邁克爾?巴蒂 林旭輝

摘要：數(shù)字孿生已經(jīng)成為熱門話題，它是計(jì)算機(jī)在科學(xué)理論和實(shí)踐發(fā)展過程中的最新階段。如果回到20世紀(jì)20年代，“模型”一詞意味著“實(shí)物的簡(jiǎn)化”或“抽象概念”，當(dāng)時(shí)幾乎不為人知，但計(jì)算機(jī)一出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)模型首先興起，緊隨其后的是各種模型的快速發(fā)展。在科學(xué)領(lǐng)域，理論的概念現(xiàn)在幾乎可以與模型的概念互換。重點(diǎn)闡述計(jì)算機(jī)或數(shù)字模型背景下數(shù)字孿生的定義，并提出困擾該領(lǐng)域的語(yǔ)義學(xué)悖論和難題。圍繞“如何定義一個(gè)好模型”，引入圖靈測(cè)試的“寬松版本”變體，即簡(jiǎn)單地提出“你能看出孿生和真實(shí)事物之間的區(qū)別嗎？”這一問題?；谠摐y(cè)試對(duì)倫敦?cái)?shù)字模型的應(yīng)用，建議未來的發(fā)展方向是對(duì)同一地點(diǎn)開發(fā)數(shù)字模型的多種版本、示例和應(yīng)用，從而啟動(dòng)數(shù)字模型的對(duì)比，并為它們的集成提供平臺(tái)，以此為信息預(yù)測(cè)提供更豐富的背景。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；多模型；城市模擬

文章編號(hào) 1673-8985（2023）05-0001-03 中圖分類號(hào) TU981 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

數(shù)字孿生的概念首先出現(xiàn)在生產(chǎn)工程中，其中“孿生”由格里夫斯[1]在2003年首次定義為物理工件或過程的數(shù)字描繪，用于理解和控制相關(guān)流程。這樣的孿生是實(shí)物的模型、“簡(jiǎn)化”或“抽象”，這一概念通常舍棄了真實(shí)世界的大部分內(nèi)容，只保留工件或過程的本質(zhì)。在模型和孿生之間的差異程度上，人們普遍認(rèn)為孿生明確與真實(shí)世界“共享信息”，其中信息不可避免地是數(shù)字化的。模型也可以共享信息，但這一點(diǎn)并不是那么明顯。原因在于數(shù)字孿生是在試圖復(fù)制物理系統(tǒng)，而比我們?cè)谒伎汲鞘袝r(shí)所常用的許多模型更接近真實(shí)世界。孿生的理念是它以某種方式與真實(shí)系統(tǒng)融合，但不會(huì)成為真實(shí)系統(tǒng)本身。從這個(gè)意義上說，孿生作為真實(shí)系統(tǒng)的控制器是符合邏輯的。但這也是一個(gè)悖論，因?yàn)閷\生不能與真實(shí)系統(tǒng)完全相同，僅僅構(gòu)建一個(gè)與真實(shí)事物完全相同的孿生是沒有意義的，否則孿生本身就將成為真實(shí)系統(tǒng)。然而，這些定義仍然有些含糊不清，因此語(yǔ)義學(xué)上的爭(zhēng)論仍然存在[2-3]，[4]2129-2132 。

本文將更詳細(xì)地闡述這些定義性問題。首先，本文會(huì)定義“孿生”的概念，并指出可能存在多個(gè)孿生、三元組、相同和非相同孿生等不同形式，甚至可能有混合型的孿生，其中既包含數(shù)字體現(xiàn)，又包含非數(shù)字體現(xiàn)。本文會(huì)將真實(shí)系統(tǒng)的模型或?qū)\生概念進(jìn)行擴(kuò)展，即在模型或?qū)\生與真實(shí)世界聯(lián)系起來的環(huán)路中將我們自身也嵌入其中。因此，我們無法單獨(dú)討論模型，而是需要超越“模型與真實(shí)世界接口”的討論，擴(kuò)展到我們自己如何組織這種虛實(shí)并置。隨后本文將進(jìn)一步探討處理多重模型的方法，隨著計(jì)算和分析能力使得我們能夠?yàn)橥幌到y(tǒng)建立多個(gè)模型，處理多重模型將變得尤為重要，并且這些模型并不妨礙我們繼續(xù)建模。

在面對(duì)一個(gè)系統(tǒng)模型時(shí)，我們通常會(huì)試圖探討該模型與真實(shí)事物的“擬合”程度或其估計(jì)值的好壞。在計(jì)算建模中，如果想知道一個(gè)AI表現(xiàn)究竟如何，“圖靈測(cè)試”是一個(gè)非常好的程序。本文將在構(gòu)建城市的計(jì)算模型時(shí)（某些情況下即“數(shù)字孿生”），提出為數(shù)字孿生設(shè)計(jì)的圖靈測(cè)試。本文還將概述英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院高級(jí)空間分析中心（Centre for Advanced Spatial Analysis，CASA）如何就同一地點(diǎn)（倫敦東部的奧林匹克公園）構(gòu)建出不同的計(jì)算模型。這些模型設(shè)想都非常不同，因此導(dǎo)向了不同的預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)[5]。其中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于“如何整合與同一地點(diǎn)相關(guān)的不同模型”以及“為該地點(diǎn)所定義的不同現(xiàn)實(shí)到底有多么密切相關(guān)”。從這個(gè)意義上說，這種挑戰(zhàn)比計(jì)算模型本身涉及更為廣泛的內(nèi)容，因?yàn)檫@關(guān)系到我們?nèi)绾握细鞣N知識(shí)，用于不同復(fù)雜性的問題求解[6]、不同類型的規(guī)劃和不同可能的未來。

1 多種定義：數(shù)字孿生和計(jì)算模型

數(shù)字孿生的主流概念是：某種物理系統(tǒng)的抽象。從這個(gè)意義上說，物理性是“硬”的，而不是“濕”或“軟”的。因此，數(shù)字孿生如果去“映射”以社會(huì)經(jīng)濟(jì)或人為行為為主的系統(tǒng)，將會(huì)困難得多。然而，即使在物理系統(tǒng)中，也很難將數(shù)字孿生限制為純物理表達(dá)，因?yàn)槿祟惪偸且阅撤N方式存在于虛實(shí)循環(huán)中，而且通常需要為單個(gè)物理系統(tǒng)開發(fā)多個(gè)數(shù)字孿生。此外，對(duì)于同一系統(tǒng)的多個(gè)模型，也總是可以反映出最先構(gòu)建孿生的人類自身的直覺和行為意圖。戈登·帕斯克[7]在《控制論方法》一書中繪制了一幅精彩的漫畫，揭示了困擾數(shù)字孿生簡(jiǎn)單定義的所有難題（見圖1）。

在帕斯克的漫畫中，人類明顯是與傳感器相結(jié)合的一環(huán)，這代表了數(shù)字孿生的另一個(gè)關(guān)鍵特征，即孿生必須在真實(shí)物體與其孿生或模型之間進(jìn)行交互和信息傳遞。此外，在這幅漫畫中，模型從何處開始，真實(shí)系統(tǒng)在何處結(jié)束，都存在于黑盒中的某個(gè)地方，而定義好的模型和孿生的大部分工作就在于在真實(shí)系統(tǒng)、更廣泛的環(huán)境、孿生及其環(huán)境，以及貫穿整個(gè)系統(tǒng)的人類之間建立正確的關(guān)系。

數(shù)字孿生的一個(gè)相關(guān)特征是：它通常是真實(shí)系統(tǒng)的反饋控制器，甚至與真實(shí)系統(tǒng)的融合也與控制機(jī)制相關(guān)，而反過來這又是需要被管理的一部分。數(shù)字孿生與某些模型一樣具有預(yù)測(cè)能力，但也存在某些模型僅僅具有預(yù)測(cè)功能，而不能仿真真實(shí)系統(tǒng)。也就是說，如果沒有現(xiàn)在或過去的孿生，就不可能擁有未來的數(shù)字孿生。還是說這是有可能的？這一想法還有很多模糊性。最后，需要指出的是，未來可能有許多數(shù)字孿生。單個(gè)模型的每個(gè)版本都可能是一個(gè)孿生，因?yàn)橐粋€(gè)模型只要不斷調(diào)整其元素，就會(huì)生成自身的多個(gè)版本。同時(shí)也可能存在相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)，包括數(shù)字孿生、集成孿生、具有不同特性的孿生等。有關(guān)數(shù)字孿生還有很多問題有待解決，本文將提出許多開放性問題，去探索這些新的詮釋。

2 模型有多好？孿生有多好？圖靈測(cè)試

當(dāng)我們構(gòu)建一個(gè)模型時(shí)，通常需要盡可能地使其接近真實(shí)情況。這往往涉及微調(diào)和修正參數(shù)值以更接近真實(shí)系統(tǒng)，但也可能需要從真實(shí)系統(tǒng)本身獲取更多數(shù)據(jù)，以便訓(xùn)練出更好的模擬結(jié)果。目前，我們?yōu)槌鞘幸?guī)劃建立的大多數(shù)模型都與真實(shí)城市的豐富性和多樣性相差甚遠(yuǎn)，許多模型很難被視為人類生物學(xué)意義上的孿生。當(dāng)我們面對(duì)的是一個(gè)無法直接觸及的真實(shí)系統(tǒng)，為了確定模型或數(shù)字孿生是該系統(tǒng)的優(yōu)良復(fù)制品，我們會(huì)希望模型的結(jié)果與真實(shí)系統(tǒng)完全相同。這本質(zhì)上就是艾倫·圖靈提出的挑戰(zhàn)，用來確定計(jì)算機(jī)是否能夠模擬人類智能。本文不探討圖靈測(cè)試的局限性。簡(jiǎn)而言之，該測(cè)試就是一個(gè)人詢問一個(gè)系統(tǒng)的過程，除了提問我們沒有其他方法來了解這個(gè)系統(tǒng)。如果系統(tǒng)對(duì)問題的回答與我們期望的人類回答一致，那么該系統(tǒng)就通過了測(cè)試，我們認(rèn)為它就是人類。我們可以修改這種測(cè)試方法來確定模型的預(yù)測(cè)是否與真實(shí)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)相同。在戈登·帕斯克的漫畫中，如果真實(shí)系統(tǒng)輸出的信息與模型輸出的信息相同，那么無論從哪個(gè)角度來看，該模型都可以被看作孿生。而要實(shí)現(xiàn)這種測(cè)試的關(guān)鍵問題是需要提問者事先對(duì)系統(tǒng)一無所知，但這在筆者看來是不可能的。

帕斯克漫畫的一個(gè)特點(diǎn)是他的模型和系統(tǒng)是非常物理主義的。實(shí)際上，在城市規(guī)劃領(lǐng)域中，城市的三維表達(dá)的出現(xiàn)（通常與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的二維模型并存）使得數(shù)字孿生的概念更加接近我們周圍的現(xiàn)實(shí)。下一節(jié)中會(huì)展示兩個(gè)關(guān)于物理表達(dá)的示例；另外兩個(gè)示例則關(guān)注社會(huì)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。到目前為止，還沒有人完全弄清楚媒介表達(dá)對(duì)于數(shù)字孿生的重要性。它們顯然是數(shù)字化的，但真實(shí)系統(tǒng)本身是否可以數(shù)字化，還是必須具有一定的物質(zhì)性才能使孿生概念具有意義？數(shù)字孿生是否由非數(shù)字和數(shù)字兩部分組成，人類始終參與其中的事實(shí)是否削弱了數(shù)字孿生不只是計(jì)算模型這一觀點(diǎn)？

3 多個(gè)模型和不只一個(gè)孿生：同一場(chǎng)地的不同模型

正如引言中提到的，高級(jí)空間分析中心的幾位團(tuán)隊(duì)成員正在以2012年倫敦奧運(yùn)會(huì)場(chǎng)館為中心，獨(dú)立構(gòu)建倫敦東部地區(qū)的數(shù)字模型。比較這些模型，甚至整合它們的想法，這在學(xué)術(shù)上很有趣，在專業(yè)上也彼此相關(guān)，因?yàn)檫@些模型關(guān)注該地區(qū)的不同方面，而這些方面在未來的規(guī)劃和設(shè)計(jì)中將彼此交融。模型的焦點(diǎn)是Here East媒體中心，它最初是一座非智能建筑，正被改造成建筑信息系統(tǒng)或模型，用于持續(xù)的數(shù)字化維護(hù)和監(jiān)測(cè)。該區(qū)域有很多與教育相關(guān)的信息技術(shù)。整個(gè)園區(qū)正在使用三維模型建模，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)導(dǎo)入園區(qū)空間，最近隨著Crossrail高速鐵路的開通，新的交通設(shè)施也得到發(fā)展（見圖2）。

筆者的研究涉及一個(gè)更大規(guī)模的項(xiàng)目，即在英國(guó)的普查區(qū)域尺度上建立土地利用交通模型，每個(gè)普查地區(qū)的平均人口約為5 000人。該模型涵蓋了園區(qū)內(nèi)的所有出行情況，并將這些出行與英國(guó)新基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目聯(lián)系起來。同時(shí)，筆者團(tuán)隊(duì)也正在開發(fā)許多其他模型，這些模型本身并不是仿真模型，但是通過數(shù)字信息進(jìn)行城市分析確實(shí)有助于了解該地區(qū)的情況。隨著越來越多數(shù)字模型的構(gòu)建，愈發(fā)明顯的事實(shí)是要試圖找到一個(gè)單一最佳模型是錯(cuò)誤的，或者至少是有局限性的。未來的方向是構(gòu)建多個(gè)模型而不是一個(gè)模型[4]2129-2132 。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在的計(jì)算系統(tǒng)和數(shù)據(jù)已經(jīng)使其成為可能。

4 開放式問題 ， 有針對(duì)性的答案

對(duì)數(shù)字孿生在許多領(lǐng)域和地方的更大規(guī)模研究而言，本文只是一個(gè)引子。研究者需要更清楚地了解數(shù)字孿生的局限性。毫無疑問的是，數(shù)字孿生吸引了學(xué)術(shù)界的興趣，各個(gè)團(tuán)體開始考慮用計(jì)算模型將不同的想法結(jié)合起來，并以數(shù)字化方式加以推進(jìn)。這些想法可以以無數(shù)種方式展開，但要取得進(jìn)展，還需要好的范例。有關(guān)數(shù)字孿生仍有許多問題有待解決，特別是如何在不同的問題背景下使用同一個(gè)系統(tǒng)的不同數(shù)字孿生，無論是針對(duì)一個(gè)地方、一個(gè)行業(yè)，還是一臺(tái)機(jī)器等。目前，數(shù)字孿生的聯(lián)盟、生態(tài)和系統(tǒng)正在構(gòu)建和發(fā)展，如何發(fā)揮這些影響并發(fā)展出更好的科學(xué)成為一個(gè)緊迫的任務(wù)。

（這項(xiàng)研究部分由艾倫·圖靈研究所在QUANT2-Contract-CID-381581合約下支持。2023年6月20日至 6月22日，本文的早期版本在蒙特利爾麥吉爾大學(xué)舉行的“計(jì)算城市規(guī)劃和城市管理會(huì)議”上宣講。感謝已故的戈登·帕斯克留下的知識(shí)產(chǎn)權(quán)以允許本文引用1961年倫敦半徑出版社出版的《控制論方法》一書中的漫畫。）

參考文獻(xiàn) References

[1]GRIEVES M. Digital twin： manufacturing excellence through virtual factory replication[EB/OL]. [2021-10-14]. https：//theengineer.markallengroup.com/production/content/uploads/2014/12/Digital_Twin_White_Paper_Dr_Grieves.pdf.

[2]BATTY M. Digital twins[J]. Environment and Planning B， 2018， 45（5）： 817-820.

[3]BATTY M. Map is not the territory， or is it？[J]. Environment and Planning B， 2019， 46（4）： 599-602.

[4]BATTY M. Multiple models[J]. Environment and Planning B， 2021， 48（8）： 2129-2132.

[5]BATTY M， HUDSON-SMITH A， SIGNORELLI V， et al. More than one twin： an ecology of model applications in East London[M]//WAN L， NOCHTA T， TANG J， et al. Digital twins for smart cities – conceptualization， challenges and practices. London： ICE Publications， 2023： 69-85.

[6]CALDARELLI G， ARCAUTE E， BARTHELEMY M， et al. The role of complexity for digital twins of cities[J]. Nature Computational Science， 2023， 3： 374-381.

[7]PASK G. An approach to cybernetics[M]. London： Radius Books， 1961.