介绍
随着大数据、云计算、人工智能、移动互联网等技术的快速发展，智慧城市进入了非正常时区2.0的发展阶段。世界各地已经启动或重建的智慧城市数量超过1000个，仅中国就有500多个元试点城市。城市未来的空间转型和智慧城市发展的逻辑范式越来越受到关注。
华为高级智慧城市研究员、高级顾问王鹏受邀在腾讯研究院集智俱乐部AISociety沙龙上做了题为“从城市数据到智慧城市”的演讲。笔者在《王鹏》中回顾了城市数据的应用，并结合清华大学龙鹰团队关于人类数字化的最新研究，提出了对城市和个人虚拟化的探讨。讲座视频录制请参考文末小程序和网页的链接。
来自工业4.0元的数字结对
数字孪生的概念可以追溯到2002年Michigan大学PLM(产品生命周期管理)中心Michael Grieves教授给业界的一次讲座(虽然没有书面证据，但仍被广泛认为是数字孪生的最早来源)。
2014年，迈克尔格里夫斯(Michael Grieves)在其白皮书《通过虚拟工厂复制实现数字化孪生：制造卓越》中进行了详细阐述。他认为，通过物理设备的数据，可以在虚拟(信息)空间中构建一个能够代表物理设备的虚拟实体和子系统，并且这种关系不是单向的、静态的，而是在整个产品生命周期中链接在一起的。
之后，数字孪生的概念逐渐扩展到仿真、虚拟装配、3D打印等领域。随着物联网技术、人工智能和虚拟现实技术的不断发展，更多的工业产品和设备具有智能化的特征，数字结对逐渐扩展到包括制造和服务在内的完整产品周期阶段，并不断丰富数字结对的形式和概念。
商业界处于数字双胞胎的最前沿。4.0元的industry下的digital twinning，被各大软件厂商赋予了自己的理解，并与自己的业务进行了融合，致力于打造现实世界与虚拟世界融合的解决方案。
借助数字孪生的概念，美国通用电气公司(GE)和ANSYS公司提出了一种实现物理机械和分析技术一体化的方法，使每一台发动机、每一台涡轮、每一台核磁共振都有一个数字“孪生”，并模拟机器人调试、测试、优化运行状态等。可以通过数字模型在虚拟环境中实现，使最优方案可以应用到物理世界的机器上，从而节省大量的维护和调试成本。
西门子引用数字孪生的概念来描述贯穿产品生命周期所有环节的数据模型。通俗地说，数字结对就是模拟一些工厂的实际操作空间，从产品设计到生产线设计，到设备厂商的机械设计和工厂的规划调度，再到最终的制造执行和产品大数据。
法国软件公司达索系统公司(Dassault systemes)不仅注重产品的数字化呈现，还试图在数字化双胞胎创新的协作与验证中，通过三维体验平台实现设计师与客户的互动。
德国软件公司SAP基于Leonardo平台在数字世界打造了一个完整的数字双胞胎。在产品测试阶段，对设备的运行状态进行收集和分析，得出产品的实际性能，然后与需求设计的目标进行对比，形成产品研发的闭环系统。
简而言之，工业4.0元下的数字孪生为制造业提供了物理空间和虚拟空间的映射关系，以及在物理世界和数字虚拟空间中记录、模拟和预测物体全生命周期运行轨迹的过程。
物理世界和数字拷贝
孪生数字：催生智能城市——异常时区2.0
值得注意的是，数字结对概念不仅活跃在工业4.0元的制造业，在智慧城市领域也越来越频繁地出现。随着ICT(信息、通信和技术)成为智慧城市发展的主要动能，移动通信、互联网、云计算、传感器、人工智能和量子通信在智慧城市中得到了广泛应用。全局感知、数字仿真、深度学习等领域的技术发展即将迎来拐点，这使得城市的数字孪生应运而生。
中国智慧城市的数字双胞胎发展还有很长的路要走。数字双胞胎高度依赖传感器收集的数据和信息。但就目前的技术水平而言，还难以实现城市数据的全局感知，获取精细化尺度上的历史多维数据。物理空间的数据不够详细，会直接导致其数字副本的丢失。目前沙盒系统模拟推演的功能与人工智能决策还有很大差距。
数字孪生在智慧城市开发建设中的核心价值在于，它可以全方位建立物理世界与数字世界的实时连接，进而记录、分析和预测操作对象全生命周期的变化。智慧城市中的数字结对可以分为四个阶段，即
准确、全面、动态绘制城市现状图的孪生现状图；
从历史数据中学习、分析、识别、总结、发现城市运行规律的学习双胞胎；
模拟结对，用于在人工监督下模拟不同环境背景下的发展情景；
最后，通过实时数据访问和人工智能自动决策的独立结对。
同时也要看到数字双胞胎在传感器、5g、边缘计算技术不断发展中的巨大潜力。传感器的高密度部署和高精度感知，结合5g和边缘计算的实时结构化计算反馈，城市物理空间的全局感知和实时更新将是5g时代的常态。一砖一瓦，一草一木，一桌一椅，一个武汉的日日夜夜和一辆汽车都会以不同的频率更新位置和状态信息，从而实现真正的“全息”虚拟城市。
城市数据：数字孪生DNA
在智慧城市建设中，数字结对的核心在于构建一个与城市物理空间完全映射的虚拟(信息)空间。与制造业产品周期管理中的产品信息数据不同，城市作为一个庞大而复杂的系统，无时无刻不包含着大量的多维度大数据，这无疑在数据采集、处理、操作、存储和管理上对城市数字双胞胎提出了挑战。
近年来，以数据为核心的城市生态链构建了智慧城市的顶层设计，形成了“感知Kramp-Karrenbauer，应用Kramp-Karrenbauer共享信息”的智慧城市模式，以共享信息为核心，各行业协同。同时，在大数据、人工智能、云计算、物联网等新兴ICT技术的推动下。多维海量城市数据逐渐以不同的方式被挖掘，并应用于智慧城市的研究和实践中。
传统城市统计数据的电子化和空间可视化是城市大数据发展的第一步。在GIS平台上绘制行政区域界线，并与传统年鉴统计相匹配的基础上，实现传统数据的电子化和可视化，依托GIS的空间分析功能，实现空间可视化和分析。
Cityeye上传统统计数据的电子和空间可视化
互联网大数据的应用，标志着城市真正进入了大数据时代，互联网大数据成为近年来城市研究的“宠儿”。学术界和产业界都在积极探索互联网大数据给城市研发带来的诸多可能性。
互联网大数据最大的优势是打破了传统数据自上而下的数据收集壁垒，而是自下而上提供精细尺度的多维数据，比如记录口水仗的POI数据
随着智慧城市的到来，传感器技术的进步和成熟为城市研究提供了另一种获取数据的方式。
通过在城市内部架设多模块集成传感器，可以实现精细尺度下城市环境、武汉汽车行为昼夜等数据的实时感知和采集。比如城市网格城市网格数据监测站，可以利用多模块传感器网络，监测武汉市昼夜的交通流量和环境质量，如风速、风向、光照、温湿度、pm2.5元等。城市是以城市空间精细化感知为目标的物联网产品，也是传感器技术在武汉城市整体感知、数据采集，乃至城市未来微环境预测、昼夜汽车行为等方面应用的经典案例。王鹏团队还多次使用城市网格在清华大学校园和白塔寺社区进行监测和数据采集，对城市环境和人群行为进行深入分析。
城市城市王戈数据监测站
LBS数据(location based service data)是运营商通过收集用户与基站之间不间断的信令数据，获取移动服务用户相对准确的实时空间位置。由于其用户数量多、覆盖面广，是描述城市人口数量和空间分布的“终极”数据。
我们把自己数字化了！
数字自我
在感叹数字双胞胎如何以颠覆性的方式改变制造业和城市的管理和运作的同时，一些学者已经开始探索如何创造人类个体的数字双胞胎。
清华大学龙鹰团队研究助理张最近发表了一篇名为《可穿戴相机在建筑环境中pi双重行为研究中的应用》的期刊论文，提出应创新性地使用可穿戴相机采集、分析和模拟个体行为和城市空间感知。
研究团队使用便携式相机，记录佩戴者面前一个5分钟的画面数据，通过人工识别、计算机视觉分析和颜色识别分析等手段，分析佩戴者的个体行为特征、时间分配、路径转移、场所事件等因素。结果表明，穿戴式摄像机采集的图像数据具有丰富的个体行为和时空信息，能够有效地描述个体在空间上的行为特征。
数字“生活日志”
随着大数据在城市研究中的广泛应用和快速发展，基于建成环境形态要素(如遥感、街景、POI数据)和各种互联网数据(如微博、评论、手机信令数据)的大规模群体研究，为用大数据解释城市问题提供了大量案例参考，并逐渐建立了理论基础。然而，这些基于粗尺度城市物理空间或大尺度群体的大数据仍然难以被应用于对个体的深入分析和研究解读。
可穿戴相机为大规模采集个人数据提供了新的机会。记录的图片资料将个体活动的信息数字化，形成“数字自我”电子档案，弥补了现有研究中个体行为数据收集不够连续、维度不够丰富的问题。这也是从城市环境数字化到个体行为信息化的变化之一。同时，个体行为的信息化也会促进研究方法的创新和新技术的介入，从主观的“个体感知”转向客观的“定量研究”。
从数字双胞胎的角度来看，基于可穿戴相机记录的画面数据，通过整理和分析，可以剥离出个体在物理空间的行为特征元素，并将这些个体行为特征元素在时间和空间上进一步数字化，从而在虚拟(信息)空间中构建它们的数字双胞胎。同时，图片数据中包含的大量物理空间建成的环境元素也可以被数字化并记录在虚拟空间中，从而在物理空间和虚拟空间中反映个体与环境的相互作用。
科技的快速发展不仅极大地改变了人们的生活方式，也影响了城市运行的方方面面。不可否认，新技术的快速发展给城市研究和实践带来了新的机遇，促进了城市规划技术和工具的突破和创新。比如应龙提出的数据增强设计，让规划师借助多维度的城市大数据，对城市做出更全面、更准确的分析和规划设计回应。
同时，借助信息通信技术创新，数据存储、挖掘、云计算和可视化技术的提高也为研究城市提供了新的视角。人们的思维方式从传统的机械思维向大数据思维转变，认知方式逐渐转向虚实结合的体验。在第四次工业革命的技术革新下，“数字孪生”和“数字自我”的概念也将有更丰富的内涵。
参考数据
王鹏、1元：展望未来城市，一切都可以操作|智慧城市长文综述
王鹏，曹政奭，《密室逃脱：冠军联赛：从城市数据到智慧城市》
[3]龙，Y. (2019)。(新)城市科学：用新的数据、方法和技术研究新城市。风景园林前沿，7(2)，8-21。
[4]张，张志祥，龙，于(2019)。可穿戴相机在建筑环境中研究个体行为的应用。风景园林前沿，7(2)，22-37。
《王鹏》讲座综述
回顾讲座视频地址：
https://campus.swarma.org/play/coursedetail id=10888
本次讲座，主讲人武汉日日夜夜针对全球和国内智慧城市发展的现状和问题，提出了可能的发展路径和近期重点；从技术发展和城市发展的角度探讨了城市发展的未来，并推导出智慧城市未来发展的逻辑范式。最后，基于其团队在智慧城市的实践经验，以城市数据的获取、分析和应用，以及城市的规划、建设、运营和管理为两条主线，提出了智慧城市的认识论和方法论框架。
作者：陈龙
编辑：林
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