數(shù)字3D模型可以幫助城市領導者規(guī)劃未來，但其價值將取決于數(shù)據(jù)。
波士頓規(guī)劃和3D智能發(fā)展局的能力
和其他城市一樣，波士頓也在不斷變化。舊建筑倒塌，新建筑拔地而起。公共交通在城市中蜿蜒穿梭。從學校到雜貨店，再到樹木，到處都是。
多年來，該市一直希望在數(shù)字3D模型中捕捉所有這些，以便在規(guī)劃決策在現(xiàn)實世界中生效之前幫助指導規(guī)劃決策。該模式于2015年問世，三年后，這座城市向公眾開放。
這個數(shù)字孿生包含建筑物、交通、樹木、日光和陰影以及興趣點的當前景觀。它還包含擬建和在建建筑，并作為波士頓多年來的檔案。
“這就像一種活生生的、會呼吸的內(nèi)容，因為它有檔案，有當前，然后有未來，”波士頓規(guī)劃和地理信息系統(tǒng)地圖的GIS副主任Carolyn Bennett說。“它幾乎涵蓋了整個領域，我認為這對機構和整個波士頓市都有幫助。”
數(shù)字孿生是給定系統(tǒng)、地點或事物的3D虛擬復制品，允許城市和業(yè)主在現(xiàn)實世界中實施更改之前測試更改。從洛杉磯到德克薩斯州沿海以及其他地區(qū)的城市越來越多地使用這項技術來研究城市必須面對的發(fā)展、交通、氣候變化和無數(shù)其他情況的影響。
伊利諾伊理工學院機械和航空航天工程副教授Ankit Srivastava說：“在你真正在現(xiàn)實世界中做出這些改變之前，你可以模擬你的決定對一個物理對象的影響，在這個例子中是一個城市或校園。”“它使決策更加由數(shù)據(jù)驅(qū)動且成本更低，因為您可以嘗試各種可能性。”
但是，需要花費大量的時間和精力來確保數(shù)字孿生保持最新狀態(tài)并幫助城市向前發(fā)展。
在數(shù)字領域捕捉城市
Bennett說，自2005年以來，波士頓一直在討論如何將這座城市的大量數(shù)據(jù)整合到3D模型中?？捎脭?shù)據(jù)包括供水和下水道、交通、稅收等方面的地理空間數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在，波士頓的數(shù)字孿生圖書館就包含了這個數(shù)據(jù)庫。城市可以使用它來查看開發(fā)建議及其在住房、分區(qū)和停車方面對社區(qū)的影響。例如，規(guī)劃人員可以從其他來源獲取城市熱島數(shù)據(jù)并將其疊加到數(shù)字孿生上，以可視化建筑物、不透水表面和樹冠等方面的溫度。
“這是一種更好的方式來形象化我們作為規(guī)劃者的工作，”貝內(nèi)特說。“我們以3D形式進行計劃。我們不是2D機構。我們以現(xiàn)有形式看待世界，因此您必須以3D形式看待它。”
田納西州查塔努加市(Chattanooga)還發(fā)現(xiàn)，數(shù)字孿生是一種有用的工具，可以包含其收集的數(shù)據(jù)。
“我們能否將所有這些實時數(shù)據(jù)整合到一個共同的生態(tài)系統(tǒng)中，在那里我們可以很好地了解正在發(fā)生的事情？”橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）計算城市科學研究部門負責人Jibo Sanyal說。
橡樹嶺和國家可再生能源實驗室的研究人員與查塔努加市合作建立了一個數(shù)字孿生模型，有助于預測和緩解交通擁堵。Sanyal是該項目的技術和戰(zhàn)略負責人。
來自500個不同來源的信息，例如交通攝像頭、911數(shù)據(jù)、雷達探測器和氣象站，輸入到查塔努加市的數(shù)字孿生中。Sanyal說，在這個虛擬領域內(nèi)進行的交通擁堵實驗表明，交通流量提高了30%，從而提高了能源效率。
研究人員使用這些數(shù)字孿生實驗的結果來實現(xiàn)現(xiàn)實世界的變化。例如，交通規(guī)劃人員通常在上午和下午的交通高峰期收集數(shù)據(jù)。但是當研究人員在查塔努加市的Shallowford路進行數(shù)字孿生實驗時，他們發(fā)現(xiàn)90%以上的汽車在中午高峰期間被紅燈攔下。
在現(xiàn)實世界中，這些研究人員利用這些實驗的見解重新計算了Shallowford路沿線交通信號的時間，以減少擁堵。Sanyal說，他們現(xiàn)在可以根據(jù)交通狀況每四分鐘更改一次信號模式。
查塔努加市擁有該國最繁忙的貨運走廊之一，因此數(shù)字孿生還允許做出長期決策。例如，該市想知道，司機在一天中的某些時候使用路肩作為行車道是有意義的嗎？Sanyal說，在這項工作中使用數(shù)字孿生可以降低評估成本。
“當他們發(fā)表了一篇優(yōu)秀的論文，很多研究就真的停止了，但在現(xiàn)實世界中實際實施它的機會往往并不存在，”他說。“查塔努加市是驚人的。他們讓我們進去，和他們一起改變紅綠燈的設置，如果需要，稍微改變一下，然后在現(xiàn)實世界中進行這些實驗。然后我們觀察前后情況，以確定我們看到了什么樣的改善。”
盡管研究人員目前僅控制一條走廊沿線的信號，但Sanyal表示，他預計他們將在一年內(nèi)控制約100個信號，覆蓋查塔努加市中心和該市其他交通繁忙的地區(qū)。
構成城市的建筑
數(shù)字孿生還可以幫助城市和業(yè)主減少能源消耗。
城市產(chǎn)生了全球約75%的溫室氣體排放量。為了減少這種污染，紐約、波士頓和華盛頓特區(qū)等城市制定了未來建筑凈零碳排放的目標。
但是，除了購買碳補償之外，對建筑物進行脫碳還需要分析和實施能源管理系統(tǒng)和可再生能源戰(zhàn)略。Cityzenith是專注于開發(fā)有助于實現(xiàn)這一目標的城市數(shù)字孿生的公司之一。
首席執(zhí)行官邁克爾詹森說，該模型可以從少至兩到五座建筑物開始。業(yè)主使用模板輸入他們的數(shù)據(jù)，生成的數(shù)字孿生幫助他們根據(jù)建筑物的年齡、狀況和用途等因素運行和優(yōu)化模擬。目標是擁有更多節(jié)能建筑，從而擁有更多城市。
拉斯維加斯和紐約市已經(jīng)采用了這項技術，鳳凰城和其他美國和歐洲城市有望效仿。Jansen說，Cityzenith計劃在今年圣誕節(jié)前將這項技術捐贈給總共10個城市，到2024年將捐贈給總共100個城市。
數(shù)字孿生的障礙
Jansen說，實施數(shù)字孿生模型的主要障礙之一是確保構建模型所需的所有數(shù)據(jù)都到位。“數(shù)字孿生是買不到的，他們是建設出來的。”
伊利諾伊理工大學建筑工程助理教授Mohammad Heidarinejad表示，由于大城市已經(jīng)擁有大量數(shù)據(jù)，預計會有更多城市使用數(shù)字孿生。他補充說，在5到10年內(nèi)，這些模型也可以進入更多的小城市。
但城市和業(yè)主在此過程中將面臨障礙。Heidarinejad說，用無人機或掃描儀捕捉現(xiàn)實需要大量存儲空間，而且隨著現(xiàn)實世界中事物的變化，數(shù)字孿生必須隨著時間的推移而發(fā)展。（波士頓每年更新兩次模型。）
伊利諾伊理工學院的Srivastava說，更新數(shù)字孿生的一種方法是眾包數(shù)據(jù)，包括人們拍攝的城市照片并同意為該項目做出貢獻。他建議，也許一個中央系統(tǒng)可以分析這些照片及其GPS坐標，并使用這些信息自動更新數(shù)字孿生體。
數(shù)字孿生包含的數(shù)據(jù)可能會帶來隱私問題。如果人們可以訪問數(shù)字孿生背后的信息，那么黑客也可以。Srivastava說，一個城市必須決定要在其數(shù)字孿生中捕捉多少細節(jié)以及要公開哪些元素，尤其是隨著世界數(shù)據(jù)量的增加。
“現(xiàn)實世界的虛擬化將會越來越多，這只是因為獲取數(shù)據(jù)要容易得多，”他說。“我認為未來城市會利用它。”
這可能需要來自城市的一些投資。Bennett說波士頓有一名3D數(shù)據(jù)分析師，其主要職責是城市的數(shù)字孿生。
Bennett說：“城市必須對它有所承諾，因為它是一種生活內(nèi)容和數(shù)據(jù)，你必須保持更新和維護。”“這樣做很有挑戰(zhàn)性，因為如果它變得太過時了，人們就真的不想用它了。”
橡樹嶺國家實驗室的Sanyal表示，員工和IT開銷對于一個城市來說可能很難承擔。畢竟，城市希望成為納稅人資金的好管家，所以他們傾向于使用經(jīng)過驗證的東西。
橡樹嶺國家實驗室與查塔努加市合作的數(shù)字孿生項目旨在幫助實現(xiàn)這一目標。橡樹嶺國家實驗室專注于旨在擴展到其他城市的解決方案，因此Sanyal希望看到其他公司獲得國家實驗室技術的許可。
盡管如此，數(shù)字孿生只是城市和房地產(chǎn)可以用來描繪未來的一種工具，它可以提供的價值在很大程度上取決于它必須使用的數(shù)據(jù)。
Sanyal說：“因為它是基于數(shù)據(jù)的，所以在做出這些決定時，謹慎對待我們所引入的數(shù)據(jù)也非常重要。”“歸根結底，數(shù)字孿生是一種工具，大規(guī)模的規(guī)劃決策通常由人類做出。”
