浅析数字孪生城市的尺度观_田颖.pdf

14 2023 Vol.38,No.3文章编号：1673-9493（2023）03-0014-08 中图分类号：TU984 文献标识码：A DOI：10.19830/j.upi.2021.734A Brief Analysis on the Scale of Digital Twin City浅析数字孪生城市的尺度观田颖 高淑敏Tian Ying,Gao Shumin作者：田颖，清华大学建筑学院，博士研究生；中规院（北京）规划设计有限公司，规划师。 高淑敏，硕士，中规院（北京）规划设计有限公司，规划师摘要：“数字孪生”概念近年来在航天、机械制造、城市等领域均有一定发展。但在数字孪生城市的发展与实践中，实现城市系统间的数据互通与融合，支撑公共服务、经济产业发展、基础设施服务和规划管理等多维度的智能分析和决策仍在探索之中。由于尺度是认知复杂系统的基础，数字孪生城市在不同尺度下的主体及其规则不尽相同，因而孪生实践在不同尺度下的设计侧重点也不同。本文从生态系统理论的视角认识数字孪生城市，首先将数字孪生城市作为一个整体进行研究，将其分为细胞、器官、系统、生命体四个尺度。然后分析总结各个尺度的数字孪生实践现状，提出要构建符合系统理论的数字孪生城市尺度体系框架。最后提出三点构建体系框架的建议：明确不同尺度的主体和规则差异；提供针对不同尺度设计需求的技术方案；保证多尺度间的协同，以期达到通过数字孪生城市建设提升城市运行效率和居民生活舒适度的目标。Abstract:The concept of digital twin has developed rapidly in recent years and has achieved certain results in aerospace,machinery manufacturing and urban areas.This paper uses the ecological system theory to understand the digital twin city,and takes the digital twin city as a system which is composed of five scales:cells,tissues,organs,systems,and living bodies.However,with the development and practice of digital twin cities,it is still under exploration to realize real-time monitoring and data fusion between urban systems,and to support multi-dimensional intelligent analysis and decision-making in public services,economic industries,infrastructure and planning management.Since scale is the basis of cognitive complex systems,the subjects and rules of digital twin cities at different scales are also different,which can result in different design priorities for twinning practices at different scales.Therefore,this paper firstly understands the digital twin city from the system theory,studies the digital twin city as a whole.Second,it is divided into four scales:cell,organ,system,and living body;then we suggest to build a digital twin city scale system framework that conforms to the system theory.At last,three suggestions for building the system framework are put forward:to clarify the differences between subjects and rules at different scales;to provide technical solutions for design requirements at different scales;to ensure collaboration between multiple scales so as to achieve the goal of improving urban operation efficiency and residents living comfort through digital twin city construction.关键词：尺度；数字孪生城市；复杂系统；城市信息模型；生命系统理论Keywords:Scale;Digital Twin City;Complex System;City Information(Intelligent)Model(CIM);Life System Theory国家自然科学基金重点项目（52130804）引言城市的大规模扩张和无序发展给居民的生产生活带来了极大的不确定性，城市建设试错成本极大。伴随着计算机技术的快速发展，物联网、大数据、人工智能、穿戴式设备等新技术的进步，城市逐渐从传统的物理城市迈向数字城市与物理城市融合共生的“数字孪生城市”（digital twin city）的发展建设阶段。数字孪生城市的建立，可实现规划、实施和管理中的全部决策在虚拟世界先行仿真，而后在现实世界执行，这对城市建设管理部门减少失误和作出正确决策都有极大帮助。因此，数字孪生城市得到国家的高度重视。在顶层设计方面，国家“十四五”规划纲要1、“十四五”数字经济发展规划2、“十四五”国家信息化规划3等规划文件均提出“完善城市信息模型平台和运行管理服务平台，因地制宜构建数字孪生城市”；发改委、自资部、工信部、住建部等部门基于与建筑工程、工业生产、城市发展相关的交通管理、应急管控等诸多领域，提出孪生技术相关标准、技术方法和应用场景等。然而，数字孪生城市的尺度已经不再局限于物理城市所要求的实际空间距离的大小、所容纳的人口数量，而是同样关注不同尺度下感知器的数量、数据量的大小、三维模型的精度和计算分析模型的重点等，因此亟须构建数字孪生城市的新的尺度观。基于此，本文以数字孪生城市的相关研究为基础，明确尺度是认识数字孪生城市这一复杂系统的关键之一，定义复杂孪生城市下的尺度概念；基于生命系统的层次理论和分类原则，15 2023 Vol.38,No.3国际城市规划田颖 高淑敏 浅析数字孪生城市的尺度观构建数字孪生城市的多尺度体系，并分析不同尺度下的实践案例；总结未来数字孪生城市建设中不同尺度的主体和规则、具体建设方案以及多尺度协同方法，以期从理论和技术角度为数字孪生城市建设提供支撑，服务我国数字中国和新型智慧城市建设。1研究综述1.1数字孪生城市1.1.1“数字孪生”概念的起源“数字孪生”概念起源于美国，美国国防部最早提出将“孪生”（twin）概念用于航空航天飞行器的健康维护与保障4-5，可以简单理解为将系统进行动态的数字映射，以模拟其在真实世界的行为6-7。随后此概念逐渐应用于工厂、社区、园区和城市等不同空间尺度，出现了数字孪生工厂、智慧社区（数字社区）、智慧园区（孪生园区）、数字孪生城市、人工社会等理论及其相关实践探索。在此过程中，有关数字孪生的实践探索也体现了从小尺度系统到大尺度系统，从复杂性较低的系统到复杂性较高的系统的发展过程。在我国，数字孪生城市概念最早出现在 2018 年的河北雄安新区规划纲要中，即将“数字孪生”应用于城市的治理8。提出数字孪生城市的初衷是在完整认识城市运行复杂性的基础上，顺应城市自组织、自适应的发展规律，逐步形成物理城市与数字城市协同发展、交互共荣的复杂巨系统。数字孪生概念已应用于航空航天、电力系统、工业制造、农业发展、城市科学等多个领域，虽然总体理念和技术动力类似，但至今为止并没有一个各领域普遍认同的定义（表1）。1.1.2研究现状与问题近年来，数字孪生城市的相关研究和实践迅速增多。其中，大部分研究聚焦在探讨数字孪生的技术和理论架构层面。技术层面探讨数字孪生城市建设的关键技术包括地理信息系统（GIS:Geographic Information Systems）20，建筑信息模型（BIM:Building Information Model）21，使用点云构建三维仿真模型22-23，使用智能算法预测城市自然灾害、火灾24-25等。理论架构层面探索数字孪生城市构建方案，例如：李德仁院士认为数字孪生城市是智慧城市建设的新高度，并指出需要关注全面感知、多维多尺度模型构建，数据深度融合以及智能化服务的按需使用，全面、动态、实时的交互17；杨滔等提出要构建数字孪生城市平台26；魏勇和吕聪敏基于复杂自适应系统理论探索数字孪生城市发展模型27；周瑜和刘春成结合复杂适应性理论和雄安经验总结数字孪生城市的建设逻辑和创新发展18。然而随着实践的不断深化，仅仅从技术和理论框架的研究已经无法满足未来数字孪生城市建设的需要，更多学者意识到应该基于城市本身的发展规律探索数字孪生城市的建设路径，光靠简单的技术堆砌无法真正推动数字孪生城市实现，甚至会陷入误区。而以系统理论方法为指导，从多尺度角度审视数字孪生城市，为数字孪生城市的建设提供了新的方向和理论指导。目前对于数字孪生城市尺度的研究，仅有零星的相关支撑，如吴志强等提出“BIM 是 CIM 的细胞”28；吕秋晨等（Lu et al.）提出建筑和城市尺度的数字孪生，并尝试构建两者之间的联系29。但据此可以看到，学者们已经试图从生命结构层次认识数字孪生城市，只是讨论尚不成系统。1.2尺度是认识复杂系统的关键1.2.1尺度定义科学研究对于尺度问题的关注兴起于 1980 年代，它是复杂性科学和物质多样性研究的重要问题之一。郭慕孙提出“在复杂性科学和物质多样性研究中，尺度效应至关重要。尺度的不同，常常引起主要相互作用力的不同，导致物质性表 1 不同领域的数字孪生定义领域定义总体理念和技术动力航空航天对飞行器或系统的集成多物理场景、多尺度、概率的模拟，使用最佳的可用物理模型，更新的传感器，运行历史数据等来反映其使用寿命5,9-10总体理念：一是通过数字技术反映物理对象客观变化规律，并利用模型推演、预测物理对象的变化趋势；二是根据推演、预测的结果改善物理对象共性技术动力：数据融合、三维建模、高性能计算、深度学习和人工智能、物联 网等电力系统实际运行的电力系统的物理状态以数字化方式映射至虚拟空间，通过数字化方式实时感知物理电网的状态信息，以实现对物理电网的全面精准检测，并进行诊断、预测等一系列计算分析，将分析结果反馈给物理电网，从而推动物理电网的优化调整11-13工业制造从微观原子级到宏观几何倍数尺度级，描述物理制造产品的一套完整虚拟信息14；面向工业产品的全生命周期，运用数字孪生技术建立全要素、全流程、全业务的数字孪生体，通过物理对象与数字孪生体的双向映射与实时交互，实现工业产品的优化设计、产线规划仿真、制造过程优化和服务运行调控等功能的软硬件一体化体系6,15农业基于农业生产系统所产生的数据流，通过实时态势感知、超实时虚拟推演和全程交互反馈，有效实现作物生产系统的智慧管控16城市科学建