数字孪生是城市规划的未来吗？

数字 3D 模型可以帮助城市领导者规划未来，但其价值将取决于数据。

和其他城市一样，波士顿也在不断变化。旧建筑倒塌，新建筑拔地而起。公共交通在城市中蜿蜒穿梭。从学校到杂货店，再到树木，到处都是。

波士顿规划和3D智能发展局的能力

多年来，该市一直希望在数字 3D 模型中捕捉所有这些，以便在规划决策在现实世界中生效之前帮助指导规划决策。该模式于 2015 年问世，三年后，这座城市向公众开放。

这个数字孪生包含建筑物、交通、树木、日光和阴影以及兴趣点的当前景观。它还包含拟建和在建建筑，并作为波士顿多年来的档案。

“这就像一种活生生的、会呼吸的内容，因为它有档案，有当前，然后有未来，”波士顿规划和地理信息系统地图的 GIS 副主任 Carolyn Bennett 说。“它几乎涵盖了整个领域，我认为这对机构和整个波士顿市都有帮助。”

数字孪生是给定系统、地点或事物的 3D 虚拟复制品，允许城市和业主在现实世界中实施更改之前测试更改。从洛杉矶到德克萨斯州沿海以及其他地区的城市越来越多地使用这项技术来研究城市必须面对的发展、交通、气候变化和无数其他情况的影响。

伊利诺伊理工学院机械和航空航天工程副教授 Ankit Srivastava 说：“在你真正在现实世界中做出这些改变之前，你可以模拟你的决定对一个物理对象的影响，在这个例子中是一个城市或校园。” “它使决策更加由数据驱动且成本更低，因为您可以尝试各种可能性。”

但是，需要花费大量的时间和精力来确保数字孪生保持最新状态并帮助城市向前发展。

在数字领域捕捉城市

Bennett 说，自 2005 年以来，波士顿一直在讨论如何将这座城市的大量数据整合到 3D 模型中。可用数据包括供水和下水道、交通、税收等方面的地理空间数据。

现在，波士顿的数字孪生图书馆就包含了这个数据库。城市可以使用它来查看开发建议及其在住房、分区和停车方面对社区的影响。例如，规划人员可以从其他来源获取城市热岛数据并将其叠加到数字孪生上，以可视化建筑物、不透水表面和树冠等方面的温度。

“这是一种更好的方式来形象化我们作为规划者的工作，”贝内特说。“我们以 3D 形式进行计划。我们不是 2D 机构。我们以现有形式看待世界，因此您必须以 3D 形式看待它。”

田纳西州查塔努加市 (Chattanooga) 还发现，数字孪生是一种有用的工具，可以包含其收集的数据。

“我们能否将所有这些实时数据整合到一个共同的生态系统中，在那里我们可以很好地了解正在发生的事情？” 橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）计算城市科学研究部门负责人 Jibo Sanyal 说。

橡树岭和国家可再生能源实验室的研究人员与查塔努加市合作建立了一个数字孪生模型，有助于预测和缓解交通拥堵。Sanyal 是该项目的技术和战略负责人。

来自 500 个不同来源的信息，例如交通摄像头、911 数据、雷达探测器和气象站，输入到查塔努加市的数字孪生中。Sanyal 说，在这个虚拟领域内进行的交通拥堵实验表明，交通流量提高了 30%，从而提高了能源效率。

研究人员使用这些数字孪生实验的结果来实现现实世界的变化。例如，交通规划人员通常在上午和下午的交通高峰期收集数据。但是当研究人员在查塔努加市的Shallowford路进行数字孪生实验时，他们发现 90% 以上的汽车在中午高峰期间被红灯拦下。

在现实世界中，这些研究人员利用这些实验的见解重新计算了Shallowford路沿线交通信号的时间，以减少拥堵。Sanyal 说，他们现在可以根据交通状况每四分钟更改一次信号模式。

查塔努加市拥有该国最繁忙的货运走廊之一，因此数字孪生还允许做出长期决策。例如，该市想知道，司机在一天中的某些时候使用路肩作为行车道是有意义的吗？Sanyal 说，在这项工作中使用数字孪生可以降低评估成本。

“当他们发表了一篇优秀的论文，很多研究就真的停止了，但在现实世界中实际实施它的机会往往并不存在，”他说。“查塔努加市是惊人的。他们让我们进去，和他们一起改变红绿灯的设置，如果需要，稍微改变一下，然后在现实世界中进行这些实验。然后我们观察前后情况，以确定我们看到了什么样的改善。”

尽管研究人员目前仅控制一条走廊沿线的信号，但 Sanyal 表示，他预计他们将在一年内控制约 100 个信号，覆盖查塔努加市中心和该市其他交通繁忙的地区。

构成城市的建筑

数字孪生还可以帮助城市和业主减少能源消耗。

城市产生了全球约 75%的温室气体排放量。为了减少这种污染，纽约、波士顿和华盛顿特区等城市制定了未来建筑净零碳排放的目标。

但是，除了购买碳补偿之外，对建筑物进行脱碳还需要分析和实施能源管理系统和可再生能源战略。Cityzenith 是专注于开发有助于实现这一目标的城市数字孪生的公司之一。

首席执行官迈克尔詹森说，该模型可以从少至两到五座建筑物开始。业主使用模板输入他们的数据，生成的数字孪生帮助他们根据建筑物的年龄、状况和用途等因素运行和优化模拟。目标是拥有更多节能建筑，从而拥有更多城市。

拉斯维加斯和纽约市已经采用了这项技术，凤凰城和其他美国和欧洲城市有望效仿。Jansen 说，Cityzenith 计划在今年圣诞节前将这项技术捐赠给总共 10 个城市，到 2024 年将捐赠给总共 100 个城市。

数字孪生的障碍

Jansen 说，实施数字孪生模型的主要障碍之一是确保构建模型所需的所有数据都到位。“数字孪生是买不到的，他们是建设出来的。”

伊利诺伊理工大学建筑工程助理教授 Mohammad Heidarinejad 表示，由于大城市已经拥有大量数据，预计会有更多城市使用数字孪生。他补充说，在 5 到 10 年内，这些模型也可以进入更多的小城市。

但城市和业主在此过程中将面临障碍。Heidarinejad说，用无人机或扫描仪捕捉现实需要大量存储空间，而且随着现实世界中事物的变化，数字孪生必须随着时间的推移而发展。（波士顿每年更新两次模型。）

伊利诺伊理工学院的Srivastava说，更新数字孪生的一种方法是众包数据，包括人们拍摄的城市照片并同意为该项目做出贡献。他建议，也许一个中央系统可以分析这些照片及其 GPS 坐标，并使用这些信息自动更新数字孪生体。

数字孪生包含的数据可能会带来隐私问题。如果人们可以访问数字孪生背后的信息，那么黑客也可以。Srivastava 说，一个城市必须决定要在其数字孪生中捕捉多少细节以及要公开哪些元素，尤其是随着世界数据量的增加。

“现实世界的虚拟化将会越来越多，这只是因为获取数据要容易得多，”他说。“我认为未来城市会利用它。”

这可能需要来自城市的一些投资。Bennett 说波士顿有一名 3D 数据分析师，其主要职责是城市的数字孪生。

Bennett 说：“城市必须对它有所承诺，因为它是一种生活内容和数据，你必须保持更新和维护。”“这样做很有挑战性，因为如果它变得太过时了，人们就真的不想用它了。”

橡树岭国家实验室的 Sanyal 表示，员工和 IT 开销对于一个城市来说可能很难承担。毕竟，城市希望成为纳税人资金的好管家，所以他们倾向于使用经过验证的东西。

橡树岭国家实验室与查塔努加市合作的数字孪生项目旨在帮助实现这一目标。橡树岭国家实验室专注于旨在扩展到其他城市的解决方案，因此 Sanyal 希望看到其他公司获得国家实验室技术的许可。

尽管如此，数字孪生只是城市和房地产可以用来描绘未来的一种工具，它可以提供的价值在很大程度上取决于它必须使用的数据。

Sanyal 说：“因为它是基于数据的，所以在做出这些决定时，谨慎对待我们所引入的数据也非常重要。” “归根结底，数字孪生是一种工具，大规模的规划决策通常由人类做出。”

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