耦合与嵌入：数字孪生技术赋能韧性城市建设

张 威

(中南财经政法大学 公共管理学院，湖北 武汉 430073)

改革开放以来，随着我国经济的不断发展，城乡之间的差距不断缩小，城镇化水平加速提升。根据中华人民共和国住房和城乡建设部最新披露的数据，截至2020年年底，我国常住人口城镇化率已达63.89%，同比2019年增长了3.29%[1]，而早在1996年联合国人居署就断言预计到2030年全球将会有近50亿人在城市长居，越来越多的人口流向城市，由人类活动而产生的大部分能源消耗和碳排放也将聚集于城市[2]。然而城市经济高速发展、快速城镇化的背后，急功近利者难免陷入片面追求经济指标而忽略城市可持续发展的“窠臼”，将城市治理中需要长期规划的城市风险防控抛之脑后，这势必会挑战城市的“容纳”底线，导致“城市病”的滋生。此外，在现今“地球村万物互联”的时代背景下，城市风险已然更加复杂化、多元化，一场灾害往往由多种类型的突发事件集聚而成，呈现出复合型灾害的特征。[3]近年来，新冠肺炎疫情、河南郑州大暴雨等“黑天鹅”事件也引发了社会各界及学者们对城市公共安全风险防控的反思。在新时代城市发展与风险防控背景下，传统的城市治理理论和手段早已不能满足应对需要。

面对日益严峻的城市风险治理现状，价值理性上，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》(以下简称“十四五”规划)中明确指出要提高城市治理水平，加强特大城市治理中的风险防控，增强城市防洪排涝能力，建设海绵城市、韧性城市。[4]韧性城市理念作为新时代的城市治理信条，其重要性已经上升到国家战略层面。城市韧性是建立在传统规划理论上的指导现代城市可持续发展的全新途径[5]，增强城市韧性日益成为全球城市治理与灾害风险应急管理领域研究者与实务工作者的共识[3]。技术理性上，2017年12月习近平总书记在中共中央政治局会议上提出“实施国家大数据战略加快建设数字中国”[6]，强调用数字化提升国家治理现代化水平。“十四五”规划中也明确提出，加快建设数字经济、数字社会、数字政府，以数字化转型整体驱动生产方式、生活方式和治理方式变革。[4]在当前数字化信息时代，运用数字化技术治理城市、提高城市智能、化解城市新型风险成为最优选择。数字孪生作为数字化技术发展的高级阶段[7]，恰好契合韧性城市建设的技术需求。以韧性城市理念作为价值理性，以数字孪生作为技术理性，为新时代城市发展及风险治理提供了更加契合时代背景的治理视角与路径，也顺应了中央政府提高国家治理体系和治理能力现代化的战略要求。

目前我国学界在韧性城市建设以及数字孪生技术领域的研究已经取得了一定进展，但在韧性城市理论下，直接探讨以数字孪生技术支持韧性城市建设的研究还存在空缺。本文试图在城市风险治理视角下，结合数字孪生技术与韧性城市理论，探究数字孪生技术嵌入韧性城市建设的内在逻辑，并结合国际城市案例来提出数字孪生技术赋能韧性城市建设的实践策略，以期为城市韧性规划建设与数字孪生技术结合提供学理建议，丰富城市韧性发展建设的理论支撑与借鉴，为城市风险应急管理发展做出贡献。

一、文献综述

(一)韧性城市建设

韧性城市这一概念随着城市规模的扩张与城市风险的积累，已成为各国发展研究的重点主题。国外早在20世纪末就已对韧性城市展开研究，Alberti等[8]提出韧性城市是指城市在重构其结构前，快速响应并适应外界变化的一种能力或程度。韧性联盟将“韧性城市”概念界定为城市能够抵御自然灾害或突发公共事件带来的破坏，缓解外部环境施加的干扰与冲击，减轻受灾损失，并从灾害中快速恢复，从灾害事故中学习，以提高城市对未来灾害的预防与适应的能力。[9]Ahern[10]对韧性城市的特征进行了研究，认为韧性城市应该具有适应性、多样性、冗余性、网络性和多功能性。在韧性城市的分析维度上，Bruneau等[11]提出了韧性“TOSE”框架，他们从韧性社区角度提出韧性城市分析维度应包含技术韧性、组织制度韧性、社会韧性以及经济韧性。2013年，韧性城市建设开始正式进入规划实施阶段，美国纽约提出《一个更强大更有韧性的纽约》方案，提出以海岸线更替分析技术等多个数字化技术为支撑，提升风险发生后城市系统的协同与应变能力。[12]同年，美国洛克菲勒基金会正式启动了“100 Resilient City”项目，韧性城市建设开始从理论研究发展到广泛实践，进入全球视野。

在国内，最早的研究是郑艳等[13]提出低碳韧性城市概念，认为建设低碳韧性城市不仅需要从传统的城市治理经验与智慧中汲之所长，还需要借鉴现代城市规划技术，例如通过建设信息共享平台，披露环境气候信息。这为国内韧性城市建设吸收新兴技术实践提供了较早的理论依据，丰富了韧性城市的建设理论支撑。在以风险治理、防灾减灾为核心的韧性城市建设研究中，高恩斯[14]指出灾害韧性管理不再是依据事先设定扰动承受值来抵御灾害，而是以适应、调整和利用为目的，实现城市抗灾的弹性。陈玉梅等[15]也认为在动态环境背景下，韧性城市建设应同时考虑灾害应对与灾后重建，而不是一直“亡羊补牢”。李云燕等[16]则基于“治未病”思想，从无灾、灾前、灾时、灾后四个阶段出发，提出韧性城市的建立策略，进一步丰富了韧性城市适应性与学习能力建立的学理建议。在提升城市韧性的技术运用层面，多名学者从不同的技术视角展开了研究，滕五晓等[17]基于大数据技术，构建了集情报信息等五位一体的城市应急及综合防灾系统。毛炜青等[18]从地理空间层面，利用GIS技术、DSM差分技术、遥感影像识别等先进技术对城市基础韧性变化进行了监测。韩雪原等[19]提出通过搭建城市风险数据库和韧性管理平台，以对城市各项基础设施进行安全监管和监测监控，并为城市高风险区域提供动态实时研判和监控。宋蕾等[20]通过研究证明数据技术和城市空间的规划相结合正在成为发展趋势，并提出要以数据平台助力提升城市韧性。梳理国内外关于韧性城市的研究与国外韧性城市实践经验可以发现，韧性城市这一概念作为一件“舶来品”，我国目前对其建设的研究尚处于初级阶段，而沿着韧性城市的发展脉络，利用信息技术与数字平台助力韧性城市建设一直是重点策略，无论是从理论支持还是技术支撑角度出发，智能数字化技术与韧性城市建设的契合度都非常高。

(二)数字孪生技术

数字孪生的概念源于Michael Grieves在2003年讲授的关于产品生命周期管理的课堂，Grieves和Vickers认为数字孪生由三部分组成：现实世界中的物理实体、虚拟空间中的虚拟产品以及两者通过数据信息产生的关联。[21]美国国家航空航天局在对未来航天器的研究中，对Grieves提出的数字孪生概念进行了拓展并给出了一个新的定义：数字孪生是一种集成多学科、多物理场、多尺度、多概率的仿真过程，基于物理模型、历史数据以及传感器实时数据构建完整映射的虚拟模型，刻画和反映物理实体的全生命周期过程[22]，该定义也作为本文所参考的数字孪生概念解释。在数字孪生技术引领城市建设方面，随着物联网技术(IOT)的发展，数字孪生城市开始作为智慧城市建设的新起点引起广泛关注。以数字孪生城市代替传统城市成为大势所趋，并且传统城市已具备这种转型的能力。[23]Eric等[24]基于过往研究总结了数字孪生与城市建设的两大特征：虚实交融与镜像交互。

国内关于数字孪生技术的研究，最早聚焦于数字孪生车间、物质文化遗产数字化建设及交通基础设施数字化中。2018年，雄安新区将数字孪生引入城市建设领域，首创“数字孪生城市”概念，并通过研究指出通过构建实体城市与数字城市的交互系统，能够更直观地观测城市的发展态势及隐藏的风险。[25]数字孪生技术能够通过融合地理信息系统与智能云计算，实现对城市风险的预测预警，进行城市仿真、事件的干预，进而指引并优化城市规划和管理。[26]在数字孪生技术开始得到广泛关注后，数字孪生城市研究报告将引入城市治理的数字孪生技术分为了六大类：新型测绘技术、物联标识感知、云边协同计算、城市信息模型(CIM)、模拟仿真技术及智慧深度学习。[27]基于这六大类技术要素，多名学者对数字孪生技术与城市建设的结合展开了研究。例如，顾建祥等[28]依托智能化全息测绘技术，实现城市实时运行数据可视化，从而达到以虚拟城市精准映射现实物理世界的数字化模拟。全息测绘技术为数字孪生技术融入智慧城市建设提供了切实可行的着手点。在近年的研究中，陈栋等[29]结合智慧城市建设中尚存的挑战，提出了智慧城市感知基站这一新型概念，以多种信息通信技术及软硬件融合的设备，实现城市应急治理的优化。毛子骏等[30]从全周期管理视角出发，提出数字孪生技术能够赋能城市构建闭环链条，实现资源的合理利用，帮助城市管理者掌握城市运行规律，推动科学决策等。梳理国内外现有数字孪生技术相关文献可以发现，以数字孪生技术赋能智慧城市建设正是近年来的研究热点，无论是理论研究还是应用研究都呈“井喷式”增加趋势。数字孪生技术在城市应急管理与风险治理领域大有施展拳脚的空间。

那么基于此，将数字孪生技术嵌入到韧性城市建设中是否可行呢？数字孪生技术是否能赋能韧性城市建设？两者之间是否存在耦合关系？

二、数字孪生技术与韧性城市建设的耦合

耦合(coupling)是物理学的一个基本概念，是指两个或两上以上的系统或运动方式之间，通过各种相互作用而彼此影响以至联合起来的现象，是在各子系统间的良性互动下，相互依赖、相互协调、相互促进的动态关联关系。[31]美国学者维克(K. E. Weick)认为，相互耦合的两个要素具有关联性、完整性、多样性和协调性等特征。[32]本文基于这四大特征来讨论数字孪生技术与韧性城市建设的耦合逻辑。

(一)关联性

数字孪生技术与韧性城市建设作为两个独立的系统，在融合过程中具有较大的关联性。一是两者的价值理性一致，都是为了构建更具可持续发展力的社会，满足公众现代化安全高质量生活环境的需求。数字孪生技术需要韧性城市建设发展需求所提供的技术创新动力，韧性城市建设需要数字孪生技术提供高水平科技系统等实现更现代化城市治理。二是两者的各个子系统也存在相互关联、相互作用的关系。例如韧性社区与智慧信息平台，韧性交通与虚拟城市交通模型等。

(二)完整性

数字孪生技术与韧性城市建设的结合不只是将一种技术融入一个载体、工具与理念的简单叠加，而是深刻地结合时代背景后，根据两者的运行规律进行重组，从而形成的一个完整的合作体系，从而体现出耦合的完整性。数字孪生技术与韧性城市建设耦合的目的在于“更好地实现城市风险预测、识别、应对，促进城市抗灾的适应、学习能力，满足规模日益增长的城市居民对更优城市环境的需求，保证城市的可持续发展”，落脚点在于通过数字化技术整合提高城市应对风险的能力。两者结合的实际就是要以现代信息技术取代传统工业技术，提高城市的智能化水平，打造富有“韧性”的城市人居环境，实现新时代城市理论体系与技术的整合。

(三)多样性

数字孪生技术嵌入韧性城市建设的形式与层次不拘一格。根据城市辖域的不同，数字孪生技术的具体表现也不同，呈现出多样化的组合形式。例如通过三维技术，建立建筑模型以与实景对比，便利观测施工项目的建设进展；利用数字编辑技术分析集装车行进路线，调看扬尘数据以监测水质、空气质量等；利用数字孪生体的政府数据平台加大政务数据的公开透明度，为公众、企业、技术人员等提供更便捷的信息服务；通过仿真工具、物联网、虚拟现实等多种数字化手段，形成数字镜像以监测城市运行动态，从而弱化社会问题的不确定性，提高应对突发事件的适应性[7]；利用测绘技术进行应急演练仿真，让应急预案更加贴近实战。

(四)协调性

数字孪生技术是以人工智能、机器学习、大数据、区块链、云计算以及IOT等技术为支撑的数字化技术集合。[7]以数字孪生技术支撑韧性城市建设的最直接动因就是可以为城市及技术本身带来发展，而非纯粹理论意义上的契合。数字孪生技术与韧性城市建设的融合可以为数字孪生技术提供更多应用可能，现实价值的提升势必会为技术本身带来更多关注与投入，在未来的研发中进步，实践中更新，为数字孪生技术赋予了更为庞大的生命力。同时，数字孪生技术的嵌入也提高了城市的风险治理与城市灾害应对能力，通过多种数字化技术的支撑提高城市对风险的适应性与学习能力，从而向韧性城市迈进。

总之，数字孪生技术与韧性城市建设的融合具有价值与技术理性上的天然耦合性，两者在时代背景下围绕城市发展及风险治理构成不同的组合形式，从而形成一个耦合系统。因此，本文提出以数字孪生技术赋能韧性城市建设，并探究数字孪生技术嵌入韧性城市建设的内在逻辑，以期为现阶段韧性城市的建设发展提供不同视角参考与理论借鉴。

三、数字孪生技术嵌入韧性城市建设的内在逻辑

韧性城市建设与数字孪生技术之间具有价值理性与技术理性上的天然契合性，两者之间存在耦合效应。本文从技术嵌入角度出发，探讨数字孪生技术嵌入韧性城市建设的逻辑路径。

(一)数字孪生技术能够助推组织工作协同

数字孪生从技术上赋予了政府组织活力，通过数据收集系统进行数据挖掘、整合、流通，在城市风险爆发的第一时间，各部门能够通过同一平台获得数据信息。迅捷的数据流通打破了传统指挥链存在的信息沟通困难现状，化解了科层制下信息碎片化、失真性的困扰，从而便捷了各部门应对城市风险进行的相互协调，将繁杂的行政审批程序精简化。通过数字孪生平台，不仅使城市风险由传统的纵向应对、单一分散处理转变为相互协作的横向应对、综合集中处理，还能够使各组织根据数据披露提供的信息，对组织进行权变，以形成扁平化组织，实现对城市风险的灵活性应对，进而提高应对效率。

(二)数字孪生技术倡导以人为本，主张主体多元

在数字孪生背景下，物联感知技术通过城市全域标识与数据传感，使得城市的结构及其运行在虚拟平台得到映射，从而促进城市风险隐患的“显化”，并且社会成员公共行为通过数字化，在数据终端进行行为记录，能够满足城市问题的追溯、事后追责。同时，以数字孪生技术为基础的城市开放治理平台通过专业术语来构建数据信息，政府仅仅提供技术支撑与维护，各层社会主体，例如政府、非政府组织、企业、公民等能够进行意愿表达，让社会成员的诉求通过数字化在平台中得到反映，公众能够通过数字语言参与到城市风险治理中，实现城市风险治理的多元协同共治。

(三)数字孪生技术有利于掌握城市运行规律，促进资源流通

数字孪生技术能够通过模拟仿真，基于现实场景构成时空仿真的虚拟场景，从而实现在虚拟场景中对城市问题和风险进行仿真实验和演练，再结合大数据、人工智能等技术整合，深入分析城市运行中可能存在的隐患，预测城市各类公共安全事件，以便完备应急管理工作，从而通过各领域数据的整合，预测城市的发展运行规律，为城市建设、风险治理、城市管理等提供指导。此外，城市治理资源通过数字孪生接受公众监督，实现集中管理与储存，由此在发生城市风险时，实现应急物资的迅速匹配与发放，促进资源配置的高效率，提高社会整体应急的弹性。

(四)数字孪生技术能够提高城市治理智能化

数字孪生技术中的多种数字化手段，通过广覆盖、快流通的数据传输渠道，使数据价值得到了最大化体现，也降低了城市风险问题的模糊性和不确定性。同时，智慧深度学习利用大数据平台及算法使得城市治理中的所有创新实践都能够在数字孪生虚拟平台上得到试运行，实现城市风险治理问题的虚拟场景化处理，从而能够实现实践结果的超前预判，避免实际消极社会影响的产生。而数字孪生技术的嵌入过程，将物联网技术、智能机器学习技术等融为一体，形成了庞大的技术融合产业链，不同的数据、技术、知识等资源要素通过数字孪生平台得到汇聚，为城市风险治理的智能化提供技术支撑，以提高城市治理的智能化水平。

四、数字孪生技术赋能韧性城市建设的实践策略——以“虚拟新加坡”(Virtual Singapore)项目为例

新加坡作为一个以高工作效率著称的国家，其高效背后的一个客观原因就是因为新加坡国土面积小但人口密度高。要在这样一个国家或者说这样一个大型城市，适应日益紧张的城市膨胀趋势，新加坡政府官员们进行了大胆创新。鉴于新加坡人口稠密的城市环境，开展物理实验几乎没有失败的空间，于是政府拟建造一个3D的数字城市副本，供城市设计师、规划者和决策者探索未来的场景。

2015年，达索系统宣布与新加坡政府合作开发“虚拟新加坡”(Virtual Singapore)，即一个与现实物理世界完全镜像的3D城市模型，通过数字化技术为城市模型提供城市各领域数据，以数据为语言，对城市进行静态复刻与动态监测，从而帮助政府官员做出最佳的城市规划决策，并通过视觉上的信息共享与公民进行沟通。[33]“虚拟新加坡”结合了数字孪生技术的虚实交融与镜像交互的两大特点，采用达索系统3D EXPERIENCity打造动态的新加坡3D数字模型，运用三维建模及数字仿真技术为城市规划及风险治理提供创新性意见和决策建议。本文借鉴了“虚拟新加坡”项目的实践经验，并结合前文中分析的数字孪生技术与韧性城市建设耦合与嵌入的逻辑，为数字孪生技术赋能韧性城市建设提出实践策略，以期为国内韧性城市建设中吸纳数字孪生技术提供学理依据。

(一)重塑组织制度韧性

“虚拟新加坡”主张以3D思维来思考城市问题。通过3D虚拟平台，新加坡的城市规划者能够获得城市建筑物更详细的视图，包括结构。在虚拟平台中，可以以虚拟视角下到行人层，观察路线可达性和遮阳人行道的可用性等。同时，通过平台能够收集红绿灯和公交车站位置等动态数据，甚至还将拥有社会公众行为的数据。从“虚拟新加坡”的实践经验中可知，数字孪生技术能够通过虚拟平台与现实世界的同步运行并通过打造大数据终端改变城市数据原有的获取方式与使用模式，城市大数据终端与虚拟平台通过重塑城市数据结构，改变以往政府部门间僵化低效的工作机制，从而对组织制度韧性进行重塑。

(二)稳固社会韧性

“虚拟新加坡”打造的数字化平台不仅仅向政客开放，它还向科研机构、企业、公民开放，如政府的科技研究机构、新加坡国立大学等，科研机构能够通过虚拟平台进行大规模的模拟实验，企业可以使用虚拟新加坡来测试无人驾驶汽车，通过城市仿真模型中的虚拟道路来测试创新产品，而不用占据现实中交通繁忙的道路。在社会各主体可以共同接触数字孪生平台的前提下，数字孪生技术为城市风险治理各主体间创造了一个多元协同共治的协作环境，从而能够提高社会公众的社会认同感与城市归属感，提高其参与城市风险治理的积极性。

(三)强化经济韧性

“虚拟新加坡”也被用于做更长期的城市规划和决策。例如，新加坡为迎合人口老龄化趋势而对城市的基础设施进行重大革新、陆路运输管理局(LTA)拟为残疾人设置专属坡道、镇议会针对环境变化提出对绿化公园进行改造等，而这三个看似毫无相关的规划可以通过虚拟平台进行项目建设的模拟仿真，在不需要实际支出的情况下尝试两两兼容。这在避免额外交易成本的情况下进行创新性实践，大大降低了城市规划的成本，同时也提高了规划效率。同样的逻辑，对城市风险的模拟仿真能够帮助决策者进行前瞻性的预判，以决策方案的生成、选择、执行、反馈等各环节闭环的叠加，实现虚实城市的互动以及决策的迭代优化。

(四)提高技术韧性

“虚拟新加坡”在技术创新上研发了“虚拟基层实验”技术，以测试创新想法实践的合理性。在实践中，社区发展委员会通过“虚拟基层实验”选择了特定的社区安装太阳能屋顶、修建契合社区结构的特殊蓄水系统以及气动废物处理系统，通过观察虚拟平台中安装设施的运行、流转和收益情况来测评创新想法的可行性。同时，基于“虚拟实验”技术，数字孪生技术充分利用了“虚拟平台”的实验性功能，能够为城市风险治理的技术研发提供试验机会和观察窗口，实现在技术投入实践之前，评估技术实效性及其可能存在的漏洞，确保技术的高标准。同时，当技术经过反复试验确保可投入社会市场中，数字孪生系统的物联感知技术与云计算平台能够对运行状况进行动态监测，对数据进行采集、分析，再为技术的适应性提供现实建议，这无疑提高了城市风险治理中技术普及的效率和进度。

韧性城市理论从组织制度韧性、社会韧性、经济韧性和技术韧性四个维度，为未来城市风险治理提供了更科学的实践指导。数字孪生技术通过集结新型测绘技术、物联标识感知、云边协同计算、城市信息模型(CIM)、模拟仿真技术及智慧深度学习六大技术要素，为韧性城市建设提供了恰如其分的技术支撑。韧性城市与数字孪生在价值和技术理性上存在耦合性，韧性城市建设为数字孪生技术赋予了更旺盛的生命力，而数字孪生技术为韧性城市建设提供了相得益彰的技术支持。数字孪生技术覆盖下的韧性城市，是机器与人的分工合作，也是数字系统与社会系统的交相渗透融合，在以人为本的实践宗旨下，实现人类生活与技术发展的和谐共生。本文通过分析韧性城市与数字孪生的耦合性、技术嵌入的逻辑与路径、现实实践的经验策略，为韧性城市建设融合新的技术系统提供了学理借鉴参考，但研究尚停留在学术逻辑分析层面，缺乏切实可行的执行手段研究，对城市庞大复杂的运行系统也缺少一个细致的视角进行探究，在未来的研究中还需对此进行深入探讨。