概念做了很多的擴展，包括Grieves教授自己的著作《Virtually Perfect: Driving Innovative and Lean Products through

Product Lifecycle Management》把虛擬的概念擴展到工業生產包括技術、組織和流程等等的方方面面，但如Grieves書名本身所出現的Products這個詞，工業技術總是圍繞產品來構建的，作為信息技術和工業技術融合的數據孿生也必然繼承了這樣俗成的約定。

      數字孿生的概念誕生于工業界有其歷史必然性，因為只有數字化才有可能實現對產品的全生命周期管理，大家可以想象一下，沒有信息技術的數字化手段，別說什么管到回收報廢的產品生命周期結束了，產品出廠以后物流去哪里了都無法跟蹤了，所以數字化技術在工業中的普遍應用是奠定產品全生命周期管理的基礎，根據Grieves教授給出的定義：“產品生命周期管理(PLM)是一種集成的、信息驅動的方式，用于管理產品的生命周期及其周邊環境涉及的各個方面的人、流程/活動，以及技術，從產品的設計到制造，部署到維護，服務、報廢處理直到產品的生命周期的終結”。工業4.0智能制造的核心目標恰恰就是驅動創新與精益的產品全生命周期管理，通過模型和數據，數字虛擬空間成為在物理空間中不斷走向完美產品的必由之路，因此數字孿生對于智能制造不但是條鑰匙，也是必經的通道。

     而在數字化城市領域，產品這個概念帶來了很大的困惑和問題，對于城市來說，“產品”到底是什么？或者說什么算是城市的產品呢？放到具體的層面，到底是考慮把整個城市看成一個產品還是看成類似“工廠”一樣生產“產品”的環境？如果把城市類比成工廠，那么在數字孿生虛擬城市里面所鏡像的又應該是物理城市空間中的什么實物呢？面對這些問題，很顯然，很多工業界的做法也無法直接生搬硬套過來解決在城市管理、規劃、建設與發展領域所遇到的問題，而今天我們所看到的數字孿生城市的概念，卻缺失對于這個根本出發點的辨識和澄清，現在網上看到的很多孿生數字城市的概念和十年前剛提出來的智慧城市一樣，表現出來是一個百家爭鳴，各說各有理的眾說紛紜，不同的解釋之中也難免出現很多邏輯上的模糊和混亂，筆者不久看過一些著名網站上公開發表文章，把數字孿生城市和城市大腦的概念混為一談，對此我是不敢茍同的。

      可能也有些業界朋友說，搞數字孿生并不是非得有什么產品的概念的，建設“數字孿生”鏡像城市平臺，通過 三維GIS、BIM/CIM等信息技術， 實現信息世界與物理現實世界的全方位映射， 虛實交融，支撐基于網絡空間的在線治理和服務。以全量數據為基本要素，實現城市地下、地上地理信息，與三維空間數據字建模畫像，逐步在數字空間上所構建的城市虛擬映像疊加在城市物理空間上全域感知和智能終端等部件，集中管控城市地下網、多功能信息桿柱、充電樁、井蓋、垃圾桶、城市攝像頭、路燈等等城市設施，實現以全量數據為基本要素的各城市治理領域的一張圖可視化展示和遠程控制方式，逐步打造實現數字孿生城市。

      在筆者看來，這也不失為一個很務實的考慮，也說明了數字孿生這個概念有很廣泛的適應性和吸引力，數字孿生的其中一個基本理念是通過虛擬空間中的模型和數據優化物理空間里面的決策和行動，推廣數字孿生的概念對于改變傳統的城市發展模式，提升城市發展效率，快速改變城市面貌，重塑城市基礎設施，形成虛實結合、孿生互動、迭代優化的城市發展新形態無疑也有非常現實和深遠的意義，筆者作為數字孿生理念的推崇者，非常認同也愿意支持。

      而當筆者在智慧城市咨詢工作中，需要考慮如何建構解決城市發展中各種問題的大數據智能化應用場景的時候，發現如果我們把數字孿生城市的概念只停留在三維地圖、三維建筑物信息模型、數據可視化、虛擬現實、增強現實、混合現實這樣一些偏視覺可視化的應用場景上，數字孿生很多極具進步性的思想和理論成果就無法真正地在智慧城市發展中落地生根、開枝散葉和發揚光大。

     而要打通數字孿生和智慧城市，恰恰還是要回到正確理解產品全生命周期管理（PLM）這個概念上，有關PLM的一個核心問題是“產品”是什么？它一定是工廠所造出來的類似飛機或者汽車這樣的東西嗎？其實什么能構成產品也取決于個人的觀點，Grieves教授對產品的定義是：“它是一個人制造的用于執行某種功能的對象或者服務于用戶的功能”。根據這個定義，對于一個噴氣發動機制造商的產品就是發動機，而對于飛機制造商則是整架飛機，發動機只是其產品的一個部件，很明顯兩者對于發動機的關心程度和信息處理方式是明顯不同的，但是只要是產品，就有生命周期，而從PLM的角度，只要是人造的產品，為它的用戶執行一定的功能，存在其發揮效用的生命周期，就可以適用于PLM，所以從PLM的概念，城市中的各種事物都可以被作為“產品”來對待，建筑物、道路、橋梁、管道、線網、路燈、井蓋、垃圾桶等等這些有一定用途的實物，甚至是教育、醫療、文化這些可能不是明顯作為實物的城市生活元素，只要從市民的角度，擁有服務于市民用戶的功能，則可以識別為某種形式的產品，并且從生命周期的角度實現數字化方式的管理，因此數字孿生和智慧城市并沒有不可逾越的鴻溝，PLM是在智慧城市中運用數字孿生的方法和技術的鑰匙，也是鏈接雙方的橋梁。

     而產品在商業模式中的定義是價值主張，是一種對于目標對象（用戶）有某方面好處的價值陳述和主張，其實這個定義和Grieves教授對產品的定義是異曲同工的，如果脫離了對用戶來說的某種功能或者價值，產品就沒有任何存在的理由，這個道理幾乎可以上升到常識的位置，可惜在現實中往往被忽視了，過往的大工業時代，以生產者為中心的生產方式讓產品生產活動成為了一種自說自話的獨角戲，無視用戶的感受和體驗是產品生產的常態，因此造成了大量資源的浪費，從傳統制造模式轉型為智能制造模式，滿足社會化、個性化、服務化、智能化、綠色化等制造發展需求和趨勢，是推動全球各國開展智能制造的共同原因，歸根到底還是解決根據用戶直接參與根據自己價值主張來組織生產的新生產關系問題。

      理解了這個出發點，數字孿生在智慧城市中如何發展則比較容易順理成章，而離開了這個出發點，則任何一份的智慧城市解決方案都只會淪為一些關乎云大物移智各種技術裝備如何擺設的想象效果圖，這些技術擺設到底給市民帶來了什么具體的好處（產品的價值主張）都說不清楚，又如何能在投產后應用和運維（產品生命周期）中不斷地發展和優化呢？城市事實上是比任何一個組織復雜千百萬倍的生態體系，任何一個城市的公共要素和資源，背后都會有復雜的利益關系和不同的利益訴求，所以今天我們打造逐步走向數字孿生的智慧城市各項應用場景的時候，城市政府也首先要摒棄以自我為中心的決策習慣，筆者在前期也專門寫過文章《政府引領市場決定的智慧城市發展觀》論述過有關的觀點，從這個角度，基于這些觀點，我非常不認同把數字孿生城市和城市大腦的概念混為一談，城市大腦說到底是服務政府決策的，而誕生數字孿生背后的PLM是面向用戶，對于城市來說，就是直接面向和服務廣大市民的。城市有效的治理當然需要廣泛傾聽民情民意，但是最后決策還是要有責任的集中，城市大腦是服務決策集中的，硬是把數字孿生和城市大腦拉在一起和稀泥，邏輯上都說不通，對于做宏觀決策的城市領導者來說，很多時候并也沒有什么必要在一個身臨其境的三維數字城市場景里面走進每一個房間才能找到他決策需要的各項數據，這種昂貴的擺設除了吸引眼球，對于決策者并不能發揮更多的價值。

      不過從城市數字化的角度，城市大腦卻可以從決策者的方向推動數字孿生城市的發展，能夠讓大腦發揮中樞作用的恰恰是分布全身的神經系統、神經末梢，還有包括毛細血管、肌肉組織在內的動作使能器，今天我們投資搞一個承載城市大腦的技術容器已經沒有什么難度，而把分布在城市各個角落的神經網絡、神經末梢（傳感器）和毛細血管和肌肉細胞（使能器）都發揮好才是真功夫，也只有這些搞好了大腦才有做好決策的材料！德勤在其發布的《工業4.0與數字孿生》報告中呈現了數字孿生的五大驅動要素——物理世界的傳感器和促動器、集成、數據和分析、以及持續更新的數字孿生應用程序，同樣的道理，做好這五大驅動要素的智慧城市才能真正實現數字孿生。

     今天的城市不但成為了政治經濟文化中心，實質上也成為了大多數國人過日子的生活中心，即使身處深山老林，在生活中總會找到和某種城市要素有某種價值的關聯，所以從產品生命周期管理的角度，驅動各項城市要素的創新與精益發展的數字孿生應用場景將會有無窮的發展潛力和無垠的發展空間！數字孿生城市可以代表新型智慧城市發展新理念和新模式，將智慧城市層出不窮、精彩紛呈的大數據應用場景統一到基于產品全生命周期管理驅動創新和精益理念而發展出來的、對城市各項要素的大數據資源的全生命周期管理和數據開發利用上，數據開放是世界性的潮流，而擁有高質量的數據后再開放，是促進城市生活品質提升和服務產業發展奠定實事（物理空間）中求是（更好發展）的基礎和前提，數據孿生必然會成為保證數據質量的最終選擇，還有什么比反映物理空間中發生的事實有更真切的價值？

     知易行難，知行合一更難，對于如何推動數字孿生的智慧城市發展，我雖然有了一些基本認識，從普通市民的角度也有了不少想法，可我這些想法也還需要放到實際項目和工作中去反復探究和建構，與更多的人合作才可能轉化成行之有效的做法。

    希望與更多有志者同行，僅以此文拋磚，歡迎拍磚。

（本稿完成與2018年12月9日，如需引用請注明出處）