城市数字孪生中建模与仿真的公共骨架：城市模型平台

《Computers, Environment and Urban Systems》：The Urban Model Platform: a public backbone for modeling and simulation in urban digital twins

　　

城市模型平台（Urban Model Platform）：城市数字孪生中建模与仿真的公共骨架 本文介绍了城市模型平台（Urban Model Platform），作为城市数字孪生（Urban Digital Twins, UDT）中建模与仿真的开放公共骨架。研究人员认为，相较于单一的“真理”模型，多元化的多模型方法能够更有效地捕捉城市复杂性和结构不确定性。通过对汉堡市（Hamburg）历时三年的参与式设计（participatory design）研究表明，多模型基础设施可以嵌入到公共信息技术（IT）体系中。研究人员将该平台定位为迈向协作式数字孪生实践的一步，这种实践有望跨城市和跨领域进行扩展。

论文解读：城市模型平台——面向城市数字孪生的公共建模与仿真骨架

一、研究背景与现存问题

城市数字孪生（Urban Digital Twins, UDT）作为集成化可持续城市规划的跨领域知识中介，其核心应用涵盖表征、分析、沟通与控制。然而，现有模拟模型通常主题聚焦，缺乏与其他模型的交互能力。在现有UDT解决方案中，受新自由主义智慧城市建设传统影响，模拟模型常被封装在专有应用程序中，其软件设计与治理选择限制了可互操作的（对抗性）模型的使用。这导致公共数字基础设施缺失，无法支持规划与决策过程中算法的透明与开放使用。将城市视为高度复杂的适应性系统，以及城市发展中整合性规划流程的需求，呼唤着多元化的多模型实践。由于结构性参数不确定性影响每一个模拟模型的结果，由多方利益相关者构建的多个模型是弥补各自盲点与不足的可能途径。因此，亟需一种以公共为中心的社会技术方法，以实现共同建模与对抗建模，并防止软件基础设施中的路径依赖与供应商锁定。

二、研究目标、方法与意义

为应对上述挑战，本研究采用了一种改进的参与式系统参与式设计（Participatory Design of Participatory Systems, PDPS）方法，与德国汉堡市（Hamburg）的多个机构合作，历时三年，共同设计并开发了一个开放的城市模型平台（Urban Model Platform）。该平台旨在作为城市数字孪生中建模与仿真的公共社会技术骨架。研究的意义在于，它不仅是技术上的证明，更是在真实城市治理环境中实现了从概念到部署的全过程，证明了多模型基础设施能够嵌入公共IT体系，从而加强城市的数字主权，并为跨城市、跨领域的协作式数字孪生实践奠定基础。

三、关键技术方法

研究人员采用了参与式系统参与式设计（PDPS）方法，这是一种结合设计实践、参与式方法与复杂系统理论的研究方法。该方法包含五个可互换迭代的阶段：“设定场景”、“探索现状”、“定义可能的未来”、“转型”和“巩固转型”。研究中涉及的关键技术包括：基于开放地理空间联盟API处理标准（OGC API Processes）实现模型服务器间的互操作性；使用Flask框架搭建符合该标准的网络服务器；利用pygeoapi开源项目扩展SocketIO端点以连接容器化（Docker）的处理微服务；采用Keycloak开源身份与访问管理（IAM）系统实现细粒度权限控制；并通过PostGIS数据库和GeoServer实例存储并提供结果数据。样本来源为德国汉堡市，涉及五个主要机构：港城大学城市科学实验室（CSL）、汉堡市地理信息与测量局（LGV）、汉堡市参议院办公厅（SK）、城市发展与住房部（BSW）以及汉堡港口管理局（HPA）。

四、研究结果

4.1 设定场景

通过与LGV的初步会议，研究人员了解到官员们对城市级模型注册表和开放标准的设想，最初倾向于一种集中式的、类似私有公司提供模型套件的模式。

4.2 探索现状

调查与访谈显示，城市各部门频繁使用数据层进行决策，但对集成化动态模型需求迫切。当前的规划系统低效、碎片化且人员不足，存在过度依赖外部咨询、知识交流匮乏以及工具不适用等问题。由此明确了建立支持多元化模型、基于开放标准（如OGC API Processes）的模型注册表的需求。

4.3 设计可能的未来

为实现行政自主权，研究人员开发了城市模型平台原型。该原型作为中间件，可连接多个由不同利益相关者运行和维护的模型服务器，并通过单一入口点向客户端（如汉堡市的开源网络GIS“Masterportal”）提供标准化模型访问。技术实现上，平台采用符合OGC API Process的Flask服务器，模型服务器则基于扩展的pygeoapi项目，可运行多种编程语言和建模范式（如NetLogo、Mesa Geo、InsightMaker）的容器化微服务。

4.4 转型

原型获得城市技术官员认可后，汉堡市决定将其转移至自有服务器。各方建立了月度模拟任务组，并分配额外资金推进开发。此阶段标志着城市承诺采用模块化、可扩展的多模型生态系统。

4.5 再次设计可能的未来

访谈揭示了进一步的治理需求：从采购一次性专家报告转向采购可复用的模型；需要透明的算法信息与责任归属；以及细粒度的身份与访问管理、成本管理、数据保护和可扩展性等。同时，也认识到组织文化变革的重要性，需要谨慎选择首批模型和目标用户。

4.6 再次转型

基于前述需求，研究人员与软件公司合作，对平台进行了功能扩展。技术上集成了Keycloak实现身份与访问管理，完成了Docker化和编排以适应可扩展基础设施，并开发了名为“Scenario Explorer”的前端Masterportal插件。城市方面开始着手集成风模型和噪声模型。

4.7 巩固转型

自2025年初，汉堡市已开始运营城市模型平台，部署了欧盟噪声评估模型CNOSSOS，并与一家提供人工智能风模拟的初创公司合作。首批评估显示模拟结果与以往专家报告高度一致。汉堡市的数字战略也已更新，明确提及将模拟模型在城市模型平台上进行整合与捆绑。

五、讨论与结论

讨论部分总结：

研究人员指出，城市模型平台是一个新颖的社会技术系统，其成功关键在于采用了参与式设计方法，紧密耦合了技术开发与地方治理语境。这与多数脱离实际决策过程的纯技术演示不同。平台作为中间件，使得多元利益相关者能够连接和使用不同模型，是实现城市复杂性数字表征的必要条件，促进了对抗性建模。在治理层面，平台推动了从采购报告向采购模型的转变，增强了城市内部能力建设，减少了对外部顾问的依赖，加强了公共数字所有权。然而，研究也存在局限性：参与过程虽涉及多个公共和私营部门，但缺乏广泛的公众或公民社会参与；技术上仍需解决数据与逻辑分离、模型间信任建立以及资源有限非公共实体参与等挑战。平台的长期成功依赖于广泛采纳、参与者技术能力和共享意愿。

研究结论翻译：

本文介绍了城市模型平台作为城市数字孪生中建模与仿真的社会技术骨架，并概述了一个基于开放标准、允许模型去中心化集成、支持模型间通信并促进多模型方法的软件架构。在周围的社会系统中，利益相关者之间的协作得到促进，城市过程得以以多元方式呈现，从而加强了城市的主权。未来的研究应考察城市模型平台在实现可持续发展方面的潜力，研究语义数据模型或“版本控制”以确保模型间状态管理，并设计新的接口让利益相关者参与探索多重可能的城市未来。此外，在城市领域中模拟模型的参与式创建（共同建模或对抗建模）也是必要的未来研究方向。