赫尔辛基——以人为本的数字孪生促进城市低碳发展

　　2020年，赫尔辛基在由独立学术机构瑞士洛桑国际管理发展学院（IMD）和新加坡科技设计大学（SUTD）共同发布的全球智慧城市指数排行榜上紧随新加坡名列第二。在2019年发布的数字化计划中，赫尔辛基提出了“通过数字化的充分应用，成为世界上功能最完善、最便利的城市”的发展目标。其中，数字孪生扮演了非常重要的角色，在帮助赫尔辛基减少碳排放、改善城市服务、促进创新增长、帮助政府决策以及市民参与方面都发挥了很大的作用。

　　根据2019年彭博创新指数，芬兰在全球创新型国家排行榜中位列第3，因其在2014年推出的城市发展六城战略（The Six City Strategy (6Aika)）在欧洲引领智慧城市发展而备受赞誉。其中，赫尔辛基就是一个模范城市。

　　赫尔辛基位于芬兰湾的一个半岛上，是芬兰首都和最大的港口城市，也是芬兰的经济、、文化、旅游、贸易、交通和航运中心。2020年，总人口约65万，面积719平方公里，在2020年《全球幸福报告（Global Happiness Report）》中，赫尔辛基被评为世界上最幸福的城市。

　　数字孪生的概念最早出现在工业领域，是对现实世界的数字模拟，可以显示当一个部件被替换或增加以后发生的变化。赫尔辛基的数字孪生是对城市环境、功能以及不断变化的各种情况的虚拟模拟，是IT设施、开放数据和各类最新信息的有机组合。赫尔辛基的数字化以“人”为主导，通过数字孪生，可以实时把握城市系统的运作状态和变化规律；通过数据分析和预测，模拟不同政策的影响，为城市人地关系调控、优化和为市民提供更有针对性的服务提供参考，使城市发展更可持续，有助于城市战略目标的实现。

　　赫尔辛基一直致力于实现城市规划、施工、维护等各方面的数字化，以成为世界上功能最完善的城市。2016年，赫尔辛基为推动数字城市建设，对城市500平方公里的范围进行建模，发布了城市三维模型，旨在用三维的方式来呈现整个城市，并结合其他信息和数据，进一步完善成为数字孪生平台。

　　整个赫尔辛基的数字孪生平台建设由3个部门合作完成：赫尔辛基城市环境部负责战略和详细规划、交通和街道规划、土地开发以及城市空间和景观规划，同时还负责城市调查、资产管理、城市服务等；Helsinki 3D+公司负责创建三维模型并使用最新的信息来维护数字孪生模型，开发开放数据服务并为新技术集成提供支持以实现更好的流程和服务；Forum Virium Helsinki公司负责数据开放，与企业、大学、其他公共部门组织与城市居民建立合作，以促进城市发展和数字化。

　　成立于2005年，是一个归属于赫尔辛基市政府的非营利性创新公司，该公司的董事会主席是赫尔辛基市首席数字官，运作资金主要来源于外部项目。公司致力于联合其他部门（包括大、中、小企业和初创企业）、政府、社会组织和城市居民共同开发和推动未来支撑智慧城市解决方案。因此也吸引了许多实力强劲的国内外企业和高校成为该组织的成员，包括IBM、北欧最大的应用研究组织VTT、通讯公司Telia和Elisa以及芬兰城市应用科学大学等。

　　三维模型是数字孪生建设的主要组成部分。目前赫尔辛基数字孪生平台的三维模型主要包括实景三维模型（Reality Mesh Model）和城市信息模型（CIM）。这两个模型各有特点，是两种互补性的技术。实景三维模型为非结构化建模，结合激光扫描和倾斜摄影，汇集了城市建筑的三维数据，通过游戏引擎进行渲染，细节表达更为直观丰富，主要应用于展示功能，可作为城市设计的基础。CIM为结构化建模，除三维建筑信息外，还包括道路、基础设施以及植被等信息，建筑的属性信息更为丰富，适用于进行分析、预测与模拟。两类模型都作为开放数据向市民和研究机构提供共享服务。

　　赫尔辛基数字孪生平台的建设支持多个应用案例，在帮助城市减少碳排放、改善城市服务、促进创新增长等方面发挥了非常重要的作用。

　　赫尔辛基的实景三维模型是把5万多张倾斜摄影图像转换为精度为10厘米的三维模型，为了加强视觉效果，通过各种游戏引擎进行渲染。目前赫尔辛基官网发布了2015、2017年两个年份的实景三维模型，用户可以在线浏览城市的概貌，建筑的外立面、街道上的植物、车辆等都进行了细节丰富的渲染展示。除了丰富的视觉展示，通过该模型还可以计算建筑体积、高度、距离以及面积。

　　CIM不仅包括赫尔辛基的建筑以及建筑相关属性信息，还包括城市的地形高程模型以及相关矢量数据。用户可以通过地址或者属性信息定位建筑，也可以点击建筑获取各类信息，比如建筑的建设年代、建筑层数等。CIM由于属性信息丰富，适用于分析与建筑物、道路、基础设施和植被相关的数据。基于此模型，赫尔辛基开发了一系列应用，主要功能包括分析太阳辐射，以及建筑的道路、墙壁、门窗更换对碳足迹的潜在影响，洪水评估、噪声计算等。

　　赫尔辛基基于实景三维模型在官网发布了“蒙基涅米― 哈加（Munkiniemi-Haaga）1915年计划”。该计划是伊利尔•沙里宁（Eliel Saarinen）于1915年开展的城市规划工作，是芬兰城市规划史上非常重要的组成部分。虽然该规划未曾被实施，但通过实景三维模型，访问者可以沉浸式地感受此规划的模拟建成效果，甚至可以戴上VR眼镜，通过页面上设置的虚拟现实模式，体验在虚拟街道上漫步、飞跃模拟城市的感受。

　　“我的世界（Minecraft）”是一个流行的开放式沙盒游戏，2020年赫尔辛基的实景三维模型也被上传到Minecraft Helsinki游戏中。用户可以在游戏中探索整个城市，并根据自己的想法与城市环境互动，如规划自己的公交路线，根据自己的想法修改熟悉的环境等，这对增强城市的公众参与、促进旅游业发展等方面都非常有益。

　　在赫尔辛基的二氧化碳排放中，有56%来自于建筑供暖。提高建筑能效和停止使用化石能源是赫尔辛基到2035年实现碳中和的关键措施。赫尔辛基能源和气候地图集是一个基于CIM开发的应用工具，包含整个赫尔辛基地区的可再生能源和能源改造相关信息，目的是提高能源使用效率。目前该工具提供两项主要的服务：一是建筑能源消耗、二氧化碳排放的模拟以及通过建筑翻新减少能耗的模拟；二是展示全市范围内地热井供暖的方案。

　　地能潜力：150米/300米/1000米深井潜力、地下水区域、基岩（岩石类型和热导率、比热容、地能计算的密度参数）和土壤数据；

　　建筑能源数据：包括市政登记信息（如建筑的供暖方式、用途、体积、建筑材料）、维修和改造、受保护的建筑、按房龄计算的建筑能耗（热耗、用户用电、建筑用电）、提高典型建筑能源效率的潜力和成本、能效证明及改善措施、2015―2016年部分建筑的实测能耗（建筑能耗、水量消耗等）。

　　此应用面向所有人，包括规划师、住房协会、公民以及能源公司等。用户可根据建筑的房龄、体量、材料等，估算供暖、用电等消耗值；模拟每栋建筑随着气候变化需要的供热变化；计算城市里的每一面墙和屋顶表面的太阳能潜力。根据地热井规划的相关信息，如地下水信息、基岩特性等，还可以计算城市的地热能潜力。

　　未来能源和气候地图集还计划纳入小气候环境的建模以及能源改造成本估算，可在实现城市碳中和目标方面发挥更大的作用。

　　基于赫尔辛基的数据开放政策，数字孪生平台所有的模型、数据都对公众开放共享及下载，从而保障了信息的透明，促进公众的共同参与，并支持在城市规划、交通管理、日常管理等多方面的应用。例如，支持城市关于新住宅开发的交流服务；提供有关绿地信息，与居民一起规划公园；开展交通模拟，保障顺畅的交通；进行施工模拟，确保施工的破坏性更小、更环保等。

　　自2011年3月起，“赫尔辛基地区信息共享”平台（Helsinki Region Infoshare，简称HRI）开始为公众提供赫尔辛基地区公共数据服务，服务内容包括数据的生成、公开、分享和利用。HRI平台可供任何市民、企业、高校、学术研究团体或市政人员使用，数据可作为文件下载，也可通过各种网络服务或技术接口获取。目前数据开放平台上开放了553个数据集、301个应用、175个数据接口。这些开放数据极大地激发了城市各主体参与数据收集和利用的热情，也促进了城市的创新发展。

　　赫尔辛基不断拓展数字孪生模型及其应用，并在卡拉萨塔玛（Kalasatama）社区开展试点。赫尔辛基希望通过该试点，验证智慧城市解决方案，增进公众对城市数字化巨大潜力的认识。

　　卡拉萨塔玛是赫尔辛基东面的一个街区，芬兰语原意为“鱼码头”，十余年前，这里还是临近港口的“集装箱村落”⸺人烟稀少，荒凉杂乱，如今已崛起成为赫尔辛基最现代化的新区。2018年整个街区居住人口约有3000人，预计到2040年，居民将会达到25000人。在这里，每个人都可以享受到全芬兰乃至全世界最前沿的数字化城市服务，并贡献自己的智慧，积极参与到对这些服务的提升和优化中去。

　　卡拉萨塔玛数字孪生建设项目（The Kalasatama Digital Twins Project）于2019年完成，2020年获得由基础设施工程软件企业Bentley Systems颁发的基础设施年度奖项智慧城市类别的一等奖。该项目内容主要包括：建设卡拉萨塔玛的数字孪生模型，并作为开放数据共享，为智慧城市发展的全生命周期流程规划、测试和应用搭建平台；开发智慧平台，以促进城市创新发展以及与居民互动，促进公众参与；开展规划模拟，促进数字孪生在城市发展和服务中的应用。

　　项目团队综合利用航拍、卫星遥感、倾斜摄影等技术，对整个区域进行了严密细致的三维建模。与赫尔辛基全市模型一样，建立了实景三维模型和CIM，但是模型精度和质量都比全市的模型更高。由于卡拉萨塔玛地区尚处于规划阶段，很多建筑都还没实际建设，因此除了现状建筑，数字孪生模型还包括了很多尚未建设的项目。此外，对于桥梁、水域、地形以及用地，项目团队也都进行了非常精细的建模。

　　为了促进卡拉萨塔玛智慧城市项目的规划、实施和互动交流，在数字孪生模型建设的基础上开发了智慧卡拉萨塔玛（Smart Kalasatama）平台，探索基于用户导向、包容性城市规划的创新解决方案。智慧卡拉萨塔玛关注3个方面的内容：能源、可持续交通以及智慧日常服务。其中能源主题，主要关注测试太阳能利用和碳中和的方案；可持续交通主题，旨在通过共享电动汽车出行以及鼓励轨道交通达到碳中和；智慧日常服务，旨在为居民提供智能服务以提高效率，每天为居民节省一小时的通勤、购物以及排队等时间供自己支配（One more hour a day）。

　　该平台通过三维的方式，提供易于访问、高度可视化的环境，展示了卡拉萨塔玛智慧城市解决方案。在数据信息方面，囊括土地、水体、日照规律、气流变化、已有和即将落成的建筑、交通、人口密度等动态数据信息。为进一步吸引公众参与，平台还开发三维移动端，项目参与方、卡拉萨塔玛的居民（包括现有的和将迁入的）、开发商、政府都可以随时在线查看项目信息并提出意见和建议。

　　为了保障居民顺畅的日常生活，平台上开发并实施二十余个创新实验项目，主题包括智能生活、智能设施、绿色基础设施、日常生活等。在项目实验过程中，政府、公司、居民和研究人员密切合作，让各类解决方案先在仿真的城市环境中进行测试模拟。对于正在进行的项目，平台上会生成“兴趣点”。点击“兴趣点”，可以了解目前实验的情况，包括项目的进展以及具体实施情况。同时，平台还提供智能交互功能，居民可以随时提交自己的需求、意见和建议。

　　卡拉萨塔玛社区靠近港口，风对街道的微气候、舒适度以及安全性有很大的影响，大型建筑和高层建筑也会造成风的负效应；而且，阳光对北欧国家人们的生活质量也影响很大。为了缓解风对城市的影响，提高太阳能的利用效率，平台开发了风模拟和光照模拟分析功能，可以在实际建设以前，在三维环境中分析和测试规划建设对现有建筑可能造成的影响。

　　在风模拟方面，平台可以模拟建筑及其屋顶和院子周围的风速分布，以及街道建筑间可能会产生的风类型；还能模拟气压分布，以有效缓解积雪问题。从规划视角来看，风模拟可以支撑通风廊道分析，确保在城市的规划建设能一定程度上避免或者缓解热岛效应及雾霾积聚，促进大气良性循环。光照模拟方面，平台可以进行太阳时和建筑阴影分析，太阳时分析主要模拟可以接收多少小时的光照，建筑阴影分析可以模拟不同季节的建筑阴影。基于这些分析，居民楼的位置、朝向与高度可以根据平台模拟的情况进行设计调整，这样不仅能让每户人家都尽可能获取北欧珍贵的阳光，降低户外风吹之苦，还能让社区充分利用太阳能、风能等清洁能源，实现低碳环保目标。

　　这个项目充分展示了数字孪生在智慧城市建设中发挥的重要作用。各类项目在实施之前，都可以通过数字化的分析和模拟，促进公众参与、建立共识，优化政府决策。其成功经验已在赫尔辛基的其他区域和其他国家的城市更新地区得到推广。

　　赫尔辛基的数字孪生不仅实现了城市级的三维建模和渲染，还基于CIM深入开展了碳减排动态模拟推演、建筑能耗分析、气候仿真等应用功能探索，在推动城市适应气候变化方面发挥了重要的作用。其虚实融合的互动式工具开发和开源数据模式，降低了大众使用的技术门槛，也进一步拓展了公众参与城市规划与建设的渠道。赫尔辛基的数字孪生城市建设仍在不断发展，目标是通过数字技术不断加深对各种现象和问题的理解，并通过数字技术创新提供解决方案，为城市规划和管理提供全方位的支撑。数字孪生的本质是技术集成，三维建模及可视化表达提供了基础骨架，虚实映射、模拟推演、实时交互等功能是建设核心，通过精准感知城市状态、实时分析运行数据以及深度学习预测，帮助应对规划和管理中各类复杂和不确定性问题，助推以人为本的可持续城市发展。

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