如同任何城市一样，波士顿始终处于变化之中：旧建筑被拆除，新建筑拔地而起，公共交通蜿蜒穿行，学校、杂货店乃至树木点缀其间。多年来，该市一直希望将这些要素整合进一个三维数字模型中，以便在现实世界实施规划决策之前先行模拟。这一模型于2015年建成，三年后向公众开放。

这座数字孪生不仅涵盖当前建筑、交通、树木、日照与阴影及兴趣点的景观，还包含拟建和在建项目，并作为波士顿城市变迁的档案库。波士顿规划与发展局地理信息系统（GIS）副主任卡罗琳·贝内特（Carolyn Bennett）表示：“这是一种鲜活的、动态的内容，它包含历史档案、现状以及未来，几乎覆盖了全部范畴，这对本机构乃至整个波士顿市都大有裨益。”

数字孪生是特定系统、场所或物体的三维虚拟复制品，使城市和物业所有者能够在现实世界实施变更前进行测试。从洛杉矶到得克萨斯州沿海地区，越来越多的城市正利用该技术研究开发、交通、气候变化及城市面临的诸多其他情境的影响。

伊利诺伊理工学院机械与航空航天工程副教授安基特·斯里瓦斯塔瓦（Ankit Srivastava）指出：“你可以在对现实物体（此处指城市或园区）做出实际改变之前，模拟决策的效果。这使决策更加数据驱动，成本也更低，因为你可以尝试多种可能性。”

然而，确保数字孪生保持最新并助力城市发展，需要投入专门的时间和精力。

在数字领域捕捉城市全貌

贝内特介绍，自2005年起，波士顿便开始探讨如何将城市积累的大量数据融入三维模型，这些数据包括供排水、交通、税务地块等地理空间信息。如今，波士顿的数字孪生已整合了这些数据。城市可利用它评估开发提案对社区住房、分区和停车的影响。规划人员还可将来自其他来源的城市热岛数据叠加到模型上，以可视化建筑、不透水表面和树冠相关的温度分布。

贝内特说：“这能更好地可视化我们作为规划者的工作。我们以三维方式规划，并非二维机构。我们观察世界的现有形态，因此必须以三维视角审视。”

田纳西州查塔努加市也发现数字孪生是整合所收集数据的有效工具。橡树岭国家实验室计算城市科学研究部门负责人吉博·桑亚尔（Jibo Sanyal）问道：“我们能否将所有这些实时数据汇聚到一个共同的生态系统中，从而清晰掌握正在发生的情况？”橡树岭实验室与国家可再生能源实验室的研究人员与查塔努加合作，构建了一个有助于预测和缓解交通拥堵的数字孪生，桑亚尔担任该项目的技术与战略负责人。

查塔努加的数字孪生汇集了来自500个不同来源的信息，如交通摄像头、911数据、雷达探测器和气象站。桑亚尔表示，在该虚拟环境中进行的交通拥堵实验显示，交通流量最多可提升30%，从而带来更高的能源效率。研究人员利用这些实验成果在现实世界实施调整。例如，交通规划人员通常在早晚高峰收集数据，但当研究人员在查塔努加沙洛福德路进行数字孪生实验时，发现午间高峰时段超过90%的车辆会被红灯拦停。现实中，研究人员据此重新计算了沙洛福德路沿线交通信号灯的配时以减少拥堵，现在他们可根据交通状况每四分钟改变一次信号模式。

查塔努加拥有全美最繁忙的货运走廊之一，数字孪生也支持长期决策。例如，该市曾想了解一天中哪些时段适合让驾驶员使用路肩作为行车道。桑亚尔表示，使用数字孪生进行此类评估可降低成本。他说：“很多研究在发表一篇漂亮的论文后就止步了，尽管论文往往很有说服力，但实际应用的机会往往不存在。查塔努加很棒，他们真的让我们参与进来，共同调整交通灯设置，必要时进行微调，并在现实世界开展实验。然后我们观察前后变化，判断取得了哪些改进。”尽管目前研究人员仅控制一条走廊的信号灯，但桑亚尔预计一年内将控制约100个信号灯，覆盖查塔努加市中心及其他高流量区域。

构成城市的建筑

数字孪生还可帮助城市和物业所有者降低能耗。城市产生的温室气体排放约占全球总量的75%。为减少污染，纽约、波士顿和华盛顿特区等城市已设定建筑净零碳排放的未来目标。但建筑脱碳需要分析并实施能源管理系统和可再生能源策略，同时还需购买碳抵消额度。Cityzenith公司专注于开发有助于此的城市数字孪生。其首席执行官迈克尔·詹森（Michael Jansen）表示，模型可从仅两到五栋建筑起步，物业所有者通过模板输入数据，生成的数字孪生可基于建筑年限、状况和用途等因素进行优化模拟，目标是打造更节能的建筑乃至城市。拉斯维加斯和纽约市已采用该技术，凤凰城及其他美国与欧洲城市预计将跟进。詹森称，Cityzenith计划在今年圣诞节前向总计10个城市捐赠该技术，到2024年覆盖100个城市。

数字孪生的障碍

詹森指出，实施数字孪生的主要障碍之一是确保构建模型所需的数据齐全。“数字孪生不是买来的，”他说，“而是建成的。”伊利诺伊理工学院建筑工程助理教授穆罕默德·海达里内贾德（Mohammad Heidarinejad）表示，由于大城市已拥有大量数据，预计更多城市将采用数字孪生，并补充说，五到十年内这些模型可能推广到更多中小城市。但城市和物业所有者将面临诸多挑战。海达里内贾德说，用无人机或扫描捕捉现实需要大量存储空间，且数字孪生必须随现实世界的变化而演进（波士顿每年更新两次模型）。斯里瓦斯塔瓦建议，更新数字孪生的一种方式是众包数据，包括人们拍摄并同意贡献的城市照片。他设想，中央系统可分析这些照片及其GPS坐标，自动更新数字孪生。

数字孪生包含的数据可能带来隐私问题。如果人们能访问模型背后的信息，黑客也能。斯里瓦斯塔瓦表示，城市必须决定数字孪生中捕捉多少细节以及哪些元素向公众开放，尤其是在全球数据量不断增长的背景下。他说：“现实世界将越来越虚拟化，这仅仅是因为获取数据变得容易得多。我认为未来城市会利用这一点。”这可能需要城市投入资金。贝内特表示，波士顿配备了一名三维数据分析师，其主要职责就是维护城市的数字孪生。她说：“城市必须对此保持承诺，因为它是鲜活的、需要持续更新和维护的数据。这颇具挑战性，因为如果模型过于过时，人们就不会愿意使用它。”

橡树岭国家实验室的桑亚尔表示，人员配备和IT开销对城市而言可能难以承担。毕竟，城市希望妥善使用纳税人的钱，因此倾向于采用经过验证的技术。橡树岭与查塔努加合作开展的数字孪生工作正是为了帮助解决这一问题。橡树岭专注于可推广至其他城市的解决方案，因此桑亚尔希望企业能获得该国家实验室技术的许可。尽管如此，数字孪生只是城市和物业规划未来的一种工具，其价值在很大程度上取决于可用的数据。桑亚尔说：“由于它高度依赖数据，因此谨慎选择用于决策的数据至关重要。归根结底，数字孪生是一种工具，而大规模规划决策通常由人类做出。”