基于数字孪生技术的城市绿色治理路径探析*

杨 达,鲁大伟

(1．贵州大学 东盟研究院、公共管理学院、经济学院,贵州 贵阳 550025;2．中国社会科学院大学 马克思主义学院,北京 102488)

深度影响国家间关系演进的俄乌冲突、新冠疫情等“黑天鹅事件”陆续出现,其不断“映射”国际政治维度的“百年未有之大变局”,使得本与普通百姓日常生活距离较远的国际关系叙事,产生更多民众深切感受的能源价格上涨等冲击“外溢”。当然,不容忽视的内容还在于“百年未有之大变局”关涉的国内范畴,即伴随数字技术革命、人工智能技术革新而来的国家治理体系与治理能力现代化的持续推进。若着眼城市所处的地理空间维度,便可进一步定位值得深度透视的数字孪生技术下城市绿色治理的前沿学术问题。一方面,数字孪生技术如何推进城市治理能力现代化?另一方面,城市绿色治理不仅局限于生态环保领域,鉴于“绿色”内涵涉及生态和谐、系统协调、发展可持续等核心价值,外延包括技术层面的集约化运作、应用方面的可持续推进等现实方式,数字孪生技术如何赋能城市绿色治理以推进城市治理体系现代化?

一 数字孪生技术与绿色治理刍议

数字孪生(Digital Twin)是以通过精确观测收集到的数据为基础,通过大规模数据处理和社会运转情况的数学建模,在虚拟网络空间复制并再现物理空间的人造物和各类社会现象的模拟技术。“数字”意味着依托虚拟网络空间的载体,“孪生”则是在前述载体上构建与真实世界配对的“孪生存在”,实现对真实世界的监控和模拟。当然,数字孪生的运作逻辑是双向循环过程,即不仅是从现实世界到虚拟空间的复杂现象模型化,还要将虚拟空间的洞察数据、预测情况再反馈到现实世界。

事实上,自2000年初以来,世界上的先进企业便已开始探索如何使用数字孪生技术改进生产流程。[1]例如,数字孪生可帮助制造业领域的企业对产品生产和机器运转加以仿真预判,即通过嵌入机器的传感器实时向虚拟空间发送数据,不仅助力生产方提前识别和处理可能发生的故障,还可根据不同客户的独特需求制定维护方案。尽管数字孪生潜力巨大,但大量数据处理、数据交换和带宽服务所耗费成本,对大部分企业而言均处高位,技术的迅速推广当时面临阻碍。[2]而随着使用成本下降和技术越发成熟,数字孪生当前已被较广泛运用于制造业领域,其被认为是深化智能制造的核心技术,可推动制造业数字化转向,以提升制造过程效率、强化产业竞争力。目前,各国都在致力于制造过程建模的研究开发、通用平台的标准化建设,较为典型的便是针对精密发动机的“数字孪生”计划,如展示航空发动机在虚拟空间的运转情况,通过模拟工作环境、收集数据来发现故障迹象、优化维护部件等。同时,数字孪生的运用场景也正不断被拓展,如在气象气候领域,以构筑全球规模的数字孪生为目标的研究开发正被全力推进,各国专注于自然灾害、气候变化、生态系统等各分支平台建模,并努力将其整合到共同的数字孪生系统。

与此相关,数字孪生还正“技术加持”于城市空间的“硬件”建设和“软件”治理,其也是考察国家治理体系与治理能力现代化的新兴领域。一方面,城市治理路径是落地国家治理体系与治理能力现代化的重要空间承载,而前沿技术则是实现现代化治理持续推进的关键依托;另一方面,立足三维地图等城市地理空间的较成熟数据,依托安装在城市各类基础设施中传感器终端获得信息以实现基础地图上的数据叠加,可更易将整个城市的“孪生映射体”于虚拟空间再现并探索治理提升方位。在此基础上,数字孪生技术作为前沿技术之一,还带来有关城市绿色治理从狭义到广义的思考边界拓展。

一直以来,人类在关注技术发展带来治理效能提升的同时,也在同步考量其可能产生的“负外部性”冲击。大气化学家保罗·约瑟夫·克鲁岑于2000年提出当下处于自然界主导地位的人类对地球家园留下深刻“印记”的“人新世”(anthropocene)概念,同年他还与生物学家尤金·斯托莫在论文中再次呈现新的地质学时代的概念,引起自然科学和人文社会科学领域的广泛讨论。[3]而在运作涉及生态环境保护等狭义绿色内涵和全人类可持续发展等广义绿色外延的“绿色联通”战略的日本,[4]相关学者也较早关注此概念,如立川雅司于2019年在关于人新世的社会科学的综述研究中,将上述两位专家的定义翻译为,“如果考虑到人类活动对地球尺度空间及大气的巨大影响,那便可以给现在的地质学进行时代分期划分并赋予‘人新世’一词的界定,以强调人类在地质学和生态学范畴下所发挥的中心作用”。[5]一定程度而言,上述概念的本源透视涉及哲学思考,如着眼人类发展与科技进步而言,秉持生态现代主义(Ecomodernism)的学者对科学技术持乐观和肯定的态度,认为通过积极地使用科学技术,人类承担着保护地球系统的责任;而秉持生态后人道主义(Ecological post humanism)的学者总体也对科学技术呈现正面认知,他们认为人类运用科学技术作用于自然的产物可被视为“人造物”,其是自然与人类科技的“混合体”,很难加以分离。[6]

就此,本文界定的绿色治理,不仅聚焦生态环境领域,特别联动技术赋能治理效能的“正外部性”和冲击人类地球家园的“负外部性”加以透视,绿色治理内涵应涉及生态和谐、系统协调、发展可持续等核心价值,外延则包括技术层面的集约化运作、应用方面的可持续推进等现实方式,以助力整个经济社会良性循环,实现可持续的增长和创新。[7]基于数字孪生技术的城市绿色治理路径,便是借助加持城市治理的新兴技术,探索着眼生态环境保护及整个城市更可持续运行的治理路径。

而数字孪生之所以能助推可持续的城市绿色治理路径,源于城市绿色治理的数字孪生技术运作原理,即基于“循数”逻辑透视在虚拟空间中再现的三大类孪生输入数据:一是“实时数据”,指从安装于现实空间的传感器终端和其他设备上获取的动态数据,以及终端本身的最新静态数据;二是通过积累实时数据获得的“时间序列数据”,指分析过去趋势和因果关系等的重要输入内容;三是与实际的现实空间不同的“虚拟条件数据”,指异于现实空间状况下分析时必要的人工控制变量。三大类别的数据来源渠道极为多元,如作为虚拟空间孪生基础的地理空间数据(城市的三维地图等),从GPS、摄像头等获得的人流数据,包括公共交通时刻表和车辆位置在内的交通数据,天气、温度、湿度等气象和环境数据等。立足上述信息构建的数字孪生所提供的城市绿色治理辅助,则大致可分为“监控”“分析与模拟”和“反馈”。从制造业领域的案例来看,数字孪生技术的上述三个功能可用来“监控”运行状况和设备故障,“分析与模拟”故障风险和变化影响,并通过自动机器控制和维护计划优化而“反馈”到现实空间。相应地,上述逻辑可同样应用于城市绿色治理场域。其一,“监控”功能根据现实空间获得的数据,通过虚拟空间再造的孪生,对客观世界进行可视化监控;其二,“分析与模拟”功能分析现实空间的各种信息,并模拟其在虚拟条件下的变化;其三,“反馈”功能通过对城市基础设施的自动控制,根据监测、分析和模拟的结果,直接或间接地对现实空间再次进行投射,引导人类行为改变。当然,客观而言,数字孪生和传统的基于数字技术的城市管理存在一定的内容重合。例如,长期以来,世界各地的公共管理部门一直在利用摄像头、气象观测设备、应急电话等获取信息,远程确定事故和交通拥堵情况,安排应急车辆和施工作业等。这些工作与数字孪生技术的运用在某些方面存在重叠,但借助数字孪生技术开展的城市绿色治理仍然与上述内容存在差异。其一,在使用的数据来源本身方面,传统的监测系统主要利用实时数据,但数字孪生系统也将时间序列数据和虚拟条件数据作为重要输入数据。其二,在对数据的使用方式方面,与传统而言使用更多的“监控”功能不同,数字孪生中更侧重于强调有关数据的“分析-模拟-反馈”式运用。

由此可见,在社会基础设施由物联网控制的数字时代,城市可根据虚拟空间数字孪生的决策来自动运行,从而依托技术层面的集约化运作、应用方面的可持续推进等方式来提升整个城市的治理效率,特别通过发展经济、保护生态和协调社会的政策算法设计、政策指令模拟、政策优化反馈,实现城市绿色治理的生态和谐、系统协调、发展可持续等核心价值。

二 数字孪生技术加持城市绿色治理的他国俯瞰

数字孪生将物理世界连接到数字空间,除可提高制造效率、优化供应链外,还能助力改善交通拥堵等推进城市绿色治理的诸多内容。随着数字孪生技术的功能升级和日益成熟,其有望在流程优化、“循数”实时决策、新产品/服务和商业模式设计等应用中得到更广泛普及。从全球层面出发,诸多国家和地区正借助数字孪生技术探索彰显生态和谐、系统协调、发展可持续等核心理念的城市绿色治理路径。

首先,日本的探索较为典型。日本国立研究开发法人科学技术振兴机构的研究开发战略中心(JST-CRDS)将数字孪生作为有助于日本中长期维持和加强产业竞争力、寻求“社会5.0”(Society 5.0)、实现碳中和等的核心基础技术,并于2018年3月发布了“创新的数字孪生～负责制造未来的复合现象建模及其先进设计和制造基础技术确立～”战略提案。[8]

着眼于让整个社会更可持续运转的城市绿色治理,日本将数字孪生界定为网络物理系统(Cyber Physical System,CPS)的一种形式,或者说一种模拟技术,即通过先进的测量和观测,把现实世界中收集到的数据复制于网络空间,并通过仿真模拟而预测未来可能发生的情况。在日本的战略提案中,数字孪生的基础是开发和验证跨越材料、结构、强度、机械、传热、流体、振动、化学和电气等技术领域的复合现象模型,而阐明复合现象并将其集成到模型中,便是未来数字孪生研究和开发的重要方向。从日本于2018年发布战略提案至今已过去4年,数字孪生技术已更成熟地运用于产品生产、服务供给,其不仅在制造业中得到更深入的纵向推进,而且横向运用范畴也从制造业扩大到城市、能源、交通、气候、医疗、教育等治理等领域,以推动城市更可持续运转的多元绿色治理领域。如在城市的气候预测领域,日本借助数字孪生技术构建“数据地球”(Digital Earth)系统,助力描绘涵盖所有时间、空间尺度的气象、气候预测模型;在城市的运输和能源运转领域,日本依托数字孪生技术优化交通流量管理方式、提高能源效率等,改善城市治理计划;在城市的教育领域,依托数字孪生的未来趋势预判,结合慕课和人工智能推送等既有大数据技术以实现教育治理精准化衔接等;在城市的健康领域,日本将数字孪生加载于同患者联系的医疗器械等的综合治理和控制。[9]

其次,英国的探索同样具有代表性。英国商业、能源和产业战略部(BEIS)以包含科学技术创新政策的形式提出“产业战略:适应未来的英国建设”,其中确定了与城市治理相关的人工智能与数据、老龄化社会、绿色清洁增长、未来移动等四个“巨大挑战”(Grand Challenge),并设定了具体任务。此外,其以英国技术战略委员会的“创新英国”(Innovate UK)项目为主体,与英国研究创新组织(UKRI)合作,借助“产业战略挑战基金”(ISCF:Industria1 Strategy Challenge Fund)推进产学共同研究开发。[10]在“产业战略挑战基金”支持下,英国进一步推出“打造更智能的创新挑战”(Made Smarter Innovation Challenge)的一揽子投资计划,推进研究开发、创新中心构建等。而为了通过数字创新提高制造过程和整个城市发展的可持续性,数字孪生被定位为最关键技术。[11]2021年7月,英国商业、能源和产业战略部发布了“国家创新战略”。[12]其中,发挥数字孪生技术优势以形成虚拟数字和现实世界载体共享的基础设施是战略重点领域。在此,作为国家强化产学研合作措施的组成部分,“创新英国”项目还进一步建立研究中心“弹射器计划”(Catapult),助力英国于特定技术领域创造世界领先的技术创新成果。[9]

正是依托承载数字孪生技术的“弹射器”计划的深入推进,英国着眼于国内城市更可持续运转的绿色治理方式也呈现特色。2019年,由“未来城市弹射器计划”(Future Cities Catapult)和“交通系统弹射器计划”(Transport Systems Catapult)整合而成的“互联位置弹射器计划”(Connected Places Catapult)实施了城市基础设施和移动性项目的开发。在此基础上,同样依托数字孪生技术而推出“协同首要计划”(Synergy Prime),进一步将人口预测整合到交通设计系统,开发道路交通的数字孪生,并打造未来的智能道路交通系统。此外,英国还建立专门的“数字孪生中心”(Digital Twin Hub)网站,发挥信息发布功能并为对此感兴趣国民提供讨论平台。与此同时,英国商业、能源和产业战略部及剑桥大学设立“英国数字建造中心”(Centre for Digital Built Britain),其研究面向建筑的数字技术,开发建筑信息建模(Building Information Modelling、BIM)等,并正实施“国家数字孪生计划”(National Digital Twin Program),旨在于全国更广空间构筑连接数字孪生的生态系统。

最后,同处欧陆的德国及整个欧盟则呈现相似又异质的探索路径。德国正继续实施“工业4.0”战略以探索整个工业体系的数字化,该战略接轨信息通信技术(ICT)关联的第四次产业革命,并特别运用数字孪生技术。为顺利实施“工业4.0”战略,德国于2013年建立“工业4.0平台”,借助数字孪生模拟基础技术深化和基础设施完善的方位。[9]在上述战略实施过程中,德国尤其关注能源等领域的城市综合治理问题。德国联邦建设规划局于2017年发布“智慧城市宪章(Smart City Charter)”[13],举国致力于城市数字化。此外,德国弗劳恩霍夫协会实验软件工程研究所(IESE)于2021年发布 “数字双子智慧城市(Digitale Zwillinge Smart City)”白皮书[14],将数字孪生定位为未来能够助力智慧城市创造巨大附加值的关键技术。与之相关,德国慕尼黑工业大学在建筑领域牵头实施助力城市可持续绿色发展的相关项目,旨在降低建筑工地的材料和能源消耗以提高生产率。[9]在有利于城市更可持续运转的能源治理方面,德国弗劳恩霍夫协会光电、系统技术及图像处理研究所工业自动化应用中心(IOSB-INA),正在实施旨在优化能源消耗的试点项目“数字能源孪生”(Digital Energetic Twin,DeZ),以探索城市低耗能、快发展的“高性价比”绿色治理路径。

着眼于工业的数字化转型,欧盟委员会(European Commission)于2016年4月发布了“欧洲工业数字化倡议”igitising European Industry Initiative),[15]形成着力加强数字创新和产业界整体竞争力的框架,旨在推动产品、流程、业务模式的数字化,推动万物互联,提高生产率、资源利用效率和盈利能力,形成欧洲域内城市内部更高效、更可持续的绿色治理布局。欧盟将在整个欧洲建立一个“数字创新中心”(DIH:Digital Innovation Hubs),目的是使欧洲的所有行业都能获得最新的技术,并促进跨部门的自下而上创新。为此,欧盟正在实施“Horizon 2020”研究创新框架计划,其向“数字创新中心”投资了约5亿欧元。“Horizon 2020”助力“数字创新中心”的发展主要分为三个阶段,第一阶段为构建“功能生态系统”,第二阶段是在欧洲范围内发展生态系统,第三阶段则进一步将其扩展为泛欧洲网络。在2019年12月成立的欧盟委员会现有体制下,作为2019年到2024年五年要解决的优先事项,其展示了“欧洲绿色协议”“为欧洲市民服务的经济”“适合数字时代的欧洲”“保护欧洲生活方式”“世界上更强大的欧洲”“进一步推进欧洲民主”等六个方面。在六个优先事项中,特别受到重视的是应对气候变化和数字化应用层面。[9]其中,欧洲体现了既立足当地城市又放眼全球范畴的绿色治理思路,即结合包括“数字孪生”等前沿技术来特别针对气候等生态环境、城市可持续发展的绿色治理思路。

在应对气候变化方面,欧盟于2019年12月发布了“欧洲绿色协议”,其目标是到2050年实现温室气体净零排放,旨在应对气候变化和实现经济增长。在数字化方面,欧盟于2020年2月发布了“欧洲数字战略”[16]和“欧洲数据战略”[17],旨在用前沿技术赋能城市绿色治理。一方面,“欧洲数字战略”提出了未来5年欧洲将致力于实现民众获益于数字转型(DX)的三大支柱(有助于人们的技术、具备公平和竞争力的数字经济、民主和可持续的开放社会)和主要措施。其中,第二大支柱协同于“欧洲数据战略”,提出了一个产业“战略包”,旨在推动整个欧洲产业向有竞争力的产业转型,包括清洁、数字等行业,以及着眼支持中小企业。另一方面,“欧洲数据战略”旨在构建“欧洲数据空间”(European Data Space),着眼跨越部门界限而在欧盟区域内实现数据的自由转移,具体战略包括制定数据流通相关规则、对大型项目进行投资、设立9个重点领域的“欧洲数据空间”等。“欧洲数据空间”所涉及的“绿色协议空间”,则依托“服务每个人的绿色数据”(Green Data 4 A11)和“孪生地球”(Destination Earth)两项举措,助力城市更加系统、协调、稳定的绿色发展。[9]

特别值得指出的是,欧盟的城市绿色治理路径更为宏大,实现从“数字孪生”推演而来的“孪生地球”(Destination Earth)架构。借助数字孪生技术,欧盟自2021年启动了旨在开发地球超高分辨率的数字孪生模型,提出以观测、建模和模拟自然现象和相关人类活动“孪生地球”倡议。就此,欧洲航天局(ESA)、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)、欧洲气象卫星开发组织(EUMETSAT)等三个机构共同实施该倡议,其以云计算的数字建模和开放仿真平台为核心,目的是将自然灾害、适应气候变化、海洋、生物多样性等不同领域内容构建的数字孪生整合,构建整个地球系统的全面数字孪生,以预测自然灾害及其带来的社会经济危机,避免大规模经济衰退,以及开发和验证对所有城市及地理空间的更可持续发展情景,最终通过数字孪生实现有效决策。

综上,当下全世界都在积极探索数字孪生城市的落地,很多国家和地区已初步完成城市静态建模以指导城市规划发展,并在此基础上同步推进城市绿色治理实践。伴随5G、物联网产业的日益成熟,中国多地也正以城市静态模型为基础,深度联动城市运行动态数据,搭建数字孪生城市从理念向现实落地的现实平台,并在此基础上探索让城市运转更可持续的绿色治理路径。国内外不同地区的数字孪生城市建设及城市绿色治理路径探索虽存在空间差异,但总体而言,可按时间逻辑将其归纳划分为存在共性的三个阶段。其一,搭建数字孪生城市的基础要件。即广泛部署物联网感知设施,利用二维码、卫星定位等技术手段“数字化”现实世界的“物、人、事”等基础要素,并进一步建设物联网、通信网及承载平台,形成现实城市“孪生”的虚拟数字城市。其二,构建城市静态3D模型。立足城市规划、建筑等“物”维度静态数据,联动物联网反馈的城市居民保护、人员服务的“人”维度和城市运行、政务运转的“事”维度动态数据,加载城市数字化模型并描绘城市整体“画像”,为城市的可视化智能化管理创造条件并构建统一的城市信息模型。其三,选择试点区域。着眼数字孪生建设关键试点,在规划建设管理、个性化主动服务、城市一盘棋运转等方面综合推进系统化可持续治理,实现由城市规划和管理向城市服务转型,结合主权区块链原理、选取“块数据”以透视区域响应变化及城市状态,向全市推广探索模式。可以看到,国外立足数字孪生技术探索的城市绿色治理,也不仅关注生态环境领域,其基于系统综合逻辑,彰显生态和谐、系统协调、发展可持续等核心理念来开辟治理路径,这值得中国把握并超越。

三 数字孪生技术加持城市绿色治理的中国透视

若将数字孪生技术加持城市绿色治理的他国考察转向国内,概览中国多地已立足智慧城市开始进行的数字孪生城市建设,且归纳演绎背后承载的城市绿色治理探索,可创新如图1所示的中国数字孪生技术赋能城市绿色治理模型图。

(资料来源:笔者自制)图1 中国数字孪生技术赋能城市绿色治理模型图

透视中国地方探索的共性内容,多地正依托数字孪生技术搭建物理世界与数字世界的“虚实联通”桥梁,通过精准映射过程中的“虚拟-现实”双向互构,实现数字孪生对于绿色治理的技术赋能。在此,可归纳并建构治理主体“可开源”、治理过程“可持续”、治理手段“可多元”、治理客体“可共生”、治理结果“可分享”的绿色治理理念体系,而前沿的技术赋能则尤其从治理手段“可多元”维度,探索国家治理体系与治理能力现代化的实践落地。[18]与此同时,可通过地方试点形成值得在全国推广的城市绿色治理经验,且构建涉及两个领域的绿色治理实践体系:一方面,着眼于城市治理中聚焦生态环境保护、催生环境友善结果的狭义绿色治理;另一方面,超越生态环境边界,彰显“绿色”的开源、持续、多元、共生、分享等深层内涵,并定位城市治理所涉及“物、人、事”等多元维度,形成推动整个城市更可持续运转的广义绿色治理。

具体而言,立足前沿技术创新数字治理空间的“可多元”治理手段,支撑构建跨层级、跨地域、跨系统、跨部门、跨业务的“可开源”治理主体,构筑“循数”治理能力和治理体系以确保“可持续”治理过程,在数字虚拟空间静态及动态地实时映射生态环境、公共设施、立体交通、政务服务等内容以形成“可共生”治理客体,构建“全程在线-精准监测-主动发现-智能处置-内生发展-良性循环”的“可分享”治理结果。而根据数字孪生的静态、动态映射逻辑,中国多地也正从“物、人、事”的三位一体维度进行综合性的广义绿色治理探索。

第一,就“物”的维度而言,探索打造以全面感知的智慧楼宇为支撑基础的绿色治理路径。在推进传统楼宇信息化的基础上,全面提升网络支撑、安防应急、物业服务、节能管控、信息安全等楼宇配套服务能力。同时基于建筑信息模型技术和万物互联的物联感知终端建设,全面“数化”各类多用途的综合服务建筑实体,面向孪生平台传输建筑内“物、人、事”的信息变化状态。最终在大型建筑群内树立智慧楼宇建设标准,并按照各类建筑的不同用途进行针对性建设推广。特别为助力整个城市更高效、更持续的绿色运转,着力探索搭建智能立体的未来智慧交通。通过“互联网+”、物联网、大数据、云计算、人工智能、5G通信等技术与交通管理服务领域的深度结合,提升交通大数据的采集效率,基于数字孪生城市基础空间平台在交通业务上的精准映射,优化区域交通路网规划,增强交通管理平台智能业务处理和跨行业间的业务协同能力,打造面向未来丰富边界的出行服务,以简便、智能的出行应用和出行工具改变人们的生活方式。同时,依托数字孪生平台为无人驾驶应用提供的基于人工智能的虚拟驾驶场景模拟,加快无人驾驶行业的发展,为相关产业注入新的活力。

第二,就“人”的维度而言,探索构建全时全域公共安全体系的绿色治理路径。利用数字孪生技术以及虚拟现实技术,持续推进“天网工程”建设,构建城市公共安全防控体系,大力推进智能视频识别系统的建设和应用,实现互联互通、共享共用,形成基本覆盖全社会防范区域的全天候、全方位监控网络。围绕社会综合治理、犯罪侦查、城市反恐、警情预测等关键需求,推进人像大数据建设,实现对“物、人、事”的全息刻画、对特定行为的关联分析、时空轨迹的精准掌控,以及对重点人员、重点群体、重点领域的全域预警管控。深度运用多种探测、视频图像识别、生物特征识别、AI等技术,实现公共安全应用场景的真实再现,对海量公共安全数据进行整理、分析、挖掘、呈现,形成一体化的预警防控体系。全面整理、融合消防应急数据和信息资源,统一管控消防信息,实现信息的快速查询、统计和分析,利用无人机协助快速进行灾害分析、情况预估、人员疏散、警力调配等决策,提高灾害掌控能力、灾害分析能力、灾害救援能力。

第三,就“事”的维度而言,一方面,探索持续提升一体化便捷政务服务水平的绿色治理路径。推动政务服务流程、业务事项等的优化和调整,推广具备自主学习能力的智能政务服务应用,打造政务服务大数据应用平台和一体化的微政务服务体系,实现政务服务“标准化、数字化、自流程化、智能化、可视化”。推进“数据铁笼”建设,对城市数据资源的整合、共享开放和业务协同进行统一监管,实现权力可视化、监督具体化、管理预判化。探索和实践“大数据+督查”模式,打造横到边、纵到底的督查考核数据网,进一步创新督查考核方式,切实减轻基层负担。另一方面,探索智能善治的城市综合管理的绿色治理路径。着眼市政基础设施及城市事件统一管理的需求,构建“智慧型、服务型、综合型的城市管理”供给体系,加快推进物联网感知、人工智能、数字孪生技术在城市部件管理、城市事件管理两大领域的应用。利用数字孪生技术,实现对城市部件的智能感知、精准定位、故障发现和远程处置,对城市环卫管理、城市管理事件涉及到的“物、人、事”等进行统一的数字化管理;对规模大、复杂度高、周期长、涉及面广的城市建设项目进行全要素空间模拟,实现设计、建设、运维的数字化管理,探索依托数据说话、数据决策、数据管理和数据创新的城市管理工作机制,创建可视化、全景化、效能化、智慧化的全生命周期城市综合管理模式。

而数字孪生技术加持城市绿色治理的中国宏观“归纳”,可进一步较典型地承载于苏州、北京、贵阳三个城市的微观“演绎”。

第一,苏州市依托数字孪生赋能“治水”升级为“智水”,为从城市水治理探索更系统的广义绿色治理奠定基础。江苏省苏州市内有城市湖泊金鸡湖,该湖是中国的城市内湖之一,其水域面积约7.4平方公里,极大关联苏州及周边城市的经济社会发展。然而,伴随苏州近年来经济发展及周边城市化推进,城市拓展对水资源利用需求的不断提升,不仅导致金鸡湖水文水质状态持续承压,且极大影响金鸡湖及周边流域的生态环境状况。对此,苏州工业园区生态环境局(水务局)作为主要治理主体,于2017年启动金鸡湖及周边区域水环境综合治理项目,并特别在城市治理体系的“事”之维度,引入数字孪生的前沿治理手段,通过构建金鸡湖水环境治理架构,逐渐形成金鸡湖及周边区域水环境综合治理体系。苏州市通过综合利用数字孪生等前沿技术,建设“三网合一、三层融合、二体系贯穿”的架构体系,持续丰富“可多元”的治理手段:一方面,在横向融合维度,着眼包括木沉港泵站、金鸡湖数据补充采集和木沉港泵站数字孪生等两个功能层的融合建设;另一方面,在纵向贯穿维度,通过构建数字河湖建设标准化体系、数字信息安全保障体系来满足数字建设、数字流场分析、水利数据挖掘等功能需求。基于此,当地数字孪生赋能城市绿色治理成效显著,已初步实现水环境信息的全面掌握,引导着眼治理客体金鸡湖从“治水”升级为“智水”,为苏州城市水治理带来“智”变,不仅逐步提升金鸡湖的水质,也使该湖周边的鸟类、底栖动物等周边生物的多样性稳定向好,探索城市水体与城市整体发展的协同共生,形成治理结果“可分享”下的治理客体“可共生”。2022年,苏州探索的“数字孪生金鸡湖水环境综合治理”获得水利部发放的“数字孪生流域建设先行先试证书”,并成功入选国家级试点。

与此同时,苏州还探索将金鸡湖这一试点区位的水治理推广到整个城市空间的绿色治理。2022年2月,苏州响应《水利部关于开展数字孪生流域建设先行先试工作的通知》,正式启动全市范围内数字孪生流域建设的绿色探索。在省、市及苏州工业园区水务部门的协同下,苏州市延伸工业园区的数字孪生技术赋能绿色治理经验,通过配合使用水利模型、无人机巡航等多元治理手段,探索实现水利调度自动匹配、水质水环境自动巡查及自动分配指挥处置等智能目标。此外,各部门还正在探索打破数据壁垒以实现各部门之间互联互通及信息共享,助力当地水环境工程系统在未来实现精准调控、精细运行,并为苏州市布局更广领域且致力于整个城市更可持续运转的绿色治理奠定基础。

第二,北京市依托数字孪生赋能打造生态信息“一张图”,为从城市多源头污染物治理探索更系统的广义绿色治理准备条件。北京占地高达16410平方公里,生态环境治理工作复杂且艰巨,如就土壤污染成因的实地考察勘测而言,不仅需耗费大量的人力物力,可能随介质运动的污染物发生位置偏移后进一步增加录入信息工作难度,且实现污染物治理的区域协同也长期是城市发展的关键难题之一。对此,北京市生态环境监测中心作为主要治理主体,于2022年2月协同腾讯、北京微芯区块链与边缘计算研究院、清华大学及北京工业大学等多方单位,联合参与“场地土壤污染成因与治理技术”重点专项,启动“基于人工智能与区块链技术的生态环境新型治理体系研究与示范应用项目”,重点将数字孪生技术运用于北京的生态环境治理。通过多源生态大环境大数据融合技术与孪生映射模型的研究,借助腾讯等大型企业、科研机构等为生态环境治理区域协同机制提供技术支撑,北京正致力打造包含土壤、水流及空气等要素的生态联动“一张图”可视化平台,实现环境预警、综合评估、精准溯源与实时监控管理、环境损害证据获取等多项功能。而具体就数字孪生技术拓展多元治理手段的运作逻辑而言,数字孪生系统通过对环境管理的各个实体要素进行动态监测、描述与预测等操作,帮助治理主体实时掌握生态环境的现状、异常和发展趋势,发现环境变化进程中的规律以及未来可能图景,助力决策部门基于“未来预判”选择更合适的治理方略。

与此同时,北京还正将数字孪生赋能多源头污染物治理的探索,拓展到涉及领域更广、推动城市更可持续发展的广义绿色治理。例如,北京将数字孪生技术运用于深化智慧城市建设,尝试将前沿技术进一步联通城市治理的“末梢神经”,针对城市交通调度管理,北京搭载腾讯等企业的技术,通过端边一体的全息融合感知体系,搭建三维全息路口,对路口进行实时态势评价、预警及控制,并进一步构建实时孪生路口,探索对路口全场景的虚实互动和仿真推演,通过让城市“能感知、会思考、可进化、有温度”,[19]进一步提升市民的获得感。从数字孪生技术下城市绿色治理涉及的“物”之维度来思考,搭载物联网技术的新基建正在引领社会变革,数据要素流通下的潜能将得到最大限度发挥,每个产业的价值将得到更大彰显。北京立足生态环境治理的数字孪生技术赋能,更进一步将治理逻辑推广到致力于服务全市产业价值与社会价值有机协同的广泛领域,支撑该市形成更加可持续发展的广义绿色治理路径。[20]

第三,贵阳市依托数字孪生赋能“贵阳大数据”名片更“接地气”,为从城市环境综合治理探索更系统的广义绿色治理搭建框架。党的十八届五中全会以来,国家和省级层面尤其重视发展贵阳大数据,国家大数据(贵州)综合试验核心区已在着眼于构建“大数据之都”“中国数谷”的贵阳市落地。对接战略机遇,贵阳市进一步提出“建设数博大道、打造永不落幕的数博会”构想,同时以规划总长约20公里、辐射面积将近100平方公里的数博大道为数字孪生城市试验场,谋划通过数字孪生加以顶层设计的技术加持,并同样从着眼生态环境领域的狭义绿色治理和推动城市整体更可持续运转的广义绿色治理进行布局。

在针对城市生态环境领域的狭义绿色治理方面,贵阳借助数字孪生技术,以政府为代表的治理主体正形成可视化、智能化管理城市生态环境的治理方式。着眼数字孪生技术下城市绿色治理的“物”之维度,依托传感器、物联网等前沿技术在数博大道全域构建生态环境感知体系,以数字孪生技术于数字空间映射数博大道生态环境动态,为生态环境监测预警、监管决策提供数据支撑,准确研判生态环境发展趋势、问题源头。如构建噪音、空气、水质、污染源等环境要素的监测管理体系,形成生态环境全要素的物联监控网络,在数字空间全景展示数博大道生态环境动态信息。针对有关环境信息和大气环境质量监测点、水环境质量监测点、重点污染源监测点等的位置、级别、监测项目信息显示和分析区域的环境状况、污染源分布,结合无人机全天候、全地形巡检数据,通过搭建数博大道生态环境信息的全景式管理场景,在数字孪生映射进程中为环境信息加持空间属性,实现环境信息的图形展示和空间信息管理,并特别结合城市环境综合评价指标体系,在数字空间块中可视化展示数博大道生态环境空间分布和动态。另外,积极推进生态大数据和人工智能应用,准确研判生态环境发展趋势、问题源头,为生态环境监测预警、监管决策提供数据支撑,实现生态环境监测自动化、管理可视化和决策智能化,加强生态环境协同管理能力,全力推进数博大道“生态+”建设,打造首善环境。而针对污染源、排污口、监测点、监测断面等环境要素的空间分布和变化趋势,则通过搭建生态环境承载能力分析及辅助评价场景,在数字孪生映射虚拟空间建立污染事故模型以模拟污染物扩散趋势,实现环境污染事故处理的可视化并生成应急预案,为事故处理、应急决策和辅助环境决策提供支撑。

在着眼助力整个城市更可持续性运转的广义绿色治理方面,贵阳正联动人工智能运作,基于深度学习、持续优化的人工智能赋能平台,融合人类及机器智能,以机器学习驱动的交互可视分析方法迭代演进、不断优化,提升智能算法执行的效率和性能,保证数据决策的有效性和高效性,以适应不断变化的城市各种服务场景并提供智能技术,预测城市未来发展趋势,洞悉城市复杂运行规律和自组织隐性秩序,反向指挥、控制数博大道相关主体(如车、设备等),优化公共资源配置,为各领域的业务应用提供应用赋能,推动城市高效智能运作。

四 结 语

所谓数字孪生,是以物理空间中精准测量、观测的数据为基础,通过大规模数据处理和现象建模,在网络空间进行虚拟复制,使预测将来发生的现象成为可能的模拟技术。数字孪生从各个维度全面描述复杂系统,预测未来可能发生的各种事件,将该技术赋能城市绿色治理路径,不仅能更好着眼解决生态环境问题的狭义绿色治理,而且能回应城市可持续发展的广义绿色治理。很显然,数字孪生技术的运用已不仅契合传统的制造业领域,也正赋能城市绿色治理以助力推动实现碳中和社会和循环型社会。为模拟作为复杂系统的城市社会运转,需要依托数字孪生技术融合物理空间和虚拟空间以更精准定位解决复杂问题所需的信息,通过将复杂现象进行建模映射,把从虚拟空间获得的解决方案再反馈到物理空间以不断实现“预判式”的绿色治理路径优化。归纳数字孪生技术加持城市绿色治理的既有探索,可进一步演绎中国在国内更多城市推广、在国外“一带一路”沿线分享城市绿色治理的推进逻辑和经验:其一,彰显“数化万物”特征的数据收集,即通过收集城市空间内各种数据以初步探讨建构解决问题的数字孪生模型;其二,着眼“局部的数字孪生”的数据运用,即局限于特定领域,以“块数据”的灵活运用构建可预测的局部数字孪生,针对具体的分支课题找到有代表性的模拟决策方法;其三,着眼“全面的数字孪生”的数据整合,即整合各个领域、各个局部的数据,将庞大的“面数据”反映到模型构建中,并以人类能够理解的形态可视化呈现,以实现解决多领域、多空间、多维度复杂问题的全面数字孪生;其四,着眼“自主的数字孪生”的数据处理模式升级,即伴随解决复杂问题的路径经验积累,联动人工智能的深度机器学习,向未来决策制定的自动化发展,以最终实现让整个城市运转更可持续的绿色治理效能。数字孪生技术不仅在联动产业升级维度极具经济效益潜力,而且在赋能生态环境治理及城市社会循环可持续发展的绿色治理方面意义重大,其应成为国家治理体系与治理能力现代化如何从“技术+绿色”维度持续落地的研究方位。