数字孪生技术能否满足城市需求？

虽然数字孪生技术已成功应用于制造业和建筑业，但城市非常复杂，需要更多的测量和建模工作。此外，由于它们一直在发展，因此仅测量和建模一次城市是不够的。本文探讨了数字孪生技术能否满足城市规划需求，并帮助他们应对从可持续发展到教育、数字化、基础设施和医疗保健的广泛挑战。

人类自古以来就计划自己的行动，并且有充分的理由：计划可以节省时间、金钱和精力。在当今的数字时代，纸质地图已被3D数字模型所取代。对数字孪生（DT）技术的需求源于对更好、更精确的行动和资源分配规划的不断追求。DT技术已成功应用于制造和建筑，但这并不能保证城市规划的成功。城市是如此庞大和复杂，以至于需要付出巨大的努力来衡量和建模它们。因此，通常一次只测量和建模城市的一部分（例如建筑物）。此外，任何单一的测量和建模城市的行为都是不够的，因为城市永远不会完整，而是不断发展。因此，对于城市来说，问题是：DT技术能否满足他们的需求？

那么城市需要什么呢？要理解这个问题，首先要阐述一个城市意味着什么。通常，市议会以民间社会可以理解的语言将城市的需求制定为愿景和战略。本文是从欧洲的角度写的。两位作者都曾在欧洲最具可持续性的城市埃斯波（Espoo）担任代理议员，埃斯波是芬兰赫尔辛基大都市区的一部分。此外，其中一位作者曾担任欧洲地区委员会主席，即参与欧盟官方决策的地区和城市大会。

城市需求

城市有一些共同的需求和目标。已经确定了共同需求，例如自2030年以来所有联合国会员国通过的《2015年可持续发展议程》。州政府已经承诺，这很好。但是，在城市一级也必须作出承诺，在那里制定和实施实际措施，并产生影响。欧盟委员会呼吁“多层次治理”强调了这一点：欧盟成员国/城市合作。

所有城市都需要资金用于年度预算和投资计划。市议会也忙于新兴需求，例如教育方面的新挑战、数字化和基础设施所需的投资以及改善医疗保健的成本增加。

城市即服务

例如，在埃斯波，市议会建立的愿景是将城市作为服务（CaaS）运营。这是什么意思？即服务概念起源于提供信息技术和软件的信息通信技术（ICT）商业模式。这意味着承认一个城市不能根据城市官员所做的工作来满足其公民的所有需求。相反，服务由整个城市社区提供，而不仅仅是官方的城市组织。公司和其他社区将成为创新城市生态系统和服务提供的一部分。因此，该市希望成为一个促进者和平台，使民间社会能够为现有挑战找到解决方案。

CaaS 模型建立在透明度、开放流程和数据以及高水平的数字化（包括在云中运行流程）的基础上。产生数据的开放接口使能够针对民间社会特定需求的新企业的出现成为可能。此外，这种透明度支持民主，而数字化则提供了效率和包容性。因为它不需要通过城市办公室运行，所以 CaaS 模型是可扩展的，从而促进城市发展。这意味着将ICT作为促进智慧城市创新的工具。该市提供了一个数字平台，企业、大学、非政府组织和公民等民间社会行为者可以在该平台上制定改善福祉的解决方案。城市DT也应该通过这个平台提供。

更好的城市规划

一个城市拥有的财产价值通常是巨大的，但它与基础设施和建筑物息息相关。DT技术可以通过从这些投资中获得更多回报，在资产和设施管理中发挥关键作用。目前，这些技术用于道路资产清点目的和高峰时段的一些智能交通应用。下一级的问题包括对城市进行整体更好的规划。例如，过去，城区被规划为单一的功能：一个工作区域，一个睡眠区域，一个教育活动区域。这方面的一个例子可以在埃斯波找到，阿尔托大学的校园，塔皮奥拉的“花园城市”和凯拉涅米的高科技工业区都被高速公路断开并隔开。几十年来，市议会一直在努力寻找整合这些城区的解决方案，并为高速公路隧道等项目获得所需的投资资金。整合活动还包括将地铁线路从赫尔辛基市中心延伸到西部的埃斯波，以及建设轻轨系统。这意味着提供公共交通基础设施，通过铁路连接城区。

在此背景下，出现了许多与DT相关的问题，例如如何提高利用率以及进一步改善多功能城区的最佳方法是什么？城市图书馆应该在商场内吗？公共卫生中心呢？尽管多功能城区为市民提供了更多的可能性和更好的生活质量，但它们也使进一步的改进变得更加困难，因为系统的复杂性增加了。这就是DT可以派上用场的地方。因此，随着市议会对城市基础设施和建筑物的更多可用性价值的需求和寻求，对先进DT技术的需求将继续增加。

数字化

数字化一直是城市变革的有益过程。在埃斯波，它对中央行政部门和城市部门内部的进程产生了重大影响。此外，它还在支持可持续发展目标 （SDG） 方面显示出突破和潜力的显着成果。由于数字化是有益的，欧盟也在通过其计划推动数字化转型。

然而，没有改变的是，数字化的范式被视为ICT项目，并由ICT人员拥有。ICT流程通常存在于孤岛中。城市有自己的信息通信技术部门和信息通信技术工具，其中存在信息并有利于个别专家的工作。至关重要的是，所缺乏的是将这些信息纳入所有规划和发展的共同工具。信息和通信技术尚未得到最充分的利用：使不同职能部门能够进行联合规划。可以预期城市数字终端将发挥这一作用，其中ICT充当实现多层次治理的工具 – 不仅在传统的州/城市意义上，而且在城市内部官僚层面也可以变得更加有效。

要采取的最关键步骤是使城市数字数字孽对既不是数字原生代也不是面向IT的人有用。例如，城市规划必须包容所有利益相关者。过去、现在和未来必须以易于理解的形式呈现。公民的家乡社区的愿景必须是他们能够理解的。它应该是一个关于过去和将来的连续故事，以及具体的后续步骤。这需要在设计与数字孪生的交互时考虑人为因素，并适当理解界面，通过该接口可以查看数字孪生中的数字信息。只有这样，数字孪生系统才能有效地支持城市的决策。

可管理的生态系统

这种以人为本的规划，而不是以ICT为中心的规划，将是城市DT的最终成功故事。 以人为本的规划允许与利益相关者共同进行生态系统管理。这就是智慧城市区：一个可管理规模的生态系统。在埃斯波，有两个开创性的开发区域 – 上述Otaniemi-Tapiola-Keilaniemi地区和Kera地区 – 面积均为几平方公里。

Kera最初是一个单一功能的城市区 – 仓库和其他行业的物流区，拥有松散的高科技工业区（包括诺基亚的研究中心及其5G测试区）。计划的发展过程旨在将该地区转变为一个生动的多功能城区，并成为欧洲范围内成功实施循环经济和相关数字化的先驱。具体目标包括最佳的维护资源，例如废物回收和冬季的扫雪，以及为不同的城市和第三方功能优化分配设施。这个生态系统的平台是CaaS。任何更改过程都应该在此平台中描述。如果变革过程唤醒人们，他们能够并且想要参与和影响这一进程，那么要求来自不同组织和行政部门的人员参与的变革就会变得切实可行。DT技术应该在这里发挥作用。

不断发展的技术

城市DT有两个起源。一方面，为单个建筑物开发的建筑信息模型（BIM）技术可以扩展到描述整个城市。另一方面，地理信息系统 （GIS） 已从 2D 地图发展到不仅对景观而且对城市进行 3D 建模。在标准、方法和数据方面，从两个世界取其精华可以说是创建城市数字孪生的最佳方式。 不用说，虽然BIM和GIS只提供3D模型，但数字孪生的作用远不止于此。

数字孪生在DT保护伞下共享一个共同的身份。然而，目前不同城市应用的DT在方法和数据方面（图像、点云、多边形模型等）在技术上可能非常不同。这是因为各个技术针对特定的技术或规划目标。理想情况下，将个别规划活动转变为联合规划工作需要将所有信息收集在一起，然后在各方之间共享。为了使用计算机科学术语，后端城市DT可以充当所有信息的容器，而任何单一的前端界面，无论是可视化供人类使用还是设计用于机器人使用，都将为特定应用程序提供有限但有意义的DT表示。后端DT（或任何特定的DT）可以使用人工智能技术从传感器数据自主更新，前端可以为整个城市生态系统带来巨大利益。

自动更新

更新DT很重要，因为应始终使用最新信息做出决定。如果技术模型的更新是由人类完成的，财务成本很高。此外，没有联合规划的催化剂，而如果更新由计算机自动完成，则使用DT的联合规划立即变得有吸引力。自动更新的关键创新来自人工智能 （AI） 领域。物联网 （IoT） 传感器、现场勘测传感器或其他平台和应用程序捕获的数据可以转换为对数字孪生及其所服务的应用程序有意义的信息。这是一个游戏规则的改变者。虽然人工智能研究在过去50年中经历了多个炒作周期，但今天似乎缺少一块拼图已经到位。原则上，AI方法可以应用于点云和图像中的标记对象，然后将这些标记对象与BIM和GIS模型中的相应元素进行匹配。然而，在实践中，仍然需要大量的研究。

人为因素和联合规划

城市是复杂的系统，需要与各种利益相关者共同规划。因此，必须纳入人为因素视角，以确定数字孪生系统的潜在优势和未来使用，以支持城市决策。在联合规划方面，只有通过安全和可用的系统才能确保与数字孪生互动的好处，这些系统使代理能够适当地可视化和共享信息。BIM和GIS工具目前的困境是，它们被利用和开发为面向IT的人的IT工具。这些工具不适合更广泛地使用，但联合规划需要新的工具。

结论

现在是在欧洲城市采取行动的时候了。城市相关机构欧盟地区委员会希望提高公共部门提供的数据质量和数量，以加快向数字经济的转型。想要更多的数字化是正确的，因为数字化是有益的。但是，DT的重点必须从以ICT为中心转变为以人为中心，以使目标与时俱进。

城市的需求会随着时间的推移而变化，正如最近推出的可持续发展目标或欧盟的数字计划所说明的那样。这些变化可能是焦点的微妙转变，而不是完全的转变。城市需求是复杂的，反映了特定城市的人口结构和公民的个人需求。目前的DT技术侧重于城市的物理方面，因此无法预测需求的变化。这就是为什么DT技术应该进一步发展，以包括人为因素。特别是，一个社区和一个城市的心理方面在许多方面都非常重要。例如，这些影响在房地产定价中清晰可见，但数据并不能解释定价背后的原因。理想情况下，DT技术将提供封装此隐性信息的方法，并提供在不同规划场景中如何变化的预测。