文 |陳龍

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導語

資深智慧城市研究者、華為公司智慧城市高級顧問王鵬，受邀在騰訊研究院×集智俱樂部 AI&Society沙龍上發(fā)表以“從城市數(shù)據(jù)到智慧城市”為題的演講。筆者回顧了王鵬對城市數(shù)據(jù)及其應用的，并結(jié)合清華大學龍瀛團隊在人類數(shù)字化上的最新研究，提出對城市和個體虛擬化的探討。講座視頻實錄請見文末小程序與網(wǎng)頁鏈接。

源于工業(yè)4.0的數(shù)字孿生

數(shù)字孿生（Digital Twin）這一概念最早可以追溯到Michael Grieves教授2002年在密歇根大學PLM（產(chǎn)品生命周期管理）中心對產(chǎn)業(yè)界做的一次演講（雖然沒有書面證據(jù)，但這仍被廣泛認為是數(shù)字孿生最早來源）。

2014年，Michael Grieves在其撰寫的“Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication”白皮書中進行了詳細的闡述。他認為通過物理設(shè)備的數(shù)據(jù)，可以在虛擬（信息）空間構(gòu)建一個可以表征該物理設(shè)備的虛擬實體和子系統(tǒng)，并且這種聯(lián)系不是單向和靜態(tài)的，而是在整個產(chǎn)品的生命周期中都聯(lián)系在一起。

在此之后，數(shù)字孿生的概念逐步擴展到了模擬仿真、虛擬裝配和3D打印等領(lǐng)域。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，更多的工業(yè)產(chǎn)品、工業(yè)設(shè)備具備了智能的特征，而數(shù)字孿生也逐步擴展到了包括制造和服務(wù)在內(nèi)的完整的產(chǎn)品周期階段，并不斷豐富著數(shù)字孿生的形態(tài)和概念。

企業(yè)界走在數(shù)字孿生的前列。工業(yè)4.0下的數(shù)字孿生被各大軟件廠商賦予了各自的理解，并將其與自身業(yè)務(wù)融合，致力于打造出現(xiàn)實世界與虛擬世界融合的解決方案。

美國通用電器公司（GE）與ANSYS公司借助數(shù)字孿生這一概念，提出物理機械和分析技術(shù)融合的實現(xiàn)途徑，讓每個引擎，每個渦輪，每臺核磁共振都擁有一個數(shù)字化的“雙胞胎”，并通過數(shù)字化模型在虛擬環(huán)境下實現(xiàn)機器人調(diào)試、試驗、優(yōu)化運行狀態(tài)等模擬，以便將最優(yōu)方案應用在物理世界的機器上，從而節(jié)省大量維修、調(diào)試成本。

西門子引用數(shù)字孿生的概念，來形容貫穿于產(chǎn)品生命周期各環(huán)節(jié)間的數(shù)據(jù)模型。通俗地說，數(shù)字孿生就是仿真模擬一些工廠的實際操作空間，從產(chǎn)品設(shè)計到產(chǎn)線設(shè)計，到設(shè)備制造方的機械設(shè)計和工廠的規(guī)劃排產(chǎn)，到最后制造執(zhí)行和產(chǎn)品大數(shù)據(jù)。

法國軟件公司達索系統(tǒng)在數(shù)字孿生創(chuàng)新協(xié)作和驗證中，不僅重視產(chǎn)品的數(shù)字化表現(xiàn)，更試圖通過三維體驗平臺實現(xiàn)設(shè)計師和客戶之間的互動。

德國軟件公司SAP基于Leonardo平臺在數(shù)字世界打造了一個完整的數(shù)字化雙胞胎，在產(chǎn)品試驗階段采集設(shè)備的運行狀況，進行分析，得出產(chǎn)品的實際性能，再與需求設(shè)計的目標比較，形成產(chǎn)品研發(fā)的閉環(huán)體系。

簡而言之，工業(yè)4.0下的數(shù)字孿生，更多是為制造業(yè)提供了產(chǎn)品在物理空間和虛擬空間之間的映射關(guān)系，以及在實體世界以及數(shù)字虛擬空間中記錄、仿真、預測對象全生命周期的運行軌跡的過程。

物理世界和數(shù)字副本

數(shù)字孿生：催生智慧城市2.0

值得注意的是，數(shù)字孿生的概念不僅活躍在工業(yè)4.0的制造業(yè)，也越來越頻繁地出現(xiàn)在智慧城市領(lǐng)域。隨著ICT（信息、通信、技術(shù)）成為智慧城市發(fā)展的主要動能，移動通信、互聯(lián)網(wǎng)、云計算、傳感器、人工智能、量子通信在智慧城市都得到了廣泛應用。全域感知、數(shù)字模擬、深度學習等各領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展也即將迎來拐點，這使得城市的數(shù)字孿生應運而生。

中國智慧城市數(shù)字孿生的發(fā)展還有很長一段路要走。數(shù)字孿生高度依賴傳感器所采集的數(shù)據(jù)和信息，而就目前的技術(shù)水平來看，精細化尺度下城市數(shù)據(jù)的全域感知和 歷史 多維數(shù)據(jù)的獲取，依舊有難度。物理實體空間的數(shù)據(jù)不夠詳盡，將直接導致其數(shù)字副本的缺失。現(xiàn)階段的數(shù)字孿生距離想象中的沙盒系統(tǒng)模擬推演、人工智能決策等功能仍有很大差距。

數(shù)字孿生在智慧城市發(fā)展與建設(shè)中的核心價值在于，它能夠在物理世界和數(shù)字世界之間全面建立實時聯(lián)系，進而對操作對象全生命周期的變化進行記錄、分析和預測。智慧城市中的數(shù)字孿生可以分為四個階段，分別是

對城市現(xiàn)狀進行精準、全面、動態(tài)映射的現(xiàn)狀孿生；

從 歷史 數(shù)據(jù)中學習、分析、識別、總結(jié)并發(fā)現(xiàn)城市運行規(guī)律的學習孿生；

人工監(jiān)督下模擬不同環(huán)境背景下的發(fā)展情景的模擬孿生；

最終通過實時數(shù)據(jù)接入與人工智能自動決策的自主孿生。

同時，我們也應看到數(shù)字孿生在傳感器、5g和邊緣計算技術(shù)不斷發(fā)展中所具備的巨大潛力。傳感器的高密度部署與高精度感知，結(jié)合5g和邊緣計算的實時結(jié)構(gòu)化計算回傳，對城市物理空間的全域感知和實時更新，將是5g時代的常態(tài)。一磚一瓦、一草一木、一桌一椅、一人一車，都會以不同的頻率更新位置和狀態(tài)信息，從而實現(xiàn)真正的“全息”虛擬城市。

城市數(shù)據(jù)：數(shù)字孿生的DNA

在智慧城市的建設(shè)中，數(shù)字孿生的核心在于構(gòu)建與城市物理空間全面映射的虛擬（信息）空間。不同于制造業(yè)產(chǎn)品周期管理中被制造商全面掌握的產(chǎn)品信息化數(shù)據(jù)，城市作為一個龐大的復雜系統(tǒng)，其包含的物理空間及過程，無時無刻不在產(chǎn)生著多維的海量大數(shù)據(jù)，這無疑在數(shù)據(jù)收集、處理、運算、儲存和管理上向城市數(shù)字孿生提出了挑戰(zhàn)。

近年來，以數(shù)據(jù)為核心的城市生態(tài)鏈構(gòu)架了智慧城市的頂層設(shè)計，形成以共享信息為中心、各行業(yè)協(xié)同實現(xiàn)的“感知-應用-共享信息”的智慧城市模式。與此同時，在大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新興ICT技術(shù)的推動下，多維的海量城市數(shù)據(jù)也逐步以不同方式被挖掘并應用在智慧城市的研究和實踐中。

傳統(tǒng)城市統(tǒng)計數(shù)據(jù)的電子化與空間可視化是城市大數(shù)據(jù)發(fā)展邁出的第一步。基于GIS平臺上對行政邊界的勾繪，并將其與傳統(tǒng)的年鑒統(tǒng)計數(shù)據(jù)相匹配，就能實現(xiàn)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的電子化與可視化，并依托GIS空間分析功能實現(xiàn)空間可視化與分析。

Cityeye上對傳統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的電子化與空間可視化

互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的應用標志著城市真正邁入了大數(shù)據(jù)時代，而互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)也儼然成為近年來城市研究的“寵兒”，無論是學界還是業(yè)界都在積極 探索 互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)為城市研究和發(fā)展帶來的諸多可能。

互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)最大的優(yōu)勢在于其打破了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)自上而下的數(shù)據(jù)采集壁壘，而是以自下而上的方式提供著精細尺度下的多維數(shù)據(jù)，如記錄城市內(nèi)所有地理實體空間位置與屬性的興趣點（POI）數(shù)據(jù)；反映話題熱度與用戶畫像的社交媒體大數(shù)據(jù)；實時展示人口空間分布的熱力圖等。

而隨著智慧城市的到來，傳感器技術(shù)的進步與成熟為城市研究提供了另一條數(shù)據(jù)獲取之路。

通過多模塊集成傳感器在城市內(nèi)部的架設(shè)，可以實現(xiàn)精細尺度下城市環(huán)境、人車行為等數(shù)據(jù)的實時感知與收集。如由City Grid城市網(wǎng)格數(shù)據(jù)監(jiān)測站，可利用多模塊傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測人車流量及環(huán)境質(zhì)量，如風速、風向、光照、溫濕度和pm2.5等。City Grid是一款針對城市空間精細化感知的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，也是傳感器技術(shù)應用在城市全域感知、數(shù)據(jù)采集，乃至實現(xiàn)城市未來微觀環(huán)境與人車行為預測的經(jīng)典案例。王鵬團隊也曾多次利用City Grid多次在清華大學校園和白塔寺社區(qū)內(nèi)進行監(jiān)測布點、數(shù)據(jù)采集，并針對城市環(huán)境和人群行為開展深入分析。

City Grid城市網(wǎng)格數(shù)據(jù)監(jiān)測站

LBS數(shù)據(jù)（基于位置服務(wù)的數(shù)據(jù)），通過運營商采集用戶與基站間不間斷的信令數(shù)據(jù)，來獲取移動服務(wù)用戶相對精確的實時空間位置。因其具備用戶量大，覆蓋范圍廣等特征，是描述城市人口數(shù)量和空間分布的“終極”數(shù)據(jù)。

我們把自己數(shù)字化了！

Digital Self 數(shù)字自我

在感嘆數(shù)字孿生如何顛覆性地改變制造業(yè)和城市管理與運營的同時，有學者已經(jīng)開始 探索 如何打造人類個體的數(shù)字雙胞胎。

清華大學龍瀛團隊的研究助理張昭希近期發(fā)表了一篇題為“Application of wearable cameras in studying inpidual behaviors in built environment”的期刊論文，提出創(chuàng)新性地使用可穿戴式相機對個體行為和城市空間感知進行數(shù)據(jù)收集、分析與模擬。

研究團隊利用便攜式相機，記錄佩戴者正前方每5分鐘一張的圖片數(shù)據(jù)，并通過人工識別、計算機視覺分析和色彩識別分析等手段，對佩戴者個體行為特征、時間分配、路徑轉(zhuǎn)移、場所事件等要素進行了分析研究。研究結(jié)果表明，可穿戴式相機采集到的圖片數(shù)據(jù)具有豐富的個體行為與時空信息，可以有效描述個體在空間中的行為特征。

數(shù)字化的“生命日志”

隨著大數(shù)據(jù)在城市研究中的廣泛應用和快速發(fā)展，基于建成環(huán)境層面的形態(tài)要素數(shù)據(jù)（如遙感、街景和POI數(shù)據(jù)）和多種互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)（如微博、點評和手機信令數(shù)據(jù)）開展的針對大規(guī)模群體的研究，為利用大數(shù)據(jù)解釋城市問題提供了大量案例參考，并逐步建立了理論基礎(chǔ)。然而，這些基于較粗尺度城市物理空間，抑或是大規(guī)模群體的大數(shù)據(jù)，仍較難被應用于個體的深層剖析和研究解讀。

而可穿戴式相機為大規(guī)模采集個體數(shù)據(jù)提供了新的契機，通過記錄的圖片數(shù)據(jù)將個人活動信息數(shù)字化，形成“數(shù)字自我”的 電子檔案，彌補了現(xiàn)有研究中對個體行為數(shù)據(jù)采集不夠連續(xù)、維度不夠豐富的問題，這也是從城市環(huán)境數(shù)據(jù)化向個體行為信息化的轉(zhuǎn)變之一。同時，個體行為信息化也將推動研究方法的革新和新技術(shù)的介入，從主觀的“個體感知”轉(zhuǎn)向客觀的“量化研究”。

從數(shù)字孿生的角度來看，基于可穿戴式相機記錄下的圖片數(shù)據(jù)，通過整理和分析可以剝離出個體在物理空間中的行為特征要素，進一步將這些個體行為特征要素在時空上數(shù)字化，從而構(gòu)建了其在虛擬（信息）空間內(nèi)的數(shù)字雙胞胎。同時，圖片數(shù)據(jù)中包含的大量物理空間建成環(huán)境要素同樣可以被數(shù)字化并記錄在虛擬空間內(nèi)，從而反映物理空間和虛擬空間內(nèi)個體和環(huán)境之間的交互。

科技 的日新月異不僅使人們的生活方式發(fā)生了巨大改變，同時也影響著城市運行的方方面面。不可置否的是，新技術(shù)的高速發(fā)展給城市研究與實踐帶來了新的機遇，推動著城市規(guī)劃技術(shù)和工具的突破與創(chuàng)新。如龍瀛提出的數(shù)據(jù)增強設(shè)計，允許規(guī)劃師們借助多維城市大數(shù)據(jù)對城市做出更全面、精準的分析與規(guī)劃設(shè)計響應。

同時，在信息通訊技術(shù)革新的助力下，數(shù)據(jù)儲存、挖掘、云計算和可視化等技術(shù)的完善也為研究城市提供了新視角。人們的思維方式從傳統(tǒng)的機械思維向大數(shù)據(jù)思維轉(zhuǎn)變，認知方式也逐漸向虛實結(jié)合的體驗過度。城市數(shù)字孿生、數(shù)字自我的概念也將在第四次工業(yè)革命的技術(shù)革新下?lián)碛懈S富的內(nèi)涵。

參考資料

[1] 王鵬：展望未來城市，萬物皆可運營 | 智慧城市長文綜述

[2] 王鵬：城市數(shù)據(jù)到智慧城市

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[4] Zhang, Z. X., & Long, Y. (2019). Application of Wearable Cameras in Studying Inpidual Behaviors in Built Environments. Landscape Architecture Frontiers, 7(2), 22-37.