本文授權轉載自:集智俱樂部。
介紹
華為高級智慧城市研究員、高級智慧城市顧問王鵬受邀出席騰訊研究院×智社AI &；在社會沙龍上發表了題為“從城市數據到智慧城市”的演講。作者回顧了王鵬對城市數據及其應用的研究，並結合清華大學龍鷹團隊對人體數字化的最新研究，提出了對城市和個人虛擬化的探討。講座錄像請見文末小程序和網頁鏈接。
數字孿生起源於工業4.0
數字孿生的概念可以追溯到2002年密歇根大學PLM(產品生命周期管理)中心Michael Grieves教授給工業界的壹次演講(雖然沒有書面證據，但仍被廣泛認為是數字孿生的最早來源)。
2014邁克爾·格裏夫斯(Michael Grieves)在他的白皮書《數字孿生:通過虛擬工廠復制實現卓越制造》中進行了詳細闡述。他認為，可以通過物理設備的數據，在虛擬(信息)空間中構建壹個可以代表物理設備的虛擬實體和子系統，並且這種連接不是單向的、靜態的，而是在整個產品生命周期中鏈接在壹起的。
之後，數字雙胞胎的概念逐漸擴展到仿真、虛擬裝配、3D打印等領域。隨著物聯網技術、人工智能和虛擬現實技術的不斷發展，更多的工業產品和工業設備具有智能化的特征，數字結對逐漸擴展到包括制造和服務在內的完整產品周期階段，並不斷豐富數字結對的形式和概念。
商界處於數字雙胞胎的最前沿。工業4.0下的數字孿生(Digital Twinning)被各大軟件廠商賦予了自己的理解，它已經與自己的業務融為壹體，他們致力於打造壹個融合現實世界和虛擬世界的解決方案。
借助數字孿生的概念，美國通用電氣公司(GE)和ANSYS公司提出了實現物理機械和分析技術融合的途徑，使每臺發動機、每臺渦輪、每臺核磁振動都有壹個數字“孿生”，通過數字模型在虛擬環境中實現機器人調試、測試和優化運行狀態的模擬，從而將最優方案應用到物理世界的機器上，節省了大量的維護和調試成本。
西門子引用數字雙胞胎的概念來描述貫穿產品生命周期所有環節的數據模型。壹般來說，數字結對就是模擬壹些工廠的實際操作空間，從產品設計到生產線設計，再到設備廠商的機械設計和工廠的規劃調度，再到最終的制造執行和產品大數據。
法國軟件公司達索系統公司(Dassault systemes)不僅重視產品的數字化表達，在數字化雙創的合作驗證中，也試圖通過三維體驗平臺實現設計師與客戶的互動。
德國軟件公司SAP基於Leonardo平臺在數字世界中構建了壹個完整的數字雙胞胎。在產品測試階段，收集和分析設備的運行狀態，獲得產品的實際性能，然後與需求設計的目標進行對比，形成產品開發的閉環系統。
簡而言之，工業4.0下的數字孿生為制造業提供了物理空間和虛擬空間的映射關系，以及記錄、模擬和預測物體在物理世界和數字虛擬空間中運行軌跡的過程。
物理世界和數字拷貝
數字結對:催生智慧城市2.0
值得註意的是，數字雙胞胎的概念不僅活躍在工業4.0的制造業，也越來越頻繁地出現在智慧城市領域。隨著ICT(信息、通信和技術)成為智慧城市發展的主要動能，移動通信、互聯網、雲計算、傳感器、人工智能和量子通信在智慧城市中得到了廣泛應用。全局感知、數字仿真、深度學習等領域的技術發展即將迎來拐點，這使得城市的數字孿生應運而生。
中國智慧城市的數字雙胞胎發展還有很長的路要走。數字雙胞胎高度依賴傳感器采集的數據和信息，但目前仍難以獲得城市數據的全局感知和精細尺度上的歷史多維數據。物理實體空間中的數據不夠詳細，會直接導致其數字副本的丟失。目前，數字雙距離想象中沙盒系統模擬推演和人工智能決策的功能還有較大差距。
數字結對在智慧城市開發建設中的核心價值在於，它可以在物理世界和數字世界之間建立全方位的實時連接，進而記錄、分析和預測運行對象在整個生命周期中的變化。智慧城市中的數字雙胞胎可以分為四個階段，即
準確、全面、動態繪制城市現狀圖的雙重地位；
從歷史數據中學習、分析、鑒別、總結、尋找城市運行規律的學習雙胞胎；
在人工監督下模擬不同環境背景下發育情景的模擬雙胞胎；
最後通過實時數據訪問和人工智能自動決策的獨立雙胞胎。
同時也要看到數字雙胞胎在傳感器、5g、邊緣計算技術不斷發展中的巨大潛力。傳感器的高密度部署和高精度感知，結合5g和邊緣計算的實時結構化計算反饋，城市物理空間的全局感知和實時更新將是5g時代的常態。磚、瓦、草、樹、壹張桌子、壹把椅子、壹個人、壹輛車都會以不同的頻率更新自己的位置和狀態信息，從而實現真正的“全息”虛擬城市。
城市數據:數字孿生DNA
在智慧城市建設中，數字孿生的核心在於構建與城市物理空間完全映射的虛擬(信息)空間。不同於制造業產品周期管理中廠商全面掌握的產品信息數據，城市是壹個龐大而復雜的系統，其物理空間和過程都在不斷產生多維度的海量數據，這無疑在數據采集、處理、操作、存儲和管理上對城市的數字化孿生提出了挑戰。
近年來，以數據為核心的城市生態鏈構建了智慧城市的頂層設計，形成了以* *共享信息為中心，各行業協同合作的“感知-應用-* *共享信息”的智慧城市模式。同時，在大數據、人工智能、雲計算、物聯網等新興ICT技術的推動下，多維度的海量城市數據逐漸以不同的方式被挖掘，並應用於智慧城市的研究和實踐中。
傳統城市統計數據的電子化和空間可視化是城市大數據發展的第壹步。在GIS平臺上繪制行政區域界線並與傳統年鑒統計數據相匹配的基礎上，將傳統數據電子化、可視化，依托GIS空間分析功能實現空間可視化和分析。
Cityeye上傳統統計數據的電子和空間可視化
互聯網大數據的應用，標誌著城市真正進入了大數據時代，互聯網大數據成為近年來城市研究的“寵兒”。無論是學術界還是產業界，都在積極探索互聯網大數據為城市研發帶來的諸多可能性。
互聯網大數據最大的優勢在於打破了傳統數據自上而下的數據獲取壁壘，而是以自下而上的方式提供精細尺度上的多維數據，如記錄城市中所有地理實體的空間位置和屬性的興趣點(POI)數據；反映話題熱度和用戶畫像的社交媒體大數據；實時顯示人口空間分布熱圖等。
隨著智慧城市的到來，傳感器技術的進步和成熟為城市研究提供了另壹種獲取數據的方式。
通過在城市中架設多模塊集成傳感器，在精細尺度上實現對城市環境、人和車輛行為等數據的實時感知和采集。例如，城市網格數據監測站可以使用多模塊傳感器網絡來監測人車流量和環境質量，如風速、風向、光照、溫度和濕度以及pm2.5。城市網格是壹種旨在精細感知城市空間的物聯網產品，也是傳感器技術應用於城市全局感知、數據收集，甚至預測城市未來微環境和人車行為的經典案例。王鵬團隊還多次在清華大學校園和白塔寺社區使用城市網格進行監控和數據采集，對城市環境和人群行為進行深入分析。
城市電網城市電網數據監測站
LBS數據(基於位置的服務的數據)通過運營商收集用戶與基站之間不間斷的信令數據，可以獲得移動服務用戶相對準確的實時空間位置。由於其用戶數量多、覆蓋面廣，是描述城市人口數量和空間分布的“終極”數據。
我們把自己數字化了！
數字自我
在感嘆數字雙胞胎如何顛覆制造業和城市的管理和運作的同時，壹些學者已經開始探索如何創造人類個體的數字雙胞胎。
清華大學龍鷹團隊研究助理張近日發表題為《可穿戴相機在建築環境inpi雙重行為研究中的應用》的期刊論文，提出創新性地使用可穿戴相機對個體行為和城市空間感知進行數據采集、分析和模擬。
研究團隊使用便攜式攝像機在佩戴者面前每五分鐘記錄壹次畫面數據，通過人工識別、計算機視覺分析和顏色識別分析等手段，分析佩戴者的個體行為特征、時間分配、路徑轉移、場所事件等因素。研究結果表明，可穿戴相機采集的圖像數據蘊含著豐富的個體行為和時空信息，能夠有效地描述個體在空間上的行為特征。
數字“生活日誌”
隨著大數據在城市研究中的廣泛應用和快速發展，基於建成環境形態數據(如遙感、街景和POI數據)和各種互聯網數據(如微博、評論和手機信令數據)的大規模群體研究，為利用大數據解釋城市問題提供了大量案例參考，並逐漸建立了理論基礎。然而，這些基於粗尺度城市物理空間或大尺度群體的大數據，仍然難以應用於個體的深度分析和研究解讀。
可穿戴相機為大規模收集個人數據提供了新的機會。通過記錄的圖片數據將個人活動信息數字化，形成“數字自我”的電子檔案，彌補了現有研究中對個體行為數據收集不夠連續、維度不夠豐富的問題。這也是從城市環境數據到個體行為信息的變化之壹。同時，個體行為的信息化也將推動研究方法的創新和新技術的介入，從主觀的“個體感知”走向客觀的“定量研究”
從數字雙胞胎的角度來看，基於可穿戴相機記錄的畫面數據，通過整理和分析，可以剝離出個體在物理空間的行為特征，並可以將個體的這些行為特征在時間和空間上進壹步數字化，從而構建其在虛擬(信息)空間的數字雙胞胎。同時，圖片數據中包含的大量物理空間建成的環境元素也可以被數字化並記錄在虛擬空間中，從而在物理空間和虛擬空間中反映個體與環境的相互作用。
科技的快速發展不僅極大地改變了人們的生活方式，也影響了城市運行的方方面面。不可否認，新技術的快速發展給城市研究和實踐帶來了新的機遇，推動了城市規劃技術和工具的突破和創新。比如應龍提出的數據增強設計，讓規劃者借助多維度的城市大數據，對城市做出更加全面準確的分析和規劃設計應對。
同時，借助信息通信技術創新，數據存儲、挖掘、雲計算和可視化的完善也為研究城市提供了新的視角。人們的思維方式從傳統的機械思維向大數據思維轉變，認知方式也逐漸向體驗與現實相結合轉變。在第四次工業革命的技術創新下，城市數字孿生和數字自我的概念也將有更豐富的內涵。
參考數據
[1]王鵬:展望未來城市，萬物可操作|智慧城市長總結
[2]王鵬:城市數據到智慧城市
[3]龍，於.(2019)。(新)城市科學:用新的數據、方法和技術研究新城市。風景園林前沿，7(2)，8-21。
[4]張，張誌祥，&龍，於。(2019)。可穿戴相機在建築環境中研究個體行為的應用。風景園林前沿，7(2)，22-37。