雄安新区城市规划对数字孪生城市发展的影响

雄安新区城市规划对数字孪生城市发展的影响

赵茜

中交雄安投资有限公司 河北省保定市 071700

摘要：数字孪生城市是雄安新区提出的一个新概念。其目的是实现现实城市与数字城市的共同建设和规划。本文论述了数字孪生城市的技术背景、逻辑结构和概念框架，提出了基于复杂城市适应系统理论的数字孪生城市。通过构建实体城市与数字城市相互映射、相互配合的复杂体系，更好地尊重和适应城市发展组织,是研究新的城市发展模式的重要创新。

关键词：雄安新区；数字孪生城市

1. 数字孪生城市的提出及内涵

   1. 数字孪生城市概念

根据美国宇航局的权威定义，数字城镇结对是指充分利用物理模型、传感器、使用标记和其他数据，以整合整个多学科多层面的模拟，简言之，数字孪生就是复制现实世界中的物理身体、系统和过程在网络空间中形成一个“克隆体”，二者最终形成一个“数字孪生体”。

1.2 数字孪生城市内涵

数字孪生城市的一个重要应用价值是对虚拟世界和现实世界中的数字系统和物理系统进行相互作用和反馈，以确保整个信息资源收集过程中物理系统和数字系统的协调和适应。数字孪生在智能制造领域发挥着极其重要的作用，有效地促进了生产和设计之间的有效合作。一些研究人员还提出了“数字双车间”和“数字化学研究所”的应用概念，将双数字化技术的应用从产品延伸到车间和整个企业，实现了全要素、全过程、全业务数据、要素管理、生产计划的集成和复制。这些双重数字应用为双数字城市的提出提供了有价值的启示和参考。

2. 数字孪生城市的构建逻辑与现实要求

   1. 城市作为复杂适应系统的理论基础

还原论认为现实生活中的每一种现象都可看成是更低级、更基本的现象的集合体或组成物，因而可以用低级运动形式的规律代替高级运动形式的规律。还原论派生出来的方法论手段就是对研究对象不断进行分析，恢复其最原始的状态，化复杂为简单。在漫长的历史中，人们对城市的认知被“还原论”所颠覆。到目前为止，由《雅典宪章》所倡导的现代设计理念仍然是许多城市建设的理论基础，由此引发了许多的城市问题。尽管每一个学科领域都在不断地阐释着城市，但由于对“还原论”的模糊理解，它仍然无法呈现城市的全貌，理解城市的一般规律。自从1961年简·雅各布斯在《美国大城市的死与生》中把城市定义为“最复杂、最强大的生命”以来，一个城市和一个有机体之间的经典类比通常可以反映对一个城市复杂性的简单认识。然而，弗里德曼^[1]仍然认为，城市的建模本质上是以“还原论”为基础的，进行研究是非常有益的，但追求的意义不大，虽然越来越多的研究表明，城市是一个复杂的系统，但“城市的复杂性从何而来”的问题并没有得到很好地解决，因此很难对城市实践进行有效的指导和管理。

在20世纪80年代初，钱学森^[2]认为城市是一个复杂的巨大系统，非常有必要采用系统科学的方法对城市进行研究，这影响了学者吴良镛、周干智等一批早期的规划学者。近年来，由于ICT生产和生活方式对城市的巨大影响，机械分割的线性城市治理方式受到极大质疑，对城市是一个复杂系统的认识正在逐步回归。在对城市进行规划的过程中，往往忽略了对城市自然复杂性的研究，刘春生^[3]在多年来对城市发展与建设管理工作进行实践的基础上，提出了一套以“CAS理论”为核心的新思想，“CAS理论”是复杂适应系统理论的简称，是20世纪90年代以来复杂性研究领域的一个新理论，今天人们需要研究更复杂的系统或行为复杂的系统。为全面了解城市发展规律奠定了理论基础。

2.2超越智慧城市局限性的必然要求

随着信息技术的发展，城市发展与信息技术的结合一直是人们关注的热点，被普遍认为是一种解决智慧城市问题的灵丹妙药，是实现城市经济可持续发展的有效途径。IBM在2008年前后推出了“智慧城市”这一理念，至今已经过去十余年，与蓬勃发展的高科技行业相比，“智慧城市”这个理念并没有真正达到宣传的最佳效果，最典型的批评就是，“智慧城市”过于依赖商业技术提供解决方案，很少考虑技术以外的因素、保留信息工具、不了解行政管理状况的根本变化、忽视人性化和用户体验等等。

自住房和城乡建设部2012年发布《关于开展归家智慧城市试点工作的通知》以来，全国总计超过500座城市明确提出了构建“智慧城市”的相关方案。尽管试点项目正在如火如荼地进行，但在实践中存在四个不同的问题：缺乏联系各业务模块的综合规划；信息来源不同，城市数据分散；形象工程大于实际应用；单向信息大于多向信息。总体来说对政府工作流程和职能划分进行信息化的改造是目前智慧城市中最重要的项目，是现有分段管理体系的技术部分。

我国在“十四五”规划中进一步对建设新型智慧城市提出了新的要求和新的目标。然而，“智慧城市不懂城市”是影响“智慧城市”技术实践效率的根本问题。现有的“智慧城市”项目还没有跳出城市认知的机械还原式，这就造成了数据隔离、碎片化和系统分离等新问题。因此，由于技术壁垒的存在，城市系统之间的协调难度和管理成本不断增加，很难真正理解智能发展，如上所述，目前的“智慧城市”实践缺乏正确的内在逻辑。因此，即使是N.0版“智慧城市”不断更新的技术也难以消除其与城市的“排斥”反应。它只能局限于城市阶段的局部优化，不能代表城市未来的发展方向。

3. 基于城市系统论的“数字孪生城市”概念框架

“数字孪生城市”的建设需要衔接城市作为复杂适应体系的现实状态。刘春成于^[4]2012年介绍了基于CAS理论的城市系统理论，综合适应系统的基本分析框架是“主体”围绕“主体”的4个特性(聚集、非线性、流、多样性)与3种机制(标识、内部模型、积木块)在城市语境中加以应用，为构建“数字孪生城市”奠定了基础。

3.1 可视化呈现城市非线性和多样性的真实状态

非线性意味着大小不等于构件之和，城市系统有上千个不完全独立的影响因素，相互交织，不能通过分割和聚合来分析。尽管从短期来看，城市发展仍呈现出可控制的模式，但其长期的发展结果难以预测，由于非线性必须在初始体积的基础上不断扩展，这是一个不可逆的过程。目前，城市思维大多还是线性的。“数字孪生城市”不局限于单向关系，它将不同渠道的数据进行回击和交融，可实现对城市非线性发展的监测和跟踪^[5]，并真实地记录动态反馈过程，在可能的情况下预测政策措施对不同子系统的影响，包括在可能规避行为、数据丢失等问题上，充分符合自身组织，及时变更等。将“学习”功能融入城市管理过程，最终为城市系统的整体福祉带来预期的效果。

一个复杂的系统是多样性的统一，这是大城市的本质。在信息化迅速发展的时期，知识和技术的快速发展极大改变了人们的生活在很大程度上释放了社会上每个个体的多样性，促使城市发展在空间和时间上更加多元化。城市的功能、空间随着时间的推移不断被创造出来；这些事件在不同的城市地区其结构、运行和状况都是不一样的。改变传统的单调的城市管理问题，使之变得多样化，允许其存在差异化是“数字孪生城市”发展的意义。

3.2 动态识别城市主体的内部模型

在城市系统中，当定义了一个潜在的刺激范围，并对一个给定的城市地点估计出一个可能的反应序列时，就可以粗略地推导出相互作用的规律，也称为“内部模型”。该学科体系可以做一些面向未来的判断，在现代城市生活中，人们常常会从过去和其他物质和环境的相互作用中，挑选出一种可行的“内部模式”，以便指导自己适应环境和社会变化。隐性的内部模式是主体自身主动的组织规则，而显性的内部模式是外部的制度和法律规定，有效的显性规则必须符合主体自身组织的隐性规则。

3.3 “数字孪生城市”在雄安建设中的应用

数字孪生城市的典型特征，如全局视野、精确地图、模拟、虚拟现实交互和智能干预，加快城市治理和各部门应用能力的发展，特别是在智能城市治理领域，它从全球角度形成了若干超级应用，如城市规划的空间分析和影响模拟，城市发展项目的交互式规划和模拟，城市场景描述，用于监控城市的正常运行，根据城市区域的时间和区域发展得出未来发展趋势，了解城市发展规律，支持政府严格执行，城市交通流和信号模拟使道路通行能力最大化，在公共服务领域，双数字模拟和三维互动体验将重新定义教育，医疗和其他服务的重要性和手段。同时，数字孪生城市个人为基础，开启个人服务的新时代。

4. 总结

“数字孪生城市”建设的不断深化和完善，将使未来生活发生深刻变化，超智能时代即将到来。

参考文献

[1]高艳丽， 陈才， 张育雄. 数字孪生城市未来发展展望[J]. 中国建设信息化， 2019, No.100(21):42-45.

[2]高艳丽， 陈才， 张育雄. 数字孪生城市：智慧城市新变革[J]. 中国建设信息化， 2019, 000(021):P.6-7.

[3]魏勇. 5G应用 让雄安新区实现全域智能[J]. 中国投资， 2020(15):3.

[4]杨滔， 杨保军， 鲍巧玲，等. 数字孪生城市与城市信息模型（CIM）思辨——以雄安新区规划建设BIM管理平台项目为例[J]. 城乡建设（2）:4.

[5]周瑜， 刘春成. 雄安新区建设数字孪生城市的逻辑与创新[J]. 城市发展研究， 2018, 25(10):66-73.