數(shù)字孿生與智慧城市

張靖笙

     今天城市數(shù)字化的發(fā)展理念已經(jīng)得到了普遍共識，而一些新數(shù)字技術(shù)也必然將影響城市規(guī)劃、建設(shè)與發(fā)展，從而引導(dǎo)城市的數(shù)字化發(fā)展方向。2017年，全球領(lǐng)先的信息技術(shù)研究和顧問公司Gartner公布了將在2018年對大部分企業(yè)和組織機(jī)構(gòu)必然產(chǎn)生顯著影響的首要十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢，其中就包括了數(shù)字孿生，如筆者前期文章《數(shù)字孿生為何成為戰(zhàn)略科技發(fā)展必然趨勢》的論述，數(shù)字孿生作為工業(yè)4.0至關(guān)重要的戰(zhàn)略科技，對工業(yè)界的影響日益顯現(xiàn)，近兩年也井噴式地涌現(xiàn)了大量新的研究和應(yīng)用成果。而最近，數(shù)字孿生城市的概念也已經(jīng)悄然興起，能不能把在工業(yè)界的數(shù)字孿生研究成果和最新進(jìn)展應(yīng)用到智慧城市的發(fā)展里面呢？這是一個很值得認(rèn)真思考和探討的問題。

      我們先回顧一下最早誕生于工業(yè)界的數(shù)字孿生概念，數(shù)字孿生一詞，最早是美國密西根大學(xué)教授Michael

Grieves于2003年在產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出，并被定義為三維模型，包括實(shí)體產(chǎn)品、虛擬產(chǎn)品以及二者間的連接。從這個概念里面，我們可以看到數(shù)字孿生最早的研究對象是產(chǎn)品，從實(shí)體產(chǎn)品的全生命周期的角度來建構(gòu)一個如影隨形的數(shù)字虛擬產(chǎn)品，雖然后來的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)對于Grieves教授的數(shù)字孿生概念做了很多的擴(kuò)展，包括Grieves教授自己的著作《Virtually Perfect: Driving Innovative and Lean Products through

Product Lifecycle Management》把虛擬的概念擴(kuò)展到工業(yè)生產(chǎn)包括技術(shù)、組織和流程等等的方方面面，但如Grieves書名本身所出現(xiàn)的Products這個詞，工業(yè)技術(shù)總是圍繞產(chǎn)品來構(gòu)建的，作為信息技術(shù)和工業(yè)技術(shù)融合的數(shù)據(jù)孿生也必然繼承了這樣俗成的約定。

      數(shù)字孿生的概念誕生于工業(yè)界有其歷史必然性，因?yàn)橹挥袛?shù)字化才有可能實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的全生命周期管理，大家可以想象一下，沒有信息技術(shù)的數(shù)字化手段，別說什么管到回收報廢的產(chǎn)品生命周期結(jié)束了，產(chǎn)品出廠以后物流去哪里了都無法跟蹤了，所以數(shù)字化技術(shù)在工業(yè)中的普遍應(yīng)用是奠定產(chǎn)品全生命周期管理的基礎(chǔ)，根據(jù)Grieves教授給出的定義：“產(chǎn)品生命周期管理(PLM)是一種集成的、信息驅(qū)動的方式，用于管理產(chǎn)品的生命周期及其周邊環(huán)境涉及的各個方面的人、流程/活動，以及技術(shù)，從產(chǎn)品的設(shè)計到制造，部署到維護(hù)，服務(wù)、報廢處理直到產(chǎn)品的生命周期的終結(jié)”。工業(yè)4.0智能制造的核心目標(biāo)恰恰就是驅(qū)動創(chuàng)新與精益的產(chǎn)品全生命周期管理，通過模型和數(shù)據(jù)，數(shù)字虛擬空間成為在物理空間中不斷走向完美產(chǎn)品的必由之路，因此數(shù)字孿生對于智能制造不但是條鑰匙，也是必經(jīng)的通道。

     而在數(shù)字化城市領(lǐng)域，產(chǎn)品這個概念帶來了很大的困惑和問題，對于城市來說，“產(chǎn)品”到底是什么？或者說什么算是城市的產(chǎn)品呢？放到具體的層面，到底是考慮把整個城市看成一個產(chǎn)品還是看成類似“工廠”一樣生產(chǎn)“產(chǎn)品”的環(huán)境？如果把城市類比成工廠，那么在數(shù)字孿生虛擬城市里面所鏡像的又應(yīng)該是物理城市空間中的什么實(shí)物呢？面對這些問題，很顯然，很多工業(yè)界的做法也無法直接生搬硬套過來解決在城市管理、規(guī)劃、建設(shè)與發(fā)展領(lǐng)域所遇到的問題，而今天我們所看到的數(shù)字孿生城市的概念，卻缺失對于這個根本出發(fā)點(diǎn)的辨識和澄清，現(xiàn)在網(wǎng)上看到的很多孿生數(shù)字城市的概念和十年前剛提出來的智慧城市一樣，表現(xiàn)出來是一個百家爭鳴，各說各有理的眾說紛紜，不同的解釋之中也難免出現(xiàn)很多邏輯上的模糊和混亂，筆者不久看過一些著名網(wǎng)站上公開發(fā)表文章，把數(shù)字孿生城市和城市大腦的概念混為一談，對此我是不敢茍同的。

      可能也有些業(yè)界朋友說，搞數(shù)字孿生并不是非得有什么產(chǎn)品的概念的，建設(shè)“數(shù)字孿生”鏡像城市平臺，通過 三維GIS、BIM/CIM等信息技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)信息世界與物理現(xiàn)實(shí)世界的全方位映射， 虛實(shí)交融，支撐基于網(wǎng)絡(luò)空間的在線治理和服務(wù)。以全量數(shù)據(jù)為基本要素，實(shí)現(xiàn)城市地下、地上地理信息，與三維空間數(shù)據(jù)字建模畫像，逐步在數(shù)字空間上所構(gòu)建的城市虛擬映像疊加在城市物理空間上全域感知和智能終端等部件，集中管控城市地下網(wǎng)、多功能信息桿柱、充電樁、井蓋、垃圾桶、城市攝像頭、路燈等等城市設(shè)施，實(shí)現(xiàn)以全量數(shù)據(jù)為基本要素的各城市治理領(lǐng)域的一張圖可視化展示和遠(yuǎn)程控制方式，逐步打造實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生城市。

      在筆者看來，這也不失為一個很務(wù)實(shí)的考慮，也說明了數(shù)字孿生這個概念有很廣泛的適應(yīng)性和吸引力，數(shù)字孿生的其中一個基本理念是通過虛擬空間中的模型和數(shù)據(jù)優(yōu)化物理空間里面的決策和行動，推廣數(shù)字孿生的概念對于改變傳統(tǒng)的城市發(fā)展模式，提升城市發(fā)展效率，快速改變城市面貌，重塑城市基礎(chǔ)設(shè)施，形成虛實(shí)結(jié)合、孿生互動、迭代優(yōu)化的城市發(fā)展新形態(tài)無疑也有非?，F(xiàn)實(shí)和深遠(yuǎn)的意義，筆者作為數(shù)字孿生理念的推崇者，非常認(rèn)同也愿意支持。

      而當(dāng)筆者在智慧城市咨詢工作中，需要考慮如何建構(gòu)解決城市發(fā)展中各種問題的大數(shù)據(jù)智能化應(yīng)用場景的時候，發(fā)現(xiàn)如果我們把數(shù)字孿生城市的概念只停留在三維地圖、三維建筑物信息模型、數(shù)據(jù)可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)這樣一些偏視覺可視化的應(yīng)用場景上，數(shù)字孿生很多極具進(jìn)步性的思想和理論成果就無法真正地在智慧城市發(fā)展中落地生根、開枝散葉和發(fā)揚(yáng)光大。

     而要打通數(shù)字孿生和智慧城市，恰恰還是要回到正確理解產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）這個概念上，有關(guān)PLM的一個核心問題是“產(chǎn)品”是什么？它一定是工廠所造出來的類似飛機(jī)或者汽車這樣的東西嗎？其實(shí)什么能構(gòu)成產(chǎn)品也取決于個人的觀點(diǎn)，Grieves教授對產(chǎn)品的定義是：“它是一個人制造的用于執(zhí)行某種功能的對象或者服務(wù)于用戶的功能”。根據(jù)這個定義，對于一個噴氣發(fā)動機(jī)制造商的產(chǎn)品就是發(fā)動機(jī)，而對于飛機(jī)制造商則是整架飛機(jī)，發(fā)動機(jī)只是其產(chǎn)品的一個部件，很明顯兩者對于發(fā)動機(jī)的關(guān)心程度和信息處理方式是明顯不同的，但是只要是產(chǎn)品，就有生命周期，而從PLM的角度，只要是人造的產(chǎn)品，為它的用戶執(zhí)行一定的功能，存在其發(fā)揮效用的生命周期，就可以適用于PLM，所以從PLM的概念，城市中的各種事物都可以被作為“產(chǎn)品”來對待，建筑物、道路、橋梁、管道、線網(wǎng)、路燈、井蓋、垃圾桶等等這些有一定用途的實(shí)物，甚至是教育、醫(yī)療、文化這些可能不是明顯作為實(shí)物的城市生活元素，只要從市民的角度，擁有服務(wù)于市民用戶的功能，則可以識別為某種形式的產(chǎn)品，并且從生命周期的角度實(shí)現(xiàn)數(shù)字化方式的管理，因此數(shù)字孿生和智慧城市并沒有不可逾越的鴻溝，PLM是在智慧城市中運(yùn)用數(shù)字孿生的方法和技術(shù)的鑰匙，也是鏈接雙方的橋梁。

     而產(chǎn)品在商業(yè)模式中的定義是價值主張，是一種對于目標(biāo)對象（用戶）有某方面好處的價值陳述和主張，其實(shí)這個定義和Grieves教授對產(chǎn)品的定義是異曲同工的，如果脫離了對用戶來說的某種功能或者價值，產(chǎn)品就沒有任何存在的理由，這個道理幾乎可以上升到常識的位置，可惜在現(xiàn)實(shí)中往往被忽視了，過往的大工業(yè)時代，以生產(chǎn)者為中心的生產(chǎn)方式讓產(chǎn)品生產(chǎn)活動成為了一種自說自話的獨(dú)角戲，無視用戶的感受和體驗(yàn)是產(chǎn)品生產(chǎn)的常態(tài)，因此造成了大量資源的浪費(fèi)，從傳統(tǒng)制造模式轉(zhuǎn)型為智能制造模式，滿足社會化、個性化、服務(wù)化、智能化、綠色化等制造發(fā)展需求和趨勢，是推動全球各國開展智能制造的共同原因，歸根到底還是解決根據(jù)用戶直接參與根據(jù)自己價值主張來組織生產(chǎn)的新生產(chǎn)關(guān)系問題。

      理解了這個出發(fā)點(diǎn)，數(shù)字孿生在智慧城市中如何發(fā)展則比較容易順理成章，而離開了這個出發(fā)點(diǎn)，則任何一份的智慧城市解決方案都只會淪為一些關(guān)乎云大物移智各種技術(shù)裝備如何擺設(shè)的想象效果圖，這些技術(shù)擺設(shè)到底給市民帶來了什么具體的好處（產(chǎn)品的價值主張）都說不清楚，又如何能在投產(chǎn)后應(yīng)用和運(yùn)維（產(chǎn)品生命周期）中不斷地發(fā)展和優(yōu)化呢？城市事實(shí)上是比任何一個組織復(fù)雜千百萬倍的生態(tài)體系，任何一個城市的公共要素和資源，背后都會有復(fù)雜的利益關(guān)系和不同的利益訴求，所以今天我們打造逐步走向數(shù)字孿生的智慧城市各項(xiàng)應(yīng)用場景的時候，城市政府也首先要摒棄以自我為中心的決策習(xí)慣，筆者在前期也專門寫過文章《政府引領(lǐng)市場決定的智慧城市發(fā)展觀》論述過有關(guān)的觀點(diǎn)，從這個角度，基于這些觀點(diǎn)，我非常不認(rèn)同把數(shù)字孿生城市和城市大腦的概念混為一談，城市大腦說到底是服務(wù)政府決策的，而誕生數(shù)字孿生背后的PLM是面向用戶，對于城市來說，就是直接面向和服務(wù)廣大市民的。城市有效的治理當(dāng)然需要廣泛傾聽民情民意，但是最后決策還是要有責(zé)任的集中，城市大腦是服務(wù)決策集中的，硬是把數(shù)字孿生和城市大腦拉在一起和稀泥，邏輯上都說不通，對于做宏觀決策的城市領(lǐng)導(dǎo)者來說，很多時候并也沒有什么必要在一個身臨其境的三維數(shù)字城市場景里面走進(jìn)每一個房間才能找到他決策需要的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，這種昂貴的擺設(shè)除了吸引眼球，對于決策者并不能發(fā)揮更多的價值。

      不過從城市數(shù)字化的角度，城市大腦卻可以從決策者的方向推動數(shù)字孿生城市的發(fā)展，能夠讓大腦發(fā)揮中樞作用的恰恰是分布全身的神經(jīng)系統(tǒng)、神經(jīng)末梢，還有包括毛細(xì)血管、肌肉組織在內(nèi)的動作使能器，今天我們投資搞一個承載城市大腦的技術(shù)容器已經(jīng)沒有什么難度，而把分布在城市各個角落的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)末梢（傳感器）和毛細(xì)血管和肌肉細(xì)胞（使能器）都發(fā)揮好才是真功夫，也只有這些搞好了大腦才有做好決策的材料！德勤在其發(fā)布的《工業(yè)4.0與數(shù)字孿生》報告中呈現(xiàn)了數(shù)字孿生的五大驅(qū)動要素——物理世界的傳感器和促動器、集成、數(shù)據(jù)和分析、以及持續(xù)更新的數(shù)字孿生應(yīng)用程序，同樣的道理，做好這五大驅(qū)動要素的智慧城市才能真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生。

     今天的城市不但成為了政治經(jīng)濟(jì)文化中心，實(shí)質(zhì)上也成為了大多數(shù)國人過日子的生活中心，即使身處深山老林，在生活中總會找到和某種城市要素有某種價值的關(guān)聯(lián)，所以從產(chǎn)品生命周期管理的角度，驅(qū)動各項(xiàng)城市要素的創(chuàng)新與精益發(fā)展的數(shù)字孿生應(yīng)用場景將會有無窮的發(fā)展?jié)摿蜔o垠的發(fā)展空間！數(shù)字孿生城市可以代表新型智慧城市發(fā)展新理念和新模式，將智慧城市層出不窮、精彩紛呈的大數(shù)據(jù)應(yīng)用場景統(tǒng)一到基于產(chǎn)品全生命周期管理驅(qū)動創(chuàng)新和精益理念而發(fā)展出來的、對城市各項(xiàng)要素的大數(shù)據(jù)資源的全生命周期管理和數(shù)據(jù)開發(fā)利用上，數(shù)據(jù)開放是世界性的潮流，而擁有高質(zhì)量的數(shù)據(jù)后再開放，是促進(jìn)城市生活品質(zhì)提升和服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定實(shí)事（物理空間）中求是（更好發(fā)展）的基礎(chǔ)和前提，數(shù)據(jù)孿生必然會成為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的最終選擇，還有什么比反映物理空間中發(fā)生的事實(shí)有更真切的價值？

     知易行難，知行合一更難，對于如何推動數(shù)字孿生的智慧城市發(fā)展，我雖然有了一些基本認(rèn)識，從普通市民的角度也有了不少想法，可我這些想法也還需要放到實(shí)際項(xiàng)目和工作中去反復(fù)探究和建構(gòu)，與更多的人合作才可能轉(zhuǎn)化成行之有效的做法。

    希望與更多有志者同行，僅以此文拋磚，歡迎拍磚。

（本稿完成與2018年12月9日，如需引用請注明出處）