數字孿生在城市規劃實踐應用中的批判性思考

萬勵 尹犖懿 湯俊卿 張龍飛

摘要：起源于航空制造業的數字孿生概念在2010年代后期引入城市領域，方興未艾。城市數字孿生的快速發展，一方面得益于城市中大量新興數據源的興起和計算機算力的飛躍提升（供給端），另一方面反映了人民對高品質、可持續城市生活的向往，以及城市管理者對提升城市管理能力和城市競爭力的訴求（需求端）。供給端與需求端在表象上的匹配解釋了城市數字孿生市場當下的繁榮。通過對早期“智慧城市”運動的批判性剖析和對國外數字孿生發展近況的簡要綜述，指出期待僅憑數字技術即可解決城市固疾是對城市數字孿生過于簡單化的理解和不切實際的期望。從非技術視角對城市數字孿生的必要性和革新性進行探討，淺析當前城市數字孿生在城市規劃領域應用中面臨的重大挑戰，并對城市數字孿生的未來發展提出若干思考。

關鍵詞：數字孿生；規劃支持系統；城市模型；城市規劃

文章編號 1673-8985（2023）05-0018-06 中圖分類號 TU981 文獻標志碼 A

0 引言

基于實時傳感器和計算機仿真技術的“數字孿生”起源于航空、航天制造業，對宇宙飛船和飛機引擎運行狀態的實時監控是其早期的知名應用案例[1]。數字孿生概念在2010年代后期引入城市領域，方興未艾。城市數字孿生在技術層面與早期制造業數字孿生應用具有很多相似之處，例如基于傳感器的實時數據收集、處理和反饋機制。但是城市作為人類目前已知的最復雜的巨系統之一[2]377，數字孿生在城市領域的應用與其在工程制造領域的應用具有本質性、系統性的區別[3]3，[4]。工程領域的數字孿生對于設備“使用者”“擁有者”和“管理者”的定義通常相對簡單，各個相關方有著較為清晰的角色劃分，因此各自的行為類型也較容易確定。但是城市的“使用者”“擁有者”和“管理者”的身份劃分則相對動態、缺乏明確的角色和責任邊界。在各個身份大類中，通常也包含顯著的差異性，例如一個社區內的所有居民，雖然共享“居民”身份，但是其對待城市數字技術的理解能力、態度、參與以及受影響的程度往往相差極大。同時，工程領域的數字孿生通常不直接模擬制度性要素（institutions），但城市數字孿生作為新興的城市規劃和管理工具，如果缺乏對制度性要素（例如城市規劃的決策和審批流程）的關注和批判性響應，則從本質上失去了對城市施加影響甚至直接控制的合理性和必要性。城市的復雜性給數字孿生帶來的挑戰在文獻中有詳細論述[2]377。

因此，不能把城市數字孿生簡單地理解為工程領域數字孿生的應用場景延伸，它更不是簡單地在城市或基礎設施的物理仿真模型里加入居民或者政府作為參與者。各種行為個體、組織和其他制度性要素是城市復雜系統的重要構成元素，是影響城市現有建成環境和未來發展的決策主體。對決策參與者和受影響者的全面關注，以及對制度性要素的批判性響應是城市數字孿生迥異于工程領域數字孿生的基礎性特征。忽視這些本質區別，將工程領域的數字孿生技術生搬硬套到城市，期待僅憑數字技術（例如可視化、實時交互以及各種優化算法）即可解決城市固疾，這是對城市數字孿生過于簡單化的理解和不切實的期望。

本文通過對早期“智慧/數字城市”運動的批判性剖析和對國外數字城市發展近況的綜述，討論當前城市數字孿生在城市規劃領域應用中面臨的重大挑戰，并對城市數字孿生的未來發展提出若干思考。

1 從“智慧城市”到“城市數字孿生”——重演或進化？

城市數字孿生的快速發展，一方面得益于城市中大量新興數據源的興起和計算機算力的飛躍提升（供給端），另一方面反映了人民對高品質、可持續城市生活的向往，以及城市管理者對提升城市管理能力和城市競爭力的訴求（需求端）。供給端與需求端在表象上的匹配，解釋了城市數字孿生市場當下的繁榮。但這種表象上的匹配并非第一次顯現，其弊端在早期的“智慧城市”運動中已初見端倪。學界對早期“智慧城市”項目在解決具體城市問題方面的局限性已有不少批判性剖析[5]66，[6-9]，簡要總結如下。

第一，早期的“智慧城市”項目（例如智能公共垃圾桶、智能交通燈）往往是“供給端”驅動，以展示技術的可行性為主要目標。技術供應商希望為自己的新產品或服務開辟新的城市市場，因此宣稱新產品或服務可以解決困擾城市管理者和市民的“城市病”。這類項目通常以“試點”的方式，在政府的默許或協助下由技術供應商在有限的時空范圍內測試技術的可行性，并為后續技術優化和創新收集新的數據和用戶反饋。這類項目的常見弊端在于技術方案本身完全以技術為主導，缺乏對問題本源和城市特有的社會、政治和經濟環境（context）的考量[5]73，企圖通過通用的技術方法或工具解決社會問題，忽略了“需求端”內部的差異化訴求和各種隱性約束條件（例如對數字技術的不同熟悉/接納程度）。

第二，早期“智慧城市”項目往往局限在單一的政策領域，例如智慧交通、智慧市政和智慧政務，缺乏對多個城市系統、政策領域或相關方之間相互依存關系（interdependence）的考慮。對于重大的社會發展問題（如新城規劃、低碳經濟）和久治不愈的“城市病”（如交通擁堵、空氣污染），亟需基于多系統、多相關方協同的決策支持系統。受限于政府的部門職能劃分和傳統的學科邊界，跨越多系統、多相關方的城市建模仍有待深入探索。典型的模型案例包括城市土地和交通整合模型[10-13]和城市規劃多主體模型[14-15]。

第三，有些“智慧城市”項目不以解決具體城市問題為導向，而是希望依托“數字化”和“智能化”實現優化營商環境、吸引外部投資、提升城市競爭力等宏觀政策目標[16]。全球化背景下城市間競爭的加劇導致大量城市將“智慧城市”提升為城市發展戰略的一部分。在這類項目中，“智慧城市”的“智能性”不再是單一政策領域或者試點區域的屬性，而轉變為整個城市的標簽；“智慧城市”成為激勵技術創新、吸引創業投資、重整經濟發展的政策口號和代名詞[17]。不可否認，“數字化”和“智能化”為實現上述目標提供了重要的技術支撐，但上述目標實難通過簡單的“技術解”得以實現。對數字技術和“智能化”的片面追求而忽視對制度性要素改革的關注，是“智慧城市”概念政治化的早期典型特征。

數字孿生在城市和重大基礎設施領域的應用在外文文獻中已有不少討論。WAN等[3]29對全球城市數字孿生的前沿案例進行分類、分析和對比研究，其中包含城市數字孿生、區域數字孿生和城市地下設施數字孿生3個案例分類。2018年英國發布的“啟明星原則”（Gemini Principle）[18]為理解和推廣數字孿生提供了一個理論概念框架。該概念框架由業界和學界共同提出，強調數字孿生在城市建成環境中的應用必須遵循3個原則：以具體目標（purpose）為導向，以信任（trust）為基礎，以有效的功能設計（function）為前提。奧雅納[19]發布的城市數字孿生白皮書，通過對多位全球數字技術行業領袖的訪談，提出城市數字孿生應該以新的城市愿景（vision）而非技術為引導，對城市數字孿生的未來發展進行了批判性思考。WAN等[3]126在“啟明星原則”的基礎上進一步深化了城市數字孿生的概念框架，探討了城市數字孿生的獨特優勢和發展挑戰，對數字孿生在城市規劃和管理實踐中的應用提出具體建議。NIEDERER等[20]探討了數字孿生在生物醫藥和工程制造領域從緩慢、昂貴的定制化系統向快速、低廉的工業化生產轉變的難點和潛在路徑，為數字孿生技術的大規模產業應用提供了重要指導。

當下的城市數字孿生熱潮是早期“智慧城市”運動的重演，還是進化后的產物？回答這個問題需要對城市數字孿生的發展有更加長期、深度的觀察。總結早期“智慧城市”運動的經驗和教訓，可以迫使我們跳出單純的技術視角去審視城市數字孿生的必要性和革新性。

2 從非技術視角定義“城市數字孿生”

基于對早期“智慧城市”運動的反思，本章節從“非技術視角”對城市數字孿生的必要性和革新性進行簡要討論。城市數字孿生并非一個全新的概念。一方面，“智慧城市”運動已經為城市數字孿生譜寫了序章；另一方面，運用城市仿真模型進行城市研究、指導城市規劃和管理實踐，自1960年代開始已有數十年的歷史[21-24]。數字技術的飛速發展，無疑為創造城市數字孿生提供了新的技術可能，但是從非技術視角，城市數字孿生的必要性和革新性集中反映在以下3方面。

第一，對城市發展可持續性、韌性的迫切需求促使城市管理者跳出傳統的行業或學科邊界和決策方式，希冀從復雜適應系統（complex adaptive systems）[25]的視角去理解城市運行和發展的規律，強化基于實證的政策制定模式。城市數字孿生作為最新的城市尺度仿真建模概念，為城市管理者的政策需求提供了有力響應。相較于傳統的、基于單一學科/政策部門的城市仿真模型（如交通模型、能源模型），跨學科、跨領域是城市數字孿生的一個特有優勢。城市數字孿生可以對多源、異質數據進行有效的相互匹配、驗證和融合，從而為多系統、多尺度建模提供有力數據支撐。多系統、多尺度建模雖然增加了模型的數據要求和建模復雜性，但在應對復雜的政策問題時，例如城市危機應急響應（短期）和城市新區的選址和產業規劃（中長期），能有效識別系統風險，提升多部門協同決策的能力（如自然災害中的市政、交通、醫療和電力部門的協同，新城/新區開發項目中產業發展與住房、公共服務配套供給之間的協同）。跨越多系統、多尺度的風險識別和管控是城市數字孿生有別于傳統單一領域城市模型的革新性特征。

第二，城市數字孿生可加快政策效應評估的頻次和質量。在前一時期快速的城市化進程中，城市規劃決策的滯后性（如住房增長與人口增長的脫節）和復雜的附帶效應（如快速發展地區對周邊區域的虹吸效應）日益顯現。為進一步提升規劃政策的時效性、減少負面附帶效應，對規劃政策的短期和中長期效應進行及時、系統、持續的評估尤為重要。有效的政策效應評估能夠及時發現政策設計中的不足、收集市場反應彈性的實證數據（如房屋限價政策對住房供給和銷售量的影響彈性）并通過政策設計的迭代積累寶貴的政策經驗。城市數字孿生及其背后的數據收集基礎設施為加快政策效應評估的頻次和質量提供了新的實施平臺。例如，在工業園/科技園開發項目中，實時收集企業入駐、投資強度、稅收繳納、研發投資和園區土地利用數據，通過數學建模識別影響園區土地需求和利用效率的關鍵因素，能夠幫助園區管委會針對企業的特定行業和特定的發展階段制定差異化的土地管理政策，在滿足企業發展需求的同時提升土地利用效率。

第三，城市數字孿生的可持續發展不僅僅是一個單純的技術成熟過程[26]，更依賴于城市數字孿生的技術創新與孿生系統的開發者、使用者、管理者和受影響者共同進化。社會技術（socio-technical）系統理論[27-28]為理解城市數字孿生的潛在發展路徑提供了一個合適的概念框架。該概念框架指出，大規模技術變革的出現和傳播并非單純由技術本身的功能特征所決定，而是技術與其所處的社會系統相互作用的結果。主動或被動造成的社會系統的變革為技術大規模應用創造了條件。從該理論框架出發，城市數字孿生相較于早期“智慧城市”運動的另一革新性在于其驅動城市規劃制度性優化的能力。

3 當前“城市數字孿生”發展的3個問題

3.1 缺乏以具體問題為導向的數字孿生系統設計

從方法論的角度，城市數字孿生的典型工作流程是以遞進、迭代的方式，分析問題、定義問題、對可能的解決方案進行情景模擬和社會試驗，然后針對模擬和試驗結果進行檢驗和方案優化，最終實施反饋并持續監測。因此，一個有效的城市數字孿生必須以解決具體場景下的具體問題為導向，動態選擇信息收集、分析和展示的對象與精度。數字孿生系統設計的核心是制定科學、合理的決策流程鏈條，并建立與之相匹配的數據收集和分析功能。但是當前城市數字孿生常常過于強調數據的收集和展示，特別是對可視化技術的盲目追捧，忽略了對具體政策問題的關注和對現有決策流程的批判性審視。很多城市數字孿生系統實為數據可視化平臺，缺乏在不同源數據集之間進行選擇、校驗和融合的功能，因此難以在具體的城市規劃決策中發揮實質性的支撐作用。

值得說明的是，基于實時數據的可視化平臺是城市數字孿生系統的重要組成部分，在某些應用場景下（例如實時交通監控）可以發揮重要的作用。但在其他場景下，特別是與城市中長期發展相關的戰略問題上，城市數字孿生應該超越描述性（基于相關性）工具的屬性，向基于因果關系的解釋性、預測性工具轉變，通過系統建模揭示影響政策效應的結構性要素及其相互關系。

3.2 將城市數字孿生建設等同于軟件采購

城市數字孿生并非一個獨立的通用技術，因此不能僅憑“模版”或者軟件的形式在不同的城市或政策場景之間快速復制。城市數字孿生的設計和運行應充分考慮各類型的約束條件（如決策流程、權責分配、人力資源配置和技術支撐），需要數字孿生的開發者、使用者和受影響者等多方參與者的高度協同和長期配合。孿生系統需要伴隨技術、使用功能和制度的變革而進化，模型算法的優化應建立在對政策問題和決策流程深刻認識的基礎上。

現有城市數字孿生平臺的開發常以政府采購的方式，由軟件開發商提供開發服務。城市數字孿生作為一個新興概念，城市管理者在制定招標文稿時，通常難以對孿生平臺的數據資源、具體功能和后續擴展性做出準確的定義。對于具體用途的模糊定義導致現階段的城市數字孿生重現早期“智慧城市”項目中“供給端主導”的弊端。軟件開發商，特別是城市數據大屏的供應商，為控制開發成本和縮減開發周期，常采用通用模版和靜態數據輸入，僅在用戶界面上做出微調，后臺架構無法對數據進行有效甄別，缺乏與實際決策流程的交互接口，導致城市數字孿生平臺“好看不好用”。

在某些政策場景下，數字孿生還應該發揮驅動變革的作用，通過政務信息化，披露決策過程的短板、強化權責分配，倒逼低效、落后的決策制度進行改造升級。城市數字孿生驅動制度性變革的能力在近期的國土空間規劃改革[29-30]和一體化政務大數據體系[31-32]建設中已經初顯成效。值得指出的是，上述案例中的技術平臺雖然不全冠有“數字孿生”之名，但其包含的數據收集和融合功能均有數字孿生平臺的雛型。這些技術平臺的開發和應用在一定程度上激勵了制度性變革，同時是制度性變革的產物。

3.3 對城市數字孿生“系統優化”和“實時性”的過分吹捧

當前城市數字孿生過于偏向新數據收集，過于強調對復雜城市問題（如交通擁堵）進行基于工程學的“系統優化”。在城市數字孿生的開發早期出現常見數據“越多越好，越精細越好”的片面觀點。建立城市數字孿生不應盲目求大求全，應以具體問題為導向，動態定義數據收集的時序、廣度和精度。在常規應用場景下，應該優先利用現有數據源，通過深度挖掘和多源融合，識別現有數據資源和收集機制的不足，然后進行有針對性的補充和持續評估。與此同時，城市管理者和人民對城市數字孿生解決復雜城市問題的能力應該保持批判的眼光。一方面，數字孿生城市提供了一個極具潛力的決策模擬環境，可以測試各種可能的解決方案并進行整合優化；另一方面，很多城市問題的癥結不是技術缺陷，常常涉及復雜的歷史、制度性因素，因此單純技術層面的“優化”實難奏效。基于數理的系統優化雖然對政策制定具有一定的參考性和啟發性，但復雜算法的應用會同時加劇模型的“黑箱”問題。在公共政策領域，模型“黑箱”會直接導致權責不明、擴大決策風險，更嚴重的會導致城市數字孿生淪為“領導意志”的解釋工具。面對層出不窮的優化算法，運用數字孿生模型進行跨越單一系統/維度的政策風險識別可能比系統優化更具實踐意義。系統性風險在城市規劃領域的典型實例包括城市無序擴張或過度集聚、城市公共服務資源配套的短缺或失衡等。

另一個相關聯的問題是對城市數字孿生“實時性”的盲目追求。工程制造業數字孿生系統對工況的監測和控制通常需要較高的時間精度（如秒或毫秒級）。這樣的數據精度要求反映了工況發生改變的速率。隨著數字孿生進入城市領域，開發者和使用者會自然而然地期待城市數字孿生系統也具有高精度數據采集的功能。但城市數據精細到什么程度才算足夠精細？是否越精細越好？本文提出城市數字孿生的實時性是一個相對概念[33]，數據的采集精度應該與數字孿生系統所應對的政策問題的變化速率相匹配，不可盲目追求“實時性”。例如城市住房市場（特別是供給側）的變化相對緩慢，因此周或月度數據即可滿足大部分政策分析需求，而城市交通和市政基礎設施的需求變化相對快速，因此需要更加精細（例如每分鐘或每小時）的數據輸入。忽視具體的政策問題和決策需求、盲目追求“實時性”會導致采購、實施和維護成本的增加，增加不必要的系統復雜性。

4 若干思考

展望城市數字孿生在支持城市規劃，特別是中遠期戰略規劃中的應用前景，本文提出以下若干思考。

4.1 運用城市數字孿生解決規劃決策中出現的層級混淆與矛盾問題

城市規劃決策常常涉及多種不同的時空和行政維度，從城市、城市圈尺度的戰略規劃、中觀尺度的分區規劃和城市設計，到微觀尺度單一項目的規劃與審批，城市規劃決策具有顯著的層級特征。但在實踐中，上述決策內容往往出現層次混淆的問題，例如依照低層級數據做高等層級決策，或做低層級決策時忽視高等級決策約束。在高層級決策中過度追求數據的精度會增加不必要的數據收集和處理負擔；在低層級決策時依賴高度集成的數據資源會犧牲決策精度和響應時效；無視高層級約束條件，更是會讓決策失去合理性和合法性。針對這些問題，城市數字孿生可以在兩個方面助力變革。一方面，依托數字孿生的開發過程，逐步梳理、明確各決策相關方的角色定位和權責分配，對決策流程和時序進行批判性提升，促進多職能部門的協作和相互監督。另一方面，通過搭建不同尺度、不同問題的城市數字孿生體系，對規劃空間分析單元和相應數據流進行分類、分級。在我國大量城市正在進行的城市更新是典型的多層級規劃決策實踐，通過數字孿生對項目進行多時空維度、全生命周期的成本—效益和風險評估，將有助于數字孿生城市“落地生根”。

4.2 引入市場競爭機制， 建立一套城市數字孿生平臺的功能性評價體系

依托數字孿生城市，建立系統的城市數據安全分享體系，以此激發規劃決策公共參與、群智群策，并支持相關行業的技術創新。參照國際經驗，通過開放平臺分享城市數據不僅可以增加城市規劃和管理工作的透明度，還可以帶來巨大的社會經濟效益。在城市大數據收集和研究領域，我國走在世界前列，具有顯著的制度優勢。城市數字孿生一方面應充分發揮既有數據優勢，深耕基礎算法和模型功能，另一方面，通過有效的頂層設計強化數據安全和個人隱私保護，為開拓國際化市場鋪平道路。開放數據平臺和相應的數據分享、交易機制的建立，還可以催生城市數字孿生技術的市場化競爭。一座城市、一種功能可以且應該有不只一個數字孿生系統，希冀一個數字孿生系統可以覆蓋所有的城市政策領域是不現實的。多種孿生系統的良性競爭可以激勵技術進步并降低城市孿生服務的開發和使用成本。目前國內的城市數字孿生市場，特別是在可視化平臺建設上，存在大量低效、同質競爭。各種可視化平臺多在“可視化”這個層面進行相互模仿，而不是在支持、優化決策流程這個核心功能上突破創新。為引導城市數字孿生產業發展、鼓勵行業創新，應盡快引入透明的市場競爭機制，建立一套城市數字孿生平臺的功能性評價體系，并擴展行業上、下游建立一個城市數字孿生的生態系統。

4.3 城市數字孿生系統應著力關注規劃決策理念、流程和制度創新

城市數字孿生技術諸多革新性優點的實現不能僅僅依靠技術層面的提升，必須依賴所服務或受影響的對象和制度做出相應改變，實現社會系統和技術系統的相互作用、共同進化。在城市規劃領域，特別是戰略規劃層面，決策者需要改變傳統的規劃決策理念和方法，積極探索新的、基于實證研究的決策支持。通過政策后評估的手段，對決策過程和質量進行總結反思，將所積累的經驗在其他項目中加以驗證和提煉。城市在投資數字孿生系統時，應摒棄技術決定論，著力關注規劃決策理念、流程和制度創新。觀念和制度上的轉變是數字孿生城市能夠可持續發展、發揮其革新性優勢的必要條件。

5 結語

城市數字孿生作為下一代的城市研究和治理工具，具有廣闊的前景。但是無視城市系統自身的復雜性、照搬數字孿生在工程制造領域的方法論，將極大限制城市數字孿生的適用性，甚至動搖其服務于公共政策的合理性。為了讓城市數字孿生擺脫“技術炒作”的質疑，真正助力城市規劃和管理實踐，城市數字孿生亟需一個合適的理論框架。基于“社會技術”系統理論，筆者指出城市數字孿生建設是一個開發者、使用者和受影響者共同生產（co-produce）、共同進化（co-evolve）的過程，而不是一個靜態的、可簡單拷貝的“軟件”。數字孿生系統設計的核心是制定科學、合理的決策流程鏈條，并建立與之相匹配的數據收集和分析功能。除了支持現有決策流程外，城市數字孿生建設還有潛力成為城市規劃制度性變革的新驅動力。對決策參與者和受影響者的全面關注，以及對制度性要素的批判性響應是下一階段城市數字孿生發展應關注的重點。

（感謝奧韋·奧雅納基金（The Ove Arup Foundation）對劍橋智慧基礎設施建設中心“轉型中的數字城市”（DC2-Digital Cities for Change）項目的資助，以及對本文的幫助。）

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