Can digital twins reshape the future of urban planning?

与任何城市一样，波士顿始终处于变化之中：旧建筑被拆除，新建筑拔地而起，公共交通穿城而过，从学校、杂货店到树木，各类元素遍布城市景观。

多年来，波士顿一直希望将这一切纳入一个数字3D模型，以便在现实世界实施规划决策之前先行推演。该模型于2015年建成，三年后，城市将其向公众开放。

这一数字孪生涵盖了当前建筑、交通、树木、日照与阴影以及兴趣点的景观，同时包含拟建和在建建筑，并作为波士顿逐年风貌的档案库。

波士顿规划与发展局地理信息系统（GIS）副主任Carolyn Bennett表示：“这是一种有生命力的、动态的内容，它包含历史档案、现状以及未来，几乎覆盖了全部时间维度。我认为这对本机构乃至整个波士顿市都很有帮助。”

数字孪生是特定系统、场所或事物的3D虚拟副本，允许城市和物业所有者在现实世界实施变更前先行测试。从洛杉矶到得克萨斯州沿海地区等地，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Ankit Srivastava指出：“你可以在现实世界做出改变之前，先在物理对象（此处指城市或园区）上模拟决策的效果。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。”

但要让数字孪生保持最新并助力城市前行，需要投入专门的时间与精力。

在数字领域捕捉一座城市

Bennett介绍，自2005年以来，波士顿一直在讨论如何将城市积累的海量数据整合进3D模型。可用数据包括供水和污水、交通、税务地块等地理空间数据。

如今，波士顿的数字孪生已包含上述数据资料库。城市可利用它审视开发提案对社区在住房、分区和停车方面的影响。规划人员还可将来自其他来源的城市热岛数据叠加到孪生模型上，例如可视化建筑、不透水表面和树冠相关的温度分布。

Bennett说：“这能更好地展示我们规划人员的工作方式。我们以3D进行规划，我们不是2D机构。我们观察世界的现有形态，因此必须以3D视角审视。”

田纳西州查塔努加市也发现数字孪生是整合其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Jibo Sanyal提出疑问：“我们能否将所有实时数据汇集到一个共同的生态系统中，从而清晰掌握正在发生的情况？”

橡树岭实验室和美国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。Sanyal是该项目的技术和战略负责人。

来自500个不同来源（如交通摄像头、911数据、雷达探测器和气象站）的信息汇入查塔努加的数字孪生。Sanyal表示，在该虚拟环境中进行的交通拥堵实验显示，交通流量改善幅度最高可达30%，从而提高了能源效率。

研究人员利用数字孪生实验的发现，在现实世界中实施调整。例如，交通规划人员通常在早晚高峰时段收集数据。但当研究人员在查塔努加的Shallowford路进行数字孪生实验时，他们发现午间高峰时段超过90%的汽车会被红灯拦下。

在现实世界中，研究人员利用这些实验的洞察重新计算了Shallowford路沿线交通信号灯的配时以减少拥堵。Sanyal说，现在他们可以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，因此数字孪生也支持更长期的决策。例如，该市曾想了解：一天中是否有特定时段适合让驾驶员将路肩作为行车道？Sanyal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——论文往往很有说服力——但真正在现实世界实施的机会常常不存在。查塔努加很棒，他们真的让我们介入并合作调整交通灯设置，必要时进行微调，并在现实世界运行这些实验。然后我们观察前后变化，判断看到了哪些改进。”

尽管目前研究人员仅控制一条走廊的信号灯，Sanyal预计一年内将能控制约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

数字孪生还能帮助城市和物业所有者降低能耗。

城市产生了全球约75%的温室气体排放。为减少此类污染，纽约、波士顿和华盛顿特区等城市已设定未来建筑实现净零碳排放的目标。

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，此外还需购买碳抵消。Cityzenith是专注于开发城市数字孪生以助力这一目标的公司之一。

该公司CEO Michael Jansen表示，模型可以从少至两到五栋建筑起步。物业所有者通过模板输入数据，生成的数字孪生可帮助他们根据建筑年限、状况和用途等因素运行并优化模拟。目标是实现更节能的建筑，进而打造更节能的城市。

拉斯维加斯和纽约市已采用该技术，凤凰城及美国其他城市和欧洲城市预计将跟进。Jansen表示，Cityzenith计划在今年圣诞节前向总计10个城市捐赠该技术，到2024年向总计100个城市捐赠。

数字孪生的障碍

Jansen指出，实施数字孪生的主要障碍之一是确保所有必要数据到位以构建模型。“数字孪生不是买来的，”他说，“而是建出来的。”

伊利诺伊理工学院建筑工程助理教授Mohammad Heidarinejad表示，由于大型城市已拥有大量数据，预计更多城市将使用数字孪生。他补充说，在五到十年内，这些模型也可能进入更多较小城市。

但城市和物业所有者将面临沿途障碍。Heidarinejad说，用无人机或扫描捕捉现实需要大量存储空间，而且数字孪生必须随着现实世界的变化而演进。（波士顿每年更新其模型两次。）

伊利诺伊理工学院的Srivastava表示，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给项目的城市照片。他建议，或许中央系统可以分析这些照片及其GPS坐标，并自动用该信息更新数字孪生。

数字孪生包含的数据可能带来隐私问题。如果人们能访问孪生背后的信息，黑客同样可以。Srivastava表示，城市必须决定在数字孪生中捕捉多少细节，以及哪些元素向公众开放，尤其是在世界数据量不断增长的背景下。

他说：“现实世界将出现越来越多的虚拟化，这仅仅是因为获取数据变得太容易了。我认为未来城市会利用这一点。”

这很可能需要城市进行一定投资。Bennett表示，波士顿配备了一名3D数据分析师，其主要职责就是维护城市的数字孪生。

Bennett说：“城市必须对此有所承诺，因为它是动态内容和数据，必须持续更新和维护。这方面具有挑战性，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Sanyal表示，人员和IT开销对城市而言可能难以承担。毕竟，城市希望成为纳税人资金的良好管理者，因此倾向于使用经过验证的方案。

橡树岭与查塔努加合作的数字孪生工作正是为此设计。橡树岭专注于可扩展至其他城市的解决方案，因此Sanyal希望企业能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物业可用于规划未来的工具之一，其能提供的价值在很大程度上取决于可供其使用的数据。

Sanyal说：“正因为它高度依赖数据，我们必须非常谨慎地选择引入哪些数据来做决策。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。”