数字孪生与未来城市建设

数字孪生（Digital Twin），亦称为“数字双胞胎”，是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

数字孪生最为重要的启发意义在于，它实现了现实物理系统向空间数字化模型的反馈。美国国防部最早提出利用数字孪生技术，用于航空航天飞行器的健康维护与保障。

数字孪生技术的引入是 21 世纪最具开创性的创新。如今，数字孪生技术已在各个经济领域得到直接应用，尤其是在制造、医疗保健等领域。最近，AEC（Architecture, Engineering & Construction）行业也表现出创建数字双胞胎以解决业务无组织性的倾向。

这种未来技术的采用使我们能够从一次构建一块砖块转变为一次构建一个区块链。建筑师、城市设计师和城市规划师正在使用该技术创建建筑环境的虚拟世界复制品，以了解他们工作的长期可行性。

© Digital Twins of Water Cube Pilot, ARUP

数字孪生的历史

数字孪生技术的第一个描述可以追溯到 David Gelernter 1991 年出版的​​《镜像世界​​》（Mirror Worlds）一书中，他在书中探讨了计算技术对未来世界的影响。然而，数字孪生的概念和模型是由迈克尔·格里夫斯于 2002 年在密歇根州特洛伊举行的制造工程师协会会议上首次公开介绍的。他提出了数字孪生的概念作为产品生命周期管理的研究模型。“数字孪生”一词是 NASA 的 John Vickers 在“2010 年路线图报告”中正式发明的。

© Microsoft – Azure Digital Twins

数字孪生如何工作？

数字孪生技术是由数据驱动的。传感器网络获取数据以创建物理世界的虚拟副本。数字孪生的框架由三部分组成：

• 实物——真正的产品
• 虚拟对象——数字克隆产品
• 物理和虚拟对象之间的连接——从物理产品流向虚拟产品的数据以及从虚拟产品到物理产品提供的信息

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© Challengee Advisory

如上图所示，如此创建的数字孪生可用于通过其完整的生命周期了解已建成和未建成环境的特殊性。结合其他信息来源分析数据有助于了解研究相应主题的起源并对其未来进行预测。

通常，基于用户界面和可视化，数字孪生和3D建模之间有相似之处。然而，区别它们的是数据因素。虽然3D建模仅限于提供对象的视图，但数字孪生提供了对象的视图和实时数据。数字孪生在探索各种环境条件在一段时间内将如何影响对象方面更进一步。

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© ArcGIS

数字孪生如何改善城市规划？

当前，世界正在快速城市化，预计​​全球 56% 的人口​​居住在城市。因此，城市需要为大规模人口涌入做好充分准备。但是，鉴于世界上大多数城市地区的无限制增长，数字孪生可以在数据分析的帮助下帮助简化城市发展。通过创建城市的数字双胞胎，人们可以在现实世界中虚拟测试和制定政策、设计规则和施工方法。数字孪生的采用可以彻底改变城市的设计、运营、维护和维持方式，以提高市民的生活质量。

有效的政策制定

市政当局和其他地方管理机构可以通过使用数据进行规划、最终确定投资策略和发现机会，从数字孪生技术中受益。他们可以在虚拟世界中模拟提议的政策，并在在现实世界中实施之前研究其影响。在全球范围内，新加坡、赫尔辛基和阿拉伯联合酋长国等城市正在投资数字孪生技术，以实现从可持续发展到以交通为导向的发展、建设改造项目和虚拟旅游范围等各种目标。

© Courtesy of Singapore Land Authority

缓解环境风险

随着全球变暖和气候变化的惊人增长，数字孪生技术可以帮助绘制未来环境及其对城市的影响的地图。虚拟城市中的海平面上升和构造板块运动等数据可用于指导实体城市的发展。通过评估风险，城市可以更好地为减轻洪水、地震、海啸和飓风等自然灾害做好准备。​​

审查建筑结构稳定性

由于建筑质量低下，建筑物倒塌已成为城市的日常事务，导致生命和资源的损失。在开始物理施工过程之前创建数字孪生有助于确定建筑材料和实践的适用性。这将有助于创建安全和健康的社区，帮助城市社区繁荣发展。市政当局可以使用这些数据对旧建筑的结构强度进行审查，从而及时撤离社区，以防止任何物理损坏。

节省能源和运营成本

从数字孪生中获得的数据可用于优化建筑服务系统，这将有助于降低结构的能源消耗和运营成本。城市规划者还可以确定建造屋顶以利用太阳能为建筑物供电的潜力。在数字孪生城市中始终可以探索可再生能源的全域，以帮助减少城市热岛效应并提高建筑物的自给自足能力。

© Ton De Vries – YouTube

完善基础设施网络

借助来自数字孪生城市的数据，交通规划人员与城市规划人员一起，可以确定实体城市中出现瓶颈和交通拥堵的可能性。天桥和道路扩建的需求可以通过识别公路汽车的增长来预先确定。可以优化测试和设计大众捷运系统 (MRTS) 增强城市公共交通的效力，以适应城市扩张。

虚拟旅游

数字孪生的可能性并不仅限于城市规划的技术性，而是进一步探索虚拟旅游的创收。虽然市场上已经提供了街道和建筑物的 360 度全景视图。数字孪生使这项技术更进一步。在数字孪生中，人们可以做的不仅仅是查看一个地方。他们可以购物、玩耍、学习，甚至成为虚拟城市的公民。

例如，​​Virtual Helsinki​​是赫尔辛基市中心的数字双胞胎，由 Zoan 以高品质 3D 虚拟现实技术创建，人们可以虚拟访问和进行活动。虚拟旅游通过让人们在舒适的家中体验世界，促进了一种可持续的生活方式。

数字孪生案例

虽然许多国家尚未探索数字孪生技术的潜力，但新加坡已经为其虚拟外观创建了一个现场测试案例。城邦模型包括 300 万张街道拍摄的图像以及 160,000 张空中拍摄的图像。超过 10 亿个数据点以 3D 形式绘制，相当于 100 TB 以上的数据。该模型的基础将依赖于 14 个核心数据集，包括土地利用、树木覆盖和地下公用设施。整个岛屿将使用航空和街道测绘工具不断绘制地图，以保持数字孪生的相关性并与新加坡的发展保持一致。

© AEC Magazine

凭借其数字孪生，新加坡设想解决其长期存在的城市热岛效应问题。虚拟城市将用于研究城市新建筑开发的可行性及其对周边环境的影响。政策制定者还将研究识别潜在基础设施陷阱的模型，并为未来的新加坡提出适当的解决方案。未来，新加坡还计划通过数字取证和自动驾驶汽车和机器人的场景规划，利用数字孪生重建事故场景。

综上所述

数字孪生技术的优势鼓励全球 IT 领导者努力推进数字孪生软件。领先的 IT 巨头，即微软、GE Digital、西门子和Dassault Systemes，已经创建了数字孪生软件。AEC 行业的创新者，例如 Cityzenith，已经推出了专门针对建筑环境的数字孪生软件程序。另一个领先的数字孪生软件是 SmartWorldPro，它有助于建筑物和其他房地产形式的设计和管理。

在城市规划中使用数字孪生技术可以提高利益相关者的决策能力。它为一个更可持续、以人为本、有组织和令人向往的未来城市建立了希望。

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