前言
在過去的幾周中，我們介紹了數(shù)字孿生的概念及其在電網(wǎng)中的應用。簡單來說，數(shù)字孿生，是指對于物理世界中的物體，通過數(shù)字化的手段來構建一個與數(shù)字世界中一模一樣的實體，借此來實現(xiàn)對物理實體的了解、分析和優(yōu)化。今天為大家介紹數(shù)字孿生的另一種應用場景，看看數(shù)字孿生如何用于建設智慧民主城市。
城市是經(jīng)濟，生態(tài)和社會交織的復雜系統(tǒng)，不同利益團體、公民的觀點和利益存在分歧。在數(shù)字化轉(zhuǎn)型時代背景下，城市的復雜性不斷提高，對數(shù)據(jù)管理的要求越來越高，對流程透明性的需求也越來越高，市民參與制定流程的需求也相應增加。因此，在城市規(guī)劃領域，需要能夠通過參與和協(xié)作過程來增強市民參與，建立民主城市。傳統(tǒng)的規(guī)劃工具和方法無法解決城市系統(tǒng)的復雜性，也無法解決市民的需求和要求。來自斯圖加特高性能計算機研究中心和德國Fraunhofer研究所的團隊以3萬人的小城鎮(zhèn)黑倫貝格為例，打造了城市數(shù)字孿生的原型，并通過虛擬現(xiàn)實的方式向公眾展示。調(diào)查結果表明，這種方法和技術大大有助于增強參與性和協(xié)作性過程，成為城市規(guī)劃者，城市設計師和公眾的協(xié)作和溝通工具以，為城市規(guī)劃決策提供支持。
城市背景介紹
黑倫貝格（德語：Herrenberg）是德國巴登-符騰堡州的一個市鎮(zhèn)?？偯娣e65.71平方公里，總?cè)丝?1249人。小鎮(zhèn)經(jīng)歷了快速的城市發(fā)展，特別是在工業(yè)化時期和第二次世界大戰(zhàn)之后。黑倫貝格由市中心和分散的城市邊緣組成。然而，由于早期的規(guī)劃決策，其市中心的環(huán)境受到汽車交通的強烈影響。因此，城市環(huán)境受到排放和噪聲的嚴重影響，尤其是圍繞市中心的三條主干道。研究團隊希望通過數(shù)字孿生，實現(xiàn)一種改進協(xié)作計劃過程的新方法。
圖1：黑倫貝格風光
城市數(shù)字孿生的實現(xiàn)方法
研究人員采用的是經(jīng)驗和計算的混合方法。在這項研究中，研究人員開發(fā)了城市數(shù)字孿生的原型，并在虛擬現(xiàn)實中對其進行了可視化處理，以支持參與式和協(xié)作式規(guī)劃與設計過程。具體包括以下八項內(nèi)容：
（1）建筑環(huán)境的3D模型；
（2）根據(jù)空間句法理論，建立街道網(wǎng)絡的數(shù)學模型；
圖2：數(shù)字孿生中的行人路線和空間句法理論模型
（3）使用SUMO進行城市交通模擬；
（4）使用OpenFOAM進行氣流模擬；
圖3：可視化的顆粒物和風流模擬
（5）使用來自傳感器網(wǎng)絡的經(jīng)驗定量數(shù)據(jù)進行的污染模擬；
（6）行人和騎車人的路線的經(jīng)驗定量數(shù)據(jù)；
（7）經(jīng)驗定性社會數(shù)據(jù)，表明對城市感知；
（8）影像文件。
圖4：研究人員布置用于測量街道環(huán)境的傳感器
都市數(shù)字孿生體被嵌入?yún)f(xié)作可視化和仿真環(huán)境COVISE中，該環(huán)境是可擴展的分布式軟件環(huán)境，集成了仿真、后處理和可視化功能。COVISE專為協(xié)作工作而設計，允許用戶在分析和可視化經(jīng)驗和實時數(shù)據(jù)（如城市數(shù)字孿生）以及來自模擬或模型的其他科學數(shù)據(jù)期間進行遠程協(xié)作。COVISE支持虛擬環(huán)境，例如CAVE和頭戴式顯示器（HMD），同時支持2D表示。最終，用戶可以通過最新的可視化技術在完全身臨其境的環(huán)境中直觀地分析其數(shù)據(jù)集。
調(diào)查與結論
研究人員對不同專業(yè)和個人背景的用戶如何體驗城市數(shù)字孿生非常感興趣。復雜數(shù)據(jù)的可視化是可以理解的嗎？應該選擇什么級別的細節(jié)？這種參與形式是否太復雜亦或是太簡單？為了獲得有用的信息并評估和調(diào)整VR的可視化形式或演示形式，以適應這種新形式的參與過程，研究人員對參與者進行了調(diào)查。
受訪者可以對六對屬性進行判斷：抽象/具體、無趣/有趣、復雜/簡單、排列不清晰/排列清晰、娛樂性低/娛樂性強、難以理解/易于理解。每對的評分范圍為3.00至+3.00?？傮w而言，城市數(shù)字孿生模型得到了非常正面的結果。被認為是有趣的（+2.54），可理解的（+2.37），具體的（+2.14），布置清晰的（+1.92），娛樂性強的（+1.89）和簡單的（+1.56）。
圖5：調(diào)查結果
此外，研究人員按受訪者有無參與城市規(guī)劃的經(jīng)驗分為兩組。與沒有經(jīng)驗的人相比，參與過城市規(guī)劃的人往往會對數(shù)字孿生做出更積極的評價。他們發(fā)現(xiàn)它更具體，有趣，布置清晰，娛樂性強并且易于理解。唯一例外是對“復雜/簡單”的評價，具有經(jīng)驗的小組與沒有經(jīng)驗的小組相比，對復雜程度上的判斷更為負面。
研究表明，數(shù)字孿生作為交流工具，能夠改善城市規(guī)劃流程。通過更好地呈現(xiàn)復雜的信息，專家和非專業(yè)人士可以在城市規(guī)劃過程中更有效地進行互動。考慮到中國有數(shù)量龐大的中小型城市，這一技術有廣闊的應用空間。
