来上海，预见城市未来

允中 发自 凹非寺

量子位 | 公众号 QbitAI

“这世界没什么事情比城市的兴起更令人着迷。没有城市，人类的文明就无从谈起”。

瑞士经济史学家保罗·拜罗克（Paul Bairoch）在《城市与经济发展》一书的开篇这样写道。

今天，人们已经习惯在城市中生存生活，并基于城市发展工业、科技和贸易，可以说城市在千百年来承载着人类文明的走向。

放眼未来，城市的走向又在哪里？

一朝城市梦，半部人类史

史学家们认为城市是人类社会发展到一定阶段的产物，因此也将城市的出现视为文明成熟的标志之一。

在人类文明的历史长河中，城市不仅是文明的载体，也是文明的坐标。

随着文明的发展，产生了越来越详细的社会分工，人们各司其职，城市有机运转；同时，城市逐渐成为人类社会演进的温床，人口不断向城市聚集，跨地域和跨种族的多样文化持续碰撞，丰富文明的内涵。

公元前9世纪，古罗马文明在的意大利半岛中部逐渐兴起，在经历了十个世纪的征战，它从一个小城邦扩张成为横跨欧亚非、称霸地中海的庞大帝国，最辉煌的时期人口超过100万，这在2000年前是一个惊人的成就。

古罗马的壮大，让艺术、宗教、哲学、文学、科学领域有了丰厚的发展土壤，对西方文明产生深远的影响。“条条大路通罗马”描述的就是当时以罗马为中心、通向四面八方的大道，极大地促进了内外部的贸易和文化交流。

隋唐时期，长安城是当时世界上规模最大、建筑最宏伟、规划布局最为规范化的城市，百万人口的长安是全国的政治和文化中心。因为仰慕唐朝高度发达的经济文明，先后有300多个国家和地区派人前来长安朝觐、留学、交流和贸易。日本曾13次向中国派出遣唐使，最广为人知的是阿倍仲麻吕，传为一段佳话。

盛唐时期，我国的城市发展进入了空前的高度，杜甫诗句里“忆昔开元全盛日，小邑犹藏万家室”描述的就是开元盛世时，小城市就有上万个家庭，物阜民丰，储藏米谷的仓库也装得满满。

工业革命带领人类进入工业文明新时期，城市化和工业化并驾齐驱，实现生产力跃升。机器生产让生产效率突飞猛进，城市人口指数级增长，并形成了伦敦、曼切斯特等一批大型工业化城市，一举拉开东西方社会进程和城市发展的差距。

1896年，为了接触新的思想、探寻中国的出路，清政府首辅李鸿章率团访问了美国纽约。可以想象得到，站在纽约街头，看着车水马龙和高楼林立的城市场景，他的内心受到何等的冲击。

如今，长安的城墙依然屹立，断壁残垣的古罗马角斗场成为了新罗马标志性的景点，历史带走了原本属于这些城市的雄伟、壮美、华贵或威严，但从残留的背影依稀可以窥探它们在人类文明史上留下的一抹不可磨灭的璀璨光亮。

可以说人类文明最精彩的故事，都是在城市书写。

城市的起源和未来

有人说最早的城市起源于土耳其的恰塔尔·休于，也有人说是巴勒斯坦境内的杰里科古城，众说纷纭。

美国著名的城市理论家、社会哲学家刘易斯·芒福德在《城市与发展》的著作中这样写到：“城市的起源至今还不甚了然，它孕育发展的历史相当大一部分还埋在地下，或已消磨得难以考证，而它的远大未来又是那样难以估量”。

马克思认为，城市的产生是生产发展的结果，特别是社会分工的产物。随着生产规模的扩大，人们有了跨村庄交易多余产品的需求，于是集市开始萌芽，为早期贸易提供土壤。当贸易发展到一定阶段，人口大量聚集，分工明确、各司其职，城市的雏形逐渐形成。

“城市”这两个字很好的体现了它的价值，“城”代表城郭，早期人们通过建造坚实的堡垒来保障人员和财产的安全，因此由了《吴氏春秋》记载的“筑城以卫军，造郭以居民”；“市”则是商品交易的场所，在城的庇佑下，“市”的活动才得以顺利开展。

现代城市随着工业化的进程而产生，通过聚集产业、资金、人才等优质资源，实现科技进步和城市发展的相互促进，可以说现代社会的发展是以城市为核心的。

19世纪，只有约3~4%的人口在城市居住，在经历了两个世纪前所未有的城市化进程，现在全球一半以上的人口居住在城市，千万以上人口的城市超过22个，对全球经济发展和文明进程产生了深远的影响。随着各国都在不断推进城市化进程，未来还有更多的人成为“城里人”。

未来的城市，又会是什么样？

这是所有的城市管理者都在思考的城市转型问题。

在中国，围绕着打造城市群的构想，近几年陆续公布了京津冀、长三角、珠三角、成渝双城经济圈的规划方案，通过城市群实现城市一体化，增强城市的互补性和竞争力，进一步激发城市活力。

绿色、可持续发展城市的理念也在逐步深入人心，并成为全球共识，比如新加坡就以“花园城市”著称，成都未来也将围绕 “雪山下的公园城市”推进城市规划，打造更宜居的城市。

在未来城市探索的道路上，沙特也率先出发，编织了一个超前而大胆的梦。

2017年，沙特王储穆罕默德·本·萨勒曼在沙特“愿景2030”的框架下，宣布了一项投资5000亿美元的建城计划，计划建造长达120公里的“零碳直线城市”-Neom新城。沙特希望以数字技术为支撑，打造低碳环保的沙漠之花，试图摆脱世界对于它“石油国家”的固有的标签，加足马力向多元化经济发展，这也是目前全球看到最大的数字化基建项目。

一切皆可孪生

1999年，华纳兄弟公司重磅推出了《黑客帝国》，成为继《泰坦尼克号》后又一部现象级电影。除了炫酷的“子弹时间”特效，本片的精髓还在于脑洞大开的故事情节设定——矩阵世界。

直到主角逃离后才发现，所谓的矩阵世界，其实是一个虚拟的世界，在那个连互联网都尚未普及的年代，这无疑让人惊叹于导演和编剧的奇思妙想。从物理世界到虚拟世界的映射，也开始成为大家茶余饭后的热门话题。

2021年，元宇宙Metaverse的概念在资本的炒作下爆火，有人甚至将其称为下一个互联网，FaceBook公司也直接将自己的公司名改成了Meta。“元宇宙”实际上就是以虚拟现实技术为核心，打造现实世界到虚拟世界的映射。

同样在2021年，英伟达年度GTC上，CEO黄仁勋彻底炫技了一把。通过自家的Omniverse平台，英伟达团队创建了黄仁勋演讲背后的动态虚拟环境——数字厨房，里面的一切摆设，包括老黄自己，完全通过GPU渲染而成。效果逼真，以至于后来老黄在采访中常被问道：这是真的你吗？

元宇宙的爆火，带动了作为其根技术的数字孪生技术再一次出圈。

知乎上有一个问题：“什么是数字孪生”，它认为最原始的数字孪生早在东汉时期就已出现，并被应用于城市建设和战争中，那就是沙盘。

其实，上世纪90年代，钱学森向国防科工委的信中就提到了“Virtual Reality”，并给它取了一个很诗意的中国名字——“灵境”。这其实说的就是数字孪生，他预测这种虚拟与现实的映射技术，在未来将给人类社会带来一场巨大的技术变革。

实际上数字孪生来源于工业领域，但如今其应用范围不再局限在工业领域，娱乐、社交、水利、建筑、能源等越来越多的行业和场景，开始探索数字孪生技术的应用。

甚至有人大胆地预测：未来的世界，一切皆可孪生。

当城市遇见数字孪生

据联合国统计，当前约55%的世界人口，即有42亿人生活在不到世界面积2%的城市中，但却产生了全球国内生产总值的80%和碳排放的70%以上。预计到2050年，约70亿人口将生活在城市。

随着城市化不断发展，城市的规模也越来越大，按人口规模，东京甚至达到了3700万人，成为世界上最大的城市。然而，伴随着大城市而来的还有不少并发症，比如日益严峻的关键资源缺乏、环境污染、交通拥堵、就医困难等，通常被成为“大城市病”，并且该类难题暂无可参考经验或可复制的解决办法。

如何实现城市更高效的治理，人们开始把目光放在数字化技术上，其中基于数字孪生和人工智能的智慧城市成为了重要方向。

2020年，美、英等国将数字孪生从局部探索提升为国家战略。同年4月，英国重磅发布《英国国家数字孪生体原则》，讲述构建国家级数字孪生体的价值、标准、原则及路线图；5月，美国组建数字孪生联盟，联盟成员跨多个行业进行协作，相互学习，并开发各类应用。美国工业互联网联盟将数字孪生作为工业互联网落地的核心和关键，正式发布《工业应用中的数字孪生:定义，行业价值、设计、标准及应用案例》白皮书。

2021年3月，《国家“十四五”规划纲要》明确提出要“探索建设数字孪生城市”，为数字孪生城市建设提供了国家战略指引。此后，国家陆续印发了不同领域的“十四五”规划，为各领域如何利用数字孪生技术促进经济社会高质量发展做出了战略部署。2020-2023年，包含北京、上海、广州在内全国有超过16个省/市明确提出数字孪生城市建设相关政策或行动方案。

城市数字孪生为什么如此火热，它到底能给城市带来哪些变化？

2021年，一则新闻登上了上海的热搜。上海市联合华为发布城市数字治理最小管理单元，项目选取了南京大楼作为城市数字治理最小管理单元进行试点，通过融合云计算、大数据、AI、5G等多种先进技术，打造大楼的数据孪生系统。通过对大楼和周边进行超精细建模，实现了大楼外观、内部结构和周边街道的视觉还原。通过接入政府业务数据、专业机构数据、物联感知数据、门店管理数据、环境数据等多维实时动态数据，让大楼“活”起来，能够直观清晰地发现大楼存在的显性及隐性问题，实现城市运行管理的实时预判、实时发现、实时处置。

另一个故事发生在巴黎。2019年4月15日一场火灾，让法国最具代表性的文物古迹和世界遗产、始建于1000年前的巴黎圣母院付之一炬。而后法国方面启动了修复工作，力争在2024年年底之前重新向公众开放。在重建过程中，著名游戏公司育碧功不可没，其《刺客信条：大革命》在开发期间，设计师曾花费2年时间在游戏里通过3D建模高度还原了巴黎圣母院的原貌，细节到这座建筑的每块石头，这为巴黎圣母院的复原工作提供了宝贵的数据。

除此之外，还有非常多的城市场景，数字孪生在发挥着价值，它可以帮助城市管理者实现城市规划的可视化、可验证，提高规划质量和决策效率；可以将城市交通网络、交通流量等信息数字化与可视化，实现实时数据分析和即时预警；或是帮助城市管理者更及时、准确地处理应急事件，提高城市安全水平。

数字孪生已经从一个超越现实的技术概念，演变成城市数字化转型的新路径、城市智能体的数字化新基因——城市不仅需要“眼、脑、手、脉，融汇城市全域数据要素”的智慧大脑，还需要“能感知、会思考、可进化、有温度”可以自循环的有机体。

通过新兴数字孪生技术的深度应用，不断把过去不可能的虚拟现实的城市孪生场景，动态地刷新在未来城市的毛细血管和城市运行大动脉。“大智移云区链”五大技术与城市的千行百业融合‘发酵’，将驱动城市从单独的物理世界走向与数字世界的共生共荣，带来大规模的城市规划、建设和管理变化。

通过数字孪生，汇聚城市建设、运行、发展与更新的多源实时全量大数据，对城市海量多源异构进行数据统一管理，构建数字孪生城市四维空间底座，全面掌控城市的运行状态，实现对城市的一体化、精细化管理，提高城市智慧治理能力。

未来，城市不再局限于生活的物理空间，物理属性的三维空间和数字属性的虚拟空间的合并的多维空间将成为市民的生息之地、人类的文明载体。

根技术与超级生态

虽然数字孪生的价值和可行性在一些城市场景已经得到验证，但对于城市级的数字孪生，特别是大城市，人们发现当前的技术还无法完全满足，在实践过程中有很多新的问题和挑战。

大规模城市建模就是其中的一个难点。以上海为例，作为中国超大型城市的代表，拥有2500万常住人口，290多万市场主体，4万多栋高层建筑，26万台运营电梯，800多公里轨道交通，呈现出人口多、流量大、功能密的特点。

传统方式建模速度平均在1平方公里/天，那么对于600平方公里的上海市区，只是建模就需要约2年时间，建模速度使得孪生系统无法真实表达出城市运行状态。

此外，城市数字孪生涉及复杂的技术，如GIS/BIM/CIM/渲染引擎/图形引擎/高精度建模平台/AI/IoT等，当前主要依赖工业软件巨头供给，一方面工业软件不能完全匹配城市数字孪生场景的诉求，另一方面是高昂的建造成本并不适合在国内高密度大型城市规模化的复制和推广。

同济中国(上海)数字城市研究院执行院长陈启军在2022年底的一场访谈中也提到：“数字孪生城市的建设还存在诸多问题和挑战。其中，最关键的问题是：缺乏系统的、问题导向的、融入新技术的顶层设计和根基不稳，缺少灵魂”。

“魂”就是指的是像城市这类复杂巨系统，要术多、问题多、不确定多，跨领域、跨学科，需要一套系统性的理论和方法。而“根”则是指前面提到的数字孪生涉及的众多复杂的软件根技术。

作为新兴战略产业，城市数字孪生亟待通过制度机制、产业体系、创新系统的有效支撑，建立开放互联的商业模式，促进多方协同的组合式创新，突破产业技术瓶颈，持续供给根技术。

另一方面，城市是一个复杂巨系统，需要从技术、应用和人才等多个维度出发，打造一套开放的城市超级生态，让根技术适配城市全场景，其复杂程度不亚于构建一套操作系统。但繁荣的产业生态，是推动数字孪生城市高质量发展的关键，也是能够实现可持续发展的关键。

展望

2022年，坐落在东莞松山湖的华为溪村 “欧洲小镇”率先将城市数字孪生解决方案应用其中。“欧洲小镇”有12个组团，每个组团都是一种独特的欧式风格，每个建筑又有独特的外立面和尖屋顶设计，这种异形设计对建模来说是巨大挑战。

华为云选择了其中6个组团做实验，用无人机采集了6万多张高清图片，基于云上建模生产线整体建模，用5小时完成2厘米的高精度建模，真正做到既实现了高精度，又实现了高效率。

华为云Stack在2022年推出城市数字孪生解决方案，致力于打造城市数字孪生共性技术底座，全面赋能水利、环保、交通等行业场景创新，激发城市新活力。通过城市数字孪生解决方案，能够实现1.2厘米的高精度建模，同时基于云上大规模AI算力和GPU调度，可以有效将建模效率提升10-20倍，使得更真实地表达城市运行状态变成可能。

除了持续打磨数字孪生根技术之外，降低这些技术的使用门槛，让新兴技术能够推广应用到更广泛的城市孪生场景也是华为云发力的一大方向。

2021年，上海公布了《关于全面推进上海城市数字化转型的意见》，并且在8月发布的《数都上海2035》里面，多次提及城市数字孪生和数字空间等新兴技术，总体来说，数字孪生城市演进方向明确，数字孪生技术定位清晰，政策指引也日益强化。

2023年4月6日，在上海全球投资促进大会上，上海杨浦区与华为云共同发布城市数字孪生场景，上海杨浦区将基于华为云提供的城市智能体、遥感解译、三维建模等核心技术，结合杨浦滨江岸线15.5公里新经济秀带，实现城市级的“可视化、可验证、可诊断、可预测、可学习、可决策、可交互”的数智化能力，打造数字孪生超级场景。次日，上海市同济数字城市研究院与华为云为“城市灵境场景创新中心”揭牌，旨在通过深化产教融合、场景与技术融合、校企多学科合作，共同开启对城市数字孪生的深度探索。

华为云Stack总裁尚海峰表示：“城市是一个复杂的巨系统，要素多、问题多、不确定性多，跨领域、跨学科，需要一套系统性的理论和方法。华为云与杨浦区数字经济发展态势同频共振，研发全球领先、自主创新的城市数字孪生根技术产品与解决方案，通过聚合高校院所、科研机构、产业企业构建创新联合体，联动‘数都上海’创新生态HUB，共同孵化数字孪生产业。”

从连续两天活动的规格上看，上海市已在数字孪生城市建设的方向已达成共识，由政府牵头、产学研共同参与完善的超级场景已然呼之欲出，相信未来在这个机制和平台上，诞生更多的场景、应用、技术，提升市民体验、城市面貌和产业活力，延续上海在城市治理领域的领先地位，并将成为上海的另一张世界名片。

想象未来靠科幻，创见未来靠科技。数字孪生技术让上海再次插上想象的翅膀，在这座总能给人带来惊喜的“魔都”，一起预见城市未来。

— 完 —