源于工业4.0的数字化孪生技术在城市规划中的应用前景

值得一提的是，数字孪生的概念不但活跃在工业生产4.0的加工制造业，也愈来愈频繁地出现在智慧城市行业。全域感知、数字仿真模拟、机器学习等各领域的技术发展也将要迈入转折点，这促使城市的数字孪生应运而生。

伴随着大数据、云计算技术、人工智能技术、移动互联等技术的高速发展，智慧城市已迈进2.0发展环节，全世界已经启动或再建的智慧城市超出1000座，只是在中国就有500座以上的示范点城市。未来城市的空间转型、智慧城市发展趋势的逻辑性范式等难题愈来愈面临关注。
资深智慧城市学者、华为公司智慧城市高级顾问王鹏，应邀在腾讯研究院×集智俱乐部AI&Society沙龙活动上发布以“从城市数据到智慧城市”问题的演说。我们回望了王鹏对城市数据以及运用的了解，并融合清华龙瀛团队在人类数字化上的全新科学研究，明确提出对城市和个人虚拟化技术的讨论。
一、来源于工业生产4.0的数字孪生
数字孪生（DigitalTwin）这一概念最初能够 上溯到MichaelGrieves专家教授2002年在密歇根大学PLM（商品生命期管理）管理中心对工业界做的一次演说（尽管没有书面形式证据，但这仍被普遍认为是数字孪生最初来源）。
2014年，MichaelGrieves在其编写的“DigitalTwin：ManufacturingExcellencethroughVirtualFactoryReplication”市场研究报告中展开了详尽的论述。他觉得根据物理学设备的数据，能够 在虚拟（信息内容）空间搭建一个能够 定性分析该物理学设备的虚拟实体和子系统，并且这类关联并不是单向和静态的，而是在全部商品的生命期上都关联在一起。
在此之后，数字孪生的概念逐渐拓展来到仿真模拟、虚拟装配和三维打印等领域。伴随着物联网、人工智能技术和虚拟现实技术的持续发展，大量的工业品、机械设备具有了智能化的特点，而数字孪生也逐渐拓展来到包含生产制造和服务项目在内的详细的商品周期环节，并不断完善着数字孪生的形态和概念。
商业界走在数字孪生的前端。工业生产4.0下的数字孪生被各种软件商赋予了各自的了解，并将其与本身业务流程结合，着眼于打造现实世界与虚拟世界结合的解决方法。
美国通用电气公司（GE）与ANSYS企业依赖于数字孪生这一概念，明确提出物理学机械和剖析技术结合的完成方式，让每一个模块，每一个涡轮增压，每台磁共振都有着一个数字化的“双胞胎”，并根据数字化实体模型在虚拟器下完成智能机器人调节、实验、提升运作状态等仿真模拟，以便于将最佳计划方案运用在物理世界的设备上，进而节省大量检修、调节成本费。
西门子引入数字孪生的概念，来描述围绕于商品生命期各阶段间的数据实体模型。简单地说，数字孪生便是模拟仿真一些加工厂的具体操作空间，从设计产品到生产线设计方案，到设备制造方的机械结构设计和加工厂的整体规划排产，到最终生产制造执行和商品大数据。
法国软件开发公司达索系统在数字孪生自主创新合作和验证中，不但高度重视商品的数字化主要表现，更尝试根据三维感受服务平台完成设计师和顾客之间的互动交流。
德国软件开发公司SAP根据Leonardo服务平台在数字世界打造出了一个详细的数字化双胞胎，在商品实验环节收集机器设备的运行情况，展开剖析，得到商品的具体特性，再与要求设计方案的总体目标比较，形成新品研发的闭环控制管理体系。
简单来说，工业生产4.0下的数字孪生，大量是为加工制造业出示了商品在物理空间和虚拟空间之间的映射关联，及其在实体世界及其数字虚拟空间中记录、模拟仿真、预测分析目标项目生命周期的运作轨迹的全过程。
二、数字孪生：催生智慧城市2.0
值得一提的是，数字孪生的概念不但活跃在工业生产4.0的加工制造业，也愈来愈频繁地出现在智慧城市行业。伴随着ICT（信息内容、通讯、技术性）变成智慧城市发展趋势的关键动能，移动通信技术、互联网技术、云计算技术、传感器、人工智能技术、量子通信在智慧城市都获得了广泛运用。全域感知、数字仿真模拟、机器学习等各行业的技术发展也将要迈入转折点，这促使城市的数字孪生应运而生。
中国智慧城市数字孪生的发展趋势也有较长一段路要走。数字孪生高度依赖于传感器所收集的数据和信息内容，而就现阶段的技术实力来看，精细化管理限度下城市数据的全域感知和历史多维度数据的获得，依然有难度系数。物理学实体空间的数据不够详细，将直接造成其数字副本的缺失。目前的数字孪生距离想象中的沙盒模拟系统演练、人工智能技术管理决策等功能仍有很大的差距。
数字孪生在智慧城市发展与建设中的核心理念取决于，它可以在物理世界和数字世界之间全面创建实时关联，从而对实际操作目标项目生命周期的变化展开记录、剖析和预测分析。智慧城市中的数字孪生能够 分成四个环节，分别是：
1）对城市现况展开精确、全方位、动态性映射的现状孪生;
2）从历史数据中学习、剖析、鉴别、总结并发觉城市运作规律性的学习孪生;
3）人力监管下仿真模拟不同自然环境背景下的发展场景的仿真模拟孪生;
4）最后根据实时数据连接与人工智能技术全自动管理决策的自主孪生。
同时，我们也应见到数字孪生在传感器、5G和边缘计算技术持续发展中所具有的极大发展潜力。传感器的高密度布署与高精密感知，融合5G和边缘计算的实时结构化测算回传，对城市物理空间的全域感知和自动更新，将是5g时代的常态化。一砖一瓦、一草一木、一桌一椅、一人一车，都是以不同的频率更新位置和情况信息内容，进而完成真正的“全息投影”虚拟城市。
三、城市数据：数字孪生的DNA
在智慧城市的基本建设中，数字孪生的关键取决于搭建与城市物理空间全面映射的虚拟（信息内容）空间。有别于加工制造业商品周期时间管理方法中被生产商全方位把握的商品信息化管理数据，城市做为一个庞大的复杂系统，其包括的物理空间及过程，无时无刻不在产生着多维度的海量大数据，这无疑在数据搜集、解决、计算、存储和管理方法上向城市数字孪生提出了挑战。
近些年，以数据为关键的城市生态圈构架了智慧城市的顶层设计，产生以共享资源信息内容为管理中心、各领域协作实现的“感知-运用-共享资源信息内容”的智慧城市方式。此外，在大数据、人工智能技术、云计算技术、物联网技术等新兴ICT技术的促进下，多维度的海量城市数据也逐渐以不同方式被发掘并运用在智慧城市的科学研究和实践活动中。
传统式城市统计分析数据的数字化与空间数据可视化是城市大数据发展趋势迈开的第一步。根据GIS服务平台上对行政部门边界的勾绘，并将其与传统式的年鉴统计分析数据相匹配，就能完成传统式数据的数字化与可视化，并借助GIS空间分析作用完成空间数据可视化与剖析。
互联网技术大数据的运用意味着城市真正迈进了大数据时期，而互联网技术大数据也俨然变成近些年城市科学研究的“新宠儿”，不论是学术界还是业内都在积极推进互联网技术大数据为城市科学研究和发展趋势带来的众多可能。
互联网大数据较大的优点在于其摆脱了传统式数据由上而下的数据收集壁垒，而是以自下而上的方法提供着精细尺度下的多维度数据，如记录城市内所有自然地理实体空间位置与特性的兴趣爱好点（POI）数据;体现话题讨论关注度与客户画像的社交网络大数据;实时展现人口数量空间布局的热力地图等。而伴随着智慧城市的来临，传感器技术的发展与完善为城市科学研究出示了另一条数据获取道路。
通过多模块集成化传感器在城市內部的搭建，能够完成精细尺度下城市自然环境、人车行为等数据的即时感知与搜集。如由CityGrid城市网格图数据环境监测中心，可运用多模块传感器网络监测人车流量及生态环境，如风力、风频、阳光照射、温度湿度和pm2.5等。CityGrid是一款对于城市空间精细化管理感知的物联网产品，也是传感器关键技术在城市全域感知、数据收集，甚至完成城市未来微观自然环境和人车行为预测分析的成功案例。王鹏团队也曾一度运用CityGrid数次在清华大学校园和白塔寺小区内展开检测设点、数据收集，并对于城市自然环境和群体个人行为进行详细分析。
LBS数据（基于位置服务的数据），根据营运商收集客户与通信基站间不间断的信令数据，来获得移动业务客户相对精准的实时空间位置。因其具有用户数量大，覆盖面积广等特点，是描述城市人口总数和空间布局的“终极”数据。
四、我们把自己数字化了
在感慨数字孪生怎样颠覆性地更改加工制造业和城市管理方法与经营的同时，有专家学者早已开始探寻怎样打造出人类自身的数字双胞胎。
清华大学龙瀛团队的科学研究助手张昭希最近发布了一篇名为“ApplicaTIonofwearablecamerasinstudyingindividualbehaviorsinbuiltenvironment”的学术论文，明确提出创新性地应用可穿戴式照相机对个体行为和城市空间感知展开数据搜集、剖析与仿真模拟。
科学研究团队运用便携式照相机，记录佩戴者正前方每五分钟一张的图片数据，并通过人工鉴别、人工智能算法剖析和颜色鉴别剖析等方式，对佩戴者自身行为特点、时间分配、路径迁移、场所恶性事件等因素展开了剖析研究。科学研究结果显示，可穿戴式照相机收集到的照片数据具备丰富的自身行为与时空信息内容，能够合理叙述自身在空间中的个人行为特点。
伴随着大数据在城市科学研究中的广泛运用和迅速发展，根据建成环境方面的形状因素数据（如遥感技术、城市街景和POI数据）和各种互联网技术数据（如微博、评价和手机信令数据）进行的对于规模性人群的科学研究，为运用大数据解释城市难题提供了很多实例参照，并逐渐创建了理论基础。然而，这种基于较粗尺度城市物理空间，又或者是规模性人群的大数据，仍较难被运用于自身的深层次分析和研究解读。
而可穿戴式照相机为规模性收集自身数据出示了新的突破口，根据记录的照片数据将个人活动信息内容数字化，产生“数字自我”的档案资料，填补了目前科学研究中对自身行为数据收集不够连续、层次不够丰富的难题，这也是从城市自然环境数据化向自身行为信息化管理的变化之一。同时，自身行为信息化管理也将促进研究思路的创新和新技术应用的干预，从主观性的“自身感知”转为客观性的“量化研究”。
从数字孪生的角度来看，基于可穿戴式照相机记录下的照片数据，根据梳理和剖析能够剥离出自身在物理空间中的行为特点因素，进一步将这种自身行为特点因素在时空上数字化，进而搭建了其在虚拟（信息内容）空间内的数字双胞胎。同时，照片数据中包括的大量物理空间建成环境因素一样能够被数字化并记录在网站空间内，进而体现物理空间和网站空间内自身和自然环境之间的互动。
高新科技的飞速发展不但使大家的生活习惯发生了极大改变，另外也影响着城市运作的各个方面。不可否认的是，新技术应用的高速发展趋势给城市科学研究与实践活动产生了新的机会，促进着城市整体规划技术和工具的提升与自主创新。如龙瀛明确提出的数据提高设计方案，允许策划师们依靠多维度城市大数据对城市作出更全面、精确的剖析与设计规划回应。
同时，在信息通信技术创新的助推下，数据存储、发掘、云计算技术和数据可视化等技术的健全也为研究城市提供了新思维。大家的思维模式从传统式的机械逻辑思维向大数据逻辑思维变化，认知方式也慢慢向动静结合的体验过渡。城市数字孪生、数字自我的定义也将在第四次科技革命的技术创新下有着更丰富的内涵。