Exploring Smart City Digital Twins: From distinct concepts towards integrated socio-technical applications

Abstract

In the research-based e-book report of the Smart City Digital Twins (SCDTs) project, we have provided different conceptualization approaches on Smart City and Digital Twins, then attempt to merge those varying concept-lines with general guidelines for data management and knowledge management. It was a difficult task to bring together the smart city and the digital twin concepts into one common denominator. Smart cities can be defined as socio-technical urban systems. Cities are a social system with dynamics of people, goods, culture, bio-diversity, sustainability, and creativity. Technical systems of these complex social system require intense technological infrastructures. Thus, the collection, extraction, consistency of the data in smart cities as socio-technical systems should ensure city planners, businesses, people to make current and future-oriented informed-decisions by considering all the urban data within cities. Further, this requires more data management and the integration of data sets into real urban planning processes. The essential challenge is the integration of data/information systems concerning each other and the development of systemic entities in cooperation with expert groups and experts from different professional areas of urban planning.

The concept of digital twins can be considered only if smart city reaches essential maturity, because digital twins, with their basic definition, are the real-time replication of a process, product and systems in digital environments. In this regard, various feasible frameworks and methods have been presented whether a city’s smart city initiatives have sufficient maturity e.g., for digital twin integration. Maturity of smart city and its systemic urban planning entities can be examined from the Smart City Wheel framework, as shown in the research report.

Also, in this final report, we identified ten key challenges of the co-creation of smart cities and digital twins and presented them in the following Policy Brief section. Often these dossiers have been developed in isolation, which is a problematic approach in many ways. This was also an important strategic issue and a key challenge for the Smart City Digital Twins project.

This publication is the final report of the Smart City Digital Twins project, which includes the following topics. In Chapter 1, we motivate the readers of our report on the different themes of Smart City Digital Twins development activities. The Smart City Digital Twins challenge affects all public sector and urban developers, as well as businesses and industry, the academic research community, and civil society actors (i.e. the so-called "Digital Twins"). Quadruple Helix stakeholders). In Chapter 2, we introduce readers to the content discussion of both Smart City and Digital Twin concepts and recent scientific developments in the field. In this context, we see that scientific research today provides a strong case for the development of smart cities and digital twins. In Chapter 3, we provide a methodological overview of the foresight and urban planning methods used during the project, which were also piloted in the project. In Chapter 3 Boyd Cohen’s Smart City Wheel approach is introduced and data collection/management framework of urban city studies is explained. In Chapter 3, we also explain Benchmarking, Bench-learning, and Bench-action Process approach, participatory hybrid foresight framework, and applied case study framework of cities. In Chapter 4, we report insights into smart city digital twins' development from urban case studies (Turku, Gdańsk, Wrocław, and Vilnius). Insights are based on qualitative and quantitative analyses. In Chapter 5, conclusive remarks and reflections are presented.

Smart City Digital Twins (SCDTs) -hankkeen aikana tehdyssä tutkimukseen perustuvassa e-kirjaraportissa tarjoamme erilaisia käsitteellisiä lähestymistapoja älykkään kaupungin käsitteeseen (Smart City) ja digitaalisiin kaksosiin (Digital Twins). Olemme pyrkineet yhdistämään nämä kaksi käsitettä loogiseksi kehittämiskokonaisuudeksi, joka sopii myös yleisiin tiedonhallinnan periaatteisiin ja tiedonhallinnan ohjeisiin. Älykaupungin ja digitaalisen kaksosen konseptien yhdistäminen yhdeksi yhtenäiseksi käsitteelliseksi kokonaisuudeksi oli vaikea ja haastava tehtävä. Älykäs kaupunki voidaan määritellä sosio-teknisiksi kaupunkijärjestelmiksi. Kaupunki kokonaisuutena on sosiaalinen kokonaisjärjestelmä, jossa on sisäänrakennettu ihmisten, tavaravirtojen, kulttuurin, biologisen monimuotoisuuden, kestävyyden ja luovuuden systeeminen dynamiikka. Monimutkaisiin sosiaalisiin järjestelmiin kytkeytyvät erilaiset tekniset järjestelmät edellyttävät toimiakseen mittavia teknologisia infrastruktuureja. Näin ollen älykkäiden kaupunkien toiminnassa tarvittavien tietojen keräämisen, datan valikointi ja sosio-teknisen järjestelmän toimivuus olisi varmistettava kaupunkisuunnittelijoiden, yrityksien ja ihmisten yhteistyönä. Näin toimien voidaan varmistaa älykkäiden kaupunkien dataan, informaatioon ja tietoon perustuva päätöksenteko nykytilanteessa ja tulevaisuuden haasteiden osalta. Tämä toiminta edellyttää yhä enemmän tiedonhallintaa ja laajojen data- ja tietoaineistojen integrointia todellisiin reaaliaikaisiin kaupunkisuunnitteluprosesseihin. Iso ja keskeinen haaste on toisiaan koskevien tietojärjestelmien keskinäinen integrointi ja älykkäiden kaupunkien systeemisten kokonaisuuksien kehittäminen yhteistyössä kaupunkisuunnittelun ammattialojen asiantuntijaryhmien ja yksittäisten asiantuntijoiden kanssa.

Digitaalisen kaksosen konseptin käyttöä ja hyödyntämistä voidaan harkita vain, jos älykaupunki saavuttaa olennaisen datan ja tiedonhallinnan kypsyyden, sillä digitaaliset kaksoset ovat perusmääritelmineen prosessin, tuotteen ja järjestelmien reaaliaikaista replikointia digitaalisissa ympäristöissä. Tähän haasteeseen liittyen on esitetty erilaisia toteuttamiskelpoisia viitekehyksiä ja menetelmiä. Voimme kysyä¨, ovatko älykaupunkialoitteet ja kaupunkien datan ja tiedon hallintaprosessit riittävän kypsiä digitaalisen kaksosen keskinäiseen toiminnalliseen integraatioon? Älykkään kaupungin ja sen systeemisen kaupunkisuunnittelun kokonaisuuksien kypsyyttä voidaan tarkastella Älykkään Kaupungin Pyörän (Smart City Wheel) pohjalta. Älykkään kaupungin ja sen systeemisen kaupunkisuunnittelun kokonaisuuksien kypsyyttä voidaan tarkastella Smart City Wheel -viitekehyksestä, kuten tästä tutkimusraportista käy ilmi.

Tässä hankkeen loppuraportissa tunnistimme kymmenen eri älykkäiden kaupunkien ja digitaalisten kaksosten yhteiskehittämiseen liittyvää keskeistä haastetta. Esittelimme ne politiikkasuositusten yhteenveto-osiossa. Usein näitä eri asiakokonaisuuksia on kehitetty toisistaan erillään, mikä on monella tapaa ongelmallinen lähestymistapa. Tämä toisistaan erillään kehittämisen ongelma oli ärkeä strateginen kysymys ja keskeinen haaste Smart City Digital Twins -hankkeelle. Tämä julkaisu on Smart City Digital Twins -hankkeen loppuraportti, joka sisältää seuraavat luvut sisältöineen. Luvussa 1 motivoimme raporttimme lukijoita Smart City Digital Twins -kehittämistoiminnan eri teemoista. Smart City Digital Twins -haaste koskettaa kaikkia julkisen sektorin kaupunkikehittäjiä, yrityksiä, teollisuutta. akateemista tutkimusyhteisöä ja kansalaisyhteiskunnan eri toimijoita. Digitaalisia kaksosia kehitetään viime kädessä näiden eri toimijaryhmien tarpeisiin (ts. 10 neljää Quadruple Helix sidosryhmää varten). Luvussa 2 tutustutamme lukijat sekä älykkään kaupungin (Smart City) että digitaalisen kaksosen (Digital Twin) käsitteelliseen sisältökeskusteluun ja tämän alan tieteellisen tutkimuksen viime aikaiseen kehitykseen. Luvussa 3 tarjoamme metodologisen katsauksen hankkeen aikana käytettyihin ennakointi- ja kaupunkisuunnittelumenetelmiin, joita myös pilotoitiin hankkeessa neljässä kaupungissa. Luvussa 3 esitellään Boyd Cohenin kehittämä Smart City Wheel -lähestymistapa ja selitetään lukijoille kaupunkitutkimusten tiedonkeruu-/hallintakehys. Luvussa 3 selitämme myös vertailuanalyysin, vertailuoppimisen ja vertailuoppimiseen ohjautuvan vertailutoiminnan kokonaislähestymistavan, osallistavan hybridiennakointikehyksen lähestymistavan ja kaupunkien soveltavan tapaustutkimusviitekehyksen. Luvussa 4 raportoimme näkemyksiä älykkäiden kaupunkien digitaalisten kaksosten kehityksestä eri kaupunkien tapaustutkimuksista (Turku, Gdańsk, Wrocław ja Vilna). Näkemykset ja tulokset perustuvat kvalitatiivisiin ja kvantitatiivisiin analyyseihin ja ne ovat luonteeltaan pilottitutkimukseen perustuvia ja myös tulokset ovat pilottimaisia. Jatkossa analyyseissä voidaan käyttää samoja menetelmiä, mutta analyysien olisi hyvä pohjautua laajempiin data-aineistoihin ja informaatiolähteisiin. Luvussa 5 esitetään pilottitutkimuksen johtopäätöksiä ja lisäpohdintoja.