Digital twins in safe, sustainable, and inclusive urban planning – using digital tools to empower resident engagement
Vainio, T., de Jonge, J., Varissaari, S., & Oldenburg, J. R.
a Faculty of Management and Business, Tampere University, Finland;
b Strategic Project Development team, City of Tampere, Finland;
c Business Design, Sito oy, Tampere, Finland
近年来，智慧城市发展因过度强调技术而非以人为中心受到批评。在城市规划中，技术整合管理不当可能导致决策不足，并削弱公众对技术发展的信任。本研究通过一项基于扎根理论方法的定性研究，探讨结合居民参与的数字孪生如何促进城市规划中的可持续性与安全目标。研究的主要贡献在于提出了如何部署数字孪生并结合居民参与，以丰富安全和可持续城市规划的新认识，同时为相关利益相关者利用数字孪生提供建议。
人工智能和数字工具正逐渐被应用于城市规划和公共安全，但城市数字化也可能扩大社会差异，因此需要更加关注社会公平和弱势群体需求。数字孪生能够整合多源数据，通过可视化、模拟和情景分析帮助非专业人士理解复杂的城市变化，但其应用不能仅关注技术本身，还应重视包容性、可用性和以人为中心的设计。
本文进一步关注不同人群对规划区域的熟悉程度，探讨数字孪生如何支持城市可持续性和步行安全，并提出两个研究问题：数字孪生应具备哪些特征以支持可持续性规划，以及哪些特征能够支持步行安全规划。
研究依托一个城市数字化转型项目，以芬兰坦佩雷市中心未来开发区域为案例，采用案例研究和定性研究方法，并以扎根理论作为总体研究取向。数据收集通过小组活动开展，参与者在研究人员引导下实时体验数字孪生，并结合认知引导式叙事和针对性讨论，对规划区域的社会、物理和数字环境发表意见。研究人员随后采用主题分析，对一般规划、可持续性、安全性以及数字孪生设计等主题进行归纳。
为提高参与的包容性，研究根据参与者与规划区域的关系，将其区分为持续使用者、日常使用者、每周使用者以及访客和居民开发者。本阶段重点考察每周使用者和访客。2024年9月至12月，研究共进行了1次试验和2次正式测试，分别涉及17名试验参与者、12名访客和11名每周使用者。
技术方面，数字孪生采用Unity游戏引擎构建，整合当地三维城市模型、未来建筑设计模型和实时环境数据。参与者可以通过第一人称或第三人称视角观察未来规划区域，并结合实时天气和光照条件体验不同环境下的城市空间。
总体而言，所有参与者都认可通过数字孪生提前了解未来城市规划并提出意见的机会，认为这种方式有助于居民参与城市决策。然而，参与者也指出，数字环境往往比现实城市显得更加空旷，建筑材料、建筑功能和空间用途不够明确，影响了对未来环境的理解。因此，提高建筑立面、窗户、当地环境特征和人类活动的真实性，是增强数字孪生规划价值的重要条件。
3.1. 试验组
试验组重点关注季节、天气和空间使用方式对城市体验的影响。参与者借助数字孪生讨论不同季节的光照、建筑阴影和冬季维护，并进一步思考地下空间利用和高密度城区的空间效率。他们认为，未来城市空间不应只是交通和通行场所，还应提供适合儿童、居民停留和社会互动的公共空间。
在可持续性方面，参与者希望通过数字孪生呈现更丰富的绿化层次，并提出绿色屋顶、垂直绿化和城市空间与周边自然环境连接等方案。在安全方面，参与者特别关注秋冬季节的照明不足问题，认为数字孪生能够帮助评估不同光照条件下的安全感。同时，楼梯过密、缺少扶手、电梯数量不足等设计也被识别为潜在的无障碍和人流安全问题。
3.2. 访客组
对规划区域相对陌生的访客更加关注数字环境本身是否真实、易于理解。例如，季节场景与人物服装不一致会破坏沉浸感，并使参与者的注意力偏离真正的规划问题。访客还认为，未来空间过于空旷，部分建筑在尺度、材料和视觉风格上与周边历史城区缺乏联系，因此希望模型提供更清晰的建筑立面、窗户和功能信息。
在可持续性方面，访客强调绿化、绿色屋顶、太阳能设施和自然光的重要性，并认为绿地有助于提升生物多样性和公共空间吸引力。在步行安全方面，他们关注道路宽度、冬季维护、开放空间的可视性、照明以及持续的人流活动。同时，参与者还能够通过第一人称视角识别轮椅使用者、婴儿车使用者等群体可能面临的无障碍障碍。
3.3. 每周使用者组
每周使用者更多地将数字孪生中的未来规划与自身生活经验及现有城市环境进行比较。他们关注建筑尺度、城市密度、绿化和空间氛围，并指出相同的城市设计特征可能因个人背景和经验不同而产生不同理解。
在可持续性方面，参与者重视绿地、生物多样性、公共座椅和水景等元素，并进一步关注社区归属感和多元文化背景下不同群体的空间需求。他们认为，能够通过数字孪生表达意见本身有助于增强居民的参与感和对城市发展的影响力。
在安全方面，参与者提出扩大人行道和楼梯宽度，并通过座椅、游乐设施和公共艺术增加居民停留和社会互动。他们还发现，对现有区域具有较高熟悉程度会影响对未来规划的理解，例如原有交通方式在模型中发生变化时，参与者需要进一步解释才能理解新的地下交通方案。
3.4. 研讨总结
综合各组反馈，数字孪生对于支持可持续规划的关键在于能够呈现随时间变化的城市环境。季节、天气、日照和人物活动都会影响居民对未来空间的理解。参与者尤其关注环境可持续性，希望增加绿色屋顶、垂直绿化、太阳能设施和生物多样性元素；同时，社会可持续性还涉及社区归属感、地方特征、多元文化需求以及公共空间是否具有足够的社会活力。经济可持续性则更多体现为对地下空间和公共资源的有效利用。
对于步行安全，数字孪生应帮助识别冬季积雪、道路湿滑、照明不足等动态风险，并呈现宽敞的人行空间、清晰视野、多个出口和良好的无障碍条件。此外，安全不仅取决于物理环境，也与空间中的人流、活动和社会活力有关。
研究认为，居民对规划区域的熟悉程度会显著影响其对安全和可持续性的评价，因此包容性规划不应仅邀请单一类型的居民参与，而应纳入不同使用频率和不同背景的人群。与既有研究相比，本文不仅强调数字孪生帮助非专业人士理解规划方案，也关注不同群体之间的认知差异及其可能带来的偏差。
从城市治理角度看，数字工具的应用重点不应局限于技术平台本身，更应关注居民参与和共同创造的过程。特别是在涉及长期城市变化时，规划者还需要理解居民可能产生的心理抵触和情感反应。因此，数字孪生应成为连接技术、居民经验与城市治理的媒介，而非单纯展示未来规划的可视化工具。
研究表明，数字孪生能够作为促进居民参与的城市规划工具，并在安全和可持续性评估中发挥作用。其关键设计特征包括：呈现季节、天气和日照变化；识别照明不足的区域；加入真实的人物活动以体现空间尺度和使用密度。同时，城市管理者应确保参与群体具有足够的社会多样性，并区分日常、周期性和偶尔使用规划区域的不同人群。结合认知引导式叙事，可进一步提升居民的沉浸感和表达深度。总体而言，数字孪生的价值不仅在于模拟城市空间，更在于通过更直观、包容的互动方式，使居民能够理解、评价并参与塑造未来城市环境。
研究的主要局限在于尚未充分覆盖未来规划区域的日常使用者和未来居民，因为该区域仍处于长期建设规划阶段，相关人群目前难以准确识别。未来研究将进一步考察持续使用者和间歇性使用者对安全与可持续性的看法，并探索利用人工智能获取不同群体意见的可能性。
作者认为，后续研究还应进一步分析物理、社会和数字环境之间的联系，并持续关注不同目标群体参与数字孪生的方式。通过扩大参与对象和增强包容性，可进一步深化数字孪生在城市安全、可持续性和公众参与中的应用价值。
