元宇宙：數(shù)字孿生城市設(shè)計

李浩浩 徐大鵬 杜磊 王輝 郭寶松 程芳 邵洪波 李建華 梅一多,3

（1中關(guān)村科學(xué)城城市大腦股份有限公司，北京，100081；2山東工藝美術(shù)學(xué)院設(shè)計策略研究中心，濟南，250399；3北京交通大學(xué)絲綢之路研究中心，北京，100091）

0 引言

技術(shù)的累積量變終究會在某一時刻引起相應(yīng)的質(zhì)變爆發(fā)。自2021年以來，元宇宙（Metaverse）迅速成為科技圈、資本圈追捧的新事物、新概念，引起了社會各界的廣泛關(guān)注及大討論?；诨ヂ?lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)平臺，元宇宙融合了數(shù)字孿生、虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實/混合現(xiàn)實（VR/AR/MR）、5G/6G、云計算/邊緣計算/泛在計算、人工智能、區(qū)塊鏈等前沿技術(shù)及其交叉技術(shù)，構(gòu)建了一種全新的沉浸式數(shù)字生活場景。

事實上，元宇宙并非新創(chuàng)概念，在某種程度上屬于舊概念賦予新內(nèi)涵。早在1992年，美國科幻小說家Neal Stephenson就在其小說《Snow Crash》（《雪崩》）中對元宇宙進行了描述，即“戴上耳機、目鏡，找到連接終端，以虛擬分身的形式進入由計算機模擬的、與現(xiàn)實世界平行的虛擬世界”。此外，與元宇宙相關(guān)的早期代表作還包括：游戲產(chǎn)品Web World（1994年）、Active Worlds（1995年）、Cybertown（1996年）；電影作品《The Matrix》（1999年）；游戲產(chǎn)品Second Life（2003年）、Roblox（2006年）、Minecraft（2009年）、Ready Player One（2011年）；電影作品《Ready Player One》（2018年）等。

作為元宇宙的核心技術(shù)，視覺沉浸技術(shù)的演化先后經(jīng)歷了“桌面式虛擬現(xiàn)實”、“沉浸式虛擬現(xiàn)實”和“拓展現(xiàn)實和數(shù)字孿生”3個時間階段，并從具身認知、分布式認知、心流等理論得到支撐[1]。元宇宙是視覺沉浸技術(shù)的最新階段。在人類進化的方向上，心世界充當(dāng)了“人體延伸”自由度“向內(nèi)”深層次重組的媒介，而元宇宙則充當(dāng)了“人體延伸”自由度“向外”開疆拓土的媒介[2]。顛覆式的媒介技術(shù)推動了信息領(lǐng)域的不斷變革及發(fā)展[3]，而數(shù)字信息技術(shù)構(gòu)造的虛擬空間既可以同現(xiàn)實空間一一映射，也可以完全超脫、架空現(xiàn)實空間。

從應(yīng)用場景角度看，元宇宙最重要的應(yīng)用場景領(lǐng)域之一是數(shù)字孿生城市。在精準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)化、輕量化、可視化、可交互、可融合、可重構(gòu)、可進化的構(gòu)建準(zhǔn)則下[5]，數(shù)字孿生涵蓋物理、邏輯、行為、流程等多個領(lǐng)域，可以實現(xiàn)物理世界與數(shù)字世界之間的動態(tài)映射。數(shù)字孿生城市依托新一代信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、高效能運算中心、時空關(guān)聯(lián)大數(shù)據(jù)底盤[6]，數(shù)字孿生體與實物孿生體之間相互作用、相互趨同，將城市治理、城市運營的各個領(lǐng)域及環(huán)節(jié)智能化、智慧化，從而實現(xiàn)信息化與城鎮(zhèn)化的深度融合。

1 數(shù)字孿生城市的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生城市設(shè)計離不開一些關(guān)鍵技術(shù)的支持，具體包括新型測繪、多源數(shù)據(jù)融合、高維實景建模、模擬仿真及虛實交互等四大技術(shù)及其交叉技術(shù)。

1.1 新型測繪技術(shù)

測繪是構(gòu)建數(shù)字孿生城市的基石，需要反映城市中客觀實物的基本特征，側(cè)重于對現(xiàn)實世界進行“1:1比例”的“復(fù)制式客觀描述”，而不是脫離現(xiàn)實世界的“發(fā)散性主觀創(chuàng)作”。與傳統(tǒng)測繪相比，依托全球定位系統(tǒng)（GPS）/北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）、地面/航空/航天遙感、多功能傳感器、云計算/邊緣計算/泛在計算等進行精準(zhǔn)測繪，新型測繪在空間上突破了天、空、地全域數(shù)據(jù)的即時獲取和及時加工難題。面對日益變化的實體城市，新型測繪主要采用建筑信息模型/地理信息系統(tǒng)(BIM/GIS)等數(shù)字化方式，對城市建筑物/構(gòu)筑物的外觀及內(nèi)部數(shù)據(jù)、成像、模型實時更新及動態(tài)補充。

1.2 多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)

數(shù)字孿生城市涵蓋全場景衍生數(shù)據(jù)，主要包括數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字柵格圖（DRG）、數(shù)字畫線圖（DLG）、建筑信息模型（BIM）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、激光點云等；行業(yè)門類數(shù)據(jù)，如交通、醫(yī)療、教育、水務(wù)、能源、環(huán)保等；物聯(lián)傳感數(shù)據(jù)，如機器設(shè)備、穿戴設(shè)備等。以上多種類型數(shù)據(jù)需要進行融合?；谠朴嬎?邊緣計算/泛在計算的巨大算力，通過人工智能/機器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)等先進算法，可以實現(xiàn)對城市時空大數(shù)據(jù)的智能識別和深度整合。比如，構(gòu)建“時空數(shù)據(jù)池”并對其運行、維護，它可以為數(shù)據(jù)、信息、知識的統(tǒng)一存儲、索引以及規(guī)范化清理、整合進行服務(wù)，形成太字節(jié)（TB）甚至拍字節(jié)（PB）級及上述海量數(shù)據(jù)的分布式治理，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入、安全交換及高效共享。

1.3 高維實景建模技術(shù)

在數(shù)字孿生城市中，二維實景建模是發(fā)展基礎(chǔ)，三維實景建模是運營常態(tài)，高維實景動態(tài)建模是終極目標(biāo)。目前，主流的數(shù)字孿生城市是以三維GIS為基礎(chǔ)平臺，交叉融合了傾斜攝影、激光點云、物聯(lián)定位等前沿技術(shù)，在不同應(yīng)用場景中“裝配”一定的可視化實景。設(shè)計者可自定義不同圖層所映射的主體內(nèi)容，實現(xiàn)人、物、地、時的多尺度、多維度建模，從而實現(xiàn)不同尺度、不同顆粒度數(shù)據(jù)集群接入融合。同時，設(shè)計者通過人工智能/機器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)技術(shù)、分割點云語義、處理自然語言，可以實現(xiàn)城市不同場景下的事件關(guān)系識別抽取、事件知識圖譜構(gòu)建。設(shè)計者沿著“多視角圖像—稀疏點云—稠密點云—點云分割—單體建?！Z義模型”這種先分解再整合的模式，構(gòu)建形成高維實景建模。

1.4 模擬仿真及虛實交互技術(shù)

模擬仿真是指應(yīng)用仿真硬件和仿真軟件，通過仿真實驗，進行數(shù)值計算及問題求解以實現(xiàn)對系統(tǒng)行為及過程的真實反映。隨著VR/AR/MR技術(shù)的廣泛應(yīng)用及發(fā)展，數(shù)字孿生城市中將會有大量虛實交互應(yīng)用場景?；诳捎嬎阈畔⒌某两浇换キh(huán)境，模擬仿真及虛實交互技術(shù)可以應(yīng)用于城市治理、城市規(guī)劃、城市設(shè)計等諸多領(lǐng)域，也可以回溯城市歷史脈絡(luò)、解決城市當(dāng)前問題、預(yù)測城市未來發(fā)展，成為保障城市正常運轉(zhuǎn)以及應(yīng)對城市突發(fā)事件的科學(xué)工具。

2 數(shù)字孿生城市的實踐應(yīng)用

在一系列前沿技術(shù)的支撐下，數(shù)字孿生城市的建設(shè)應(yīng)用不再停留在臆想層面，而是被應(yīng)用到智慧城市的實際綜合治理以及日常運轉(zhuǎn)中。目前，完全形態(tài)的數(shù)字孿生城市在現(xiàn)實中尚不存在，不過有些城市作為“先行者”已經(jīng)開始初步嘗試。

2.1 城市規(guī)劃領(lǐng)域

任由城市自然發(fā)展所形成的城市布局已經(jīng)不能發(fā)揮城市能效的最大釋放，尤其是城市發(fā)展到一定階段所出現(xiàn)的諸如交通擁堵、尾氣污染、噪聲污染、城市內(nèi)澇、違規(guī)搭建、管道雜亂、重復(fù)基建、無序競爭等問題，已經(jīng)嚴(yán)重地、長久地困擾著城市居民的日常生產(chǎn)生活，因而合理有效的城市規(guī)劃設(shè)計成為城市治理的迫切訴求。過去，專家建議和精英決策是解決城市問題的首選。然而，隨著城市發(fā)展的深化推進以及內(nèi)外部關(guān)系的逐漸復(fù)雜化，人腦已不能充分處理這些日漸復(fù)雜的棘手問題。因此，數(shù)字孿生城市成為城市規(guī)劃的一種策略性選擇。設(shè)計師通過對現(xiàn)有城市的“數(shù)字復(fù)刻”，調(diào)整城市信息中的重點參數(shù)，觀察不同參數(shù)下的城市演化路徑，實現(xiàn)對城市規(guī)劃的預(yù)判性知識積累，更好地為城市制定合理的規(guī)劃方案。

2.2 城市治理領(lǐng)域

數(shù)字孿生城市是對現(xiàn)實城市的直接鏡像，其匯集了城市運營中的各類實物傳感數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)建設(shè)數(shù)據(jù)、人流物流數(shù)據(jù)、經(jīng)濟運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、消費數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)等，以關(guān)鍵人物、重要事件、重點區(qū)域為對象，從而構(gòu)建了城市社會治理、安全治理、經(jīng)濟治理、建設(shè)治理等場景以及其交叉融合場景的城市治理體系。通過對城市的“呼吸”（生態(tài)環(huán)境）、“脈搏”（人流、物流、資金流、供應(yīng)鏈、能源網(wǎng)、電網(wǎng)、水網(wǎng)、管道系統(tǒng)等）、“體溫”（社會生活及政務(wù)服務(wù)、民生服務(wù)等）等“生命體征”進行全面、及時、客觀的態(tài)勢感知，城市治理體系可以及時發(fā)現(xiàn)城市運營過程中的潛在風(fēng)險及突發(fā)事件，賦能城市精細化治理。

2.3 城市能效領(lǐng)域

歷史不能倒退，在現(xiàn)實中，實體城市只能選擇一種路徑進行演化并發(fā)展。單個城市也并非孤島，小而言之，它存在于周邊的城鄉(xiāng)一體化系統(tǒng)或更大的城市群體系統(tǒng)中；大而言之，它則存在于整個地球村系統(tǒng)中。因此，在更大范圍內(nèi)，對不同城市進行抽象化的數(shù)字孿生，有助于評估不同形態(tài)下的城市投入產(chǎn)出能效。通過數(shù)字孿生技術(shù)，設(shè)計者可以尋找與當(dāng)前城市最相近的對照城市或?qū)φ粘鞘薪M，然后用這些城市構(gòu)造出準(zhǔn)自然實驗環(huán)境，評估當(dāng)前城市的相對投入產(chǎn)出能效，進而指導(dǎo)當(dāng)前城市的資源集約化發(fā)展。

2.4 城市居民日常生活領(lǐng)域

正確運用數(shù)字孿生技術(shù)，可以改善城市居民的衣食住行用的方方面面，更多體現(xiàn)設(shè)計者和使用者對“美”的追求。比如選購衣服時，城市居民可以將個人的形體隱私參數(shù)通過“3D掃描”后以加密形式錄入到“數(shù)字衣帽間”，然后對商店傳過來的數(shù)字孿生服裝進行虛擬試穿，實現(xiàn)尺碼合身匹配、穿衣效果展示等實用功能。再如出行規(guī)劃方面，居民出行前，可以將個人專屬信息錄入數(shù)字孿生城市系統(tǒng)，以虛擬分身形式在數(shù)字道路、數(shù)字建筑物、數(shù)字構(gòu)筑物中快速預(yù)演實景行程，實現(xiàn)個人出行有備化與城市交通統(tǒng)籌化的雙贏結(jié)果。再比如租買住房時，居民可以通過VR方式實現(xiàn)遠程看房；在配置家具時，居民可以將設(shè)備上顯示的數(shù)字家具以“拖拽方式”放置于數(shù)字住房中，實現(xiàn)家具的可視化預(yù)布置等功能。

3 數(shù)字孿生城市案例——海淀城市大腦

依托中國創(chuàng)新高地——中關(guān)村國家自主創(chuàng)新示范區(qū)的優(yōu)勢條件，北京市海淀區(qū)抓住元宇宙、智慧城市、數(shù)字孿生等發(fā)展機遇，率先搭建了相對完備的城市大腦“1+1+2+N”的基礎(chǔ)架構(gòu)，即1張感知網(wǎng)絡(luò)、1個智能云平臺、2個中心（大數(shù)據(jù)中心和AI計算中心）、N個創(chuàng)新應(yīng)用場景。海淀區(qū)通過打造“時空一張圖建設(shè)”平臺，成為數(shù)字孿生引擎實際應(yīng)用于城市治理的首例。該平臺基于中國自主研發(fā)的數(shù)字孿生平臺，對整個海淀行政區(qū)劃的內(nèi)部場景進行較高精度的復(fù)刻，尤其針對中關(guān)村西區(qū)至少3萬km2的重點區(qū)域進行高精度還原。目前，平臺已涵蓋海淀全域的基礎(chǔ)地理信息、行政區(qū)劃信息、二/三維地圖，至少17萬個建筑、城市部件等，基本實現(xiàn)海淀實體城市的地形、道路、建筑、植被、車輛、人流、環(huán)境等場景重現(xiàn)，確保實時感知城市運行的基本情況，解決傳統(tǒng)城市底圖重復(fù)建設(shè)、可視化效果欠佳、響應(yīng)速度較慢等問題，提升海淀城市綜合治理水平。

筆者以城市疫情防控場景為例，對海淀數(shù)字孿生平臺的應(yīng)用進行說明。在疫情期間，海淀區(qū)基于數(shù)字孿生平臺，在腦庫算力、算法的支撐下，構(gòu)筑了疫情防控人員信息管理系統(tǒng)、疫情大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、疫情預(yù)警系統(tǒng)、社區(qū)防控預(yù)警系統(tǒng)等線上平臺，集成個性化數(shù)據(jù)分析、返京人群分析、人口排查分析、重點人群動態(tài)監(jiān)測、跟蹤、預(yù)警服務(wù)等重要功能，賦能域內(nèi)單位及其關(guān)聯(lián)單位積極主動防控疫情。

4 結(jié)語

數(shù)字孿生城市既是元宇宙應(yīng)用的練兵場、試驗地，也是智慧城市發(fā)展中的重要工具。數(shù)字孿生城市是數(shù)字經(jīng)濟廣覆蓋、深滲透、高創(chuàng)新的重要領(lǐng)域，中國與美國等主流發(fā)達國家處在同一起跑線。在中國改革不斷深化推進的過程中，城市設(shè)計者和治理者合作，抓住工業(yè)經(jīng)濟向數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的歷史交匯機遇，提前布局元宇宙城市應(yīng)用場景并主導(dǎo)智慧城市規(guī)則建立，將有助于促使中國從數(shù)字經(jīng)濟的跟跑者、并行者躍升為數(shù)字經(jīng)濟的領(lǐng)跑者和裁判員。

目前，中國已有一些城市和區(qū)域（比如北京海淀區(qū)、杭州市、河北雄安區(qū)等）治理者先試先行，成為數(shù)字孿生城市的首批“吃螃蟹者”，在積累寶貴經(jīng)驗的同時，也為“對照城市”起到了良好的示范作用，對中國城市的高質(zhì)量建設(shè)起到引領(lǐng)作用。