數(shù)字孿生人居環(huán)境

文︱楊滔

1. 數(shù)字化的大學(xué)科融合

“人 居 環(huán) 境 科 學(xué)(The Science of Human Settlements)是20世紀(jì)下半葉在國際上逐漸發(fā)展起來的一門綜合性學(xué)科群。它以包括鄉(xiāng)村、集鎮(zhèn)、城市等在內(nèi)的所有人類聚居環(huán)境為研究對象，著重研究人與環(huán)境之間相互關(guān)系；并強(qiáng)調(diào)把人類聚居作為一個整體，從政治、社會、文化、技術(shù)等各個方面，全面地、系統(tǒng)地、綜合地加以研究?！盵1]這折射出20世紀(jì)以來大學(xué)科融合發(fā)展的總趨勢，也反映城市作為跨專業(yè)、跨行業(yè)、跨部門的復(fù)雜巨系統(tǒng)的客觀實(shí)體。特別是當(dāng)前我國人居環(huán)境的發(fā)展速度極快，城鄉(xiāng)建設(shè)進(jìn)入轉(zhuǎn)型時期，涉及的利益相關(guān)主體更為多元，對社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等方面影響更深遠(yuǎn)，這門綜合性學(xué)科群的發(fā)展是21世紀(jì)中國的時代呼喚。

與此同時，席卷全球的信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)熱潮對于當(dāng)今社會的影響，無論在廣度、深度和規(guī)模上，都是空前的，它將把人類社會完全帶入到信息化社會，使人類進(jìn)入到一個新的時代——數(shù)字時代。這場變革正在改變?nèi)藗兊乃季S方式、生活方式、工作方式等，并對科學(xué)的各方面產(chǎn)生劃時代的影響?！叭司迎h(huán)境科學(xué)”和“人居環(huán)境”也會在這一大背景下受到相應(yīng)的影響，并結(jié)合數(shù)字理念與技術(shù)更好地發(fā)展。

20世紀(jì)末，比爾·蓋茨在《未來時速》中提出了“數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)”的新概念。即“數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)是一個整體上相當(dāng)于人的神經(jīng)系統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)。它提供了完美集成的信息流，在正確的時間到達(dá)系統(tǒng)的正確地方。數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)由數(shù)字過程組成，這些過程使得一家企業(yè)能迅速感知其環(huán)境并做出反應(yīng)、察覺競爭者的挑戰(zhàn)和客戶的需求，然后組織及時的反映。數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)……與由計算機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)不同之處是在于它提供給信息處理員精確、及時和豐富的信息，以及這些信息帶來的可能的洞察力和協(xié)作能力?！盵2]雖然這僅僅是針對商務(wù)，但書中也用了一章的篇幅談到了保健系統(tǒng)、政府、學(xué)習(xí)社區(qū)等。很顯然，在當(dāng)今市場經(jīng)濟(jì)的社會中，這種概念必將影響到社會的各個層面?！皵?shù)字神經(jīng)系統(tǒng)”的概念會給 “人居環(huán)境研究”一些啟示，同時“數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)”本身的運(yùn)用也會影響發(fā)展中的“人居環(huán)境”。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，城市信息模型（CIM）[3]、數(shù)字孿生城市[4]、元宇宙[5]等概念進(jìn)入到城市規(guī)劃建設(shè)領(lǐng)域，且低軌衛(wèi)星網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、人工智能、5G等新型信息技術(shù)加速了虛擬人居環(huán)境的發(fā)展，為城鄉(xiāng)人居環(huán)境的跨學(xué)科融合提供了新的數(shù)字化路徑，甚至將重塑規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營、消費(fèi)的全周期模式，搭建天空地一體化的數(shù)字孿生人居環(huán)境（圖1），加速數(shù)字資源轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)資產(chǎn)與資本，為21世紀(jì)的城鎮(zhèn)化提供新動力。

圖1︱天空地一體化的數(shù)字孿生人居環(huán)境

2. 數(shù)字實(shí)時協(xié)同

“人居環(huán)境”的研究涉及領(lǐng)域很多，吳良鏞先生開創(chuàng)性的提出“人居環(huán)境”是復(fù)雜的巨系統(tǒng)，并將“人居環(huán)境”科學(xué)劃分為居住系統(tǒng)、支持系統(tǒng)、人類系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、自然系統(tǒng)等五大系統(tǒng)，以建筑、園林、城市規(guī)劃的融合為核心，組織帶動多科學(xué)（土木、水利、能源、生態(tài)、環(huán)境、地理、經(jīng)濟(jì)、社區(qū)、文化、藝術(shù)等）共同工作，“融貫的綜合研究（Trandsdisciplinarity Research）”[6]。同時，吳良鏞先生還指出“人居環(huán)境”的研究應(yīng)是各級政府，全社會關(guān)心和參與的，因而“人居環(huán)境”研究的關(guān)鍵思想是融貫與綜合，組織管理是協(xié)調(diào)與協(xié)同。

“事實(shí)上，數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)的一個關(guān)鍵功能就是將不同的系統(tǒng)——信息管理、企業(yè)運(yùn)作和商務(wù)——連成一個整體?！盵2]它雖然指的是商務(wù)運(yùn)作，但它也可以在像“人居環(huán)境”這樣復(fù)雜的科研上借鑒。利用“數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)”可建立跨部門的虛擬研究團(tuán)隊(duì)，以便能實(shí)時地在世界范圍內(nèi)共享信息和相互借鑒思想，形成新層次上的數(shù)字智能。當(dāng)今的城市信息模型（CIM）的建設(shè)目標(biāo)就是整合地上地下、室內(nèi)室外、歷史現(xiàn)狀未來的多源時空數(shù)據(jù)，打通規(guī)建管的全生命周期流程，最終服務(wù)于數(shù)字孿生城市的建設(shè)[7]。城市信息模型基于全感知、全要素、全周期與全開放的原則，建立時空大數(shù)據(jù)庫，提供24小時虛擬服務(wù)，探索時間規(guī)劃，優(yōu)化時空資源配置，從而構(gòu)建了虛擬時空與實(shí)體時空的融合互動，最終形成了服務(wù)于人的社會時空（圖2）。

2.1 人—機(jī)結(jié)合的智能系統(tǒng)

對于歷史上不少智能系統(tǒng)或智慧城市平臺，由于過分強(qiáng)調(diào)“自主系統(tǒng)”，即自動化程度越高越好，人最好不介入，實(shí)際上這方面幾乎沒有進(jìn)展。錢學(xué)森先生也多次談到這一點(diǎn)。而“數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)”中最重要的論點(diǎn)之一是人與計算機(jī)（網(wǎng)絡(luò)）的結(jié)合。比爾·蓋茨多次強(qiáng)調(diào)“使用PC機(jī)做業(yè)務(wù)分析，將知識性工人轉(zhuǎn)移到更高層次的關(guān)于產(chǎn)品、服務(wù)和贏利的思考性工作上去”[2]。實(shí)質(zhì)上是人的“性智”和“量智”與計算機(jī)的“高性能”信息處理結(jié)合，達(dá)到定性和定量的互補(bǔ)。目前計算機(jī)定量處理的速度非常快、非常精確，而定性的處理信息能力很差；人處理精確信息的能力很慢又差，但人定性的處理信息能力很高明，是一種創(chuàng)造性的思維。而將離散的PC、軟件、人通過網(wǎng)絡(luò)連成整體，就能很好地將“定性”和“定量”結(jié)合起來?！叭司迎h(huán)境”研究是科學(xué)與藝術(shù)的結(jié)合，是人文科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)科的結(jié)合，定性和定量的并重。因而“數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)”又可能將“人居環(huán)境”的研究人員的創(chuàng)造性思維最大限度地發(fā)揮出來。

圖2︱全感知、全要素、全周期與全開放的數(shù)字孿生城市

基于物聯(lián)感知設(shè)施、5G、區(qū)塊鏈等，“數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)”將萬物互聯(lián)起來，人與物之間的界面由此而變得尤為重要。物的世界轉(zhuǎn)化為數(shù)字的世界的同時，互動界面強(qiáng)化人與物之間的交流，即以人的體驗(yàn)為驅(qū)動的人機(jī)對話，以此智慧由此而涌現(xiàn)，稱之為無所不在的智慧界面（圖3）。城市、組團(tuán)、街道、社區(qū)、建筑、室內(nèi)、個人穿戴設(shè)備等由此而互聯(lián)互通，跨越多個尺度的時空交流由此而加速，從而推動了人居智慧的迭代升級。

2.2 交互性、開放性、實(shí)時性

“數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)”的交互性使每個研究成員或?qū)W科部門很容易、很及時地跟蹤所有主要指標(biāo)、信息，經(jīng)常性地與其他系統(tǒng)和其他人保持接觸，吸收每個人的靈感，并打破學(xué)科的界限，消除管理過程的瓶頸，把各個分目標(biāo)引向“人居環(huán)境”的總目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)“再設(shè)計”[2]和“融貫思考”[6]，隨時對最重要的問題保持警覺，把握整體。

它的開放性能使每個部門或成員都能隨時把自己的成果、想法、發(fā)現(xiàn)放到“系統(tǒng)”上，供部門間、部門內(nèi)的成員及時了解，傳播權(quán)威信息和發(fā)現(xiàn)“小人物”的獨(dú)特想法；也能使政府部門和民眾從各種角度、各種出發(fā)點(diǎn)來整體地了解“人居環(huán)境”，即能有教育作用，更能幫助他們參與、建議并決策。正如蓋茨談到“許多公司經(jīng)理并不是缺少能力和頭腦。他們需要的各種數(shù)據(jù)，事實(shí)上就在公司的某個角落以某種形式存在著。他們只是不能很容易地得到數(shù)據(jù)，數(shù)字工具會使他們能從很多來源及時地得到數(shù)據(jù)，并能從不同的觀點(diǎn)來分析數(shù)據(jù)?！盵2]這很能說明它的開放性對“人居環(huán)境”研究的借鑒作用。

它的實(shí)時性即能快速地傳遞“好消息”——成功的想法、成果、有利的政策等，也能及時傳遞“壞消息”——可能出現(xiàn)的問題、疏忽、惡化的情況，甚至是災(zāi)害。服務(wù)器能把所有的變化信息及時處理，對新情況做出反應(yīng)，比如經(jīng)濟(jì)危機(jī)的出現(xiàn)。這樣研究人員和決策者就能及時地把握“人居環(huán)境”的整體變化，調(diào)整方法、決策等，避免不必要的損失，實(shí)現(xiàn)動態(tài)地處理復(fù)雜巨系統(tǒng)。這對于研究和決策中國目前變化較快的“人居環(huán)境”有一定幫助。

3. 人居環(huán)境的數(shù)字延伸

“數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)”雖然只是對商務(wù)領(lǐng)域內(nèi)有較大的影響，比如正在改變微軟等公司的工作方式、SOHO 工作生活等，但它最終會根本性地改變我們的生活方式和整個世界的運(yùn)行方式，對“人居環(huán)境”本身的影響可能是很大的。隨著物聯(lián)感知系統(tǒng)與人工智能技術(shù)的完善，“數(shù)字孿生人居環(huán)境”將會在不久的將來涌現(xiàn)出來。

圖3︱以人的體驗(yàn)為驅(qū)動的智慧界面

3.1 “人居環(huán)境”的擴(kuò)展

麻省理工學(xué)院（MIT）的米切爾教授曾提出軟城市“SOFT CITY”，這就是建立在放大的全球“數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)”上的，“新的軟城市與現(xiàn)存的由磚頭、混凝土和鋼鐵堆積起來的城市并存、互補(bǔ)、有時相互競爭?！盵8]因而可推論“人居環(huán)境”將會在“數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)”中得到擴(kuò)展，軟城市或“數(shù)字人居環(huán)境”將會成為“人居環(huán)境”中的各重要組成部分?！皵?shù)字人居環(huán)境”正在也將會提供給居民虛擬的聚會、交流、娛樂、生產(chǎn)等的場所，書店、圖書館、學(xué)校、商店、銀行、劇場、醫(yī)院、監(jiān)獄、交易所、名勝古跡、山川河流等以虛擬的形式出現(xiàn)，居民將會在“數(shù)字人居環(huán)境”中享受更多的經(jīng)濟(jì)機(jī)會、公共服務(wù)、日常生活體驗(yàn)等，但也會受到更多的無法想象的傷害，如網(wǎng)絡(luò)犯罪、網(wǎng)絡(luò)心理病等?？傊叭司迎h(huán)境”將會在“數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)”或“數(shù)字孿生”中得到擴(kuò)展，使得居民生存的方式更加多樣化、更完善（圖4）?！皵?shù)字人居環(huán)境”與“實(shí)體人居環(huán)境”的關(guān)系、“數(shù)字孿生人居環(huán)境”的建設(shè)等問題也會得到更多的關(guān)注。

3.2 實(shí)體“人居環(huán)境”的重構(gòu)

“人居環(huán)境”在“數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)”和“數(shù)字孿生”上的擴(kuò)展將會劃時代地改變?nèi)祟惖纳睢⒐ぷ?、娛樂等方式，人們將會在全球范圍?nèi)更密集更廣泛地聯(lián)系起來，這種“數(shù)字人居環(huán)境”將超級延伸，超越國界、洲界。因而目前“實(shí)體人居環(huán)境”中的某些物質(zhì)存在和物質(zhì)交換將會消失或減弱，比如某些實(shí)體的商場、學(xué)校、交易所、銀行等會消失，進(jìn)而帶來社會關(guān)系、生產(chǎn)方式、生活方式發(fā)生革命性變化。因此，“實(shí)體人居環(huán)境”可能將發(fā)現(xiàn)需要重新構(gòu)成，生活社區(qū)、工作場所、娛樂服務(wù)設(shè)施等解構(gòu)與重組。這體現(xiàn)在如下三個方面。

一是城市化的重新定義。這種數(shù)字變化的重要影響之一很可能就是對城市化的影響，小城市、農(nóng)村可能會被注入新的活力，不同的社區(qū)既要在廣泛的“數(shù)字人居環(huán)境”中得到充分發(fā)展，又要注重自己實(shí)體世界中的獨(dú)特風(fēng)格、環(huán)境、民俗等。特別是中國的城市化和城鄉(xiāng)二元體制會在其中找到自己獨(dú)特的解答，也許鄉(xiāng)村會在“數(shù)字化人居環(huán)境”中獲得聚集的紅利，從而得到更強(qiáng)的競爭力，城市化的進(jìn)程將發(fā)生改變。因而“城市化”將重新定義，可能是“實(shí)體”和“數(shù)字”的混合城市化，這可能是今后真正意義上的城市化。

二是綠色發(fā)展的新出發(fā)點(diǎn)。節(jié)能、節(jié)地、保護(hù)生態(tài)等是綠色發(fā)展的重要方面。而“數(shù)字人居環(huán)境”的出現(xiàn)將極大程度上改變物質(zhì)形態(tài)，某些耗能實(shí)體建筑的消失，比如大型商場、銀行、超高層的辦公樓、交易所等的消失，它們將變成“電子”存在，也許綠地生態(tài)系統(tǒng)會出現(xiàn)在它們當(dāng)年的地方。與之同時，“實(shí)體”與“數(shù)字”人居環(huán)境的彼此實(shí)時互動，也實(shí)時告知并模擬人們在生產(chǎn)、生活、生態(tài)過程之中的碳排放，基于區(qū)塊鏈等技術(shù)推動了碳交易，這正在成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，塑造綠色生活方式的文化氛圍。于是，“人居環(huán)境”的綠色發(fā)展將會找到新的出發(fā)點(diǎn)——“數(shù)字孿生”。

三是社會智慧的新創(chuàng)新。社會智慧的產(chǎn)業(yè)源于以人為本的交流，即人與自然、人與人、人與組織等之間的交流。“數(shù)字孿生人居環(huán)境”的建設(shè)就是推動了人與實(shí)體城市或數(shù)字城市之間存在有效交流，并加速實(shí)現(xiàn)其社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等目標(biāo)。城市之所以存在各種不確定的復(fù)雜，在于城市是多元主體構(gòu)成的動態(tài)系統(tǒng)，是不同尺度交織的混雜系統(tǒng)，是物質(zhì)與虛擬關(guān)聯(lián)的并置系統(tǒng)。在很大程度上，“數(shù)字孿生人居環(huán)境”建立起新型的感知、認(rèn)知、行為體系，將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)與信息關(guān)聯(lián)起來，構(gòu)成涌現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)圖譜。這種連接的動作就是人與機(jī)器共同建模（modeling），其中包括對于匯聚的數(shù)據(jù)再次感知、對于重構(gòu)的連接再次認(rèn)知、對于涌現(xiàn)的模式再次推理、對于實(shí)施的動作再次執(zhí)行。在這種意義上，建模就是一種強(qiáng)化學(xué)習(xí)，于是“數(shù)字孿生人居環(huán)境”就是在建模之中不斷地得以迭代與重塑，從而拉近了實(shí)體世界與數(shù)字世界之間的距離，或使得這兩者之間的映射關(guān)系更為精準(zhǔn)，構(gòu)成了自組織的復(fù)雜人居環(huán)境巨系統(tǒng)，最終演化出建設(shè)與運(yùn)營“數(shù)字孿生人居環(huán)境”的新型社會智慧。