數位孿生與未來城市建設

數位孿生（Digital Twin），也稱為“數位雙胞胎”，是充分利用實體模型、感測器更新、運行歷史等數據，整合多學科、多物理量、多尺度、多重機率的模擬過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命週期過程。

數位孿生最為重要的啟發意義在於，它實現了現實物理系統向空間數位化模型的回饋。美國國防部最早提出利用數位孿生技術，用於航空航天飛行器的健康維護與保障。

數位孿生科技的引進是 21 世紀最具開創性的創新。如今，數位孿生技術已在各個經濟領域中直接應用，尤其是在製造業、醫療保健等領域。最近，AEC（Architecture, Engineering & Construction）行業也表現出創建數位雙胞胎以解決業務無組織性的傾向。

這種未來技術的採用使我們能夠從一次建造一塊磚塊轉變為一次建立一個區塊鏈。建築師、城市設計師和城市規劃師正在使用該技術創建建築環境的虛擬世界複製品，以了解他們工作的長期可行性。

© Digital Twins of Water Cube Pilot, ARUP

數位孿生的歷史

數位孿生科技的第一個描述可以追溯到David Gelernter 1991 年出版的《鏡像世界》（Mirror Worlds）一書中，他在書中探討了計算技術對未來世界的影響。然而，數位孿生的概念和模型是由邁克爾·格里夫斯於 2002 年在密西根州特洛伊舉行的製造工程師協會會議上首次公開介紹的。他提出了數位孿生的概念作為產品生命週期管理的研究模型。 「數位孿生」一詞是 NASA 的 John Vickers 在「2010 年路線圖報告」中正式發明的。

© Microsoft – Azure Digital Twins

數位孿生如何運作？

數位孿生技術是由數據驅動的。感測器網路獲取資料以建立實體世界的虛擬副本。數位孿生的框架由三個部分組成：

• 實物—真正的產品
• 虛擬物件—數位複製產品
• 實體與虛擬物件之間的連接—從實體產品流向虛擬產品的資料以及從虛擬產品到實體產品提供的資訊

© Challengee Advisory

#如上圖所示，如此創建的數位孿生可用於透過其完整的生命週期來了解已建成和未建成環境的特殊性。結合其他資訊來源分析資料有助於了解研究相應主題的起源並對其未來進行預測。

通常，基於使用者介面和視覺化，數位孿生和3D建模之間有相似之處。然而，區別它們的是數據因素。雖然3D建模僅限於提供物件的視圖，但數位孿生提供了物件的視圖和即時資料。數位孿生在探索各種環境條件在一段時間內將如何影響物件方面更進一步。

##© ArcGIS

數位孿生如何改善城市規劃？

目前，世界正在快速城市化，預計全球 56% 的人口居住在城市。因此，城市需要為大規模人口湧入做好充分準備。但是，鑑於世界上大多數城市地區的無限增長，數位孿生可以在數據分析的幫助下幫助簡化城市發展。透過創建城市的數位雙胞胎，人們可以在現實世界中虛擬測試和製定政策、設計規則和施工方法。數位孿生的採用可以徹底改變城市的設計、運作、維護和維持方式，以提高市民的生活品質。

有效的政策制定

市政當局和其他地方管理機構可以透過使用數據進行規劃、最終確定投資策略和發現機會，從數位孿生技術中受益。他們可以在虛擬世界中模擬提議的政策，並在現實世界中實施之前研究其影響。在全球範圍內，新加坡、赫爾辛基和阿拉伯聯合大公國等城市正在投資數位孿生技術，以實現從永續發展到以交通為導向的發展、建設改造項目和虛擬旅遊範圍等各種目標。

© Courtesy of Singapore Land Authority

緩解環境風險

隨著全球暖化和氣候變遷的驚人增長，數位孿生技術可以幫助繪製未來環境及其對城市的影響的地圖。虛擬城市中的海平面上升和構造板塊運動等數據可用於指導實體城市的發展。透過評估風險，城市可以更好地為減輕洪水、地震、海嘯和颶風等自然災害做好準備。

審查建築結構穩定性

由於建築品質低下，建築物倒塌已成為城市的日常事務，導致生命和資源的損失。在開始實體施工過程之前創建數位孿生有助於確定建築材料和實踐的適用性。這將有助於創造安全和健康的社區，幫助城市社區繁榮發展。市政當局可以使用這些數據對舊建築的結構強度進行審查，從而及時撤離社區，以防止任何物理損壞。

節省能源和營運成本

從數位孿生中獲得的數據可用於優化建築服務系統，這將有助於降低結構的能源消耗和營運成本。城市規劃者還可以確定建造屋頂以利用太陽能為建築物供電的潛力。在數位孿生城市中始終可以探索再生能源的全局，以幫助減少城市熱島效應並提高建築物的自給自足能力。

© Ton De Vries – YouTube

已完善基礎設施網路

借助來自數位孿生城市的數據，交通規劃人員與城市規劃人員一起，可以確定實體城市中出現瓶頸和交通擁堵的可能性。天橋和道路擴建的需求可以透過識別公路汽車的增長來預先確定。可以優化測試和設計大眾捷運系統 (MRTS) 增強城市公共交通的效力，以適應城市擴張。

虛擬旅遊

數位孿生的可能性不僅限於城市規劃的技術性，而是進一步探索虛擬旅遊的創造收入。雖然市場上已經提供了街道和建築物的 360 度全景視野。數位孿生使這項技術更進一步。在數位孿生中，人們可以做的不僅僅是查看一個地方。他們可以購物、玩耍、學習，甚至成為虛擬城市的公民。

例如，Virtual Helsinki是赫爾辛基市中心的數位雙胞胎，由 Zoan 以高品質 3D 虛擬實境技術創建，人們可以虛擬存取和進行活動。虛擬旅遊透過讓人們在舒適的家中體驗世界，促進了一種永續的生活方式。

數位孿生案例

雖然許多國家尚未探索數位孿生技術的潛力，但新加坡已經為其虛擬外觀創建了一個現場測試案例。城邦模型包括 300 萬張街道拍攝的影像以及 16 萬張空中拍攝的影像。超過 10 億個數據點以 3D 形式繪製，相當於 100 TB 以上的數據。該模型的基礎將依賴 14 個核心資料集，包括土地利用、樹木覆蓋和地下公用設施。整個島嶼將使用航空和街道測繪工具不斷繪製地圖，以保持數位孿生的相關性並與新加坡的發展保持一致。

© AEC Magazine

#憑藉其數位孿生，新加坡設想解決其長期存在的城市熱島效應問題。虛擬城市將用於研究城市新建築開發的可行性及其對週邊環境的影響。政策制定者還將研究識別潛在基礎設施陷阱的模型，並為未來的新加坡提出適當的解決方案。未來，新加坡也計畫透過數位鑑識和自動駕駛汽車和機器人的場景規劃，利用數位孿生重建事故場景。

綜上所述

數位孿生科技的優點鼓勵全球 IT 領導者努力推動數位孿生軟體。領先的 IT 巨頭，即微軟、GE Digital、西門子和Dassault Systemes，已經創建了數位孿生軟體。 AEC 行業的創新者，例如 Cityzenith，已經推出了專門針對建築環境的數位孿生軟體程式。另一個領先的數位孿生軟體是 SmartWorldPro，它有助於建築物和其他房地產形式的設計和管理。

在城市規劃中使用數位孿生技術可以提高利害關係人的決策能力。它為一個更永續、以人為本、有組織和令人嚮往的未來城市建立了希望。

以上是數位孿生與未來城市建設的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！