我们可以虚拟化自己！数字结对如何改变城市和个人？
本文授权转载自:集智俱乐部。
介绍
华为高级智慧城市研究员、高级智慧城市顾问王鹏受邀出席腾讯研究院×智社AI &；在社会沙龙上发表了题为“从城市数据到智慧城市”的演讲。作者回顾了王鹏对城市数据及其应用的研究，并结合清华大学龙鹰团队对人体数字化的最新研究，提出了对城市和个人虚拟化的探讨。讲座录像请见文末小程序和网页链接。
数字孪生起源于工业4.0
数字孪生的概念可以追溯到2002年密歇根大学PLM(产品生命周期管理)中心Michael Grieves教授给工业界的一次演讲(虽然没有书面证据，但仍被广泛认为是数字孪生的最早来源)。
2014迈克尔·格里夫斯(Michael Grieves)在他的白皮书《数字孪生:通过虚拟工厂复制实现卓越制造》中进行了详细阐述。他认为，可以通过物理设备的数据，在虚拟(信息)空间中构建一个可以代表物理设备的虚拟实体和子系统，并且这种连接不是单向的、静态的，而是在整个产品生命周期中链接在一起的。
之后，数字双胞胎的概念逐渐扩展到仿真、虚拟装配、3D打印等领域。随着物联网技术、人工智能和虚拟现实技术的不断发展，更多的工业产品和工业设备具有智能化的特征，数字结对逐渐扩展到包括制造和服务在内的完整产品周期阶段，并不断丰富数字结对的形式和概念。
商界处于数字双胞胎的最前沿。工业4.0下的数字孪生(Digital Twinning)被各大软件厂商赋予了自己的理解，它已经与自己的业务融为一体，他们致力于打造一个融合现实世界和虚拟世界的解决方案。
借助数字孪生的概念，美国通用电气公司(GE)和ANSYS公司提出了实现物理机械和分析技术融合的途径，使每台发动机、每台涡轮、每台核磁振动都有一个数字“孪生”，通过数字模型在虚拟环境中实现机器人调试、测试和优化运行状态的模拟，从而将最优方案应用到物理世界的机器上，节省了大量的维护和调试成本。
西门子引用数字双胞胎的概念来描述贯穿产品生命周期所有环节的数据模型。一般来说，数字结对就是模拟一些工厂的实际操作空间，从产品设计到生产线设计，再到设备厂商的机械设计和工厂的规划调度，再到最终的制造执行和产品大数据。
法国软件公司达索系统公司(Dassault systemes)不仅重视产品的数字化表达，在数字化双创的合作验证中，也试图通过三维体验平台实现设计师与客户的互动。
德国软件公司SAP基于Leonardo平台在数字世界中构建了一个完整的数字双胞胎。在产品测试阶段，收集和分析设备的运行状态，获得产品的实际性能，然后与需求设计的目标进行对比，形成产品开发的闭环系统。
简而言之，工业4.0下的数字孪生为制造业提供了物理空间和虚拟空间的映射关系，以及记录、模拟和预测物体在物理世界和数字虚拟空间中运行轨迹的过程。
物理世界和数字拷贝
数字结对:催生智慧城市2.0
值得注意的是，数字双胞胎的概念不仅活跃在工业4.0的制造业，也越来越频繁地出现在智慧城市领域。随着ICT(信息、通信和技术)成为智慧城市发展的主要动能，移动通信、互联网、云计算、传感器、人工智能和量子通信在智慧城市中得到了广泛应用。全局感知、数字仿真、深度学习等领域的技术发展即将迎来拐点，这使得城市的数字孪生应运而生。
中国智慧城市的数字双胞胎发展还有很长的路要走。数字双胞胎高度依赖传感器采集的数据和信息，但目前仍难以获得城市数据的全局感知和精细尺度上的历史多维数据。物理实体空间中的数据不够详细，会直接导致其数字副本的丢失。目前，数字双距离想象中沙盒系统模拟推演和人工智能决策的功能还有较大差距。
数字结对在智慧城市开发建设中的核心价值在于，它可以在物理世界和数字世界之间建立全方位的实时连接，进而记录、分析和预测运行对象在整个生命周期中的变化。智慧城市中的数字双胞胎可以分为四个阶段，即
准确、全面、动态绘制城市现状图的双重地位；
从历史数据中学习、分析、鉴别、总结、寻找城市运行规律的学习双胞胎；
在人工监督下模拟不同环境背景下发育情景的模拟双胞胎；
最后通过实时数据访问和人工智能自动决策的独立双胞胎。
同时也要看到数字双胞胎在传感器、5g、边缘计算技术不断发展中的巨大潜力。传感器的高密度部署和高精度感知，结合5g和边缘计算的实时结构化计算反馈，城市物理空间的全局感知和实时更新将是5g时代的常态。砖、瓦、草、树、一张桌子、一把椅子、一个人、一辆车都会以不同的频率更新自己的位置和状态信息，从而实现真正的“全息”虚拟城市。
城市数据:数字孪生DNA
在智慧城市建设中，数字孪生的核心在于构建与城市物理空间完全映射的虚拟(信息)空间。不同于制造业产品周期管理中厂商全面掌握的产品信息数据，城市是一个庞大而复杂的系统，其物理空间和过程都在不断产生多维度的海量数据，这无疑在数据采集、处理、操作、存储和管理上对城市的数字化孪生提出了挑战。
近年来，以数据为核心的城市生态链构建了智慧城市的顶层设计，形成了以* *共享信息为中心，各行业协同合作的“感知-应用-* *共享信息”的智慧城市模式。同时，在大数据、人工智能、云计算、物联网等新兴ICT技术的推动下，多维度的海量城市数据逐渐以不同的方式被挖掘，并应用于智慧城市的研究和实践中。
传统城市统计数据的电子化和空间可视化是城市大数据发展的第一步。在GIS平台上绘制行政区域界线并与传统年鉴统计数据相匹配的基础上，将传统数据电子化、可视化，依托GIS空间分析功能实现空间可视化和分析。
Cityeye上传统统计数据的电子和空间可视化
互联网大数据的应用，标志着城市真正进入了大数据时代，互联网大数据成为近年来城市研究的“宠儿”。无论是学术界还是产业界，都在积极探索互联网大数据为城市研发带来的诸多可能性。
互联网大数据最大的优势在于打破了传统数据自上而下的数据获取壁垒，而是以自下而上的方式提供精细尺度上的多维数据，如记录城市中所有地理实体的空间位置和属性的兴趣点(POI)数据；反映话题热度和用户画像的社交媒体大数据；实时显示人口空间分布热图等。
随着智慧城市的到来，传感器技术的进步和成熟为城市研究提供了另一种获取数据的方式。
通过在城市中架设多模块集成传感器，在精细尺度上实现对城市环境、人和车辆行为等数据的实时感知和采集。例如，城市网格数据监测站可以使用多模块传感器网络来监测人车流量和环境质量，如风速、风向、光照、温度和湿度以及pm2.5。城市网格是一种旨在精细感知城市空间的物联网产品，也是传感器技术应用于城市全局感知、数据收集，甚至预测城市未来微环境和人车行为的经典案例。王鹏团队还多次在清华大学校园和白塔寺社区使用城市网格进行监控和数据采集，对城市环境和人群行为进行深入分析。
城市电网城市电网数据监测站
LBS数据(基于位置的服务的数据)通过运营商收集用户与基站之间不间断的信令数据，可以获得移动服务用户相对准确的实时空间位置。由于其用户数量多、覆盖面广，是描述城市人口数量和空间分布的“终极”数据。
我们把自己数字化了！
数字自我
在感叹数字双胞胎如何颠覆制造业和城市的管理和运作的同时，一些学者已经开始探索如何创造人类个体的数字双胞胎。
清华大学龙鹰团队研究助理张近日发表题为《可穿戴相机在建筑环境inpi双重行为研究中的应用》的期刊论文，提出创新性地使用可穿戴相机对个体行为和城市空间感知进行数据采集、分析和模拟。
研究团队使用便携式摄像机在佩戴者面前每五分钟记录一次画面数据，通过人工识别、计算机视觉分析和颜色识别分析等手段，分析佩戴者的个体行为特征、时间分配、路径转移、场所事件等因素。研究结果表明，可穿戴相机采集的图像数据蕴含着丰富的个体行为和时空信息，能够有效地描述个体在空间上的行为特征。
数字“生活日志”
随着大数据在城市研究中的广泛应用和快速发展，基于建成环境形态数据(如遥感、街景和POI数据)和各种互联网数据(如微博、评论和手机信令数据)的大规模群体研究，为利用大数据解释城市问题提供了大量案例参考，并逐渐建立了理论基础。然而，这些基于粗尺度城市物理空间或大尺度群体的大数据，仍然难以应用于个体的深度分析和研究解读。
可穿戴相机为大规模收集个人数据提供了新的机会。通过记录的图片数据将个人活动信息数字化，形成“数字自我”的电子档案，弥补了现有研究中对个体行为数据收集不够连续、维度不够丰富的问题。这也是从城市环境数据到个体行为信息的变化之一。同时，个体行为的信息化也将推动研究方法的创新和新技术的介入，从主观的“个体感知”走向客观的“定量研究”
从数字双胞胎的角度来看，基于可穿戴相机记录的画面数据，通过整理和分析，可以剥离出个体在物理空间的行为特征，并可以将个体的这些行为特征在时间和空间上进一步数字化，从而构建其在虚拟(信息)空间的数字双胞胎。同时，图片数据中包含的大量物理空间建成的环境元素也可以被数字化并记录在虚拟空间中，从而在物理空间和虚拟空间中反映个体与环境的相互作用。
科技的快速发展不仅极大地改变了人们的生活方式，也影响了城市运行的方方面面。不可否认，新技术的快速发展给城市研究和实践带来了新的机遇，推动了城市规划技术和工具的突破和创新。比如应龙提出的数据增强设计，让规划者借助多维度的城市大数据，对城市做出更加全面准确的分析和规划设计应对。
同时，借助信息通信技术创新，数据存储、挖掘、云计算和可视化的完善也为研究城市提供了新的视角。人们的思维方式从传统的机械思维向大数据思维转变，认知方式也逐渐向体验与现实相结合转变。在第四次工业革命的技术创新下，城市数字孪生和数字自我的概念也将有更丰富的内涵。
参考数据
[1]王鹏:展望未来城市，万物可操作|智慧城市长总结
[2]王鹏:城市数据到智慧城市
[3]龙，于.(2019)。(新)城市科学:用新的数据、方法和技术研究新城市。风景园林前沿，7(2)，8-21。
[4]张，张志祥，&龙，于。(2019)。可穿戴相机在建筑环境中研究个体行为的应用。风景园林前沿，7(2)，22-37。