数字孪生人居环境

文︱杨滔

1. 数字化的大学科融合

“人 居 环 境 科 学(The Science of Human Settlements)是20世纪下半叶在国际上逐渐发展起来的一门综合性学科群。它以包括乡村、集镇、城市等在内的所有人类聚居环境为研究对象，着重研究人与环境之间相互关系；并强调把人类聚居作为一个整体，从政治、社会、文化、技术等各个方面，全面地、系统地、综合地加以研究。”[1]这折射出20世纪以来大学科融合发展的总趋势，也反映城市作为跨专业、跨行业、跨部门的复杂巨系统的客观实体。特别是当前我国人居环境的发展速度极快，城乡建设进入转型时期，涉及的利益相关主体更为多元，对社会、经济、环境等方面影响更深远，这门综合性学科群的发展是21世纪中国的时代呼唤。

与此同时，席卷全球的信息网络建设热潮对于当今社会的影响，无论在广度、深度和规模上，都是空前的，它将把人类社会完全带入到信息化社会，使人类进入到一个新的时代——数字时代。这场变革正在改变人们的思维方式、生活方式、工作方式等，并对科学的各方面产生划时代的影响。“人居环境科学”和“人居环境”也会在这一大背景下受到相应的影响，并结合数字理念与技术更好地发展。

20世纪末，比尔·盖茨在《未来时速》中提出了“数字神经系统”的新概念。即“数字神经系统是一个整体上相当于人的神经系统的数字系统。它提供了完美集成的信息流，在正确的时间到达系统的正确地方。数字神经系统由数字过程组成，这些过程使得一家企业能迅速感知其环境并做出反应、察觉竞争者的挑战和客户的需求，然后组织及时的反映。数字神经系统……与由计算机组成的网络不同之处是在于它提供给信息处理员精确、及时和丰富的信息，以及这些信息带来的可能的洞察力和协作能力。”[2]虽然这仅仅是针对商务，但书中也用了一章的篇幅谈到了保健系统、政府、学习社区等。很显然，在当今市场经济的社会中，这种概念必将影响到社会的各个层面。“数字神经系统”的概念会给 “人居环境研究”一些启示，同时“数字神经系统”本身的运用也会影响发展中的“人居环境”。

进入21世纪以来，城市信息模型（CIM）[3]、数字孪生城市[4]、元宇宙[5]等概念进入到城市规划建设领域，且低轨卫星网、云计算、物联网、区块链、人工智能、5G等新型信息技术加速了虚拟人居环境的发展，为城乡人居环境的跨学科融合提供了新的数字化路径，甚至将重塑规划、建设、运营、消费的全周期模式，搭建天空地一体化的数字孪生人居环境（图1），加速数字资源转化为数据资产与资本，为21世纪的城镇化提供新动力。

图1︱天空地一体化的数字孪生人居环境

2. 数字实时协同

“人居环境”的研究涉及领域很多，吴良镛先生开创性的提出“人居环境”是复杂的巨系统，并将“人居环境”科学划分为居住系统、支持系统、人类系统、社会系统、自然系统等五大系统，以建筑、园林、城市规划的融合为核心，组织带动多科学（土木、水利、能源、生态、环境、地理、经济、社区、文化、艺术等）共同工作，“融贯的综合研究（Trandsdisciplinarity Research）”[6]。同时，吴良镛先生还指出“人居环境”的研究应是各级政府，全社会关心和参与的，因而“人居环境”研究的关键思想是融贯与综合，组织管理是协调与协同。

“事实上，数字神经系统的一个关键功能就是将不同的系统——信息管理、企业运作和商务——连成一个整体。”[2]它虽然指的是商务运作，但它也可以在像“人居环境”这样复杂的科研上借鉴。利用“数字神经系统”可建立跨部门的虚拟研究团队，以便能实时地在世界范围内共享信息和相互借鉴思想，形成新层次上的数字智能。当今的城市信息模型（CIM）的建设目标就是整合地上地下、室内室外、历史现状未来的多源时空数据，打通规建管的全生命周期流程，最终服务于数字孪生城市的建设[7]。城市信息模型基于全感知、全要素、全周期与全开放的原则，建立时空大数据库，提供24小时虚拟服务，探索时间规划，优化时空资源配置，从而构建了虚拟时空与实体时空的融合互动，最终形成了服务于人的社会时空（图2）。

2.1 人—机结合的智能系统

对于历史上不少智能系统或智慧城市平台，由于过分强调“自主系统”，即自动化程度越高越好，人最好不介入，实际上这方面几乎没有进展。钱学森先生也多次谈到这一点。而“数字神经系统”中最重要的论点之一是人与计算机（网络）的结合。比尔·盖茨多次强调“使用PC机做业务分析，将知识性工人转移到更高层次的关于产品、服务和赢利的思考性工作上去”[2]。实质上是人的“性智”和“量智”与计算机的“高性能”信息处理结合，达到定性和定量的互补。目前计算机定量处理的速度非常快、非常精确，而定性的处理信息能力很差；人处理精确信息的能力很慢又差，但人定性的处理信息能力很高明，是一种创造性的思维。而将离散的PC、软件、人通过网络连成整体，就能很好地将“定性”和“定量”结合起来。“人居环境”研究是科学与艺术的结合，是人文科学与工程技术学科的结合，定性和定量的并重。因而“数字神经系统”又可能将“人居环境”的研究人员的创造性思维最大限度地发挥出来。

图2︱全感知、全要素、全周期与全开放的数字孪生城市

基于物联感知设施、5G、区块链等，“数字神经系统”将万物互联起来，人与物之间的界面由此而变得尤为重要。物的世界转化为数字的世界的同时，互动界面强化人与物之间的交流，即以人的体验为驱动的人机对话，以此智慧由此而涌现，称之为无所不在的智慧界面（图3）。城市、组团、街道、社区、建筑、室内、个人穿戴设备等由此而互联互通，跨越多个尺度的时空交流由此而加速，从而推动了人居智慧的迭代升级。

2.2 交互性、开放性、实时性

“数字神经系统”的交互性使每个研究成员或学科部门很容易、很及时地跟踪所有主要指标、信息，经常性地与其他系统和其他人保持接触，吸收每个人的灵感，并打破学科的界限，消除管理过程的瓶颈，把各个分目标引向“人居环境”的总目标，实现“再设计”[2]和“融贯思考”[6]，随时对最重要的问题保持警觉，把握整体。

它的开放性能使每个部门或成员都能随时把自己的成果、想法、发现放到“系统”上，供部门间、部门内的成员及时了解，传播权威信息和发现“小人物”的独特想法；也能使政府部门和民众从各种角度、各种出发点来整体地了解“人居环境”，即能有教育作用，更能帮助他们参与、建议并决策。正如盖茨谈到“许多公司经理并不是缺少能力和头脑。他们需要的各种数据，事实上就在公司的某个角落以某种形式存在着。他们只是不能很容易地得到数据，数字工具会使他们能从很多来源及时地得到数据，并能从不同的观点来分析数据。”[2]这很能说明它的开放性对“人居环境”研究的借鉴作用。

它的实时性即能快速地传递“好消息”——成功的想法、成果、有利的政策等，也能及时传递“坏消息”——可能出现的问题、疏忽、恶化的情况，甚至是灾害。服务器能把所有的变化信息及时处理，对新情况做出反应，比如经济危机的出现。这样研究人员和决策者就能及时地把握“人居环境”的整体变化，调整方法、决策等，避免不必要的损失，实现动态地处理复杂巨系统。这对于研究和决策中国目前变化较快的“人居环境”有一定帮助。

3. 人居环境的数字延伸

“数字神经系统”虽然只是对商务领域内有较大的影响，比如正在改变微软等公司的工作方式、SOHO 工作生活等，但它最终会根本性地改变我们的生活方式和整个世界的运行方式，对“人居环境”本身的影响可能是很大的。随着物联感知系统与人工智能技术的完善，“数字孪生人居环境”将会在不久的将来涌现出来。

图3︱以人的体验为驱动的智慧界面

3.1 “人居环境”的扩展

麻省理工学院（MIT）的米切尔教授曾提出软城市“SOFT CITY”，这就是建立在放大的全球“数字神经系统”上的，“新的软城市与现存的由砖头、混凝土和钢铁堆积起来的城市并存、互补、有时相互竞争。”[8]因而可推论“人居环境”将会在“数字神经系统”中得到扩展，软城市或“数字人居环境”将会成为“人居环境”中的各重要组成部分。“数字人居环境”正在也将会提供给居民虚拟的聚会、交流、娱乐、生产等的场所，书店、图书馆、学校、商店、银行、剧场、医院、监狱、交易所、名胜古迹、山川河流等以虚拟的形式出现，居民将会在“数字人居环境”中享受更多的经济机会、公共服务、日常生活体验等，但也会受到更多的无法想象的伤害，如网络犯罪、网络心理病等。总之“人居环境”将会在“数字神经系统”或“数字孪生”中得到扩展，使得居民生存的方式更加多样化、更完善（图4）。“数字人居环境”与“实体人居环境”的关系、“数字孪生人居环境”的建设等问题也会得到更多的关注。

3.2 实体“人居环境”的重构

“人居环境”在“数字神经系统”和“数字孪生”上的扩展将会划时代地改变人类的生活、工作、娱乐等方式，人们将会在全球范围内更密集更广泛地联系起来，这种“数字人居环境”将超级延伸，超越国界、洲界。因而目前“实体人居环境”中的某些物质存在和物质交换将会消失或减弱，比如某些实体的商场、学校、交易所、银行等会消失，进而带来社会关系、生产方式、生活方式发生革命性变化。因此，“实体人居环境”可能将发现需要重新构成，生活社区、工作场所、娱乐服务设施等解构与重组。这体现在如下三个方面。

一是城市化的重新定义。这种数字变化的重要影响之一很可能就是对城市化的影响，小城市、农村可能会被注入新的活力，不同的社区既要在广泛的“数字人居环境”中得到充分发展，又要注重自己实体世界中的独特风格、环境、民俗等。特别是中国的城市化和城乡二元体制会在其中找到自己独特的解答，也许乡村会在“数字化人居环境”中获得聚集的红利，从而得到更强的竞争力，城市化的进程将发生改变。因而“城市化”将重新定义，可能是“实体”和“数字”的混合城市化，这可能是今后真正意义上的城市化。

二是绿色发展的新出发点。节能、节地、保护生态等是绿色发展的重要方面。而“数字人居环境”的出现将极大程度上改变物质形态，某些耗能实体建筑的消失，比如大型商场、银行、超高层的办公楼、交易所等的消失，它们将变成“电子”存在，也许绿地生态系统会出现在它们当年的地方。与之同时，“实体”与“数字”人居环境的彼此实时互动，也实时告知并模拟人们在生产、生活、生态过程之中的碳排放，基于区块链等技术推动了碳交易，这正在成为人们日常生活的一部分，塑造绿色生活方式的文化氛围。于是，“人居环境”的绿色发展将会找到新的出发点——“数字孪生”。

三是社会智慧的新创新。社会智慧的产业源于以人为本的交流，即人与自然、人与人、人与组织等之间的交流。“数字孪生人居环境”的建设就是推动了人与实体城市或数字城市之间存在有效交流，并加速实现其社会、经济、环境等目标。城市之所以存在各种不确定的复杂，在于城市是多元主体构成的动态系统，是不同尺度交织的混杂系统，是物质与虚拟关联的并置系统。在很大程度上，“数字孪生人居环境”建立起新型的感知、认知、行为体系，将多源异构数据与信息关联起来，构成涌现的网络图谱。这种连接的动作就是人与机器共同建模（modeling），其中包括对于汇聚的数据再次感知、对于重构的连接再次认知、对于涌现的模式再次推理、对于实施的动作再次执行。在这种意义上，建模就是一种强化学习，于是“数字孪生人居环境”就是在建模之中不断地得以迭代与重塑，从而拉近了实体世界与数字世界之间的距离，或使得这两者之间的映射关系更为精准，构成了自组织的复杂人居环境巨系统，最终演化出建设与运营“数字孪生人居环境”的新型社会智慧。