數(shù)字孿生、圖靈測試和城市模型

邁克爾?巴蒂 林旭輝

摘要：數(shù)字孿生已經(jīng)成為熱門話題，它是計算機在科學理論和實踐發(fā)展過程中的最新階段。如果回到20世紀20年代，“模型”一詞意味著“實物的簡化”或“抽象概念”，當時幾乎不為人知，但計算機一出現(xiàn)，計算機模型首先興起，緊隨其后的是各種模型的快速發(fā)展。在科學領域，理論的概念現(xiàn)在幾乎可以與模型的概念互換。重點闡述計算機或數(shù)字模型背景下數(shù)字孿生的定義，并提出困擾該領域的語義學悖論和難題。圍繞“如何定義一個好模型”，引入圖靈測試的“寬松版本”變體，即簡單地提出“你能看出孿生和真實事物之間的區(qū)別嗎？”這一問題。基于該測試對倫敦數(shù)字模型的應用，建議未來的發(fā)展方向是對同一地點開發(fā)數(shù)字模型的多種版本、示例和應用，從而啟動數(shù)字模型的對比，并為它們的集成提供平臺，以此為信息預測提供更豐富的背景。

關鍵詞：數(shù)字孿生；多模型；城市模擬

文章編號 1673-8985（2023）05-0001-03 中圖分類號 TU981 文獻標志碼 A

0 引言

數(shù)字孿生的概念首先出現(xiàn)在生產(chǎn)工程中，其中“孿生”由格里夫斯[1]在2003年首次定義為物理工件或過程的數(shù)字描繪，用于理解和控制相關流程。這樣的孿生是實物的模型、“簡化”或“抽象”，這一概念通常舍棄了真實世界的大部分內容，只保留工件或過程的本質。在模型和孿生之間的差異程度上，人們普遍認為孿生明確與真實世界“共享信息”，其中信息不可避免地是數(shù)字化的。模型也可以共享信息，但這一點并不是那么明顯。原因在于數(shù)字孿生是在試圖復制物理系統(tǒng)，而比我們在思考城市時所常用的許多模型更接近真實世界。孿生的理念是它以某種方式與真實系統(tǒng)融合，但不會成為真實系統(tǒng)本身。從這個意義上說，孿生作為真實系統(tǒng)的控制器是符合邏輯的。但這也是一個悖論，因為孿生不能與真實系統(tǒng)完全相同，僅僅構建一個與真實事物完全相同的孿生是沒有意義的，否則孿生本身就將成為真實系統(tǒng)。然而，這些定義仍然有些含糊不清，因此語義學上的爭論仍然存在[2-3]，[4]2129-2132 。

本文將更詳細地闡述這些定義性問題。首先，本文會定義“孿生”的概念，并指出可能存在多個孿生、三元組、相同和非相同孿生等不同形式，甚至可能有混合型的孿生，其中既包含數(shù)字體現(xiàn)，又包含非數(shù)字體現(xiàn)。本文會將真實系統(tǒng)的模型或孿生概念進行擴展，即在模型或孿生與真實世界聯(lián)系起來的環(huán)路中將我們自身也嵌入其中。因此，我們無法單獨討論模型，而是需要超越“模型與真實世界接口”的討論，擴展到我們自己如何組織這種虛實并置。隨后本文將進一步探討處理多重模型的方法，隨著計算和分析能力使得我們能夠為同一系統(tǒng)建立多個模型，處理多重模型將變得尤為重要，并且這些模型并不妨礙我們繼續(xù)建模。

在面對一個系統(tǒng)模型時，我們通常會試圖探討該模型與真實事物的“擬合”程度或其估計值的好壞。在計算建模中，如果想知道一個AI表現(xiàn)究竟如何，“圖靈測試”是一個非常好的程序。本文將在構建城市的計算模型時（某些情況下即“數(shù)字孿生”），提出為數(shù)字孿生設計的圖靈測試。本文還將概述英國倫敦大學學院高級空間分析中心（Centre for Advanced Spatial Analysis，CASA）如何就同一地點（倫敦東部的奧林匹克公園）構建出不同的計算模型。這些模型設想都非常不同，因此導向了不同的預測和設計[5]。其中的關鍵挑戰(zhàn)在于“如何整合與同一地點相關的不同模型”以及“為該地點所定義的不同現(xiàn)實到底有多么密切相關”。從這個意義上說，這種挑戰(zhàn)比計算模型本身涉及更為廣泛的內容，因為這關系到我們如何整合各種知識，用于不同復雜性的問題求解[6]、不同類型的規(guī)劃和不同可能的未來。

1 多種定義：數(shù)字孿生和計算模型

數(shù)字孿生的主流概念是：某種物理系統(tǒng)的抽象。從這個意義上說，物理性是“硬”的，而不是“濕”或“軟”的。因此，數(shù)字孿生如果去“映射”以社會經(jīng)濟或人為行為為主的系統(tǒng)，將會困難得多。然而，即使在物理系統(tǒng)中，也很難將數(shù)字孿生限制為純物理表達，因為人類總是以某種方式存在于虛實循環(huán)中，而且通常需要為單個物理系統(tǒng)開發(fā)多個數(shù)字孿生。此外，對于同一系統(tǒng)的多個模型，也總是可以反映出最先構建孿生的人類自身的直覺和行為意圖。戈登·帕斯克[7]在《控制論方法》一書中繪制了一幅精彩的漫畫，揭示了困擾數(shù)字孿生簡單定義的所有難題（見圖1）。

在帕斯克的漫畫中，人類明顯是與傳感器相結合的一環(huán)，這代表了數(shù)字孿生的另一個關鍵特征，即孿生必須在真實物體與其孿生或模型之間進行交互和信息傳遞。此外，在這幅漫畫中，模型從何處開始，真實系統(tǒng)在何處結束，都存在于黑盒中的某個地方，而定義好的模型和孿生的大部分工作就在于在真實系統(tǒng)、更廣泛的環(huán)境、孿生及其環(huán)境，以及貫穿整個系統(tǒng)的人類之間建立正確的關系。

數(shù)字孿生的一個相關特征是：它通常是真實系統(tǒng)的反饋控制器，甚至與真實系統(tǒng)的融合也與控制機制相關，而反過來這又是需要被管理的一部分。數(shù)字孿生與某些模型一樣具有預測能力，但也存在某些模型僅僅具有預測功能，而不能仿真真實系統(tǒng)。也就是說，如果沒有現(xiàn)在或過去的孿生，就不可能擁有未來的數(shù)字孿生。還是說這是有可能的？這一想法還有很多模糊性。最后，需要指出的是，未來可能有許多數(shù)字孿生。單個模型的每個版本都可能是一個孿生，因為一個模型只要不斷調整其元素，就會生成自身的多個版本。同時也可能存在相關的生態(tài)系統(tǒng)，包括數(shù)字孿生、集成孿生、具有不同特性的孿生等。有關數(shù)字孿生還有很多問題有待解決，本文將提出許多開放性問題，去探索這些新的詮釋。

2 模型有多好？孿生有多好？圖靈測試

當我們構建一個模型時，通常需要盡可能地使其接近真實情況。這往往涉及微調和修正參數(shù)值以更接近真實系統(tǒng)，但也可能需要從真實系統(tǒng)本身獲取更多數(shù)據(jù)，以便訓練出更好的模擬結果。目前，我們?yōu)槌鞘幸?guī)劃建立的大多數(shù)模型都與真實城市的豐富性和多樣性相差甚遠，許多模型很難被視為人類生物學意義上的孿生。當我們面對的是一個無法直接觸及的真實系統(tǒng)，為了確定模型或數(shù)字孿生是該系統(tǒng)的優(yōu)良復制品，我們會希望模型的結果與真實系統(tǒng)完全相同。這本質上就是艾倫·圖靈提出的挑戰(zhàn)，用來確定計算機是否能夠模擬人類智能。本文不探討圖靈測試的局限性。簡而言之，該測試就是一個人詢問一個系統(tǒng)的過程，除了提問我們沒有其他方法來了解這個系統(tǒng)。如果系統(tǒng)對問題的回答與我們期望的人類回答一致，那么該系統(tǒng)就通過了測試，我們認為它就是人類。我們可以修改這種測試方法來確定模型的預測是否與真實系統(tǒng)的預測相同。在戈登·帕斯克的漫畫中，如果真實系統(tǒng)輸出的信息與模型輸出的信息相同，那么無論從哪個角度來看，該模型都可以被看作孿生。而要實現(xiàn)這種測試的關鍵問題是需要提問者事先對系統(tǒng)一無所知，但這在筆者看來是不可能的。

帕斯克漫畫的一個特點是他的模型和系統(tǒng)是非常物理主義的。實際上，在城市規(guī)劃領域中，城市的三維表達的出現(xiàn)（通常與社會經(jīng)濟的二維模型并存）使得數(shù)字孿生的概念更加接近我們周圍的現(xiàn)實。下一節(jié)中會展示兩個關于物理表達的示例；另外兩個示例則關注社會和經(jīng)濟系統(tǒng)。到目前為止，還沒有人完全弄清楚媒介表達對于數(shù)字孿生的重要性。它們顯然是數(shù)字化的，但真實系統(tǒng)本身是否可以數(shù)字化，還是必須具有一定的物質性才能使孿生概念具有意義？數(shù)字孿生是否由非數(shù)字和數(shù)字兩部分組成，人類始終參與其中的事實是否削弱了數(shù)字孿生不只是計算模型這一觀點？

3 多個模型和不只一個孿生：同一場地的不同模型

正如引言中提到的，高級空間分析中心的幾位團隊成員正在以2012年倫敦奧運會場館為中心，獨立構建倫敦東部地區(qū)的數(shù)字模型。比較這些模型，甚至整合它們的想法，這在學術上很有趣，在專業(yè)上也彼此相關，因為這些模型關注該地區(qū)的不同方面，而這些方面在未來的規(guī)劃和設計中將彼此交融。模型的焦點是Here East媒體中心，它最初是一座非智能建筑，正被改造成建筑信息系統(tǒng)或模型，用于持續(xù)的數(shù)字化維護和監(jiān)測。該區(qū)域有很多與教育相關的信息技術。整個園區(qū)正在使用三維模型建模，并將實時數(shù)據(jù)導入園區(qū)空間，最近隨著Crossrail高速鐵路的開通，新的交通設施也得到發(fā)展（見圖2）。

筆者的研究涉及一個更大規(guī)模的項目，即在英國的普查區(qū)域尺度上建立土地利用交通模型，每個普查地區(qū)的平均人口約為5 000人。該模型涵蓋了園區(qū)內的所有出行情況，并將這些出行與英國新基礎設施項目聯(lián)系起來。同時，筆者團隊也正在開發(fā)許多其他模型，這些模型本身并不是仿真模型，但是通過數(shù)字信息進行城市分析確實有助于了解該地區(qū)的情況。隨著越來越多數(shù)字模型的構建，愈發(fā)明顯的事實是要試圖找到一個單一最佳模型是錯誤的，或者至少是有局限性的。未來的方向是構建多個模型而不是一個模型[4]2129-2132 。幸運的是，現(xiàn)在的計算系統(tǒng)和數(shù)據(jù)已經(jīng)使其成為可能。

4 開放式問題 ， 有針對性的答案

對數(shù)字孿生在許多領域和地方的更大規(guī)模研究而言，本文只是一個引子。研究者需要更清楚地了解數(shù)字孿生的局限性。毫無疑問的是，數(shù)字孿生吸引了學術界的興趣，各個團體開始考慮用計算模型將不同的想法結合起來，并以數(shù)字化方式加以推進。這些想法可以以無數(shù)種方式展開，但要取得進展，還需要好的范例。有關數(shù)字孿生仍有許多問題有待解決，特別是如何在不同的問題背景下使用同一個系統(tǒng)的不同數(shù)字孿生，無論是針對一個地方、一個行業(yè)，還是一臺機器等。目前，數(shù)字孿生的聯(lián)盟、生態(tài)和系統(tǒng)正在構建和發(fā)展，如何發(fā)揮這些影響并發(fā)展出更好的科學成為一個緊迫的任務。

（這項研究部分由艾倫·圖靈研究所在QUANT2-Contract-CID-381581合約下支持。2023年6月20日至 6月22日，本文的早期版本在蒙特利爾麥吉爾大學舉行的“計算城市規(guī)劃和城市管理會議”上宣講。感謝已故的戈登·帕斯克留下的知識產(chǎn)權以允許本文引用1961年倫敦半徑出版社出版的《控制論方法》一書中的漫畫。）

參考文獻 References

[1]GRIEVES M. Digital twin： manufacturing excellence through virtual factory replication[EB/OL]. [2021-10-14]. https：//theengineer.markallengroup.com/production/content/uploads/2014/12/Digital_Twin_White_Paper_Dr_Grieves.pdf.

[2]BATTY M. Digital twins[J]. Environment and Planning B， 2018， 45（5）： 817-820.

[3]BATTY M. Map is not the territory， or is it？[J]. Environment and Planning B， 2019， 46（4）： 599-602.

[4]BATTY M. Multiple models[J]. Environment and Planning B， 2021， 48（8）： 2129-2132.

[5]BATTY M， HUDSON-SMITH A， SIGNORELLI V， et al. More than one twin： an ecology of model applications in East London[M]//WAN L， NOCHTA T， TANG J， et al. Digital twins for smart cities – conceptualization， challenges and practices. London： ICE Publications， 2023： 69-85.

[6]CALDARELLI G， ARCAUTE E， BARTHELEMY M， et al. The role of complexity for digital twins of cities[J]. Nature Computational Science， 2023， 3： 374-381.

[7]PASK G. An approach to cybernetics[M]. London： Radius Books， 1961.