數字孿生城市到底要做什么？

張靖笙

我很認同一個觀點，數字孿生城市不是智慧城市的N.0版本,而是數字時代城市實踐的全新探索(1.0版)，雖然兩者在云大物移智這些技術構成要素和呈現方式等方面有相當大的重合度，但兩者在理念上有很大的不同，不過話說回來，我也不認為數字孿生城市是對智慧城市的替代或淘汰，智慧城市應用還是要發展下去的，數字孿生城市的出現可以有效彌補了目前智慧城市應用體系的一些不足。

正如一位詩人所認為的，一個系統就是對世界的一種看法，在我們構思這個系統的時候，我們同樣面臨了哲學家、文學家和詩人們常有的困惑―――“如何去獲取生活的真相”，也就是我們的系統該如何“恰如其分”地表達對現實世界的看法。很多人對智慧城市和數字孿生城市的認識，第一印象是智慧的東西和數字孿生的東西，憑此就把這兩樣事物歸入信息技術一類，而這種認識其實是一種巨大的誤導，這兩個概念的本質還是城市，所描述的還是城市的存在和發展方式，簡單來說還是城市生活的方式。

當前，全球已經有超過一半的人口生活在城市，城市正成為人類發展的焦點，甚至可以說城市生活的美好程度決定了人類社會的福祉。然而，城市病從工業革命之后便伴隨著城市化進程，成為每個時代不得不竭力應對的頑疾，并且隨著越來越多的社會資源和要素向城市聚集，越來越多社會新時尚在城市出現，城市的復雜性也與日俱增?，F實中我們生活在城市里的人猶如深處廬山之中而不認識廬山的真面目，如何能夠及時和清晰地掌握城市生活的各種大事小情、態勢狀況，是擺在每一位城市管理工作者面前的難題。

我們需要認識到，城市生活由關系到城市主要功能的多個領域組成：政府管理與服務、公共安全、交通、醫療衛生、能源與水、環境保護、城市規劃與城市管理、經濟發展、社會服務、教育等等，這些領域不是零散孤立的，是以一種需要協作的方式相互銜接。而城市本身，則是由這些領域所組成的最復雜的人造宏觀系統，從技術上呈現其真實狀態，并跟蹤預測似乎是一件不可能的事情。

我這里舉一個社會統計學的問題為例，這個問題是考慮一條廣告信息在社會關系網絡中的傳播效果，假設傳播者不對信息內容做任何修改，只是隨機的原封不動地告訴下一位。

如果我們不考慮特定人群，假設每個人接受和轉發到這條信息的機會是均等的，是等概率的，這樣我們應該可以比較精確地預測到這條信息的接收人的數量，并計算出廣告的預期效果；但是，如果人群或者傳播規律存在一些非隨機的特性，比如選擇社會關系中比較親近的人，那么基于等概率來統計所做的簡單預測就可能大大偏離實際的廣告效果了。

而如果我們考慮把這個問題和特定人群的人數掛鉤，如果人數很小，我們可以通過跟蹤人際交往的情況，對可能的傳播效果有一個清晰準確的了解，但是如果放到城市環境下的大量人群，這種對社會關系準確跟蹤的方法用傳統的信息技術手段是很難做得的，我們不得不放棄準確計算社會關系模式的想法，而代以前面簡單計算平均值的方法來預測在大數人群廣告傳播效應，這樣，大數環境下我們選擇了采取平均統計方法，同時也阻止了我們用小數環境下精確計算的解析方法。  

用這個圖來理解這個概念，橫坐標表示人口的數量，縱坐標表示個體的差異，左下角區域1表示具有很多差異不大的小規模人群，由于變量個數不會太多，還可以用精確計算的方法來求解；區域2表示個體的差異太大，已經具備了足夠的隨機性了，前面的機會均等假設也得以成立，可以據此采用平均概率預測的統計方法，而兩者之間的區域3，則表示人群的差異很大，但又具有一定的結構而不能用平均統計模型來處理。

如果我們把人口數量看成是復雜程度，個體差異概括為隨機性，則：

l  區域1可以成為“有序的簡單”，可以用精確的分析和計算的方法，屬于力學原理可以解決的范疇，這樣的系統我們可以稱之為小數系統；

l  區域2是“無序的復雜”,可以采用統計的方法，屬于種群、集合的范疇，這樣的系統我們可以稱之為大數系統；

l  而兩者之間張著大嘴的區域3表現出了“有序的復雜（Organized complexity）”，復雜得難以進行精確分析和計量方法，然而又有序得不適合采用統計方法的平均數假設，介于小數和大數之間，我們稱之為中數系統。

很明顯，對于我們城市生活中所面對的大部分問題，區域1和區域3都是非常極端的情況，嚴格意義滿足小數和大數條件的問題在現實城市生活中都是很少存在的，大量城市社會的問題對應的數學模型都是中數系統，非常典型的例子，股票交易市場就是一個中數系統，所以導致經濟學家的對股市的預測有時還不如大猩猩砸香蕉皮得到的預測結果準確。

對于中數系統而言，可以預計它與任何理論都或多或少存在偏差。生物學家Lewontin曾說道:“我對社會學家所處的位置相當同情。他們面對著最復雜和頑抗的有機體的最復雜和困難的現象,卻不能像自然科學家那樣具有操縱他們所研究的對象的自由”。很明顯，大數和小數這兩類構成現代科學技術基礎的思維方法都顯得過于理想化，明顯地缺乏處理我們城市生活中大多數問題的能力。

無論技術如何發展并應用于城市，“城市是什么”都是一個最根本的問題。追溯現代城市規劃思潮和實踐，每一個時代都在努力找尋城市的“真相”，而對城市本質的不同認識決定了不同的城市實踐方法。自1961年Jane Jacobs在《美國大城市的死與生》中把城市定義為“有序的復雜、一種最為復雜、最為旺盛的生命”

開始，對城市復雜性的樸素認知經常反映在城市與生物體之間的經典類比上。隨著系統科學的發展，城市模型深受青睞，被看作是檢驗規劃設想的手段，甚至被視為能夠預測城市未來的可靠方法。不過，著名的規劃大師John Friedmann在晚年認為，“城市建模本質上是還原論的，做研究很有用，對實踐則意義稍遜，因為實踐要面對現實中的城市，要求即時性”。在中國，錢學森先生早在1985年就提出城市是一個復雜的巨系統，要用系統科學的方法對城市進行研究，早期影響了一批規劃學者，近年來，由于信息通訊技術對城市生產生活方式產生了巨大的影響，線性、機械切分的城市管理方式受到極大挑戰，城市是一個復雜系統的認識逐漸回歸。

傳統城市發展是在一個特定物理空間范圍內的，要取得發展必需不斷注入更多的物質資源，比如需要更多的人口、土地、能源、水、食物、交通工具、生產資料和生活用品等等，但在一個物理時空內，物質資源總是有限的，當物質資源對于城市發展井噴的需求難以承載和負荷的時候，各種城市生活中的社會矛盾和問題就會接踵而至，老百姓過日子是不能停擺的，很多問題都迫在眉睫亟待解決，不能及時處置就出大亂子了，這讓城市管理者的工作像消防隊長，哪里出火頭就往哪里撲，為了滿足越來越復雜的管理需要，城市管理機構也越來越龐大臃腫，政府太大了，政府各職能部門很容易陷入各自為政，各干各的局面。雖然工業化催生了現代城市和豐富多彩的城市生活，但在沒有應用信息技術之前，城市管理者和市民在城市的一切活動都依賴物理空間，城市各方面功能的發展都與物理空間有一一對應的線性關系，不同功能領域的發展又信息不對稱，帶來了很多物質資源的浪費和低效利用，可能大家還有印象，很多城市的馬路被各種施工原因反復剖開給自己生活造成的麻煩和不方便。

信息化則讓城市跳脫出這種線性發展方式，正如1989年Manuel Castella在《信息化城市》中所指出，“在信息時代，傳統的城市空間將逐漸被信息空間取代，信息通信技術造就的信息流動空間將社會文化規范形式和整個物理空間進行區分并重新組合，進而形成了一個新的‘二元化城市’”。以互聯網為代表的新信息科技把人類文明帶入了新時代，數字化也賦予了城市新的基因，數字化城市還是城市，但肯定不再是傳統城市了。

數字城市的早期階段是業務驅動的信息化建設，城市各功能領域（教育、醫療、公安、產業等）紛紛建設了滿足各自業務需求的數字系統，這些信息化應用也產生了與之對應的信息空間，雖然這些信息系統在局部范圍內優化了業務和管理，但由于這些信息系統都是服務局部的業務需求，從城市全局來看，這些信息空間一方面是相互割裂的，二方面由于數據主要是人工方式采集和錄入的，存在嚴重的數據質量問題，和城市物理空間的實際情況存在嚴重的脫節，所以這樣的信息空間里面的功能并不能避免和減少現實城市生活中對于很多物質資源要素的消耗，傳統城市發展的結構性問題并沒有得到根治，反而帶來了新管理上的問題。

智慧城市的概念起源于IBM提出的智慧地球，2008年11月IBM提出“智慧地球”概念，2009年1月，美國奧巴馬總統公開肯定了IBM“智慧地球”思路，并且IBM“智慧地球”戰略已經得到了各國的普遍認可，2009年8月，IBM又發布了《智慧地球贏在中國》計劃書，正式揭開 IBM“智慧地球”中國戰略的序幕。

按照IBM的定義，“智慧地球”包括三個維度：第一，能夠更透徹地感應和度量世界的本質和變化；第二，促進世界更全面地互聯互通；第三，在上述基礎上，所有事物、流程、運行方式都將實現更深入的智能化，組織因此獲得更智能的洞察。

IBM“智慧地球”英語原文是Smart Earth, 如果直譯，應該只是聰明地球的意思。我們說，耳聰目明，耳和目，都是感知器官，所以聰明的本意是一個人對外界環境很快很好的感知能力，因此表現敏捷伶俐，我們的古人用語是很嚴謹的，聰明無論如何也不能等同于智慧，英文單詞智慧也不是smart，Smart Earth應該說是謙虛的，也是恰當的，可是IBM中國公司把這個概念2009年引進中國的時候，翻譯中用智慧替代了聰明，我認為含義上并不太恰當，而時任總理提出了“感知中國”的解讀，與“智慧中國”相比，這種解讀無疑是很到位的。

智慧城市也繼承了智慧地球的定義和概念，在商界、政府以及學術界引發了廣泛關注，被認為是解決城市病問題的靈丹妙藥和實現可持續發展的有效途徑。然而至今已有十多年，與繁榮的技術工程市場相比，智慧城市項目并未取得其標榜的效果，特別是“搞智慧城市的人卻不懂城市”無疑是一個巨大而根本性的諷刺。雖然信息技術是把握城市復雜性的有效手段，但已有智慧城市項目仍然沒有跳出機械還原各城市功能領域業務物理場景的認知模式，大多數冠以“智慧”標簽的城市行業應用除了簡單模仿人工業務流程中的信息傳遞和處理，并沒有對推動城市傳統管理方式發生結構性的變革，當前許多智慧城市項目實質上是對政府職能和工作流程的信息化改造，是現有條塊分割、機械線性式城市管理系統上的片面模仿和打上信息技術補丁，而非革新方案，而且實踐中也并沒有解決傳統信息化數據孤立、條塊林立、系統分隔的問題，使城市系統間的協同難度和管理成本由于技術屏障而進一步增高，難以真正實現智慧發展。因此就目前已有的智慧城市建設方式而言，即使技術不斷升級的智慧城市N.0版本也難以消除其與城市的“排異”反應，只能達到階段性的城市局部優化效果，無法真正起到引領未來城市發展方向的作用。但話說回來，智慧城市概念作為一種比較容易理解和接受的未來城市發展理念，對于激發城市各功能領域的轉型升級需求，推動信息技術在城市各行各業的廣泛應用還是有相當積極的作用，只是在具體的建設手段上要采取全新的認知和策略。

數字孿生（Digital Twin）是指構建與物理實體完全對應的數字化對象的技術、過程和方法。這一概念包括三個主要部分：物理空間的實體；信息空間的數字虛擬模型；物理實體和數字虛擬模型之間的數據和信息交互系統，數字孿生源于仿真技術，但它不同于“仿真”，更為“寫實”，有下面三方面的特征：

首先數字孿生要求信息空間里面的虛擬數字模型是“寫實”的，為“一種綜合多物理、多尺度模擬的載體或系統，以反映其對應實體的真實狀態”。數字孿生可以將物理空間里實體的實時數據與虛擬數字模型緊密結合，使管理人員能夠更容易掌握物理實體運行狀態

其次數字孿生代表了完整的環境和過程狀態。數字孿生是一個高度動態的系統，涵蓋整個全生命周期，從設計、建設、直到運行和管理階段，具有統一的數據源，避免了數據孤島問題。由傳感器感知或由執行系統生成的所有數據都存儲在虛擬數字模型的歷史數據庫中，并隨著物理實體系統的變化而實時更新，這樣積累下來的歷史數據對于創新所需要的知識發現是有重大價值的。

而最重要的意義是，在及時掌握物理實體運行狀態的基礎上，結合歷史數據所發掘出來的變化規律，管理人員可以針對與物理實體對應一致的數字虛擬模型進行模擬控制與管理帶來的影響進行預演和驗證，根據模擬結果推演出更好的行動計劃，這樣就能翻過來更加有效地改進在物理空間的各項活動安排，避免不必要的物質資源的損失和浪費，并且動態調整，及時糾偏。

從這些特征可以看到，數字孿生對物理實體的高度“寫實”體現了實事求是的世界觀和方法論，我們可以把數字孿生理解為數字時代的實事求是新手段，以前我們沒有這樣的信息空間，事實求是只能在物理空間中實地調研管理對象，這樣的工作當然也需要消耗巨大的時間和資源，今天當我們擁有這樣一個“反映其對應實體的真實狀態”的信息空間后，實事求是工作就可以放在這樣一個信息空間進行了，這將從根本上改變我們傳統的認知方式和習慣，我們將邁入一個徹底數據驅動實事求是的時代。

而數字孿生涵蓋整個全生命周期和推動物理實體的優化又體現了巨大時代意義，今天已經邁入了創新驅動的新時代，我們針對虛擬數字模型所做的各種創新方案的預演和驗證，基本不需要承擔什么物質成本，將大大降低創新的風險和成本，也讓大眾創新提供了最有力的支持。

數字孿生城市是數字孿生技術在城市層面的廣泛應用，通過構建城市物理世界及網絡虛擬空間一一對應、相互映射、協同交互的復雜系統，在網絡空間再造一個與之匹配、對應的孿生城市，實現城市全要素數字化和虛擬化、城市狀態實時化和可視化、城市管理決策協同化和智能化，形成物理維度上的實體世界和信息維度上的虛擬世界同生共存、虛實交融的城市發展新格局。數字孿生城市是徹底以數據驅動為核心的新的城市生活方式，可以憑借統一的數據基礎設施，構建人與人、人與物、物與物多元融合的數字化城市鏡像。全面數字化是數字孿生城市的基底，只有通過全方位、全流程和全系統的數據歸集，城市的物化表現和人類智慧才能夠更好的結合，這不僅僅是對局部了解的深化和細化，更重要的是提升了獲得系統全面信息的能力，讓更多的城市主體通過在這樣一個高度寫實城市各種物理實體的統一的信息空間，參與到城市管理和發展工作中來，回應前面關于眾多城市生活問題“有序的復雜”的中數系統，大眾的參與則可能把相同的問題分解為“有序的簡單”小數系統，毫無疑問這才是徹底解決這些城市問題的正道，政府無法通過集中方式解決的問題，如果激活每位市民的參與采取一致的行動很可能就成了大家的舉手之勞，而現在我們做不了這樣的事情不是因為市民沒有參與的熱情，而是沒有有效參與的渠道和手段，這樣一個與物理城市高度一致的數字孿生城市信息空間將極大地奠定這種可能性。

這樣的數字孿生城市目標對當下來說毫無疑問還是有些高遠的，如何邁出第一步才是關鍵。結合筆者最近的一個咨詢工作經驗，筆者提出了智慧城市應用和城市孿生數據融合的基本構想。

一是做好市政基礎設施通訊、物聯網統一規劃設計，加強傳感設備通信及數據傳輸網絡建設，出臺相應的管理辦法和建設標準，為新建項目工程提供規范指導。推進光纖網絡覆蓋，加強窄帶物聯網技術推廣，同時促進3G、4G、5G等無線技術與智能感知物聯網絡的結合，以此全面推進“無線+有線”的傳感網建設，形成高效感知環境，打造暢順高效、全域覆蓋的物聯網感知“神經網絡”。

二是加快攝像頭、水質傳感器、溫濕度傳感器、空氣質量傳感器、聲音傳感器、紅外探測器、氣象監測儀器等物聯網感知設備在市政設施、安全管理、產業等各領域布局。加強對市政基礎設施（交通設施、井蓋、路燈、消防栓、橋梁、地下管線等）、交通狀況（道路、停車位、車流量、信號燈等）、環境狀況（空氣質量、噪聲、水環境質量等）、園林狀況（土壤墑情、病蟲害、遠程灌溉等）和公共安全防護狀況（視頻監控、人臉識別、煙感漏電等）的感知能力和數據自動采集能力，讓這些能自動采集數據的智能傳感器成為“神經末梢”。

三是針對市政基礎設施物理實體設置數字孿生模型庫，采用“物理幾何-----功能-----規則”多維度多尺度建模與仿真技術、多維度多尺度模型集成與融合技術，模型融合過程主要涉及多維模型的構建、評估與驗證、關聯與映射、融合、一致性分析等過程，保證物理幾何、功能、規則等各位模型與其所刻畫的感知層的基礎設施、設備實際物理對象的一致性，以指導對同一實際物理對象狀態采集數據的集成工作，通過數字孿生模型指導數字孿生市政基礎設施物聯網云平臺來具體實施對市政基礎設施“神經網絡”采集來的各種數據根據數據孿生的要求完成城市設施孿生數據集成工作，通過“神經末梢”對各項市政基礎設施采集的數據有規模海量、多源異構、多維多尺度等大數據特征，要實現數字孿生“虛實交互”環境下的一體化數據集成和融合，數據融合指針對同一實際物理對象所采集的相關數據，進行生成、清洗、關聯、聚類、挖掘、迭代、演化、融合等操作，真實地刻畫和反映其實際運行狀態、行為或功能、演化規律和統計學特征等孿生數據維護工作，這是實現數字孿生市政基礎設施環境的基礎性工作，因此數字孿生市政基礎設施物聯網云平臺實際上肩負了一個“神經中樞”的作用；

四是通過城市應用云平臺支撐各城市功能領域細化的智慧城市應用的大數據匯聚和存儲加工工作，并且根據業務的需求實現智慧城市應用和城市孿生數據的融合工作，以高質量的城市孿生數據支撐各個城市管理和運營和市民服務領域對認知“真實城市面貌和環境”的大數據應用需求。如此通過智慧城市應用和城市孿生數據的融合工作所建構的一體化的信息空間，智慧城市每個功能領域（教育、醫療、公安、產業等）與城市的其他資源形成良好業務互動和協同工作，從而更好地整合資源為政府和市民服務，這才能讓智慧城市各項應用成為真正的“城市大腦”里具有自主學習能力的人工智能應用。

城市市政各項基礎設施是城市正常運行和健康發展的物理環境基礎，對于改善人居環境、增強城市綜合承載能力、提高城市運行效率、穩步推進新型城鎮化具有重要作用，直接關系到市民城市生活體驗的基礎要素，將直接影響老百姓對高品質城市生活的獲得感。因此對城市市政各項基礎設施應用數字孿生方式實時獲取物理實體運行狀態，從而建構一個體現“真實城市面貌和環境”的信息空間，既能解決我國當前快速城市化進程中很多問題，又能為未來的城市發展方向奠定基礎，而且由于所有城市的市政基礎設施基本上是同質的，這樣的技術路線也具備易推廣、易復制的優勢。

（此稿完成于2019年1月4日凌晨）