數字孿生（Digital Twin），亦稱為“數字雙胞胎”，是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。

數字孿生最為重要的啟發意義在于，它實現了現實物理系統向空間數字化模型的反饋。美國國防部最早提出利用數字孿生技術，用于航空航天飛行器的健康維護與保障。

數字孿生技術的引入是 21 世紀最具開創性的創新。如今，數字孿生技術已在各個經濟領域得到直接應用，尤其是在制造、醫療保健等領域。最近，AEC（Architecture, Engineering & Construction）行業也表現出創建數字雙胞胎以解決業務無組織性的傾向。

這種未來技術的采用使我們能夠從一次構建一塊磚塊轉變為一次構建一個區塊鏈。建筑師、城市設計師和城市規劃師正在使用該技術創建建筑環境的虛擬世界復制品，以了解他們工作的長期可行性。

? Digital Twins of Water Cube Pilot, ARUP

數字孿生的歷史

數字孿生技術的第一個描述可以追溯到 David Gelernter 1991 年出版的??《鏡像世界??》（Mirror Worlds）一書中，他在書中探討了計算技術對未來世界的影響。然而，數字孿生的概念和模型是由邁克爾·格里夫斯于 2002 年在密歇根州特洛伊舉行的制造工程師協會會議上首次公開介紹的。他提出了數字孿生的概念作為產品生命周期管理的研究模型?！皵底謱\生”一詞是 NASA 的 John Vickers 在“2010 年路線圖報告”中正式發明的。

? Microsoft – Azure Digital Twins

數字孿生如何工作？

數字孿生技術是由數據驅動的。傳感器網絡獲取數據以創建物理世界的虛擬副本。數字孿生的框架由三部分組成：

• 實物——真正的產品
• 虛擬對象——數字克隆產品
• 物理和虛擬對象之間的連接——從物理產品流向虛擬產品的數據以及從虛擬產品到物理產品提供的信息

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? Challengee Advisory

如上圖所示，如此創建的數字孿生可用于通過其完整的生命周期了解已建成和未建成環境的特殊性。結合其他信息來源分析數據有助于了解研究相應主題的起源并對其未來進行預測。

通常，基于用戶界面和可視化，數字孿生和3D建模之間有相似之處。然而，區別它們的是數據因素。雖然3D建模僅限于提供對象的視圖，但數字孿生提供了對象的視圖和實時數據。數字孿生在探索各種環境條件在一段時間內將如何影響對象方面更進一步。

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? ArcGIS

數字孿生如何改善城市規劃？

當前，世界正在快速城市化，預計??全球 56% 的人口??居住在城市。因此，城市需要為大規模人口涌入做好充分準備。但是，鑒于世界上大多數城市地區的無限制增長，數字孿生可以在數據分析的幫助下幫助簡化城市發展。通過創建城市的數字雙胞胎，人們可以在現實世界中虛擬測試和制定政策、設計規則和施工方法。數字孿生的采用可以徹底改變城市的設計、運營、維護和維持方式，以提高市民的生活質量。

有效的政策制定

市政當局和其他地方管理機構可以通過使用數據進行規劃、最終確定投資策略和發現機會，從數字孿生技術中受益。他們可以在虛擬世界中模擬提議的政策，并在在現實世界中實施之前研究其影響。在全球范圍內，新加坡、赫爾辛基和阿拉伯聯合酋長國等城市正在投資數字孿生技術，以實現從可持續發展到以交通為導向的發展、建設改造項目和虛擬旅游范圍等各種目標。

? Courtesy of Singapore Land Authority

緩解環境風險

隨著全球變暖和氣候變化的驚人增長，數字孿生技術可以幫助繪制未來環境及其對城市的影響的地圖。虛擬城市中的海平面上升和構造板塊運動等數據可用于指導實體城市的發展。通過評估風險，城市可以更好地為減輕洪水、地震、海嘯和颶風等自然災害做好準備。??

審查建筑結構穩定性

由于建筑質量低下，建筑物倒塌已成為城市的日常事務，導致生命和資源的損失。在開始物理施工過程之前創建數字孿生有助于確定建筑材料和實踐的適用性。這將有助于創建安全和健康的社區，幫助城市社區繁榮發展。市政當局可以使用這些數據對舊建筑的結構強度進行審查，從而及時撤離社區，以防止任何物理損壞。

節省能源和運營成本

從數字孿生中獲得的數據可用于優化建筑服務系統，這將有助于降低結構的能源消耗和運營成本。城市規劃者還可以確定建造屋頂以利用太陽能為建筑物供電的潛力。在數字孿生城市中始終可以探索可再生能源的全域，以幫助減少城市熱島效應并提高建筑物的自給自足能力。

? Ton De Vries – YouTube

完善基礎設施網絡

借助來自數字孿生城市的數據，交通規劃人員與城市規劃人員一起，可以確定實體城市中出現瓶頸和交通擁堵的可能性。天橋和道路擴建的需求可以通過識別公路汽車的增長來預先確定。可以優化測試和設計大眾捷運系統 (MRTS) 增強城市公共交通的效力，以適應城市擴張。

虛擬旅游

數字孿生的可能性并不僅限于城市規劃的技術性，而是進一步探索虛擬旅游的創收。雖然市場上已經提供了街道和建筑物的 360 度全景視圖。數字孿生使這項技術更進一步。在數字孿生中，人們可以做的不僅僅是查看一個地方。他們可以購物、玩耍、學習，甚至成為虛擬城市的公民。

例如，??Virtual Helsinki??是赫爾辛基市中心的數字雙胞胎，由 Zoan 以高品質 3D 虛擬現實技術創建，人們可以虛擬訪問和進行活動。虛擬旅游通過讓人們在舒適的家中體驗世界，促進了一種可持續的生活方式。

數字孿生案例

雖然許多國家尚未探索數字孿生技術的潛力，但新加坡已經為其虛擬外觀創建了一個現場測試案例。城邦模型包括 300 萬張街道拍攝的圖像以及 160,000 張空中拍攝的圖像。超過 10 億個數據點以 3D 形式繪制，相當于 100 TB 以上的數據。該模型的基礎將依賴于 14 個核心數據集，包括土地利用、樹木覆蓋和地下公用設施。整個島嶼將使用航空和街道測繪工具不斷繪制地圖，以保持數字孿生的相關性并與新加坡的發展保持一致。

? AEC Magazine

憑借其數字孿生，新加坡設想解決其長期存在的城市熱島效應問題。虛擬城市將用于研究城市新建筑開發的可行性及其對周邊環境的影響。政策制定者還將研究識別潛在基礎設施陷阱的模型，并為未來的新加坡提出適當的解決方案。未來，新加坡還計劃通過數字取證和自動駕駛汽車和機器人的場景規劃，利用數字孿生重建事故場景。

綜上所述

數字孿生技術的優勢鼓勵全球 IT 領導者努力推進數字孿生軟件。領先的 IT 巨頭，即微軟、GE Digital、西門子和Dassault Systemes，已經創建了數字孿生軟件。AEC 行業的創新者，例如 Cityzenith，已經推出了專門針對建筑環境的數字孿生軟件程序。另一個領先的數字孿生軟件是 SmartWorldPro，它有助于建筑物和其他房地產形式的設計和管理。

在城市規劃中使用數字孿生技術可以提高利益相關者的決策能力。它為一個更可持續、以人為本、有組織和令人向往的未來城市建立了希望。