雖然數(shù)字孿生技術(shù)已成功應(yīng)用于制造業(yè)和建筑業(yè)，但城市非常復(fù)雜，需要更多的測量和建模工作。此外，由于它們一直在發(fā)展，因此僅測量和建模一次城市是不夠的。本文探討了數(shù)字孿生技術(shù)能否滿足城市規(guī)劃需求，并幫助他們應(yīng)對(duì)從可持續(xù)發(fā)展到教育、數(shù)字化、基礎(chǔ)設(shè)施和醫(yī)療保健的廣泛挑戰(zhàn)。
人類自古以來就計(jì)劃自己的行動(dòng)，并且有充分的理由：計(jì)劃可以節(jié)省時(shí)間、金錢和精力。在當(dāng)今的數(shù)字時(shí)代，紙質(zhì)地圖已被3D數(shù)字模型所取代。對(duì)數(shù)字孿生（DT）技術(shù)的需求源于對(duì)更好、更精確的行動(dòng)和資源分配規(guī)劃的不斷追求。DT技術(shù)已成功應(yīng)用于制造和建筑，但這并不能保證城市規(guī)劃的成功。城市是如此龐大和復(fù)雜，以至于需要付出巨大的努力來衡量和建模它們。因此，通常一次只測量和建模城市的一部分（例如建筑物）。此外，任何單一的測量和建模城市的行為都是不夠的，因?yàn)槌鞘杏肋h(yuǎn)不會(huì)完整，而是不斷發(fā)展。因此，對(duì)于城市來說，問題是：DT技術(shù)能否滿足他們的需求？
那么城市需要什么呢？要理解這個(gè)問題，首先要闡述一個(gè)城市意味著什么。通常，市議會(huì)以民間社會(huì)可以理解的語言將城市的需求制定為愿景和戰(zhàn)略。本文是從歐洲的角度寫的。兩位作者都曾在歐洲最具可持續(xù)性的城市埃斯波（Espoo）擔(dān)任代理議員，埃斯波是芬蘭赫爾辛基大都市區(qū)的一部分。此外，其中一位作者曾擔(dān)任歐洲地區(qū)委員會(huì)主席，即參與歐盟官方?jīng)Q策的地區(qū)和城市大會(huì)。
城市有一些共同的需求和目標(biāo)。已經(jīng)確定了共同需求，例如自2030年以來所有聯(lián)合國會(huì)員國通過的《2015年可持續(xù)發(fā)展議程》。州政府已經(jīng)承諾，這很好。但是，在城市一級(jí)也必須作出承諾，在那里制定和實(shí)施實(shí)際措施，并產(chǎn)生影響。歐盟委員會(huì)呼吁“多層次治理”強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)：歐盟成員國/城市合作。
所有城市都需要資金用于年度預(yù)算和投資計(jì)劃。市議會(huì)也忙于新興需求，例如教育方面的新挑戰(zhàn)、數(shù)字化和基礎(chǔ)設(shè)施所需的投資以及改善醫(yī)療保健的成本增加。
例如，在埃斯波，市議會(huì)建立的愿景是將城市作為服務(wù)（CaaS）運(yùn)營。這是什么意思？即服務(wù)概念起源于提供信息技術(shù)和軟件的信息通信技術(shù)（ICT）商業(yè)模式。這意味著承認(rèn)一個(gè)城市不能根據(jù)城市官員所做的工作來滿足其公民的所有需求。相反，服務(wù)由整個(gè)城市社區(qū)提供，而不僅僅是官方的城市組織。公司和其他社區(qū)將成為創(chuàng)新城市生態(tài)系統(tǒng)和服務(wù)提供的一部分。因此，該市希望成為一個(gè)促進(jìn)者和平臺(tái)，使民間社會(huì)能夠?yàn)楝F(xiàn)有挑戰(zhàn)找到解決方案。
CaaS 模型建立在透明度、開放流程和數(shù)據(jù)以及高水平的數(shù)字化（包括在云中運(yùn)行流程）的基礎(chǔ)上。產(chǎn)生數(shù)據(jù)的開放接口使能夠針對(duì)民間社會(huì)特定需求的新企業(yè)的出現(xiàn)成為可能。此外，這種透明度支持民主，而數(shù)字化則提供了效率和包容性。因?yàn)樗恍枰ㄟ^城市辦公室運(yùn)行，所以 CaaS 模型是可擴(kuò)展的，從而促進(jìn)城市發(fā)展。這意味著將ICT作為促進(jìn)智慧城市創(chuàng)新的工具。該市提供了一個(gè)數(shù)字平臺(tái)，企業(yè)、大學(xué)、非政府組織和公民等民間社會(huì)行為者可以在該平臺(tái)上制定改善福祉的解決方案。城市DT也應(yīng)該通過這個(gè)平臺(tái)提供。
一個(gè)城市擁有的財(cái)產(chǎn)價(jià)值通常是巨大的，但它與基礎(chǔ)設(shè)施和建筑物息息相關(guān)。DT技術(shù)可以通過從這些投資中獲得更多回報(bào)，在資產(chǎn)和設(shè)施管理中發(fā)揮關(guān)鍵作用。目前，這些技術(shù)用于道路資產(chǎn)清點(diǎn)目的和高峰時(shí)段的一些智能交通應(yīng)用。下一級(jí)的問題包括對(duì)城市進(jìn)行整體更好的規(guī)劃。例如，過去，城區(qū)被規(guī)劃為單一的功能：一個(gè)工作區(qū)域，一個(gè)睡眠區(qū)域，一個(gè)教育活動(dòng)區(qū)域。這方面的一個(gè)例子可以在埃斯波找到，阿爾托大學(xué)的校園，塔皮奧拉的“花園城市”和凱拉涅米的高科技工業(yè)區(qū)都被高速公路斷開并隔開。幾十年來，市議會(huì)一直在努力尋找整合這些城區(qū)的解決方案，并為高速公路隧道等項(xiàng)目獲得所需的投資資金。整合活動(dòng)還包括將地鐵線路從赫爾辛基市中心延伸到西部的埃斯波，以及建設(shè)輕軌系統(tǒng)。這意味著提供公共交通基礎(chǔ)設(shè)施，通過鐵路連接城區(qū)。
在此背景下，出現(xiàn)了許多與DT相關(guān)的問題，例如如何提高利用率以及進(jìn)一步改善多功能城區(qū)的最佳方法是什么？城市圖書館應(yīng)該在商場內(nèi)嗎？公共衛(wèi)生中心呢？盡管多功能城區(qū)為市民提供了更多的可能性和更好的生活質(zhì)量，但它們也使進(jìn)一步的改進(jìn)變得更加困難，因?yàn)橄到y(tǒng)的復(fù)雜性增加了。這就是DT可以派上用場的地方。因此，隨著市議會(huì)對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施和建筑物的更多可用性價(jià)值的需求和尋求，對(duì)先進(jìn)DT技術(shù)的需求將繼續(xù)增加。
數(shù)字化一直是城市變革的有益過程。在埃斯波，它對(duì)中央行政部門和城市部門內(nèi)部的進(jìn)程產(chǎn)生了重大影響。此外，它還在支持可持續(xù)發(fā)展目標(biāo) （SDG） 方面顯示出突破和潛力的顯著成果。由于數(shù)字化是有益的，歐盟也在通過其計(jì)劃推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
然而，沒有改變的是，數(shù)字化的范式被視為ICT項(xiàng)目，并由ICT人員擁有。ICT流程通常存在于孤島中。城市有自己的信息通信技術(shù)部門和信息通信技術(shù)工具，其中存在信息并有利于個(gè)別專家的工作。至關(guān)重要的是，所缺乏的是將這些信息納入所有規(guī)劃和發(fā)展的共同工具。信息和通信技術(shù)尚未得到最充分的利用：使不同職能部門能夠進(jìn)行聯(lián)合規(guī)劃?？梢灶A(yù)期城市數(shù)字終端將發(fā)揮這一作用，其中ICT充當(dāng)實(shí)現(xiàn)多層次治理的工具 - 不僅在傳統(tǒng)的州/城市意義上，而且在城市內(nèi)部官僚層面也可以變得更加有效。
要采取的最關(guān)鍵步驟是使城市數(shù)字?jǐn)?shù)字孽對(duì)既不是數(shù)字原生代也不是面向IT的人有用。例如，城市規(guī)劃必須包容所有利益相關(guān)者。過去、現(xiàn)在和未來必須以易于理解的形式呈現(xiàn)。公民的家鄉(xiāng)社區(qū)的愿景必須是他們能夠理解的。它應(yīng)該是一個(gè)關(guān)于過去和將來的連續(xù)故事，以及具體的后續(xù)步驟。這需要在設(shè)計(jì)與數(shù)字孿生的交互時(shí)考慮人為因素，并適當(dāng)理解界面，通過該接口可以查看數(shù)字孿生中的數(shù)字信息。只有這樣，數(shù)字孿生系統(tǒng)才能有效地支持城市的決策。
這種以人為本的規(guī)劃，而不是以ICT為中心的規(guī)劃，將是城市DT的最終成功故事。 以人為本的規(guī)劃允許與利益相關(guān)者共同進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)管理。這就是智慧城市區(qū)：一個(gè)可管理規(guī)模的生態(tài)系統(tǒng)。在埃斯波，有兩個(gè)開創(chuàng)性的開發(fā)區(qū)域 - 上述Otaniemi-Tapiola-Keilaniemi地區(qū)和Kera地區(qū) - 面積均為幾平方公里。
Kera最初是一個(gè)單一功能的城市區(qū) - 倉庫和其他行業(yè)的物流區(qū)，擁有松散的高科技工業(yè)區(qū)（包括諾基亞的研究中心及其5G測試區(qū)）。計(jì)劃的發(fā)展過程旨在將該地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)生動(dòng)的多功能城區(qū)，并成為歐洲范圍內(nèi)成功實(shí)施循環(huán)經(jīng)濟(jì)和相關(guān)數(shù)字化的先驅(qū)。具體目標(biāo)包括最佳的維護(hù)資源，例如廢物回收和冬季的掃雪，以及為不同的城市和第三方功能優(yōu)化分配設(shè)施。這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的平臺(tái)是CaaS。任何更改過程都應(yīng)該在此平臺(tái)中描述。如果變革過程喚醒人們，他們能夠并且想要參與和影響這一進(jìn)程，那么要求來自不同組織和行政部門的人員參與的變革就會(huì)變得切實(shí)可行。DT技術(shù)應(yīng)該在這里發(fā)揮作用。
城市DT有兩個(gè)起源。一方面，為單個(gè)建筑物開發(fā)的建筑信息模型（BIM）技術(shù)可以擴(kuò)展到描述整個(gè)城市。另一方面，地理信息系統(tǒng) （GIS） 已從 2D 地圖發(fā)展到不僅對(duì)景觀而且對(duì)城市進(jìn)行 3D 建模。在標(biāo)準(zhǔn)、方法和數(shù)據(jù)方面，從兩個(gè)世界取其精華可以說是創(chuàng)建城市數(shù)字孿生的最佳方式。 不用說，雖然BIM和GIS只提供3D模型，但數(shù)字孿生的作用遠(yuǎn)不止于此。
數(shù)字孿生在DT保護(hù)傘下共享一個(gè)共同的身份。然而，目前不同城市應(yīng)用的DT在方法和數(shù)據(jù)方面（圖像、點(diǎn)云、多邊形模型等）在技術(shù)上可能非常不同。這是因?yàn)楦鱾€(gè)技術(shù)針對(duì)特定的技術(shù)或規(guī)劃目標(biāo)。理想情況下，將個(gè)別規(guī)劃活動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槁?lián)合規(guī)劃工作需要將所有信息收集在一起，然后在各方之間共享。為了使用計(jì)算機(jī)科學(xué)術(shù)語，后端城市DT可以充當(dāng)所有信息的容器，而任何單一的前端界面，無論是可視化供人類使用還是設(shè)計(jì)用于機(jī)器人使用，都將為特定應(yīng)用程序提供有限但有意義的DT表示。后端DT（或任何特定的DT）可以使用人工智能技術(shù)從傳感器數(shù)據(jù)自主更新，前端可以為整個(gè)城市生態(tài)系統(tǒng)帶來巨大利益。
更新DT很重要，因?yàn)閼?yīng)始終使用最新信息做出決定。如果技術(shù)模型的更新是由人類完成的，財(cái)務(wù)成本很高。此外，沒有聯(lián)合規(guī)劃的催化劑，而如果更新由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，則使用DT的聯(lián)合規(guī)劃立即變得有吸引力。自動(dòng)更新的關(guān)鍵創(chuàng)新來自人工智能 （AI） 領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 傳感器、現(xiàn)場勘測傳感器或其他平臺(tái)和應(yīng)用程序捕獲的數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換為對(duì)數(shù)字孿生及其所服務(wù)的應(yīng)用程序有意義的信息。這是一個(gè)游戲規(guī)則的改變者。雖然人工智能研究在過去50年中經(jīng)歷了多個(gè)炒作周期，但今天似乎缺少一塊拼圖已經(jīng)到位。原則上，AI方法可以應(yīng)用于點(diǎn)云和圖像中的標(biāo)記對(duì)象，然后將這些標(biāo)記對(duì)象與BIM和GIS模型中的相應(yīng)元素進(jìn)行匹配。然而，在實(shí)踐中，仍然需要大量的研究。
城市是復(fù)雜的系統(tǒng)，需要與各種利益相關(guān)者共同規(guī)劃。因此，必須納入人為因素視角，以確定數(shù)字孿生系統(tǒng)的潛在優(yōu)勢(shì)和未來使用，以支持城市決策。在聯(lián)合規(guī)劃方面，只有通過安全和可用的系統(tǒng)才能確保與數(shù)字孿生互動(dòng)的好處，這些系統(tǒng)使代理能夠適當(dāng)?shù)乜梢暬凸蚕硇畔?。BIM和GIS工具目前的困境是，它們被利用和開發(fā)為面向IT的人的IT工具。這些工具不適合更廣泛地使用，但聯(lián)合規(guī)劃需要新的工具。
城市的需求會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化，正如最近推出的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)或歐盟的數(shù)字計(jì)劃所說明的那樣。這些變化可能是焦點(diǎn)的微妙轉(zhuǎn)變，而不是完全的轉(zhuǎn)變。城市需求是復(fù)雜的，反映了特定城市的人口結(jié)構(gòu)和公民的個(gè)人需求。目前的DT技術(shù)側(cè)重于城市的物理方面，因此無法預(yù)測需求的變化。這就是為什么DT技術(shù)應(yīng)該進(jìn)一步發(fā)展，以包括人為因素。特別是，一個(gè)社區(qū)和一個(gè)城市的心理方面在許多方面都非常重要。例如，這些影響在房地產(chǎn)定價(jià)中清晰可見，但數(shù)據(jù)并不能解釋定價(jià)背后的原因。理想情況下，DT技術(shù)將提供封裝此隱性信息的方法，并提供在不同規(guī)劃場景中如何變化的預(yù)測。
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