9月7日，2023腾讯全球数字生态大会数字孪生专场在线举行。胡昂院士作题为《数字孪生创造未来价值》特邀演讲。分享数字孪生在智慧社区、智慧TOD枢纽、智慧防灾、智慧商圈与智慧观光领域的应用案例。以下是演讲全文。

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什么是数字孪生？

数字孪生是某一对象或系统完整生命周期的虚拟再现。它通过实时数据的持续更新，结合模拟、机器学习和推理等技术来辅助决策，旨在准确地模拟物理对象的虚拟模型。这一技术要求被研究的对象配备各种传感器，传感器所产生的数据被传送至处理系统，并映射到数字副本之中。通过在虚拟模型中进行模拟运行，调查性能问题，从而在真实世界中进行潜在的改进。

数字孪生技术的历史，可以追溯到上世纪末1991年，耶鲁大学计算机科学家大卫·格莱尔特（David Gelernter）在他的著作《镜像世界》（Mirror Worlds）中首次提出了数字孪生的概念。到2002年，时任密歇根大学教员的迈克尔·格里夫斯博士将数字孪生的概念应用于制造业，并正式将其命名为数字孪生软件概念，这一概念才开始引发广泛的关注和赞誉。

随后不久，美国国家航空航天局（NASA）的约翰·维克斯（John Vickers）在2010年提出了“数字孪生”这一新术语，将该概念进一步推向更广泛的舞台。随着技术的不断发展，数字孪生技术正逐渐成为各个领域中的重要工具，为创新、研发和问题解决提供了全新的途径和可能性。

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数字孪生的优势和特点

数字孪生能够从更广泛的角度来分析各类问题，这是与传统模拟最显著的区别之一。这正是数字孪生的强大之处，通过将各个领域持续更新的数据与虚拟环境相关的额外计算能力相结合，数字孪生在改进产品和流程方面具有巨大的潜力。而在不同类型的项目中，数字模型的应用都能够带来显著的优势。随着数字孪生技术的发展，其在多个行业得到应用，需求将持续不断地增长，前景非常广阔。

*来源 网络

DTC，即数字孪生计算（Digital Twin Computing）的缩写，通过将数字孪生模型与计算相结合，实现跨部门间的价值创造。数字孪生技术通过实时地获取现实世界的数据，并将这些数据反馈到真实环境中，从而在虚拟空间中精确地再现物理世界。

综合来说，数字孪生技术拥有以下几个方面的独特能力：

实时数据反馈和模拟能力： 数字孪生技术可以实时地获取物理世界的数据，如交通流量、环境传感器数据等，然后将这些数据反馈到数字孪生模型中，实现虚拟空间中的精确模拟。在智慧城市中，实时数据对于做出及时决策至关重要，比如交通管制、环境监测等，而数字孪生计算可以为这些决策提供准确的数据支持。

*来源 Plateau

跨部门协作和价值创造： DTC强调数字孪生模型与计算的结合，这为不同部门之间的协作创造了机会。在智慧城市中，各个领域如交通、能源、环境等都紧密相连，需要跨部门合作来实现整体优化。数字孪生计算可以为不同部门提供一个共享的虚拟环境，促进协作和价值创造。

*来源 Plateau

精细化管理和优化：数字孪生技术可以在虚拟环境中模拟各种场景和情况，从而进行预测、分析和优化。在智慧城市中，这种精细化管理和优化可以应用于城市规划、交通流量控制、能源消耗管理等方面，从而提高资源利用效率和城市的可持续性。

*来源 Plateau

创新测试和验证：在数字孪生环境中，可以对新的政策、项目和技术进行虚拟测试和验证，以评估其潜在效果和影响。这在智慧城市的发展中具有重要意义，可以降低实施新策略的风险，同时加速创新的推广。

*来源 Plateau

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数字孪生与智慧城市

由于数字孪生计算（DTC）以上的特性，其特点与智慧城市的目标高度契合，被适用于通过整合先进技术和数字化手段来提高城市的效率、可持续性和居民的生活质量的智慧城市的推进与发展。

各发达国家例如日本相继推出城市虚拟模型，例如日本国土交通省的"PLATEAU 项目"。这个项目在全国范围内开发三维城市模型和开放数据，促进城市的数字化转型。而东京都政府积极响应国家政府的号召，将数字化转型战略融入其城市规划中。在2020年2月，东京都政府发布了"智能东京实施战略"，其中强调通过促进数字孪生技术的应用，支持实现东京智慧城市的目标。

在数字孪生的城市虚拟模型中，物理对象或系统被配备了多种传感器，这些传感器与关键功能区域相关联。这些传感器能够生成有关物理对象各个方面特性的数据，如能量输出、温度和天气状况等。这些数据被传送至处理系统，并在数字孪生的复制模型中进行反映。

通过实现这样的数字孪生系统，可以提高城市政府的服务质量（QOS），从而提高市民的生活质量（QOL）。数字孪生系统的应用有助于决策和政策制定，优化资源配置，提高市民的生活便利性和幸福感。这一目标体现在改善城市政府的服务质量，进而提升市民的生活质量。

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数字孪生的实践案例

案例一 智慧社区

（车站周边城市更新市民参与型系统平台开发）

广岛站周边地区创造一个可持续发展和充满活力的社区。在2006年，广岛站周边地区的再开发工作开始，为了实现这一目标，两个地区管理小组分别在车站的南北两侧展开了社区发展活动。他们的目标是为该地区创造一个安全、可靠、舒适的环境，并提升地区的价值。然而，实现可持续发展面临着一些挑战，如提高地区管理小组及其活动的知名度、确保运营资金等。

因此，在本次验证实验中，当地将开发和改进地区建立成了公开信息平台，使其成为一个网络系统，能够让负责人登记、管理、整合、共享和可视化地区管理活动和信息。使用三维查看器和仪表板无缝连接来提高操作性、设置信息公开级别、通过智能手机使用和更新信息。另外增加外部分享功能，构建无需代码即可进行数据管理的管理员界面，并增加通过智能手机访问的功能。在将来，还将开发一个智能手机网络应用程序，使地区管理组织负责人和当地居民能够通过智能手机注册并查看地区管理活动和信息。

*来源 Plateau

在地区管理领域实际应用这一系统，毫无疑问提升了地区管理团体的活动水平，增强了其对外传递信息的能力，降低了信息共享成本，促进了更多利益相关者参与地区的城镇开发活动。此外，计划将该系统以开源软件的形式进行开发，以在全国范围内的地区管理团体中推广和普及，为社区创造一个更加可持续和充满活力的发展环境。

迄今为止，我们生活的城市都是围绕着建筑物和道路等硬件建设起来的，城市发展的实践可能不仅仅是展示新的生活方式和工作方式，而是展示一种新的社区形式，和有吸引力的内容和空间。通过尊重每个人的个性，并将其结合起来，创造一个让每个人都能过上自己生活的环境，就能创造出一个丰富的社区。

案例二 智慧TOD

（三维地图导航系统开发）

*来源 Plateau

当前复合型城市内的信息，如地图信息、商店信息、运营信息、商店和设施的使用信息等，由各设施管理者分散管理，缺乏一个整合这些信息的平台。这导致游客和城市规划机构难以集中获取信息，增加了获取信息和达成决策共识的成本。

该示范项目旨在通过开发三维地图基础设施，利用三维城市模型将车站、地面区域和地下通道进行无缝连接，以解决上述问题。在车站和地下通道方面，东京站周边设施的管理者将提供地理信息系统数据、三维车站地图、BIM模型等数据，将其重建为三维城市模型的地下商场模型。此外，周围七座建筑的BIM模型也将由各设施管理者提供，并以此开发LOD4建筑模型。地上部分则将利用现有的三维城市模型。通过整合这些数据并添加设施信息等，将开发包括地下商场在内的整个区域的三维地图基础。

*来源 Plateau

开发的三维地图数据库将作为现有的"东京站导航"应用程序的基础数据，该应用将进行修改以加入附加功能，如三维路线导航、AR导航以及正常和灾难情况下的信息发布系统。此外，该系统还将能够管理运营信息、商店和储物柜的空置情况、发生灾害时的主要避难场所以及为难以回家的人提供的设施等，以便向城市游客发布信息，并与城市发展相关人员共享信息。

在未来，新的"东京站导航"将成为一个综合信息发布工具，无论在平常时还是在发生灾害时，都能为居住在该地区的人们提供信息，为城市发展和地区管理活动做出贡献，从而实现地区的安全、安心和舒适。

案例三 智慧枢纽防灾

（区域管理）

*来源 Plateau

本次验证实验创建了目标区域的三维城市模型，包括建筑物内部的LOD4建筑模型、目标区域周边地区的LOD2建筑模型、行人平台模型、道路模型等。为了处理基于地理坐标的三维城市模型，创建的数据被转换为3DTiles（一种用于网络GIS的渲染格式），然后使用虚幻引擎（UE）插件将其加载到UE中。模拟中的人流模型是使用UE提供的人群控制算法（Crowd Manager）和导航系统的寻路算法建立的。

为了处理大量的模拟数据，该项目对系统的性能进行了调整，例如对角色移动过程进行多线程处理，减少角色动画过程。为了提高系统的可扩展性和便利性，项目还开发了在云服务器上运行模拟和渲染的机制。生成人流的方法是在UE的编辑器上设置人流的起点和终点，并设置要生成的字符数。

*来源 Plateau

为了分析和可视化模拟结果，如人流密度（路线和目的地）和运动完成时间，UE计算出的模拟日志以CSV文件形式输出，由AWS的分析管理服务（AWS Glue、Athena和QuickSight）进行处理。此外，该项目还开发了一个重放应用程序，可以重放UE中的模拟运行，使用户能够考虑从分析结果中提取的问题。

为了向更多参与城市发展和区域管理的人员传达疏散图像，该项目还开发了一种用于根据模拟结果创建视觉效果（静态和动态图像）的机制。用于创建视觉效果的渲染是一个独立于模拟环境的系统，因此可以高效地开展分析工作和文档编制工作。根据2021年度制定的"品川地车站地区城市再生安全保障计划"（以下简称"安全计划"），利用开发的模拟环境模拟了品川车站北周边地区的"灾害发生后3小时内向室内外广场等临时避难所的避难"和"从车站向室外广场等临时避难所的避难"。这些模拟结果对安全计划的可行性进行了验证和讨论，并对现行计划中的课题进行了深化和衍生对策。这些都被汇编成资料，在作为计划实施机构的高轮港湾站地区广域合作联络委员会安全保障工作组（以下简称安全保障工作组）上进行了共享和讨论，并对模拟的实用性进行了评估。

*疏散期间人流从地板到楼梯  来源Plateau

参与用户的意见

安全和安保工作组的成员认为模拟环境能够增强灾难情景的想象力，有助于建立共识，提升备灾工作的效果。他们认为模拟环境的应用可以在平时促进成员间的合作，并丰富该地区的备灾计划。其他地区听证会的参与者也认为模拟环境在城市规划和地区管理方面非常有用，易于理解和应用。他们认为模拟环境的发展方向应该是增加应用案例，并关注如何设置模拟的命题。

未来展望

该项目计划在确定模拟环境的实用性后，除了在示范区继续使用之外，扩展到其他区域的房地产开发商和区域管理组织。他们希望在模拟环境方面解决一些问题，包括参数设置、模拟运行时间、自动检测异常情况等。此外，他们还计划开发用户界面和用户体验，使模拟环境成为通用工具，方便非工程人员使用。整个模拟环境的发展将在各种防灾计划中起到促进作用，为城市规划带来更多的数字化支持。

这个案例反映了模拟环境的实际应用和未来发展的方向，对于提高防灾和城市规划的效果具有重要意义。

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