楊滔 田穎 徐艷杰

摘要：21世紀(jì)以來，數(shù)字孿生進(jìn)入城市規(guī)劃與治理領(lǐng)域，加快了城市的感知和問題反饋的過程，形成了時間、空間和人之間新的互動機(jī)制。數(shù)字孿生城市的挑戰(zhàn)來自城市的復(fù)雜性，提出以人為主的沉浸參與式角度來重新定義空間，強(qiáng)調(diào)空間的多維度延伸，以空間流形的模型為基礎(chǔ)，建立起數(shù)字孿生城市的空間表達(dá)方式及其升維與降維的計算邏輯。基于此，探討數(shù)字孿生賦能下的“互動生成式”規(guī)劃模式：通過數(shù)字孿生的參數(shù)化設(shè)計，以人為主體，不斷調(diào)整和實(shí)時反饋城市的各項規(guī)劃參數(shù)，構(gòu)建不斷演進(jìn)的數(shù)字孿生的規(guī)劃治理系統(tǒng)及政策。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生城市；空間流形；參與式；城市信息模型；生成式

文章編號 1673-8985（2023）05-0004-07 中圖分類號 TU981 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

現(xiàn)在地球上有超過半數(shù)的人口生活在城市中，并且未來會有更多人在城市中生活①，正如聯(lián)合國人居署在最新的《2022年全球城市報告》中指出的，“城市是人類的未來”。正由于城市是人類生活的主要載體，我們一直致力于更好地認(rèn)識和改造城市。工業(yè)革命帶來生產(chǎn)生活方式的變化，機(jī)械化的世界觀和還原論大行其道，但自上而下控制城市的規(guī)劃方式顯然無法構(gòu)建真正有活力與可持續(xù)發(fā)展的城市，反而帶來犯罪率升高、交通擁堵、生活品質(zhì)下降等一系列社會問題。因此諸多學(xué)者意識到這種遠(yuǎn)離現(xiàn)實(shí)、將城市作為同質(zhì)化系統(tǒng)的假設(shè)，有意或者無意地忽略了城市的本質(zhì)[1-4]。

Hopkins[5]認(rèn)為，傳統(tǒng)規(guī)劃學(xué)者用經(jīng)濟(jì)學(xué)及生態(tài)學(xué)假設(shè)的均衡發(fā)展思想來解釋城市是有一定問題的，因?yàn)槌鞘邪l(fā)展有4個“I”的特性，即互依賴性（interdependence）、不可逆性（irreversibility）、不可分割性（indivisibility）和不完全預(yù)見性（imperfect foresight）。這4個特性決定了城市不同于其他系統(tǒng)，難以用這種分離并征服（divide and conquer）的機(jī)械手法面對，簡單線性的規(guī)劃思維無法應(yīng)對城市的復(fù)雜性和快速變化。

為了直面城市的復(fù)雜性，需要一種適應(yīng)城市發(fā)展特征、快速應(yīng)對環(huán)境變化的規(guī)劃與決策模式。這種規(guī)劃方式既不同于完全控制的綜合性規(guī)劃方案，也不是基于模型計算的漸進(jìn)主義規(guī)劃，而是可以及時對系統(tǒng)情況進(jìn)行監(jiān)測、計算、仿真并快速反饋，以互動協(xié)調(diào)各方意見的規(guī)劃生成方式，持續(xù)迭代規(guī)劃治理一體化政策。當(dāng)然，這就面臨如何快速掌握城市這個復(fù)雜系統(tǒng)的動態(tài)變化和發(fā)展規(guī)律，如何形成高效的互動協(xié)同平臺的問題。而隨著數(shù)字孿生在城市規(guī)劃設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用，其通過虛實(shí)互動，形成了天然的沉浸參與式互動協(xié)同平臺，正為這種新的互動生成式規(guī)劃與治理的發(fā)展提供可能。

1 數(shù)字孿生進(jìn)入城市規(guī)劃領(lǐng)域

“數(shù)字孿生”的概念從1970年代被美國宇航局用于航空航天飛行器的模擬仿真，以確保航空器安全，并提高運(yùn)行壽命[6]；2003年，邁克爾·格里夫（Michael Grieves）教授在美國密歇根大學(xué)首先提出“信息鏡像模型”（Information Mirroring Model），在2011出版的《幾乎完美：通過PLM驅(qū)動創(chuàng)新和精益產(chǎn)品》中，他給出數(shù)字孿生的3個組成部分：物理空間的實(shí)體產(chǎn)品、虛擬空間的虛擬產(chǎn)品、物理空間和虛擬空間之間的數(shù)據(jù)和信息交互接口[7]。數(shù)字孿生理念逐漸在航空航天、工業(yè)制造、農(nóng)業(yè)、電力乃至城市領(lǐng)域快速發(fā)展，展現(xiàn)了從復(fù)雜性較低的系統(tǒng)到復(fù)雜性較高的系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展過程。在我國，“數(shù)字孿生城市”的概念最早出現(xiàn)在2018年的《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》中，即“堅持?jǐn)?shù)字城市與現(xiàn)實(shí)城市同步規(guī)劃、同步建設(shè)，適度超前布局智能基礎(chǔ)設(shè)施，推動全域智能化應(yīng)用服務(wù)實(shí)時可控，建立健全大數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理體系，打造具有深度學(xué)習(xí)能力、全球領(lǐng)先的數(shù)字城市[8]”。

隨著數(shù)字孿生理念應(yīng)用領(lǐng)域的逐步擴(kuò)展，數(shù)字孿生技術(shù)經(jīng)歷了技術(shù)迭代發(fā)展的過程，并在每個發(fā)展時期展現(xiàn)了不同的互動方式和特征?？傮w來看，大致可以分為4個階段（見圖1）。

一是數(shù)字孿生萌芽期，以模型仿真技術(shù)為主，體現(xiàn)物理實(shí)體到數(shù)字虛體的映射特征。20世紀(jì)80年代以來，CAD、CAE、CAM等計算機(jī)建模、模擬仿真技術(shù)迅猛發(fā)展，主要在工業(yè)制造業(yè)和建筑領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，可以將物理空間的實(shí)體形成數(shù)字映射的過程。例如現(xiàn)有的數(shù)字孿生城市實(shí)踐是從數(shù)化仿真城市物理環(huán)境開始的，包括建筑、道路、橋梁和水系。這種初步的物理世界到網(wǎng)絡(luò)世界的映射而產(chǎn)生的三維可視化環(huán)境，為城市信息的快速獲取和基于信息的判斷和交流提供了便捷途徑。

二是數(shù)字孿生概念期，以模型與感知技術(shù)為主，體現(xiàn)物理實(shí)體到數(shù)字虛體映射后，數(shù)字虛體對物理實(shí)體的反饋特征。隨著模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，以及21世紀(jì)初“物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)的初步應(yīng)用，通過感知通信獲取產(chǎn)品實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)與實(shí)時計算成為可能。2010年NASA將數(shù)字孿生應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域，隨后通用電氣、達(dá)索、西門子等制造業(yè)龍頭企業(yè)廣泛開展數(shù)字孿生應(yīng)用，推動了物聯(lián)感知技術(shù)與建模仿真技術(shù)的集成融合。不過由于缺乏城市尺度物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，城市的相關(guān)應(yīng)用僅停留在智能建筑的物業(yè)、監(jiān)控管理等方面。

三是數(shù)字孿生推廣期，以模型、感知、空間位置等多技術(shù)融合為主，體現(xiàn)物理實(shí)體和數(shù)字實(shí)體與空間的互動特征。隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）等空間定位技術(shù)的推廣，以及參數(shù)化模型的應(yīng)用，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、BIM技術(shù)的成熟普及和3DGIS的實(shí)體語義化發(fā)展，形成了以模型、感知、空間位置等多技術(shù)融合為主的數(shù)字孿生技術(shù)。這使得數(shù)字孿生逐漸從封閉空間小微場景，向開放空間大中型場景轉(zhuǎn)變，從數(shù)字孿生產(chǎn)品、工廠、樓宇，走向數(shù)字孿生園區(qū)、城市等大尺度范圍。

四是數(shù)字孿生壯大期，以模型、參數(shù)化、位置、感知、交互、AI大模型等技術(shù)全面融合為主，體現(xiàn)物理實(shí)體和數(shù)字實(shí)體與空間和時間協(xié)同互動的特征。隨著對城市系統(tǒng)規(guī)律的認(rèn)知加深，參數(shù)化模型、感知交互（AR、VR）、人工智能（機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等）、區(qū)塊鏈等技術(shù)從組織模式和交互模式上徹底改變了城市的生產(chǎn)生活方式。

特別是近兩年元宇宙概念興起，加速推動數(shù)字空間與現(xiàn)實(shí)空間的深度融合，時間維度的記錄和分析也加入數(shù)字孿生的能力中，構(gòu)建全時空、全要素、全能力的數(shù)字孿生成為可能。這種新的時空互動能力使得數(shù)字孿生能為規(guī)劃參與者提供便捷、公開、簡易的溝通互動模式。然而，城市是遠(yuǎn)比宇航器、工業(yè)產(chǎn)品或建筑物復(fù)雜的系統(tǒng)，包含更為復(fù)雜的社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、文化等子系統(tǒng)及其關(guān)聯(lián)，本文主要探討數(shù)字孿生城市如何應(yīng)對城市系統(tǒng)的獨(dú)特復(fù)雜性。

2 城市復(fù)雜性的人本內(nèi)涵

城市的復(fù)雜性來源于城市作為開放系統(tǒng)，特別是人作為城市的主體所具備各自不同的目標(biāo)行為，導(dǎo)致城市中存在大量不確定的因素、過程及其結(jié)果。正如Peter Hall[9]曾提到：衛(wèi)星上天的航天計劃具有明確的目標(biāo)與指向，類比打固定靶，可精準(zhǔn)預(yù)測其航天軌跡；而城市規(guī)劃設(shè)計解決城市中動態(tài)變化的問題，更像打移動靶，難以預(yù)測城市的發(fā)展，反而比航空計劃更為困難，也更容易失敗。實(shí)際上，這指明了城市作為復(fù)雜系統(tǒng)以開放的方式不斷變化，并隨時間的演變而不斷出現(xiàn)突發(fā)情況，需要及時學(xué)習(xí)與適應(yīng)，因而這種復(fù)雜系統(tǒng)很難精準(zhǔn)模擬并預(yù)測。

隨著20世紀(jì)80年代以來國際學(xué)術(shù)界提出復(fù)雜科學(xué)的概念，城市研究者與規(guī)劃設(shè)計師們借助網(wǎng)絡(luò)科學(xué)、動力系統(tǒng)論、博弈論、機(jī)器學(xué)習(xí)等新興方法揭示了城市復(fù)雜性的部分規(guī)律。早在1960年代，面向第二次世界大戰(zhàn)后大規(guī)模重建帶來的社會經(jīng)濟(jì)影響，劍橋大學(xué)Martin Centre[10]提出與“建成環(huán)境”價值相關(guān)的研究問題：城市道路網(wǎng)（urban grid）是否是城市發(fā)展的引擎（engine）？這里不僅探討了道路網(wǎng)兩側(cè)的開發(fā)模式及其強(qiáng)度，而且辨析了道路網(wǎng)作為空間系統(tǒng)對整個城市功能連通性和區(qū)位價值的作用力。與此同時，劍橋?qū)W派在討論怎樣的要素（包括空間）組合才能構(gòu)成人所能使用的建筑物或城市，其中人對城市的使用是開放因素；或者說，哪種組合才能構(gòu)成人所使用的復(fù)雜城市或建筑物。Christopher Alexander[11]、Bill Hillier[12]、Michael Batty[13]34等一直在探討開放復(fù)雜系統(tǒng)中局部與整體的問題，即局部要素如何在隨機(jī)開放的前提下彼此關(guān)聯(lián)而涌現(xiàn)出整體性要素。

雖然他們采用的具體技術(shù)都有所差異，但都無一例外地選擇了圖論中的圖來對城市空間進(jìn)行抽象表達(dá)，以此強(qiáng)調(diào)要素或局部之間的聯(lián)系或流動，進(jìn)而構(gòu)建起可計算的網(wǎng)絡(luò)體系。他們也發(fā)現(xiàn)了城市中的各類要素并非都在城市整體層面上彼此作用，而往往在局部層面上與其周邊要素互動，作用于個人行為。但是這種作用力反過來通過城市中的社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境等網(wǎng)絡(luò)體系加以傳播并交織，形成了城市整體上的涌現(xiàn)模式，且建構(gòu)了局部與整體的自相似、自組織、自適應(yīng)規(guī)律。特別是Batty[13]36指出，功能、模式、交互、空間、尺度、規(guī)模等都是城市復(fù)雜系統(tǒng)的基本組成部分，構(gòu)成自相似的復(fù)雜性機(jī)制。

然而，城市系統(tǒng)的復(fù)雜性關(guān)鍵在于人，即人在該系統(tǒng)中的感知、認(rèn)知、推理、行動的過程存在各種不確定因素，同時又是一種復(fù)雜的交互行為，并在空間網(wǎng)絡(luò)傳遞過程中迭代與演化。因此，如何從人的視角去探究城市復(fù)雜空間網(wǎng)絡(luò)的連接、生成、演變過程尤為關(guān)鍵。換言之，個人與集體參與到城市空間網(wǎng)絡(luò)的建構(gòu)才是研究城市復(fù)雜性的關(guān)鍵點(diǎn)之一。實(shí)際上，這改變了研究城市復(fù)雜空間網(wǎng)絡(luò)的視角，將從自上而下的鳥瞰視角轉(zhuǎn)化為沉浸在空間中漫游的人看視角，并以個人或集體的行為路徑將各類空間聯(lián)系在一起。以人的感知、體驗(yàn)、交互等為紐帶，將不同專業(yè)、不同部門、不同人群等協(xié)同整合起來，共同建構(gòu)城市復(fù)雜系統(tǒng)的生產(chǎn)方式與結(jié)果。特別在數(shù)字孿生時代，數(shù)字空間提供了相應(yīng)的系統(tǒng)工具，加速了這種人與人之間的時空性互動，有可能演化出更為精細(xì)化的參與式模型乃至生成式數(shù)字孿生，去支撐更為復(fù)雜而精準(zhǔn)的城市規(guī)劃與治理。

在這種動態(tài)式、參與式、生成式的城市級別數(shù)字孿生中，復(fù)雜性空間規(guī)劃與治理將會彼此融合。這源于個體化、局部的參與規(guī)劃行為將在彼此互動中建構(gòu)出整體式的模式，動態(tài)地、自上而下地影響下一階段的個人化、局部的參與治理行為，從而以動態(tài)的局部與整體聯(lián)動的方式消解規(guī)劃與治理之間的明確邊界，建構(gòu)新的復(fù)雜城市系統(tǒng)演進(jìn)路徑。因而，如何快速準(zhǔn)確地掌握“現(xiàn)狀治理情況”，并呈現(xiàn)給利益相關(guān)者，促進(jìn)各方基于更有效的證據(jù)討論，不斷地生成可選擇的行動方案，最終形成共識，就顯得尤為重要。正是由于規(guī)劃與治理融合的變化趨勢，才讓數(shù)字孿生有了在規(guī)劃與治理領(lǐng)域生存的土壤，因?yàn)閿?shù)字孿生在信息的展示、傳遞、調(diào)整、多方互動溝通方面具有明顯優(yōu)勢，可以更加高效、便捷地推動多方共識的形成。不過，對數(shù)字孿生中城市空間系統(tǒng)的復(fù)雜性討論，需要回歸到空間本身在數(shù)字孿生中的模型表達(dá)，特別是人的視角如何在數(shù)字孿生中進(jìn)行表達(dá)。

3 沉浸參與式的空間范式

從理論方法的角度，人所參與的城市空間及其復(fù)雜性應(yīng)該如何表示，并加以計算、生成并模擬？一般而言，城市空間被視為長、寬、高3個維度所界定的歐幾里得空間；而在空間網(wǎng)絡(luò)的研究中，空間之間的彼此連接模式被視為拓?fù)淇臻g，其局部的尺寸大小往往被忽略。早在19世紀(jì)上半葉，Bernhard Riemann認(rèn)為，我們生活中的歐幾里得空間僅僅是幾何特例，而空間概念需要重新審視。于是他建立起非歐幾何空間的理念[14]。例如，我們生活的地球就是曲面，從北京到紐約的最短距離并不是兩個城市之間的直線距離，而是沿地球表面的測地線的長度（一條曲線）；而在北京的廣場上，我們?nèi)匀桓杏X到是三維的歐幾里得空間。這本質(zhì)是從人所使用空間的角度，重新界定了幾何空間，并消解了歐式幾何的某些基礎(chǔ)性定律，如兩條平行線永遠(yuǎn)不相交。從而，Riemann開辟了非歐幾何的領(lǐng)域，并試圖對所有的幾何空間定義進(jìn)行統(tǒng)一。從數(shù)學(xué)角度，Riemann提出流形（manifold）的概念，即局部具有歐幾里得幾何特征的拓?fù)淇臻g。這些局部歐氏空間通過連續(xù)的拼接構(gòu)成整體曲率不為零的非歐幾何空間。實(shí)際上，Riemann認(rèn)為幾何空間是多元延伸量，即根據(jù)從一個確定空間到另外一個確定空間之間是否存在連續(xù)的過渡，構(gòu)成了連續(xù)的或離散的流形，其中連續(xù)的為點(diǎn)，而離散的為元素。

從人在空間中運(yùn)動的視角，非歐幾何空間為我們提供了對空間的新認(rèn)知，我們對于任何幾何空間的認(rèn)知不再依賴于更高維的空間嵌入。例如，地球的曲面特征不再根據(jù)“球”嵌入三維歐氏空間中而得以顯示，而是可沿經(jīng)緯線加以描述。本質(zhì)上，我們不再從鳥瞰的視角去看待幾何空間，而是沉浸參與到幾何空間中去認(rèn)知該空間的內(nèi)在特征。簡言之，我們根據(jù)空間的曲率去認(rèn)知幾何空間。例如，我們在空間中行走，從人看體驗(yàn)的視角而言（見圖2），左右兩側(cè)是對稱的，而前后是非對稱的，暗示著“前端與后端”“未來與過去”“到達(dá)與離開”“還有多遠(yuǎn)/落下多遠(yuǎn)”等時空信息；面向前進(jìn)的方向，代表著“經(jīng)過”“流失”和“時間之箭”，其中涉及前進(jìn)過程中所能感知到的空間變化，最簡單的就是腳步的計數(shù)。按現(xiàn)象學(xué)大師胡塞爾的理解，這就是數(shù)與空間的基本性關(guān)系，即數(shù)的變化來源于空間的延伸計量這個動作。換言之，空間延伸屬于行為方式，這帶來了空間本身的分類邏輯，而最基本的就是計數(shù)。

那么，從城市街道空間中行走的角度來看，街道網(wǎng)絡(luò)有可能也是“彎曲”的，與鳥瞰的歐式二維平面空間不一樣。在完全正交的街道網(wǎng)格中，空間的感知是勻質(zhì)的，近似對應(yīng)于二維平面空間；如果中央的街道網(wǎng)密度大于周邊的，那么從中央走出去，將會感知到街道網(wǎng)變得稀疏，近似“下坡”，對應(yīng)于1.8維空間；如果中央的街道網(wǎng)更為稀疏，那么從中央出去，將會感知到越來越緊密的街道構(gòu)成，近似“上坡”，對應(yīng)于2.3維空間（見圖3）。那么，在后續(xù)兩種情況中，街道網(wǎng)發(fā)生了“彎曲”，可通過沉浸參與式的行走體驗(yàn)所感知到。之前的研究證明[15]，這種街道網(wǎng)的“彎曲”機(jī)制構(gòu)成了城市空間分區(qū)的動力，即從人看視角下街道密度變化的不連續(xù)性構(gòu)成了城市分區(qū)的現(xiàn)象。這構(gòu)成了人或集體參與到空間體驗(yàn)中的一種空間認(rèn)知范式，被稱為沉浸參與式的空間范式。

在Riemann提出流形概念之前，康德的批判哲學(xué)中就已出現(xiàn)“流形”的詞匯，即Mannig-faltigkeit。這表示由雜多構(gòu)成的統(tǒng)一體，其中mannig表示雜而多，faltig表示折疊，keit表示性質(zhì)。“雜多”表達(dá)每一種直觀或顯性現(xiàn)象都包含其未經(jīng)過整理的復(fù)雜多樣的原始內(nèi)容。這是經(jīng)由先天的或經(jīng)驗(yàn)性的感知而呈現(xiàn)出來的，即通過人的感知所獲得的復(fù)雜多樣的內(nèi)容表象[16]。這強(qiáng)調(diào)了直覺中的“內(nèi)容”存在，同時也暗示了“雜多”本身也是通過人的感知重建而渾然一體。胡塞爾明確提出：直觀的雜多都是被認(rèn)知精神所塑造的，即雜多本身也通過人的認(rèn)知行為獲得了原初的統(tǒng)一性，并轉(zhuǎn)化了雜多與統(tǒng)一之間的對立。從而，他提出了時間流形與意識流形。前者指彼此相鄰的流形，代表時間的流逝（見圖2）；而后者指認(rèn)知過程中動態(tài)的流形，代表雜多的整體認(rèn)知的形成，這依賴于人參與到空間沉浸體驗(yàn)的行為[17]。因此，我們認(rèn)為空間中存在著復(fù)雜多樣的社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、文化等內(nèi)容，體現(xiàn)為空間行為，且彼此之間相互延展與交織，從而構(gòu)成了統(tǒng)一而復(fù)雜的流形，其中包含不連續(xù)性與多樣性的深刻內(nèi)涵。不連續(xù)性意味著社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、文化等要素或形狀的識別，而多樣性暗示著復(fù)雜的關(guān)聯(lián)認(rèn)知。因此，城市空間的復(fù)雜性在人或集體參與到空間行為中，才會揭示得更為清晰。

4 數(shù)字孿生中的空間流形模型

在這種意義上，數(shù)字孿生中復(fù)雜的城市空間體現(xiàn)為某種特定的流形，例如社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、文化等內(nèi)容在城市街道實(shí)體與虛體空間中彼此延展與交織。當(dāng)個體沉浸參與到虛實(shí)街道空間中，由于個體所感知與認(rèn)知的社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、文化等內(nèi)容各不相同，這樣的內(nèi)容在空間中延展的曲率并不相同，那么不同個體所感知到的流形也許千差萬別。同時，對于同一個局部空間，同一個體對上述位于該局部空間的這些內(nèi)容的感知也可能差別較大，于是這些內(nèi)容在該局部空間中根據(jù)該個體認(rèn)知而彼此延伸交織，該個體對于空間的理解也將呈現(xiàn)出雜多的景象。于是，對于每個局部虛實(shí)空間的內(nèi)容延伸，可以用張量來進(jìn)行“復(fù)雜的雜多”情景描述，如5個維度的局部虛實(shí)空間，表示為：

對于認(rèn)知個體而言，每個局部空間的張量對應(yīng)于該空間的多維度且有方向的屬性，表達(dá)為諸如街道本身及社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、文化等空間延展。從空間規(guī)劃的角度而言，這將體現(xiàn)為諸如建筑密度、人口密度、商業(yè)密度、汽車尾氣密度、網(wǎng)紅打卡地密度等，不僅僅體現(xiàn)這些要素的空間分布，而且體現(xiàn)這些要素本身之間的聯(lián)系及其認(rèn)知中的連續(xù)性。這種復(fù)雜的延展性共同構(gòu)成了空間本身的特征及其認(rèn)知模式?？臻g延展的梯度體現(xiàn)為諸如建筑密度或人口密度等在空間延展中的變化率，其綜合性的變化體現(xiàn)為“復(fù)雜流形曲率”，對應(yīng)于個體如何認(rèn)知綜合性空間特征的變化情況，以及對空間本身的綜合性定義。這體現(xiàn)為空間本身的雜多情景，也體現(xiàn)為不同個體的不同綜合性空間認(rèn)知。然而，在宏觀層面上，這又存在某種涌現(xiàn)的規(guī)律，表達(dá)為某種統(tǒng)一性。

對流形而言，從雜多到統(tǒng)一的過程中，降維是一種模型方法，以便找到核心的不變結(jié)構(gòu)。例如，對于一個圓圈，可以在二維空間中用xy直角坐標(biāo)系去描述；也可以用極坐標(biāo)系去描述，那么只需半徑r變量就可以，這屬于一維空間。在直角坐標(biāo)系中有很多（x，y）坐標(biāo)點(diǎn)并不在圓圈上，這就是冗余的數(shù)據(jù)，那么可以從（x，y）降維到一維的長度去描述。其實(shí)人腦的認(rèn)知方式就是采用了類似的降維模型。Klein[18]早在19世紀(jì)就用“變換群”的理念來強(qiáng)調(diào)不同維度的流形之間的轉(zhuǎn)換，認(rèn)為群變換中不變的特征才是流形的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)。在具體的計算過程中，基于最近距離的聚類還是最基本的方法，本質(zhì)也就是對“不連續(xù)性”的識別。例如，從圖局部近似的角度，拉普拉斯特征映射建立起數(shù)據(jù)之間的連接，體現(xiàn)為復(fù)雜流形在不同維度中所傳遞的內(nèi)在特征結(jié)構(gòu)，這表示為：

然而，流形本身內(nèi)在的特征結(jié)構(gòu)不僅來自多維度的自相似性，而且來自高于局部的多尺度聯(lián)動模式。這與胡塞爾提到的意識流形有共通之處。每個空間在諸如街道、社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、文化等方面延伸，因此個人在感知局部空間構(gòu)成的過程中，也同時根據(jù)自己頭腦中的知識體系或知識圖譜，對不同方面的空間延伸有不同的解讀，從而動態(tài)地建構(gòu)起這些空間各自的不連續(xù)性，及其彼此之間的連接方式。因此，個體對局部空間的認(rèn)知會依賴更大尺度的空間延伸情況。例如，個人在十字路口選擇路徑的過程中，除了感知紅綠信號燈、路口交通情況、路口商業(yè)等功能活動分布，同時也會根據(jù)自身位置（通過手機(jī)虛擬空間或頭腦記憶）對出行目的地、周邊街道的連通情況、商業(yè)等功能延續(xù)情況乃至個人交通可負(fù)擔(dān)能力等進(jìn)行計算，從而選擇走向哪條道路。這些不同要素在空間中延展的曲率集合，被稱為空間復(fù)合曲率。該變量在較大尺度的度量將會決定局部的空間認(rèn)知，其中包含降維過程。換言之，個人在沉浸式行為過程中，將高維度的空間流形進(jìn)行降維，從而獲得更為清晰的空間復(fù)合曲率，指導(dǎo)自身的個體行為動作。這種過程可視為在不同尺度之間的轉(zhuǎn)換（transformer），基于不同尺度涌現(xiàn)的知識的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)，將不同尺度的空間表征關(guān)聯(lián)起來，形成對于關(guān)鍵特征要素或關(guān)注事件的識別，建構(gòu)編碼器與解碼器，并生成各自尺度下的空間現(xiàn)象、行為、事件及其內(nèi)在動力模式。

與此同時，不同個人對空間延伸存在不同的解讀和認(rèn)知，以及不同的個人行為動作選擇，這將使得人們不斷在虛實(shí)空間中切換，從各自對社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、文化等具體情景的不同理解角度，去影響空間的構(gòu)成與延伸?；蛘哒f，不同的專業(yè)從各自角度對城市空間網(wǎng)絡(luò)的過程產(chǎn)生作用力。在集體層面上，這些不同的空間作用力彼此交織在一起，共同生成新的城市尺度的空間特征，被相關(guān)的個人所感知到，形成某種集體協(xié)同或社會意識。這稱為從低維向高維的空間涌現(xiàn)過程，屬于城市空間作為復(fù)雜系統(tǒng)的基本規(guī)律之一。因此，根據(jù)個人與社會的虛實(shí)空間感知與體驗(yàn)的過程，流形本身的雜多在不同尺度、不同維度之間構(gòu)成了更為動態(tài)的統(tǒng)一，同時也反饋到雜多本身的變化中。本質(zhì)上，城市的復(fù)雜性就體現(xiàn)在雜多的多樣性與統(tǒng)一的理解性，而尺度與維度在推動了流形的動態(tài)性感知意識與沉浸體驗(yàn)行為中，構(gòu)成了數(shù)字孿生空間流形的參與式涌現(xiàn)。

5 數(shù)字孿生中的互動生成式規(guī)劃治理模式

上述對于空間流形本質(zhì)性的思考從源頭上辨析城市空間系統(tǒng)生成的內(nèi)在機(jī)制，其核心是個人在空間中通過沉浸參與式行為本身去建構(gòu)了集體的虛實(shí)互動的空間網(wǎng)絡(luò)?；貧w到城市這個復(fù)雜巨系統(tǒng)的本源，在城市各個子系統(tǒng)的虛實(shí)時空協(xié)同中，復(fù)雜城市空間系統(tǒng)的生成來自沉浸參與式行為對城市空間形態(tài)加以互動性的作用力。那么，需探討如何架構(gòu)起沉浸參與式的數(shù)字孿生城市系統(tǒng)，促進(jìn)這種跨專業(yè)的虛實(shí)時空協(xié)同生成機(jī)制，從而優(yōu)化城市規(guī)劃與治理決策。

在數(shù)字孿生模擬環(huán)境中，人對各種變量或參數(shù)的感知與選擇，推動了各個子系統(tǒng)的交互與演進(jìn)，從而在人機(jī)互動的過程中優(yōu)化了空間流形，建構(gòu)了城市巨系統(tǒng)形態(tài)的涌現(xiàn)機(jī)制。由此，基于圖網(wǎng)絡(luò)（graph network）和流形學(xué)習(xí)（manifold learning）等技術(shù)，探索城市科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)與信息科學(xué)相關(guān)的人工演進(jìn)（artificial evolution）概念，即計算模型或仿真可根據(jù)人對變量與參數(shù)的識別與選擇，形成自動演進(jìn)的算法，從而模擬人參與互動下的數(shù)字系統(tǒng)演進(jìn)過程[19]?；诖?，期望以數(shù)字化的方式去模擬城市空間的規(guī)劃與治理，而其過程又依賴于人們從沉浸式的角度去參與建構(gòu)和運(yùn)行城市各個子系統(tǒng)，并挖掘與遵循其內(nèi)在規(guī)律。

這種系統(tǒng)可稱為人工演進(jìn)的元城市空間系統(tǒng)（Meta Urban System of Artificial Evolution，MUSAE），即拉丁文的繆斯，意為藝術(shù)與科學(xué)的女神，暗示著城市復(fù)雜系統(tǒng)的建構(gòu)本質(zhì)就是藝術(shù)與科學(xué)的融合、實(shí)體與虛體的交融。這構(gòu)成數(shù)字孿生體，包括兩大部分（見圖4）：一部分是實(shí)體城市系統(tǒng)，從生態(tài)本底，到空間結(jié)構(gòu)、專業(yè)互動、形態(tài)生成，直到城市決策；另一部分是虛擬城市體系，從數(shù)據(jù)工程，到模型整合、機(jī)器學(xué)習(xí)、人機(jī)互動，直到應(yīng)用擴(kuò)展。前者構(gòu)成了業(yè)務(wù)場景，而后者形成了軟件架構(gòu)；兩部分經(jīng)由參數(shù)調(diào)試而不斷演進(jìn)，其過程包括人的沉浸式干預(yù)與算法迭代，共同構(gòu)成服務(wù)于城市規(guī)劃與治理決策的城市信息模型搭建基礎(chǔ)。于是，城市復(fù)雜系統(tǒng)在人與機(jī)器互動，以及人（或機(jī)器）通過機(jī)器與更多的人互動下，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)實(shí)體與虛擬城市的交融與迭代，推動相關(guān)政策的智慧演進(jìn)，建構(gòu)起新的規(guī)劃與治理一體化模式。

其中，參數(shù)調(diào)試尤為重要。本質(zhì)上，參數(shù)的選擇是個體介入數(shù)字孿生體的關(guān)鍵性入口。不管是經(jīng)由專業(yè)知識而形成的算法，還是經(jīng)由大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)而獲得的算法，都需要與真實(shí)的世界進(jìn)一步對接，開展相關(guān)驗(yàn)證，使得基于知識的算法與基于機(jī)器學(xué)習(xí)的算法相互優(yōu)化，同時又與真實(shí)的城市運(yùn)行相匹配。在這過程中，共性通用的參數(shù)可以被識別，而適用特定場所或場景的參數(shù)也需要被挖掘。在這種意義上，數(shù)字孿生體本身雖然在本體論上是唯一的，但在現(xiàn)象與算法表征中則存在多種形式。因此，參數(shù)調(diào)試是本體與表征之間的聯(lián)系，大模型所提供的超大量參數(shù)性空間計算使得復(fù)雜性得以定量揭示。

人機(jī)互動是空間流形在數(shù)字孿生空間中的延展。個體深度參與到數(shù)字空間的表達(dá)、模擬、仿真、決策、操作等環(huán)節(jié)中，提供了人與人之間更高維度、更遠(yuǎn)距離的交流環(huán)境，也實(shí)現(xiàn)了人通過數(shù)字世界對實(shí)體世界進(jìn)行操作的可能性；反之亦然。一方面需要建立全面的自下而上感知，增加感知城市運(yùn)行、發(fā)現(xiàn)城市問題的能力，通過感知不同主體的行為需求和活動，為規(guī)劃決策提供更多源、更客觀的數(shù)據(jù)支撐，自下而上形成基于空間流形的數(shù)據(jù)基底。另一方面，為了讓數(shù)據(jù)可用于城市的政府、企業(yè)和市民的決策，服務(wù)于城市在目標(biāo)領(lǐng)域的決策，形成以場景為核心的模擬和協(xié)同平臺機(jī)制，通過疊加多維城市模型進(jìn)行模擬分析、大模型自我學(xué)習(xí)迭代和擴(kuò)展人機(jī)交互的方式，提高不同主體的溝通效率和決策的能力，形成自上而下的科學(xué)決策與相關(guān)政策（見圖5）。

6 數(shù)字孿生支持規(guī)劃會商決策的實(shí)踐

基于蘇州城市信息模型（CIM），蘇州搭建了數(shù)字孿生古城的初步應(yīng)用版本?；谔K州CIM基礎(chǔ)平臺的數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)功能，對古城更新相關(guān)工作進(jìn)行多場景智能模擬并搭建協(xié)同會商機(jī)制，旨在輔助提升姑蘇區(qū)歷史文化保護(hù)、社會民生和城市更新水平，以及古城數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展，從而提高規(guī)劃治理的決策水平。

針對古城、街道、社區(qū)、地塊、建筑的不同尺度，建構(gòu)起對空間8個維度的度量，如人口、用地、經(jīng)濟(jì)、文化、設(shè)施、交通、空間（如視廊控制）、建筑，形成張量網(wǎng)絡(luò)，并加入時間因素（歷史、現(xiàn)狀、未來），共同建構(gòu)起識別更新潛力地塊的坐標(biāo)，即流形空間的一種簡單表達(dá)方式。張量屬性來自統(tǒng)計分析、流轉(zhuǎn)表單、物聯(lián)感知、參數(shù)調(diào)整等，共同建構(gòu)個體與集體互動的空間網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)濟(jì)賬是基于智能模擬的規(guī)劃決策的重要場景之一。根據(jù)更新項目進(jìn)行精細(xì)化建設(shè)成本和收益估算，明確項目的投入和產(chǎn)出，進(jìn)行項目績效分析。建設(shè)成本估算是根據(jù)具體空間生成情況，選擇安置補(bǔ)償方式和貨幣補(bǔ)償方式，靈活核算拆遷總費(fèi)用、配套建設(shè)費(fèi)用，核算總更新成本。收益核算結(jié)合項目的地價、樓面價、容積率、使用性質(zhì)、稅金及營收等綜合估算項目收益（見圖6）。通過模型算法迭代，平臺實(shí)現(xiàn)自我的古城更新經(jīng)濟(jì)政策與空間管控政策的螺旋優(yōu)化升級。

針對選定的地塊，利益相關(guān)者可調(diào)整參數(shù)，定制化自動生成三維模型（見圖7），實(shí)時對應(yīng)相關(guān)規(guī)劃設(shè)計條件要素值調(diào)整，通過直觀、可視的三維效果，開展多主體的會商和討論，提升溝通的效率，有利于政府、公眾、企業(yè)等多方加入到方案的設(shè)計決策中，推動公眾參與。這種會商過程又被機(jī)器學(xué)習(xí)，用于相關(guān)政策的再評估與迭代。

目前，蘇州古城的應(yīng)用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)古城工作底圖搭建，對空間、用地、建筑、人口、交通、設(shè)施等進(jìn)行畫像，綜合進(jìn)行用地潛力評估，形成多維評估應(yīng)用模塊，以及通過項目管理、輔助選址、設(shè)計條件會商、方案管控、方案影響評估等輔助更新決策。并且由于掌握了更精細(xì)和個體化的數(shù)據(jù)，古城微更新方案的三維展示、古城文化的視頻與虛擬模型融合等場景將更好地輔助古城保護(hù)與更新。雖然這些功能看似輔助“自上而下”的方案制定和管理，但其實(shí)古城的應(yīng)用是通過整合“個體”的更為精細(xì)化信息來實(shí)現(xiàn)“自下而上”的感知和反饋。比如在歷史城區(qū)范圍內(nèi)，以建筑（試點(diǎn)區(qū)域以房屋）為最小單元，通過地名、地址實(shí)現(xiàn)人口、企業(yè)法人、公共服務(wù)設(shè)施、文物保護(hù)單位、POI等屬性表信息與建筑基底面的關(guān)聯(lián)融合，建筑基底面與建筑實(shí)體通過編碼進(jìn)行關(guān)聯(lián)掛接，以豐富三維建筑物信息，為各維度的數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計提供基礎(chǔ)，并且在特定的分層分布模型可以掛接人口、權(quán)屬等信息，服務(wù)精細(xì)化管理和應(yīng)用。

7 結(jié)語

數(shù)字孿生城市的核心是虛實(shí)互動，在互動過程中優(yōu)化參數(shù)、協(xié)同各方、共享信息。信息技術(shù)的發(fā)展加快了城市的行為感知、問題反饋、識生成和決策行動的過程，人在實(shí)體與虛體城市中的生活生產(chǎn)方式都發(fā)生較大變化，體現(xiàn)出更為精細(xì)化、敏捷化、多元化的復(fù)雜巨系統(tǒng)的特征。同時，我國存量時代需要協(xié)調(diào)更多的利益相關(guān)方，需要達(dá)成共識，而數(shù)字化方式則可加速協(xié)同共識的形成，應(yīng)對復(fù)雜巨系統(tǒng)中可能涌現(xiàn)的“黑天鵝”和“灰犀?！爆F(xiàn)象。因此，本文認(rèn)為數(shù)字孿生中強(qiáng)調(diào)以人為主體，建構(gòu)起社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、文化等張量空間網(wǎng)絡(luò)，通過數(shù)字孿生流形空間的參數(shù)化互動，支撐利益相關(guān)方不斷調(diào)整和實(shí)時反饋城市的各項運(yùn)行參數(shù)，形成以多時空互動反饋支撐的設(shè)計生成和以智能模擬及協(xié)同平臺為支撐的規(guī)劃輔助決策，推動相關(guān)規(guī)劃治理政策的及時響應(yīng)與調(diào)整，探索“互動生成式”規(guī)劃治理的新模式。

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