數(shù)字孿生在城市規(guī)劃實(shí)踐應(yīng)用中的批判性思考

萬(wàn)勵(lì) 尹犖懿 湯俊卿 張龍飛

摘要：起源于航空制造業(yè)的數(shù)字孿生概念在2010年代后期引入城市領(lǐng)域，方興未艾。城市數(shù)字孿生的快速發(fā)展，一方面得益于城市中大量新興數(shù)據(jù)源的興起和計(jì)算機(jī)算力的飛躍提升（供給端），另一方面反映了人民對(duì)高品質(zhì)、可持續(xù)城市生活的向往，以及城市管理者對(duì)提升城市管理能力和城市競(jìng)爭(zhēng)力的訴求（需求端）。供給端與需求端在表象上的匹配解釋了城市數(shù)字孿生市場(chǎng)當(dāng)下的繁榮。通過(guò)對(duì)早期“智慧城市”運(yùn)動(dòng)的批判性剖析和對(duì)國(guó)外數(shù)字孿生發(fā)展近況的簡(jiǎn)要綜述，指出期待僅憑數(shù)字技術(shù)即可解決城市固疾是對(duì)城市數(shù)字孿生過(guò)于簡(jiǎn)單化的理解和不切實(shí)際的期望。從非技術(shù)視角對(duì)城市數(shù)字孿生的必要性和革新性進(jìn)行探討，淺析當(dāng)前城市數(shù)字孿生在城市規(guī)劃領(lǐng)域應(yīng)用中面臨的重大挑戰(zhàn)，并對(duì)城市數(shù)字孿生的未來(lái)發(fā)展提出若干思考。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；規(guī)劃支持系統(tǒng)；城市模型；城市規(guī)劃

文章編號(hào) 1673-8985（2023）05-0018-06 中圖分類(lèi)號(hào) TU981 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

基于實(shí)時(shí)傳感器和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的“數(shù)字孿生”起源于航空、航天制造業(yè)，對(duì)宇宙飛船和飛機(jī)引擎運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控是其早期的知名應(yīng)用案例[1]。數(shù)字孿生概念在2010年代后期引入城市領(lǐng)域，方興未艾。城市數(shù)字孿生在技術(shù)層面與早期制造業(yè)數(shù)字孿生應(yīng)用具有很多相似之處，例如基于傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集、處理和反饋機(jī)制。但是城市作為人類(lèi)目前已知的最復(fù)雜的巨系統(tǒng)之一[2]377，數(shù)字孿生在城市領(lǐng)域的應(yīng)用與其在工程制造領(lǐng)域的應(yīng)用具有本質(zhì)性、系統(tǒng)性的區(qū)別[3]3，[4]。工程領(lǐng)域的數(shù)字孿生對(duì)于設(shè)備“使用者”“擁有者”和“管理者”的定義通常相對(duì)簡(jiǎn)單，各個(gè)相關(guān)方有著較為清晰的角色劃分，因此各自的行為類(lèi)型也較容易確定。但是城市的“使用者”“擁有者”和“管理者”的身份劃分則相對(duì)動(dòng)態(tài)、缺乏明確的角色和責(zé)任邊界。在各個(gè)身份大類(lèi)中，通常也包含顯著的差異性，例如一個(gè)社區(qū)內(nèi)的所有居民，雖然共享“居民”身份，但是其對(duì)待城市數(shù)字技術(shù)的理解能力、態(tài)度、參與以及受影響的程度往往相差極大。同時(shí)，工程領(lǐng)域的數(shù)字孿生通常不直接模擬制度性要素（institutions），但城市數(shù)字孿生作為新興的城市規(guī)劃和管理工具，如果缺乏對(duì)制度性要素（例如城市規(guī)劃的決策和審批流程）的關(guān)注和批判性響應(yīng)，則從本質(zhì)上失去了對(duì)城市施加影響甚至直接控制的合理性和必要性。城市的復(fù)雜性給數(shù)字孿生帶來(lái)的挑戰(zhàn)在文獻(xiàn)中有詳細(xì)論述[2]377。

因此，不能把城市數(shù)字孿生簡(jiǎn)單地理解為工程領(lǐng)域數(shù)字孿生的應(yīng)用場(chǎng)景延伸，它更不是簡(jiǎn)單地在城市或基礎(chǔ)設(shè)施的物理仿真模型里加入居民或者政府作為參與者。各種行為個(gè)體、組織和其他制度性要素是城市復(fù)雜系統(tǒng)的重要構(gòu)成元素，是影響城市現(xiàn)有建成環(huán)境和未來(lái)發(fā)展的決策主體。對(duì)決策參與者和受影響者的全面關(guān)注，以及對(duì)制度性要素的批判性響應(yīng)是城市數(shù)字孿生迥異于工程領(lǐng)域數(shù)字孿生的基礎(chǔ)性特征。忽視這些本質(zhì)區(qū)別，將工程領(lǐng)域的數(shù)字孿生技術(shù)生搬硬套到城市，期待僅憑數(shù)字技術(shù)（例如可視化、實(shí)時(shí)交互以及各種優(yōu)化算法）即可解決城市固疾，這是對(duì)城市數(shù)字孿生過(guò)于簡(jiǎn)單化的理解和不切實(shí)的期望。

本文通過(guò)對(duì)早期“智慧/數(shù)字城市”運(yùn)動(dòng)的批判性剖析和對(duì)國(guó)外數(shù)字城市發(fā)展近況的綜述，討論當(dāng)前城市數(shù)字孿生在城市規(guī)劃領(lǐng)域應(yīng)用中面臨的重大挑戰(zhàn)，并對(duì)城市數(shù)字孿生的未來(lái)發(fā)展提出若干思考。

1 從“智慧城市”到“城市數(shù)字孿生”——重演或進(jìn)化？

城市數(shù)字孿生的快速發(fā)展，一方面得益于城市中大量新興數(shù)據(jù)源的興起和計(jì)算機(jī)算力的飛躍提升（供給端），另一方面反映了人民對(duì)高品質(zhì)、可持續(xù)城市生活的向往，以及城市管理者對(duì)提升城市管理能力和城市競(jìng)爭(zhēng)力的訴求（需求端）。供給端與需求端在表象上的匹配，解釋了城市數(shù)字孿生市場(chǎng)當(dāng)下的繁榮。但這種表象上的匹配并非第一次顯現(xiàn)，其弊端在早期的“智慧城市”運(yùn)動(dòng)中已初見(jiàn)端倪。學(xué)界對(duì)早期“智慧城市”項(xiàng)目在解決具體城市問(wèn)題方面的局限性已有不少批判性剖析[5]66，[6-9]，簡(jiǎn)要總結(jié)如下。

第一，早期的“智慧城市”項(xiàng)目（例如智能公共垃圾桶、智能交通燈）往往是“供給端”驅(qū)動(dòng)，以展示技術(shù)的可行性為主要目標(biāo)。技術(shù)供應(yīng)商希望為自己的新產(chǎn)品或服務(wù)開(kāi)辟新的城市市場(chǎng)，因此宣稱(chēng)新產(chǎn)品或服務(wù)可以解決困擾城市管理者和市民的“城市病”。這類(lèi)項(xiàng)目通常以“試點(diǎn)”的方式，在政府的默許或協(xié)助下由技術(shù)供應(yīng)商在有限的時(shí)空范圍內(nèi)測(cè)試技術(shù)的可行性，并為后續(xù)技術(shù)優(yōu)化和創(chuàng)新收集新的數(shù)據(jù)和用戶反饋。這類(lèi)項(xiàng)目的常見(jiàn)弊端在于技術(shù)方案本身完全以技術(shù)為主導(dǎo)，缺乏對(duì)問(wèn)題本源和城市特有的社會(huì)、政治和經(jīng)濟(jì)環(huán)境（context）的考量[5]73，企圖通過(guò)通用的技術(shù)方法或工具解決社會(huì)問(wèn)題，忽略了“需求端”內(nèi)部的差異化訴求和各種隱性約束條件（例如對(duì)數(shù)字技術(shù)的不同熟悉/接納程度）。

第二，早期“智慧城市”項(xiàng)目往往局限在單一的政策領(lǐng)域，例如智慧交通、智慧市政和智慧政務(wù)，缺乏對(duì)多個(gè)城市系統(tǒng)、政策領(lǐng)域或相關(guān)方之間相互依存關(guān)系（interdependence）的考慮。對(duì)于重大的社會(huì)發(fā)展問(wèn)題（如新城規(guī)劃、低碳經(jīng)濟(jì)）和久治不愈的“城市病”（如交通擁堵、空氣污染），亟需基于多系統(tǒng)、多相關(guān)方協(xié)同的決策支持系統(tǒng)。受限于政府的部門(mén)職能劃分和傳統(tǒng)的學(xué)科邊界，跨越多系統(tǒng)、多相關(guān)方的城市建模仍有待深入探索。典型的模型案例包括城市土地和交通整合模型[10-13]和城市規(guī)劃多主體模型[14-15]。

第三，有些“智慧城市”項(xiàng)目不以解決具體城市問(wèn)題為導(dǎo)向，而是希望依托“數(shù)字化”和“智能化”實(shí)現(xiàn)優(yōu)化營(yíng)商環(huán)境、吸引外部投資、提升城市競(jìng)爭(zhēng)力等宏觀政策目標(biāo)[16]。全球化背景下城市間競(jìng)爭(zhēng)的加劇導(dǎo)致大量城市將“智慧城市”提升為城市發(fā)展戰(zhàn)略的一部分。在這類(lèi)項(xiàng)目中，“智慧城市”的“智能性”不再是單一政策領(lǐng)域或者試點(diǎn)區(qū)域的屬性，而轉(zhuǎn)變?yōu)檎麄€(gè)城市的標(biāo)簽；“智慧城市”成為激勵(lì)技術(shù)創(chuàng)新、吸引創(chuàng)業(yè)投資、重整經(jīng)濟(jì)發(fā)展的政策口號(hào)和代名詞[17]。不可否認(rèn)，“數(shù)字化”和“智能化”為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)提供了重要的技術(shù)支撐，但上述目標(biāo)實(shí)難通過(guò)簡(jiǎn)單的“技術(shù)解”得以實(shí)現(xiàn)。對(duì)數(shù)字技術(shù)和“智能化”的片面追求而忽視對(duì)制度性要素改革的關(guān)注，是“智慧城市”概念政治化的早期典型特征。

數(shù)字孿生在城市和重大基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的應(yīng)用在外文文獻(xiàn)中已有不少討論。WAN等[3]29對(duì)全球城市數(shù)字孿生的前沿案例進(jìn)行分類(lèi)、分析和對(duì)比研究，其中包含城市數(shù)字孿生、區(qū)域數(shù)字孿生和城市地下設(shè)施數(shù)字孿生3個(gè)案例分類(lèi)。2018年英國(guó)發(fā)布的“啟明星原則”（Gemini Principle）[18]為理解和推廣數(shù)字孿生提供了一個(gè)理論概念框架。該概念框架由業(yè)界和學(xué)界共同提出，強(qiáng)調(diào)數(shù)字孿生在城市建成環(huán)境中的應(yīng)用必須遵循3個(gè)原則：以具體目標(biāo)（purpose）為導(dǎo)向，以信任（trust）為基礎(chǔ)，以有效的功能設(shè)計(jì)（function）為前提。奧雅納[19]發(fā)布的城市數(shù)字孿生白皮書(shū)，通過(guò)對(duì)多位全球數(shù)字技術(shù)行業(yè)領(lǐng)袖的訪談，提出城市數(shù)字孿生應(yīng)該以新的城市愿景（vision）而非技術(shù)為引導(dǎo)，對(duì)城市數(shù)字孿生的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了批判性思考。WAN等[3]126在“啟明星原則”的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化了城市數(shù)字孿生的概念框架，探討了城市數(shù)字孿生的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和發(fā)展挑戰(zhàn)，對(duì)數(shù)字孿生在城市規(guī)劃和管理實(shí)踐中的應(yīng)用提出具體建議。NIEDERER等[20]探討了數(shù)字孿生在生物醫(yī)藥和工程制造領(lǐng)域從緩慢、昂貴的定制化系統(tǒng)向快速、低廉的工業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變的難點(diǎn)和潛在路徑，為數(shù)字孿生技術(shù)的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供了重要指導(dǎo)。

當(dāng)下的城市數(shù)字孿生熱潮是早期“智慧城市”運(yùn)動(dòng)的重演，還是進(jìn)化后的產(chǎn)物？回答這個(gè)問(wèn)題需要對(duì)城市數(shù)字孿生的發(fā)展有更加長(zhǎng)期、深度的觀察?？偨Y(jié)早期“智慧城市”運(yùn)動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，可以迫使我們跳出單純的技術(shù)視角去審視城市數(shù)字孿生的必要性和革新性。

2 從非技術(shù)視角定義“城市數(shù)字孿生”

基于對(duì)早期“智慧城市”運(yùn)動(dòng)的反思，本章節(jié)從“非技術(shù)視角”對(duì)城市數(shù)字孿生的必要性和革新性進(jìn)行簡(jiǎn)要討論。城市數(shù)字孿生并非一個(gè)全新的概念。一方面，“智慧城市”運(yùn)動(dòng)已經(jīng)為城市數(shù)字孿生譜寫(xiě)了序章；另一方面，運(yùn)用城市仿真模型進(jìn)行城市研究、指導(dǎo)城市規(guī)劃和管理實(shí)踐，自1960年代開(kāi)始已有數(shù)十年的歷史[21-24]。數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)疑為創(chuàng)造城市數(shù)字孿生提供了新的技術(shù)可能，但是從非技術(shù)視角，城市數(shù)字孿生的必要性和革新性集中反映在以下3方面。

第一，對(duì)城市發(fā)展可持續(xù)性、韌性的迫切需求促使城市管理者跳出傳統(tǒng)的行業(yè)或?qū)W科邊界和決策方式，希冀從復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)（complex adaptive systems）[25]的視角去理解城市運(yùn)行和發(fā)展的規(guī)律，強(qiáng)化基于實(shí)證的政策制定模式。城市數(shù)字孿生作為最新的城市尺度仿真建模概念，為城市管理者的政策需求提供了有力響應(yīng)。相較于傳統(tǒng)的、基于單一學(xué)科/政策部門(mén)的城市仿真模型（如交通模型、能源模型），跨學(xué)科、跨領(lǐng)域是城市數(shù)字孿生的一個(gè)特有優(yōu)勢(shì)。城市數(shù)字孿生可以對(duì)多源、異質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的相互匹配、驗(yàn)證和融合，從而為多系統(tǒng)、多尺度建模提供有力數(shù)據(jù)支撐。多系統(tǒng)、多尺度建模雖然增加了模型的數(shù)據(jù)要求和建模復(fù)雜性，但在應(yīng)對(duì)復(fù)雜的政策問(wèn)題時(shí)，例如城市危機(jī)應(yīng)急響應(yīng)（短期）和城市新區(qū)的選址和產(chǎn)業(yè)規(guī)劃（中長(zhǎng)期），能有效識(shí)別系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，提升多部門(mén)協(xié)同決策的能力（如自然災(zāi)害中的市政、交通、醫(yī)療和電力部門(mén)的協(xié)同，新城/新區(qū)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中產(chǎn)業(yè)發(fā)展與住房、公共服務(wù)配套供給之間的協(xié)同）。跨越多系統(tǒng)、多尺度的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和管控是城市數(shù)字孿生有別于傳統(tǒng)單一領(lǐng)域城市模型的革新性特征。

第二，城市數(shù)字孿生可加快政策效應(yīng)評(píng)估的頻次和質(zhì)量。在前一時(shí)期快速的城市化進(jìn)程中，城市規(guī)劃決策的滯后性（如住房增長(zhǎng)與人口增長(zhǎng)的脫節(jié)）和復(fù)雜的附帶效應(yīng)（如快速發(fā)展地區(qū)對(duì)周邊區(qū)域的虹吸效應(yīng)）日益顯現(xiàn)。為進(jìn)一步提升規(guī)劃政策的時(shí)效性、減少負(fù)面附帶效應(yīng)，對(duì)規(guī)劃政策的短期和中長(zhǎng)期效應(yīng)進(jìn)行及時(shí)、系統(tǒng)、持續(xù)的評(píng)估尤為重要。有效的政策效應(yīng)評(píng)估能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)政策設(shè)計(jì)中的不足、收集市場(chǎng)反應(yīng)彈性的實(shí)證數(shù)據(jù)（如房屋限價(jià)政策對(duì)住房供給和銷(xiāo)售量的影響彈性）并通過(guò)政策設(shè)計(jì)的迭代積累寶貴的政策經(jīng)驗(yàn)。城市數(shù)字孿生及其背后的數(shù)據(jù)收集基礎(chǔ)設(shè)施為加快政策效應(yīng)評(píng)估的頻次和質(zhì)量提供了新的實(shí)施平臺(tái)。例如，在工業(yè)園/科技園開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，實(shí)時(shí)收集企業(yè)入駐、投資強(qiáng)度、稅收繳納、研發(fā)投資和園區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)學(xué)建模識(shí)別影響園區(qū)土地需求和利用效率的關(guān)鍵因素，能夠幫助園區(qū)管委會(huì)針對(duì)企業(yè)的特定行業(yè)和特定的發(fā)展階段制定差異化的土地管理政策，在滿足企業(yè)發(fā)展需求的同時(shí)提升土地利用效率。

第三，城市數(shù)字孿生的可持續(xù)發(fā)展不僅僅是一個(gè)單純的技術(shù)成熟過(guò)程[26]，更依賴(lài)于城市數(shù)字孿生的技術(shù)創(chuàng)新與孿生系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者、使用者、管理者和受影響者共同進(jìn)化。社會(huì)技術(shù)（socio-technical）系統(tǒng)理論[27-28]為理解城市數(shù)字孿生的潛在發(fā)展路徑提供了一個(gè)合適的概念框架。該概念框架指出，大規(guī)模技術(shù)變革的出現(xiàn)和傳播并非單純由技術(shù)本身的功能特征所決定，而是技術(shù)與其所處的社會(huì)系統(tǒng)相互作用的結(jié)果。主動(dòng)或被動(dòng)造成的社會(huì)系統(tǒng)的變革為技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用創(chuàng)造了條件。從該理論框架出發(fā)，城市數(shù)字孿生相較于早期“智慧城市”運(yùn)動(dòng)的另一革新性在于其驅(qū)動(dòng)城市規(guī)劃制度性優(yōu)化的能力。

3 當(dāng)前“城市數(shù)字孿生”發(fā)展的3個(gè)問(wèn)題

3.1 缺乏以具體問(wèn)題為導(dǎo)向的數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從方法論的角度，城市數(shù)字孿生的典型工作流程是以遞進(jìn)、迭代的方式，分析問(wèn)題、定義問(wèn)題、對(duì)可能的解決方案進(jìn)行情景模擬和社會(huì)試驗(yàn)，然后針對(duì)模擬和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和方案優(yōu)化，最終實(shí)施反饋并持續(xù)監(jiān)測(cè)。因此，一個(gè)有效的城市數(shù)字孿生必須以解決具體場(chǎng)景下的具體問(wèn)題為導(dǎo)向，動(dòng)態(tài)選擇信息收集、分析和展示的對(duì)象與精度。數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是制定科學(xué)、合理的決策流程鏈條，并建立與之相匹配的數(shù)據(jù)收集和分析功能。但是當(dāng)前城市數(shù)字孿生常常過(guò)于強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的收集和展示，特別是對(duì)可視化技術(shù)的盲目追捧，忽略了對(duì)具體政策問(wèn)題的關(guān)注和對(duì)現(xiàn)有決策流程的批判性審視。很多城市數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)為數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)，缺乏在不同源數(shù)據(jù)集之間進(jìn)行選擇、校驗(yàn)和融合的功能，因此難以在具體的城市規(guī)劃決策中發(fā)揮實(shí)質(zhì)性的支撐作用。

值得說(shuō)明的是，基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可視化平臺(tái)是城市數(shù)字孿生系統(tǒng)的重要組成部分，在某些應(yīng)用場(chǎng)景下（例如實(shí)時(shí)交通監(jiān)控）可以發(fā)揮重要的作用。但在其他場(chǎng)景下，特別是與城市中長(zhǎng)期發(fā)展相關(guān)的戰(zhàn)略問(wèn)題上，城市數(shù)字孿生應(yīng)該超越描述性（基于相關(guān)性）工具的屬性，向基于因果關(guān)系的解釋性、預(yù)測(cè)性工具轉(zhuǎn)變，通過(guò)系統(tǒng)建模揭示影響政策效應(yīng)的結(jié)構(gòu)性要素及其相互關(guān)系。

3.2 將城市數(shù)字孿生建設(shè)等同于軟件采購(gòu)

城市數(shù)字孿生并非一個(gè)獨(dú)立的通用技術(shù)，因此不能僅憑“模版”或者軟件的形式在不同的城市或政策場(chǎng)景之間快速?gòu)?fù)制。城市數(shù)字孿生的設(shè)計(jì)和運(yùn)行應(yīng)充分考慮各類(lèi)型的約束條件（如決策流程、權(quán)責(zé)分配、人力資源配置和技術(shù)支撐），需要數(shù)字孿生的開(kāi)發(fā)者、使用者和受影響者等多方參與者的高度協(xié)同和長(zhǎng)期配合。孿生系統(tǒng)需要伴隨技術(shù)、使用功能和制度的變革而進(jìn)化，模型算法的優(yōu)化應(yīng)建立在對(duì)政策問(wèn)題和決策流程深刻認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上。

現(xiàn)有城市數(shù)字孿生平臺(tái)的開(kāi)發(fā)常以政府采購(gòu)的方式，由軟件開(kāi)發(fā)商提供開(kāi)發(fā)服務(wù)。城市數(shù)字孿生作為一個(gè)新興概念，城市管理者在制定招標(biāo)文稿時(shí)，通常難以對(duì)孿生平臺(tái)的數(shù)據(jù)資源、具體功能和后續(xù)擴(kuò)展性做出準(zhǔn)確的定義。對(duì)于具體用途的模糊定義導(dǎo)致現(xiàn)階段的城市數(shù)字孿生重現(xiàn)早期“智慧城市”項(xiàng)目中“供給端主導(dǎo)”的弊端。軟件開(kāi)發(fā)商，特別是城市數(shù)據(jù)大屏的供應(yīng)商，為控制開(kāi)發(fā)成本和縮減開(kāi)發(fā)周期，常采用通用模版和靜態(tài)數(shù)據(jù)輸入，僅在用戶界面上做出微調(diào)，后臺(tái)架構(gòu)無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效甄別，缺乏與實(shí)際決策流程的交互接口，導(dǎo)致城市數(shù)字孿生平臺(tái)“好看不好用”。

在某些政策場(chǎng)景下，數(shù)字孿生還應(yīng)該發(fā)揮驅(qū)動(dòng)變革的作用，通過(guò)政務(wù)信息化，披露決策過(guò)程的短板、強(qiáng)化權(quán)責(zé)分配，倒逼低效、落后的決策制度進(jìn)行改造升級(jí)。城市數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)制度性變革的能力在近期的國(guó)土空間規(guī)劃改革[29-30]和一體化政務(wù)大數(shù)據(jù)體系[31-32]建設(shè)中已經(jīng)初顯成效。值得指出的是，上述案例中的技術(shù)平臺(tái)雖然不全冠有“數(shù)字孿生”之名，但其包含的數(shù)據(jù)收集和融合功能均有數(shù)字孿生平臺(tái)的雛型。這些技術(shù)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用在一定程度上激勵(lì)了制度性變革，同時(shí)是制度性變革的產(chǎn)物。

3.3 對(duì)城市數(shù)字孿生“系統(tǒng)優(yōu)化”和“實(shí)時(shí)性”的過(guò)分吹捧

當(dāng)前城市數(shù)字孿生過(guò)于偏向新數(shù)據(jù)收集，過(guò)于強(qiáng)調(diào)對(duì)復(fù)雜城市問(wèn)題（如交通擁堵）進(jìn)行基于工程學(xué)的“系統(tǒng)優(yōu)化”。在城市數(shù)字孿生的開(kāi)發(fā)早期出現(xiàn)常見(jiàn)數(shù)據(jù)“越多越好，越精細(xì)越好”的片面觀點(diǎn)。建立城市數(shù)字孿生不應(yīng)盲目求大求全，應(yīng)以具體問(wèn)題為導(dǎo)向，動(dòng)態(tài)定義數(shù)據(jù)收集的時(shí)序、廣度和精度。在常規(guī)應(yīng)用場(chǎng)景下，應(yīng)該優(yōu)先利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)源，通過(guò)深度挖掘和多源融合，識(shí)別現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源和收集機(jī)制的不足，然后進(jìn)行有針對(duì)性的補(bǔ)充和持續(xù)評(píng)估。與此同時(shí)，城市管理者和人民對(duì)城市數(shù)字孿生解決復(fù)雜城市問(wèn)題的能力應(yīng)該保持批判的眼光。一方面，數(shù)字孿生城市提供了一個(gè)極具潛力的決策模擬環(huán)境，可以測(cè)試各種可能的解決方案并進(jìn)行整合優(yōu)化；另一方面，很多城市問(wèn)題的癥結(jié)不是技術(shù)缺陷，常常涉及復(fù)雜的歷史、制度性因素，因此單純技術(shù)層面的“優(yōu)化”實(shí)難奏效?；跀?shù)理的系統(tǒng)優(yōu)化雖然對(duì)政策制定具有一定的參考性和啟發(fā)性，但復(fù)雜算法的應(yīng)用會(huì)同時(shí)加劇模型的“黑箱”問(wèn)題。在公共政策領(lǐng)域，模型“黑箱”會(huì)直接導(dǎo)致權(quán)責(zé)不明、擴(kuò)大決策風(fēng)險(xiǎn)，更嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致城市數(shù)字孿生淪為“領(lǐng)導(dǎo)意志”的解釋工具。面對(duì)層出不窮的優(yōu)化算法，運(yùn)用數(shù)字孿生模型進(jìn)行跨越單一系統(tǒng)/維度的政策風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別可能比系統(tǒng)優(yōu)化更具實(shí)踐意義。系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)在城市規(guī)劃領(lǐng)域的典型實(shí)例包括城市無(wú)序擴(kuò)張或過(guò)度集聚、城市公共服務(wù)資源配套的短缺或失衡等。

另一個(gè)相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題是對(duì)城市數(shù)字孿生“實(shí)時(shí)性”的盲目追求。工程制造業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)工況的監(jiān)測(cè)和控制通常需要較高的時(shí)間精度（如秒或毫秒級(jí)）。這樣的數(shù)據(jù)精度要求反映了工況發(fā)生改變的速率。隨著數(shù)字孿生進(jìn)入城市領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)者和使用者會(huì)自然而然地期待城市數(shù)字孿生系統(tǒng)也具有高精度數(shù)據(jù)采集的功能。但城市數(shù)據(jù)精細(xì)到什么程度才算足夠精細(xì)？是否越精細(xì)越好？本文提出城市數(shù)字孿生的實(shí)時(shí)性是一個(gè)相對(duì)概念[33]，數(shù)據(jù)的采集精度應(yīng)該與數(shù)字孿生系統(tǒng)所應(yīng)對(duì)的政策問(wèn)題的變化速率相匹配，不可盲目追求“實(shí)時(shí)性”。例如城市住房市場(chǎng)（特別是供給側(cè)）的變化相對(duì)緩慢，因此周或月度數(shù)據(jù)即可滿足大部分政策分析需求，而城市交通和市政基礎(chǔ)設(shè)施的需求變化相對(duì)快速，因此需要更加精細(xì)（例如每分鐘或每小時(shí)）的數(shù)據(jù)輸入。忽視具體的政策問(wèn)題和決策需求、盲目追求“實(shí)時(shí)性”會(huì)導(dǎo)致采購(gòu)、實(shí)施和維護(hù)成本的增加，增加不必要的系統(tǒng)復(fù)雜性。

4 若干思考

展望城市數(shù)字孿生在支持城市規(guī)劃，特別是中遠(yuǎn)期戰(zhàn)略規(guī)劃中的應(yīng)用前景，本文提出以下若干思考。

4.1 運(yùn)用城市數(shù)字孿生解決規(guī)劃決策中出現(xiàn)的層級(jí)混淆與矛盾問(wèn)題

城市規(guī)劃決策常常涉及多種不同的時(shí)空和行政維度，從城市、城市圈尺度的戰(zhàn)略規(guī)劃、中觀尺度的分區(qū)規(guī)劃和城市設(shè)計(jì)，到微觀尺度單一項(xiàng)目的規(guī)劃與審批，城市規(guī)劃決策具有顯著的層級(jí)特征。但在實(shí)踐中，上述決策內(nèi)容往往出現(xiàn)層次混淆的問(wèn)題，例如依照低層級(jí)數(shù)據(jù)做高等層級(jí)決策，或做低層級(jí)決策時(shí)忽視高等級(jí)決策約束。在高層級(jí)決策中過(guò)度追求數(shù)據(jù)的精度會(huì)增加不必要的數(shù)據(jù)收集和處理負(fù)擔(dān)；在低層級(jí)決策時(shí)依賴(lài)高度集成的數(shù)據(jù)資源會(huì)犧牲決策精度和響應(yīng)時(shí)效；無(wú)視高層級(jí)約束條件，更是會(huì)讓決策失去合理性和合法性。針對(duì)這些問(wèn)題，城市數(shù)字孿生可以在兩個(gè)方面助力變革。一方面，依托數(shù)字孿生的開(kāi)發(fā)過(guò)程，逐步梳理、明確各決策相關(guān)方的角色定位和權(quán)責(zé)分配，對(duì)決策流程和時(shí)序進(jìn)行批判性提升，促進(jìn)多職能部門(mén)的協(xié)作和相互監(jiān)督。另一方面，通過(guò)搭建不同尺度、不同問(wèn)題的城市數(shù)字孿生體系，對(duì)規(guī)劃空間分析單元和相應(yīng)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類(lèi)、分級(jí)。在我國(guó)大量城市正在進(jìn)行的城市更新是典型的多層級(jí)規(guī)劃決策實(shí)踐，通過(guò)數(shù)字孿生對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行多時(shí)空維度、全生命周期的成本—效益和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，將有助于數(shù)字孿生城市“落地生根”。

4.2 引入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制， 建立一套城市數(shù)字孿生平臺(tái)的功能性評(píng)價(jià)體系

依托數(shù)字孿生城市，建立系統(tǒng)的城市數(shù)據(jù)安全分享體系，以此激發(fā)規(guī)劃決策公共參與、群智群策，并支持相關(guān)行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新。參照國(guó)際經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)開(kāi)放平臺(tái)分享城市數(shù)據(jù)不僅可以增加城市規(guī)劃和管理工作的透明度，還可以帶來(lái)巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。在城市大數(shù)據(jù)收集和研究領(lǐng)域，我國(guó)走在世界前列，具有顯著的制度優(yōu)勢(shì)。城市數(shù)字孿生一方面應(yīng)充分發(fā)揮既有數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，深耕基礎(chǔ)算法和模型功能，另一方面，通過(guò)有效的頂層設(shè)計(jì)強(qiáng)化數(shù)據(jù)安全和個(gè)人隱私保護(hù)，為開(kāi)拓國(guó)際化市場(chǎng)鋪平道路。開(kāi)放數(shù)據(jù)平臺(tái)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)分享、交易機(jī)制的建立，還可以催生城市數(shù)字孿生技術(shù)的市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)。一座城市、一種功能可以且應(yīng)該有不只一個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)，希冀一個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)可以覆蓋所有的城市政策領(lǐng)域是不現(xiàn)實(shí)的。多種孿生系統(tǒng)的良性競(jìng)爭(zhēng)可以激勵(lì)技術(shù)進(jìn)步并降低城市孿生服務(wù)的開(kāi)發(fā)和使用成本。目前國(guó)內(nèi)的城市數(shù)字孿生市場(chǎng)，特別是在可視化平臺(tái)建設(shè)上，存在大量低效、同質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)。各種可視化平臺(tái)多在“可視化”這個(gè)層面進(jìn)行相互模仿，而不是在支持、優(yōu)化決策流程這個(gè)核心功能上突破創(chuàng)新。為引導(dǎo)城市數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)發(fā)展、鼓勵(lì)行業(yè)創(chuàng)新，應(yīng)盡快引入透明的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，建立一套城市數(shù)字孿生平臺(tái)的功能性評(píng)價(jià)體系，并擴(kuò)展行業(yè)上、下游建立一個(gè)城市數(shù)字孿生的生態(tài)系統(tǒng)。

4.3 城市數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)著力關(guān)注規(guī)劃決策理念、流程和制度創(chuàng)新

城市數(shù)字孿生技術(shù)諸多革新性優(yōu)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)不能僅僅依靠技術(shù)層面的提升，必須依賴(lài)所服務(wù)或受影響的對(duì)象和制度做出相應(yīng)改變，實(shí)現(xiàn)社會(huì)系統(tǒng)和技術(shù)系統(tǒng)的相互作用、共同進(jìn)化。在城市規(guī)劃領(lǐng)域，特別是戰(zhàn)略規(guī)劃層面，決策者需要改變傳統(tǒng)的規(guī)劃決策理念和方法，積極探索新的、基于實(shí)證研究的決策支持。通過(guò)政策后評(píng)估的手段，對(duì)決策過(guò)程和質(zhì)量進(jìn)行總結(jié)反思，將所積累的經(jīng)驗(yàn)在其他項(xiàng)目中加以驗(yàn)證和提煉。城市在投資數(shù)字孿生系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)摒棄技術(shù)決定論，著力關(guān)注規(guī)劃決策理念、流程和制度創(chuàng)新。觀念和制度上的轉(zhuǎn)變是數(shù)字孿生城市能夠可持續(xù)發(fā)展、發(fā)揮其革新性優(yōu)勢(shì)的必要條件。

5 結(jié)語(yǔ)

城市數(shù)字孿生作為下一代的城市研究和治理工具，具有廣闊的前景。但是無(wú)視城市系統(tǒng)自身的復(fù)雜性、照搬數(shù)字孿生在工程制造領(lǐng)域的方法論，將極大限制城市數(shù)字孿生的適用性，甚至動(dòng)搖其服務(wù)于公共政策的合理性。為了讓城市數(shù)字孿生擺脫“技術(shù)炒作”的質(zhì)疑，真正助力城市規(guī)劃和管理實(shí)踐，城市數(shù)字孿生亟需一個(gè)合適的理論框架。基于“社會(huì)技術(shù)”系統(tǒng)理論，筆者指出城市數(shù)字孿生建設(shè)是一個(gè)開(kāi)發(fā)者、使用者和受影響者共同生產(chǎn)（co-produce）、共同進(jìn)化（co-evolve）的過(guò)程，而不是一個(gè)靜態(tài)的、可簡(jiǎn)單拷貝的“軟件”。數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是制定科學(xué)、合理的決策流程鏈條，并建立與之相匹配的數(shù)據(jù)收集和分析功能。除了支持現(xiàn)有決策流程外，城市數(shù)字孿生建設(shè)還有潛力成為城市規(guī)劃制度性變革的新驅(qū)動(dòng)力。對(duì)決策參與者和受影響者的全面關(guān)注，以及對(duì)制度性要素的批判性響應(yīng)是下一階段城市數(shù)字孿生發(fā)展應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)。

（感謝奧韋·奧雅納基金（The Ove Arup Foundation）對(duì)劍橋智慧基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中心“轉(zhuǎn)型中的數(shù)字城市”（DC2-Digital Cities for Change）項(xiàng)目的資助，以及對(duì)本文的幫助。）

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