数字孪生与智慧城市

数字孪生与智慧城市

张靖笙

今天城市数字化的发展理念已经得到了普遍共识，而一些新数字技术也必然将影响城市规划、建设与发展，从而引导城市的数字化发展方向。2017年，全球领先的信息技术研究和顾问公司Gartner公布了将在2018年对大部分企业和组织机构必然产生显著影响的首要十大战略科技发展趋势，其中就包括了数字孪生，如笔者前期文章《数字孪生为何成为战略科技发展必然趋势》的论述，数字孪生作为工业4.0至关重要的战略科技，对工业界的影响日益显现，近两年也井喷式地涌现了大量新的研究和应用成果。而最近，数字孪生城市的概念也已经悄然兴起，能不能把在工业界的数字孪生研究成果和最新进展应用到智慧城市的发展里面呢？这是一个很值得认真思考和探讨的问题。

我们先回顾一下最早诞生于工业界的数字孪生概念，数字孪生一词，最早是美国密西根大学教授Michael Grieves于2003年在产品全生命周期管理课程上提出，并被定义为三维模型，包括实体产品、虚拟产品以及二者间的连接。从这个概念里面，我们可以看到数字孪生最早的研究对象是产品，从实体产品的全生命周期的角度来建构一个如影随形的数字虚拟产品，虽然后来的研究机构和企业对于Grieves教授的数字孪生概念做了很多的扩展，包括Grieves教授自己的著作《Virtually Perfect: Driving Innovative and Lean Products through Product Lifecycle Management》把虚拟的概念扩展到工业生产包括技术、组织和流程等等的方方面面，但如Grieves书名本身所出现的Products这个词，工业技术总是围绕产品来构建的，作为信息技术和工业技术融合的数据孪生也必然继承了这样俗成的约定。

数字孪生的概念诞生于工业界有其历史必然性，因为只有数字化才有可能实现对产品的全生命周期管理，大家可以想象一下，没有信息技术的数字化手段，别说什么管到回收报废的产品生命周期结束了，产品出厂以后物流去哪里了都无法跟踪了，所以数字化技术在工业中的普遍应用是奠定产品全生命周期管理的基础，根据Grieves教授给出的定义：“产品生命周期管理(PLM)是一种集成的、信息驱动的方式，用于管理产品的生命周期及其周边环境涉及的各个方面的人、流程/活动，以及技术，从产品的设计到制造，部署到维护，服务、报废处理直到产品的生命周期的终结”。工业4.0智能制造的核心目标恰恰就是驱动创新与精益的产品全生命周期管理，通过模型和数据，数字虚拟空间成为在物理空间中不断走向完美产品的必由之路，因此数字孪生对于智能制造不但是条钥匙，也是必经的通道。

而在数字化城市领域，产品这个概念带来了很大的困惑和问题，对于城市来说，“产品”到底是什么？或者说什么算是城市的产品呢？放到具体的层面，到底是考虑把整个城市看成一个产品还是看成类似“工厂”一样生产“产品”的环境？如果把城市类比成工厂，那么在数字孪生虚拟城市里面所镜像的又应该是物理城市空间中的什么实物呢？面对这些问题，很显然，很多工业界的做法也无法直接生搬硬套过来解决在城市管理、规划、建设与发展领域所遇到的问题，而今天我们所看到的数字孪生城市的概念，却缺失对于这个根本出发点的辨识和澄清，现在网上看到的很多孪生数字城市的概念和十年前刚提出来的智慧城市一样，表现出来是一个百家争鸣，各说各有理的众说纷纭，不同的解释之中也难免出现很多逻辑上的模糊和混乱，笔者不久看过一些著名网站上公开发表文章，把数字孪生城市和城市大脑的概念混为一谈，对此我是不敢苟同的。

可能也有些业界朋友说，搞数字孪生并不是非得有什么产品的概念的，建设“数字孪生”镜像城市平台，通过三维GIS、BIM/CIM等信息技术，实现信息世界与物理现实世界的全方位映射，虚实交融，支撑基于网络空间的在线治理和服务。以全量数据为基本要素，实现城市地下、地上地理信息，与三维空间数据字建模画像，逐步在数字空间上所构建的城市虚拟映像叠加在城市物理空间上全域感知和智能终端等部件，集中管控城市地下网、多功能

信息杆柱、充电桩、井盖、垃圾桶、城市摄像头、路灯等等城市设施，实现以全量数据为基本要素的各城市治理领域的一张图可视化展示和远程控制方式，逐步打造实现数字孪生城市。

在笔者看来，这也不失为一个很务实的考虑，也说明了数字孪生这个概念有很广泛的适应性和吸引力，数字孪生的其中一个基本理念是通过虚拟空间中的模型和数据优化物理空间里面的决策和行动，推广数字孪生的概念对于改变传统的城市发展模式，提升城市发展效率，快速改变城市面貌，重塑城市基础设施，形成虚实结合、孪生互动、迭代优化的城市发展新形态无疑也有非常现实和深远的意义，笔者作为数字孪生理念的推崇者，非常认同也愿意支持。

而当笔者在智慧城市咨询工作中，需要考虑如何建构解决城市发展中各种问题的大数据智能化应用场景的时候，发现如果我们把数字孪生城市的概念只停留在三维地图、三维建筑物信息模型、数据可视化、虚拟现实、增强现实、混合现实这样一些偏视觉可视化的应用场景上，数字孪生很多极具进步性的思想和理论成果就无法真正地在智慧城市发展中落地生根、开枝散叶和发扬光大。

而要打通数字孪生和智慧城市，恰恰还是要回到正确理解产品全生命周期管理（PLM）这个概念上，有关PLM的一个核心问题是“产品”是什么？它一定是工厂所造出来的类似飞机或者汽车这样的东西吗？其实什么能构成产品也取决于个人的观点，Grieves教授对产品的定义是：“它是一个人制造的用于执行某种功能的对象或者服务于用户的功能”。根据这个定义，对于一个喷气发动机制造商的产品就是发动机，而对于飞机制造商则是整架飞机，发动机只是其产品的一个部件，很明显两者对于发动机的关心程度和信息处理方式是明显不同的，但是只要是产品，就有生命周期，而从PLM的角度，只要是人造的产品，为它的用户执行一定的功能，存在其发挥效用的生命周期，就可以适用于PLM，所以从PLM的概念，城市中的各种事物都可以被作为“产品”来对待，建筑物、道路、桥梁、管道、线网、路灯、井盖、垃圾桶等等这些有一定用途的实物，甚至是教育、医疗、文化这些可能不是明显作为实物的城市生活元素，只要从市民的角度，拥有服务于市民用户的功能，则可以识别为某种形式的产品，并且从生命周期的角度实现数字化方式的管理，因此数字孪生和智慧城市并没有不可逾越的鸿沟，PLM是在智慧城市中运用数字孪生的方法和技术的钥匙，也是链接双方的桥梁。

而产品在商业模式中的定义是价值主张，是一种对于目标对象（用户）有某方面好处的价值陈述和主张，其实这个定义和Grieves教授对产品的定义是异曲同工的，如果脱离了对用户来说的某种功能或者价值，产品就没有任何存在的理由，这个道理几乎可以上升到常识的位置，可惜在现实中往往被忽视了，过往的大工业时代，以生产者为中心的生产方式让产品生产活动成为了一种自说自话的独角戏，无视用户的感受和体验是产品生产的常态，因此造成了大量资源的浪费，从传统制造模式转型为智能制造模式，满足社会化、个性化、服务化、智能化、绿色化等制造发展需求和趋势，是推动全球各国开展智能制造的共同原因，归根到底还是解决用户直接参与根据自己价值主张来组织生产的新生产关系问题。

理解了这个出发点，数字孪生在智慧城市中如何发展则比较容易顺理成章，而离开了这个出发点，则任何一份的智慧城市解决方案都只会沦为一些关乎云大物移智各种技术装备如何摆设的想象效果图，这些技术摆设到底给市民带来了什么具体的好处（产品的价值主张）都说不清楚，又如何能在投产后应用和运维（产品生命周期）中不断地发展和优化呢？城市事实上是比任何一个组织复杂千百万倍的生态体系，任何一个城市的公共要素和资源，背后都会有复杂的利益关系和不同的利益诉求，所以今天我们打造逐步走向数字孪生的智慧城市各项应用场景的时候，城市政府也首先要摒弃以自我为中心的决策习惯，笔者在前期也专门写过文章《政府引领市场决定的智慧城市发展观》论述过有关的观点，从这个角度，基于这些观点，我非常不认同把数字孪生城市和城市大脑的概念混为一谈，城市大脑说到底是服务