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—— 复杂性在城市数字孪生中的作用 ——

题目：The role of complexity for digital twins of cities

期刊：Nature Computational Science

主要内容

ABSTRACT

摘要

作者认为，迫切需要来自复杂性科学的理论和方法来指导城市数字孪生的发展和使用。复杂性科学的理论框架同时考虑了城市及其相互作用的短期和长期动态。这是一种新方法的基础，这种方法不是将城市当作大型机器或逻辑系统，而是相互交织的自组织现象，在某种程度上就像生命系统一样进化。

复杂性科学<<<<

城市是其组成部分之间多重相互作用的结果。这是一种可以用复杂性科学很好地解释的特性，复杂性科学包含了不同的尺度。复杂系统通常被定义为“大于其各部分之和”的系统。其巨大优势在于，如果有适当的交互作用，它们能够高效、韧性、顺利地自组织。

数字孪生还不够

WHY DIGITAL TWINS ARE NOT ENOUGH

一、非物质关系

传统的数字孪生方法往往过分强调城市的物理组成部分，从而大大简化了人际互动。例如社会中众所周知的行为现象。仅仅对城市的结构和人口进行表征并不能再现这些社会现象，至少没有适当考虑将个体与中尺度和宏观尺度联系起来的演化特征。这可能会导致数据驱动的治理和计划不足。

二、系统性失效或崩溃

由于社会互动，可能会导致系统性的失效。例如金融系统中，通过假设一些外部冲击（如战争导致的石油价格波动）对系统进行压力测试。但如果仅仅认为银行要么正常运营，要么破产，这样的压力测试可能会导致错误的结果。因此，传统简化方法试图从城市各部分属性来理解城市往往失败，主要是因为它们缺乏考虑多层次的互动和复杂性。

三、可扩展性

随着城市规模的扩大，其表现形式通常不会与密度、面积和大小成线性比例。一般来说，城市越大，集聚效应就越大，从而增加了他们的创造力、创新和财富。在更广泛的背景下考虑城市时，目前的数字孪生概念可能过于有限。

复杂性能提供帮助

HOW COMPLEXITY SCIENCE CAN HELP

图1 复杂性的特征

一、量化非物质关系

一些可能无法直接测量的来自社会互动的数据(因此经常被数字孪生忽略)，可以通过网络分析来考虑。城市中的社交网络是多层次的，它们包括职业、关系、机构、宗教和其他重叠的渠道，有时具有很强的相互作用。此外，这些网络与基础设施网络相互作用，如图1所示。

二、复杂性和韧性

作为开放的“非平衡”系统，城市区域可以被认为类似于生物体；这种特征可以通过共同进化方法来考虑，并定义为“城市的新陈代谢”。这种观点也适用于研究城市对外部冲击的韧性。多层网络的技术特征（社区、瓶颈、中心性、脆弱性）允许人们描述这些不断演变的多层次的社会生态模式。

三、多尺度方法

复杂性系统可以在确定和说明这些多样和广泛的目标如何在不同规模上相互关联以及如何实现方面发挥重要作用。这个世界是由交互作用、正反馈、随机噪声和网络级联所决定的。通过这种方式，可以考虑到自下而上的现象。

融入复杂性科学的挑战

CHALLENGES

图2 复杂性和数字孪生

1

决定正确的数据量和选择最佳的数据来解决每个问题。

2

获取关于系统组件交互的精确数据。

3

复杂性的描述必须反映参与者的行为和相互作用。

4

对发生在多层网络上的多时间、多尺度反馈过程的准确而有用的描述。

5

数字孪生所要求的道德规范和质量标准。

为智慧城市拥抱复杂性

EMBRACING COMPLEXITY FOR SMARTER CITIES

当前数字孪生的一个关键问题是，它们不能完整地表示物理资产、过程和系统之间的相关交互。复杂性科学可以成为解决这个问题的潜在方法。如表1所示，数字孪生和复杂性科学在很大程度上是互补的。

表1 数字孪生和复杂性科学的优势与挑战

实现更好的城市规划不仅仅需要数字孪生，而且需要将它们与复杂性科学相结合。这里列出了一些重要的目标。

1

加强各级政府、民间社会、私营部门和其他相关利益攸关方的知识共同创造、交流和管理。

2

帮助提高各级决策者和民间社会制定和逐步实施城市政策的能力(人力、财力和机构能力)，为能力建设提供参与性平台。

3

提供网络平台，让各级政府、民间社会、私营部门和其他相关利益攸关方参与发展进程。

结语

随着全球网络化和城市化进程的发展，人们将逐步面临日益复杂世界中的关键特征、问题和机遇。如果将数字孪生与复杂性科学和公民参与相结合并使用得当，人们有望提出与民主、人权和创新相兼容的适应性强、高效、韧性和可持续的解决方案。

转自：“学术小镇”微信公众号

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