04版：新思
吴晨
在智慧城市和智能社会中，物理世界中的一切都应该被数字化和数据化，通过标注、整合、组织、传输、计算和赋能，释放出巨大的生产效率。城市更新与城市复兴既是城市规划的时代更迭和科技人文的发展需求，也是社会民生的崭新方向。当前，有大量的电商平台、物流平台、交通平台、社交平台的智能化案例不断涌现，城市复兴也应将全面的数字化与智能化作为迈入智慧城市和智能社会的切入点。
智慧城市推动新时代人居环境建设与学科发展
随着科学技术、经济和社会的发展，AI（Artificial Intelligence，人工智能）、物联网、云计算等新一代信息技术的进步不断完备了技术环境，城市复兴与智能化相结合也成为大势所趋。应用信息技术的可持续发展之路能够带来新的人居环境建设，促进人居环境科学的进步和建筑艺术的创造。城市复兴将借助新一代信息技术的强大驱动力，发展智慧应用，建立一套新型可持续的城市发展模式。
1.1 运用信息技术推动人居环境建设
站在智慧城市与智能社会的维度看待人居环境，当前很多城市的建筑空间在数量和规模上已经饱和或接近饱和，但在运维管理效率上距离真正的智慧化还有很大差距，资源能源的消耗与浪费巨大。传统的房地产开发和产品创新已经不足以满足需求，城市建设的重点任务正在逐步由房地产主导的增量建设转向以提升品质为主的存量建设，城市复兴的内涵也在不断丰富和拓展，必须采用新一代信息技术和智能生产方式，通过新基建来为人居环境的改善赋能增效，这也是城市复兴的终极目标。
1.2 运用信息技术发展人居环境科学
人居环境科学的基本框架，即五大系统：自然、人、社会、居住、支撑网络（指物质性基础设施等），是人居环境科学研究的核心。基于此，目前正在逐步建立形成一套科学的人居环境科学综合评价体系与研究方法，旨在提高人居环境规划建设管理中的科学性、有效性、前瞻性，提出符合城市和地区发展需求的行动纲领和解决方案。信息技术为此提供了良好的技术条件，所有空间都是通过空间组织的设计以及环境参数的调配来实现为人服务，这有助于定量化地建立和完善人居环境科学评价体系，从而推动人居环境科学的发展。
城市复兴理论语境下的数字孪生框架
技术创新系统作为城市复兴理论内涵的重要组成部分，与物质空间系统、文化传承系统、产业经济系统、社会活力系统并称城市复兴的“五大系统”。以数字孪生为代表的新一代信息技术为加强城市复兴全流程智慧化规划建设管理提供了技术支撑。基于数字孪生的城市复兴，是将科技作为城市复兴的重要工具，将数字孪生底座作为城市复兴在虚拟城市空间中的载体，是对城市复兴现有维度的延伸与丰富。同时，科技创新引领的城市复兴并不是独立存在的，而是将在空间、文化、产业、社会等各个维度上交叉融合创新，发挥重要作用。
2.1 CIM与数字孪生
从信息城市到数字城市，再从智能城市到智慧城市，我国已经将智慧城市作为国家战略，加速推进智慧城市建设进程，并取得了一些成效。然而，当前的智慧城市发展仍存在一些问题：（1）智慧城市顶层设计不完善，在应用场景建设过程中容易造成基础数据与平台的重复建设、重复投资；（2）数据融通整合能力欠佳，缺乏统一的数据平台，跨层级、跨地域、跨系统、跨部门的数据资源融通成效不显著；（3）智慧感知治理能力有待提高，新技术在数据采集中的利用率不高，数据质量、丰度、可利用性不足，治理平台的仿真预测能力较为薄弱，须全面提升智慧治理水平。
数字孪生技术发展至今，已经在制造业、航空航天、船舶航运、铁路运输、汽车、电力、石油天然气、医疗健康、环境保护等行业领域广泛应用并发挥重要作用，在城市建设领域也彰显出越来越重要的价值。“数字孪生城市”历经2017年和2018年的概念培育期、2019年的技术方案架构期，现已正式步入建设实施落地期。2020年以来，国家发改委、科技部、工信部、自然资源部、住建部等部委密集出台政策文件，加速推动数字孪生城市相关技术、产业、应用发展，助力数字孪生城市建设。国家政策大力支持，地方规划加速落地，企业方案积极搭建，学术科研前瞻布局，市场规模爆发增长，产业生态积极构建，应用场景日益完善，全球共识逐渐达成。数字孪生技术已被提到了与大数据、人工智能、5G等新技术并列高度。建设数字孪生城市是一项系统工程，是新型智慧城市建设发展的必由之路。在“新基建”的大背景下，我国数字孪生城市即将走上高速发展轨道。
CIM（City Information Modeling，城市信息模型）是BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）在城市层面的拓展与延伸，可以看作是数字孪生城市的数字底座，所有城市场景的营造均建立在这个统一的数字底座之上。国内CIM概念的出现可追溯到10年前。北京市战略科学家、北京市建筑设计研究院有限公司总建筑师、首钢集团总建筑师吴晨于2012年“国家杰出青年科学基金”项目申请中首次提出CIM概念，并阐述其在建筑设计和智慧城市领域的应用价值。虽然由于概念超前、社会认知水平未达到等原因在当时没有被理解，但随着近年来技术的迅猛发展和认知的不断深入，如今的CIM理念已逐渐被社会所广泛接受，且成为政府大力推进的重点工作。
CIM融合BIM、倾斜摄影、基础地理信息、地下空间等数据，形成多源异构的全空间三维城市基础数据，建立实时映射的模型与物联感知体系，贯彻落实“一网统管”，构建城市运行与管理“一张图”；基于特征识别和人工智能技术，实现城市全要素的数字化和语义化，构建出可被机器理解的、支持自动推理及分析的数字孪生城市信息模型；通过物联感知数据实时地在模型平台上快速加载、融合和实时呈现，实现城市运行全场景的实时化和可视化，管理决策的科学化、智能化和协同化。
CIM具有强大的数据承载力、表现力、兼容性和可扩展性，使得开发场景具有无限可能，能够对“人-地-房”等城市管理中涉及到的海量数据进行加载，并实时渲染。不论是规划设计、城市建设还是城市治理，CIM贯穿于智慧城市新基建之中，是城市精准映射虚实互动的核心基底，是数据驱动治理模式的价值体现。
近年来，多部委相继出台了一系列CIM相关政策文件及规范（如下表所示），体现出战略层面的科学性与前瞻性。
相较于CIM而言，数字孪生更加注重应用场景的打造，已成为新技术创新融合的必然趋势：（1）数字孪生城市的建设已经具备基本的技术基础，云计算平台已经变成城市主要基础设施，政府部门、公司企业乃至个人广泛性运用，大数据变成城市主要资产、战略资源，依托大数据分析的智能决策运用不断涌现而出，物联网促进万物互联变成实际，广泛运用于城市治理领域的感知监测、数据采集等，移动互联网变成群众获取城市生活服务的主要优先渠道，也是拓展服务的主要方式，依托于深度学习的人工智能运用可精准预测城市问题，很大程度上提升民众体验，产品功能不断拓展增强，为构建数字孪生城市奠定了坚实的技术基础；（2）数字孪生城市的建设也存在着巨大的难度和挑战，虽然技术条件基本成熟，但根据吴良镛院士的观点“城市是一个开放的复杂巨系统”，城市建设所涉及的领域是极其广泛的，因此数字孪生城市的解决方案相当复杂，这不仅仅是技术和数据信息深度融合的新模式，也是人类智慧达到新高度的巨大挑战，多要素融合将有可能引发颠覆式的技术创新和应用创新，技术发展迎来前所未有的机遇。
数字孪生城市是智慧城市的新起点，是支撑智慧城市建设的复杂技术体系和新型技术路径。推进以数字孪生为代表的新一代信息技术与新型智慧城市建设的深度融合、迭代演进，实现人与社会、人与自然可持续协调发展的全新的城市高级形态。在已经到来的元宇宙时代，新思潮、新理念、新技术不断涌现，城市建设必将迎来更大的变革，开启崭新的篇章。
2.2 主要特征
总体上，城市复兴语境下的数字孪生城市主要特征可概括为：（1）精准的实时映射，利用物联传感体系感知和反馈的数据实现对建筑的全方位数字化建模和对运行状态的动态监测，形成与实体建筑1:1的精准表达与实时映射；（2）双向的虚实交互，将实体空间中的规划、建设、管理及人的活动行为拓展到虚拟空间中，实现虚实融合；（3）专业的模拟仿真，以软件的形式模拟建筑工程的全生命周期，通过算法实现电热能源等专业模块的量化分析与智能操控；（4）智能的辅助决策，对可能存在的不良影响、潜在风险等进行智能预警，为决策者和管理者提供科学的应对建议，从决策层面实现优化。
2.3 核心设计方向
如何将智慧化城市服务与城市复兴相结合是城市复兴智能化过程中需要解决的问题。基于数字孪生的城市复兴的顶层设计围绕信息基础、信息感知、智能应用、区域示范的信息化建设目标，着力推进信息基础设施、智慧城管、智慧政务、智慧交通、智慧医疗、智慧旅游、智慧民生等重点领域项目实施。其核心设计方向包括四个方面：（1）全域感知，充分利用各类视频监测和物联网传感器资源，在机器学习、人工智能技术的驱动下，即时、全量地从海量数据中获取城市系统运行参数并提取各类社会事件，以支持城市治理中的各类大数据计算，最终形成对人、车、事件的全时全域立体化的感知体系；（2）数据汇聚，发挥数据在智慧治理的运行决策、指挥调度、基层管理等环节上的驱动和带动作用，汇聚融合各政府部门、企业和互联网数据，充分整合接入到数字孪生底座上，为提升城市的泛在感知能力提供有力的数据支撑，并形成全渠道数据汇集机制和数据共享良性循环；（3）多维研判，以泛在感知能力为依托，由即时事件驱动，将数据分析、数据研判、辅助决策能力充分融入到各项管理工作中，并与城市运行指挥平台进行整合，形成智慧城市治理闭环；（4）数据为民，建立互动、高效、人性化的社会治理机制，拉近城市管理者、决策者与市民之间的服务与被服务的关系，为城市管理者、决策者打造直观有效的城市运行视图和可作为的数据，为市民打造幸福度高、参与度高、可感知的综合便民服务平台。
城市复兴多维度场景下的数字孪生底座应用
基于数字孪生的城市复兴，能够在规划设计审批、城市智慧治理、商业活力监测等诸多垂直领域实现技术应用，可支撑三维的城市设计审批、城市体检评估、韧性城市评价等多项重点工作，为城市建设、城市管理、社区治理、公众服务等各领域的智慧应用提供全息城市场景、全时空数据支撑和基础业务服务支撑，为城市可持续发展提供新动能。随着人工智能基础设施（无人驾驶、AI医疗、AI车间等）的推广使用和技术的更新迭代，未来的数字孪生城市还将具备主动思考能力。
3.1 规划设计审批
在传统的规划设计审批过程中，受限于当时的技术条件不成熟，规划设计效果的呈现几乎完全依赖二维图纸等静态方式，在三维场景的模拟构建和动态展示上存在缺失，难以真实地呈现实际施工效果以及项目与周边景观的整体性、和谐性，容易导致规划决策失误，造成巨大的资源浪费和经济损失。
在城市复兴的语境下，将在传统规划设计审批流程的前期，创新性地增加“构建底座”这一环节，先期形成规划范围内的数字孪生城市底座，作为规划设计的三维基底和可视化的交互设计平台，在此基础上将建筑设计和规划设计方案进行1:1建模呈现并实时渲染，帮助设计者和决策者在方案实施之前能够在数字孪生场景中直观地了解实施效果，并对多种方案进行比选、评估、决策，从而规避潜在风险，减少甚至避免重复建设和不科学规划所导致的损失，在区域空间风貌的塑造提升、地上地下空间的合理布局、人流车流的引导疏散、周边交通设施的高效衔接、产业业态的优化调整、商业服务的配套升级等方面为城市规划设计提供科学的量化参考，突显“以人为本”的设计理念，促进地区人气与活力的提升，在决策层面实现优化。
3.2 智能施工建设
基于数字孪生底座建立施工监测平台，工程建设方可以在三维场景下实时跟进施工进度，直接计算出材料的消耗量、尺寸、参数要求等数据，预先规避施工过程中可能发生的错误，避免潜在的纠纷和开支，制定出更加科学的施工计划，从而节省更多资源，实现更高效、高质量的工程建设。
3.3 城市智慧治理
智慧治理体系的建设需要一个融合各类实时数据、信息和汇聚各种服务的机构——智慧城市运营中心，即智慧治理平台。智慧治理平台在建立数字孪生底座的基础上，聚焦感知、认知、行动三大能力，以大数据驱动人工智能为核心，对资源环境、交通运输、社会治理、人口民生、产业经济、社会舆情、公共安全等数据进行完整、直观的呈现，复现城市运行态势，全面渗透数字化与智能化，深度融合物质空间规划，形成多维度、多层级、全覆盖的综合体系，提升产业、交通、公共服务、社会安全、城市品质等综合指挥能力，为社会治理智慧化与现代化赋能增效，为城市复兴提供强大的科技支持。
在城市商业活力方面，基于数字孪生底座建立商业活力大数据监测平台，能够对主流电商消费订单数据、手机信令数据、POI数据及互联网主要媒体、论坛、微博等渠道中与消费直接相关的舆情数据等，进行时空监测，分析消费规模、消费结构、消费环境、消费热点，打通线下商圈从“引流入场”到“场内停留”再到“离场后触达”全流程，有效延展消费场景，实现数字化消费升级。
3.4 文化遗产保护
利用三维激光扫描技术，对文物保护建筑和历史风貌建筑的室内外立面以及构件的空间位置、尺寸和纹理进行精确记录，对历史风貌建筑进行实景三维重建，形成可实时在线浏览的全生命周期数字孪生平台，能够为文物保护建筑和历史风貌建筑的数字模型整合、历史信息集成、传统工艺传承、健康安全监测、智慧运维管理以及活化利用等工作提供详实可靠的数据支撑。同时，利用融媒体资源，能够将建筑实景三维模型、集成历史风貌建筑的全景影像、历史风貌建筑数字档案对公众进行开放，借助VR眼镜等智能设备实现场景交互，打造“线上博物馆”“线上书院”，形成“线上+线下”的文化旅游景点运营模式。
结语
人居环境科学是人文科学与工程技术学科的结合，定性与定量并重。未来，信息技术的应用将成为人居环境可持续发展的全新出发点，人居环境科学也将在信息技术应用中得到扩展和深化。
当前城市建设的短板主要体现在健康、安全和基本民生保障方面，这也是左右城市可持续发展的主要因素。突如其来的新冠疫情更是对城市治理体系和治理能力有效性的一次全方位的挑战和检验，折射出当前城市治理能力的短板和漏洞。唯有不断精细化、优化城市规划，才能在外部环境突然变化时，让城市仍具备强有力的抵御冲击、适应变化及自我修复能力，这是一个不断试错、不断迭代、寻找最优解决方案的过程，所耗费的人力、物力和时间成本是巨大的，而科技赋能城市复兴为此提供了一种“低成本、高效能”的新途径。以数字孪生城市底座为基底，对城市数据进行完整、直观的呈现，进行持续地诊断、模拟、预测、决策，能够极大地降低城市规划建设管理的成本，减少不必要的资源浪费，提升城市韧性与可持续性，在重要工作中发挥积极作用，提供切实可靠的科技支撑平台。
城市复兴和智慧城市相结合是一个能力建设和效率建设并重的过程，不仅要建立服务平台，还要建立智慧化城市服务机制，利用“互联网+”思维，整合城市碎片化的服务资源，实现智慧城市和城市复兴融合，并推动其真正发挥作用。基于数字孪生的城市复兴，是科技对于建筑与城市的重塑，作为城市复兴的“五大系统”之一，将引领新一轮科技创新的群体突破，催生一系列技术创新、应用创新、模式创新。
（作者为北京市战略科学家、北京市建筑设计研究院有限公司总建筑师、首钢集团总建筑师）
参考文献
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