如同任何一座城市，波士顿始终处于变化之中：旧建筑被拆除，新楼宇拔地而起，公共交通蜿蜒穿行，学校、杂货店乃至行道树点缀其间。多年来，波士顿一直希望将这些要素整合进一个三维数字模型，以便在现实世界实施规划决策之前先行模拟。这一模型于2015年建成，三年后向公众开放。

该数字孪生涵盖了当前建筑、交通、树木、日照与阴影以及兴趣点的景观，同时包含拟建和在建建筑，并作为波士顿多年风貌的档案库。波士顿规划与发展局地理信息系统（GIS）副主任卡罗琳·贝内特（Carolyn Bennett）表示：“这是一种鲜活的、动态的内容，它包含历史档案、现状以及未来，几乎覆盖了全部范畴，我认为这对本机构乃至整个波士顿市都很有帮助。”

数字孪生是特定系统、场所或事物的三维虚拟复制品，使城市和物业所有者能够在现实世界实施变更前先行测试。从洛杉矶到得克萨斯州沿海地区等地的城市，正越来越多地利用这一技术研究开发、交通、气候变化及城市面临的诸多其他情境的影响。

伊利诺伊理工学院机械与航空航天工程副教授安基特·斯里瓦斯塔瓦（Ankit Srivastava）指出：“你可以在对物理对象（此处指城市或园区）做出实际改变之前，模拟决策的效果。这使决策更加数据驱动，且成本更低，因为你可以尝试多种可能性。”然而，确保数字孪生保持最新并助力城市发展，需要投入专门的时间和精力。

在数字领域捕捉城市全貌

贝内特介绍，自2005年起，波士顿便开始探讨如何将城市积累的大量数据融入三维模型，可用数据包括供水和污水、交通、税务地块等地理空间数据。如今，波士顿的数字孪生已包含这些数据资料库。城市可利用它评估开发提案对社区住房、分区和停车的影响。例如，规划者可将来自其他来源的城市热岛数据叠加到孪生模型上，以可视化温度与建筑、不透水表面和树冠的关系。

贝内特说：“这能更好地可视化我们作为规划者的工作。我们以三维进行规划，并非二维机构。我们观察世界的现有形态，因此必须以三维视角审视。”田纳西州查塔努加市也发现数字孪生是整合其收集数据的有效工具。

橡树岭国家实验室计算城市科学研究组负责人吉博·桑亚尔（Jibo Sanyal）提出疑问：“我们能否将所有实时数据汇聚到一个共同的生态系统中，从而清晰掌握正在发生的情况？”橡树岭实验室与国家可再生能源实验室的研究人员与查塔努加合作，构建了一个有助于预测和缓解交通拥堵的数字孪生，桑亚尔担任该项目的技术和战略负责人。

来自500个不同来源（如交通摄像头、911数据、雷达探测器和气象站）的信息汇入查塔努加的数字孪生。桑亚尔表示，在该虚拟环境中进行的交通拥堵实验显示，交通流量改善幅度最高可达30%，从而提高了能源效率。研究人员利用这些数字孪生实验的发现，在现实世界中实施变革。例如，交通规划者通常在早晚高峰时段收集数据，但当研究人员在查塔努加沙洛福德路进行数字孪生实验时，发现午间高峰时段超过90%的汽车会被红灯拦停。

在现实中，研究人员利用实验洞察重新计算了沙洛福德路沿线交通信号灯的配时以减少拥堵。桑亚尔说，他们现在可以根据交通状况每四分钟改变一次信号模式。查塔努加拥有全美最繁忙的货运走廊之一，因此数字孪生也支持长期决策。例如，城市想知道，一天中是否有特定时段适合让驾驶员使用路肩作为行车道。桑亚尔表示，使用数字孪生进行此类工作可降低评估成本。

他说：“很多研究在发表一篇漂亮论文后就停止了，通常是很有说服力的论文，但实际应用的机会往往不存在。查塔努加很棒，他们让我们参与并合作调整交通灯设置，必要时进行微调，并在现实世界开展实验。然后我们观察前后变化，判断看到了哪些改进。”尽管目前研究人员仅控制一条走廊的信号灯，但桑亚尔预计，一年内他们将控制约100个信号灯，覆盖查塔努加市中心及其他高交通流量区域。

构成城市的建筑

数字孪生还能帮助城市和物业所有者降低能源消耗。城市产生的温室气体排放约占全球总量的75%。为减少污染，纽约、波士顿和华盛顿特区等城市已设定未来建筑实现净零碳排放的目标。但建筑脱碳需要分析并实施能源管理系统和可再生能源策略，同时还需购买碳抵消额度。Cityzenith是专注于开发城市数字孪生以助力脱碳的公司之一。

该公司首席执行官迈克尔·詹森（Michael Jansen）表示，模型可从少至两到五栋建筑起步。物业所有者使用模板输入数据，生成的数字孪生可帮助他们根据建筑年龄、状况和用途等因素运行并优化模拟，目标是实现更节能的建筑乃至城市。拉斯维加斯和纽约市已采用该技术，凤凰城及其他美国与欧洲城市预计将跟进。詹森称，Cityzenith计划在今年圣诞节前向总计10个城市捐赠该技术，到2024年向总计100个城市捐赠。

数字孪生的障碍

詹森指出，实施数字孪生的主要障碍之一是确保所有必要数据到位以构建模型。“数字孪生不是买来的，”他说，“而是建成的。”伊利诺伊理工学院建筑工程助理教授穆罕默德·海达里内贾德（Mohammad Heidarinejad）表示，由于大城市已拥有大量数据，预计更多城市将使用数字孪生。他补充说，五到十年内，这些模型也可能进入更多较小城市。

但城市和物业所有者将面临障碍。海达里内贾德说，用无人机或扫描捕捉现实需要大量存储空间，且数字孪生必须随现实世界变化而演进（波士顿每年更新两次模型）。伊利诺伊理工学院的斯里瓦斯塔瓦表示，更新数字孪生的一种方式是众包数据，包括人们拍摄并同意贡献给项目的城市照片。他建议，或许中央系统可以分析这些照片及其GPS坐标，并自动更新数字孪生。

数字孪生包含的数据可能带来隐私问题。如果人们能访问孪生背后的信息，黑客也能。斯里瓦斯塔瓦说，城市必须决定在数字孪生中捕捉多少细节，以及哪些元素向公众开放，尤其是在世界数据量不断增长的背景下。他说：“现实世界将出现越来越多的虚拟化，这仅仅是因为获取数据变得容易得多。我认为未来城市会加以利用。”

这可能需要城市进行投资。贝内特表示，波士顿配备了一名三维数据分析师，其主要职责就是维护城市的数字孪生。她说：“城市必须对此有所承诺，因为它是动态内容和数据，需要持续更新和维护。这颇具挑战性，因为如果模型过于过时，人们就不会愿意使用它。”橡树岭国家实验室的桑亚尔表示，人员和IT开销对城市而言可能难以承担。毕竟，城市希望成为纳税人资金的好管家，因此倾向于使用经过验证的工具。

橡树岭与查塔努加开展的数字孪生工作正是为此设计。橡树岭专注于可推广到其他城市的解决方案，因此桑亚尔希望企业能获得该国家实验室技术的许可。尽管如此，数字孪生只是城市和物业规划未来的一种工具，其价值在很大程度上取决于可用的数据。桑亚尔说：“由于它高度依赖数据，因此谨慎选择用于决策的数据至关重要。归根结底，数字孪生是一种工具，而大规模规划决策通常由人类做出。”