5張玩家地圖，1000多萬個遊戲角色，誰才是這個虛擬城市裡的頭號大BOSS？

　　我是科學家iScientist 發表於  2018-09-17 23:16

　　本文為2018年9月1日「我是科學家」第三期線下活動——新技術·新人類| 羅訓 演講實錄：

　　最刺激的VR遊戲是什麼？生化危機？節奏光劍？那你大概沒有聽說過虛擬城市。明明是在虛擬的世界里完成的操作，卻能在真實世界中影響數百萬人的生活，這是怎麼做到的？天津理工大學羅訓教授，帶你踏上虛擬城市的頭號玩家之旅。

　　

　　我是一名做計算機科學的研究者，我研究的方向是「虛擬現實」，也就是VR。我的母親和她的朋友們經常給我下達一些計算機方面非常困難的研究問題，比如說鍵盤和滑鼠是從京東買好還是從淘寶買好？比如說office到底應該是裝正版的還是應該裝盜版的？這些年來我一直在回答這些問題。

　　這些問題真讓人頭大……

　　但是2016年的時候，我媽媽有一天忽然問了我一個問題，讓我覺得自己的春天來了。她問我說：「羅訓，這些年你做的到底是VR還是AR？」這個技術現在已經連我媽媽都知道了，真的太棒了，我感覺這個時代屬於我了。

　　我博士讀了六年，之後工作了十多年，這麼多年我一直在做虛擬現實。虛擬現實並不是一個很新的學科，上世紀60年代的時候，虛擬現實就已經在實驗室產生了；90年代的時候，就已經有說「我已經沒有自己的身體」這樣的說法了。

　　儘管我的研究方向一直是虛擬現實，但是我做的項目是在不斷演進的。今天我想給大家介紹的一個項目，就是我和我的團隊最近正在做的一件事情，我們對它非常有興趣，我們也充滿了激情，這個項目叫做「數字模擬城市」。

　　

　　現在有一款非常火的玩具套件，小朋友們特別愛玩，就是小火車的遊戲。小火車的套件里有很多積木，有商場，有農場，有學校，孩子們可以自由地把這些積木拿來組合，用軌道把這些社區連起來，讓小火車在裡面跑，非常好玩。它的創意來自英國的一個動畫片，叫做《托馬斯和他的朋友們》。

　　

　　動畫片《托馬斯和他的朋友們》。圖片來源：騰訊視頻

　　在這部動畫片里，小火車們居住的地方叫多多島，是一個寧靜有序的小城市。我的兒子特別喜歡這部動畫片，也特別愛用小火車玩具，搭建多多島。多多島有多大呢？大概100個居民，五十輛小火車，就這樣規模的城市，我兒子要一整個下午什麼都不幹才能搭出來。當然，你搭積木肯定比我兒子快多了，因為他只有六歲，這周才剛剛成為一名小學生。

　　可是，如果給你一個挑戰，讓你用積木來建像北京這樣規模的一座城市，這個事情可就不是那麼容易了。北京有多大呢？北京有2200萬常住人口，有600萬輛車。如果我們要把北京這樣的城市給你積木塊讓你搭出來，毫不誇張地說，可能要花費你一輩子的時間。而且你還要考慮到，萬一你不小心把積木碰倒了，這個怎麼辦？

　　我來做這件事情要多長時間呢？在我們現在的實驗室團隊裡頭，我們做這個事情大概不到八個小時。我們在一天的時間裡頭，可以搭出像北京這麼一座大的城市。所以我也就可以自豪地說，我是「虛擬城市裡面的頭號玩家」。不但我自己和我們的實驗室能夠做到這個事情，其實我想把搭建出來的數字城市拿出來讓大家都來用，讓大家都來玩這個數字城市構造這樣的遊戲。

　　我們為什麼要構建這個數字城市呢？僅僅是為了玩嗎？

　　全世界有70%的人住在城市中，但城市的面積只佔陸地面積的3%不到，70%的人口居住在不到3%的陸地上，而且據說每周還以三百萬人的速度湧入到大大小小的城市。擁擠的交通、污染的空氣、糟糕的規劃成為了很多大城市的常態。我們經常也想說我們怎麼來改變這樣的城市。我們做的虛擬城市實際上就是讓大家可以用玩遊戲的方法來做城市的規劃。當然這當中有很多很多挑戰。

　　

　　交通擁擠是大城市的常態。圖片來源：pexels

　　數字城市對我們的幫助是明顯的。

　　第一它能夠讓更多的人廣泛地參與到城市的變化和演進當中來。每一個對解決城市問題有熱情的居民，或者專業的城市規劃者都可以在數字世界中嘗試，就像在多多島上改變鐵軌方向或者增加減少建築的孩子們一樣。

　　第二就是多元性。我們所在的城市應該怎麼樣，男生和女生可能有不一樣的看法，男生可能希望有更多的足球場和運動的設施，可能希望道路上的限速更高一點，讓自己開車的時候能享受到駕駛的快樂；而女生可能會想為什麼購物街離我就這麼遠，或者為什麼我想去吃的那家韓國餐館要坐這麼久的地鐵才能達到？

　　一個城市的規劃者和一個城市的使用者想法也是不一樣的，城市規劃者想的可能更多的是宏觀，而城市使用者想的是微觀。人類社會的優勢在於可以集中很多很多人的智慧和力量，從不同的角度來解決一個問題，讓這個問題得到最全面、利益最大化地解決。

　　第三個能避免試錯成本。城市的規模是很大的，在城市裡面修一個公園、修一個新的商業區、建一條新的道路，花費的成本是非常高的。再精心的規劃也難以完全避免紕漏，世界上沒有完美的設計，所以試錯是一個必然的過程。但是在真實世界中試錯卻可能付出很高的代價。我這裡有兩件真事兒和大家分享一下。

　　擁堵是城市中都有的普遍現象，科學家們做了很多嘗試來治理城市擁堵。比如在武漢就進行了這樣的嘗試。科學家們發現上班和下班的時候，大家進城和出城的方向是不一樣的。科學家們最後設想出一個方案，就是根據上下班不同時間的車流方向不同，在城市裡劃定潮汐車道。簡單的說就是不同時間，可以通行的方向不一樣的車道，並且專門改造了一種車輛來鋪設潮汐車道，花了很多的精力，花了很多的錢。大家猜結果怎麼樣？改進非常小，後來這個事情就取消了——這些鋪設車輛被撤回，潮汐的車道被取消。付出了很大的成本，結果發現沒有改進。

　　另外一個例子是濟南，濟南也是一個省會級城市，擁堵同樣很嚴重，科學家們換了一種方法，根據道路上的車輛擁堵情況，動態地調整交通路口信號等的時長，結果效果特別明顯。

　　

　　根據上下班不同時間的車流方向不同，在城市裡劃定潮汐車道。

　　其實科學的過程本來就是一個提出假設、驗證假設，是不斷試錯的過程。但是當我們在城市裡來做驗證的時候，試錯成本是非常高的。如果我們能夠在數字的城市裡面試錯，那麼這些試錯成本就可以大大降低。這也是促進我們去做數字城市的另一個動機。

　　當然，想法總是很美好的，但是要攀登的高峰和要經歷的道路往往是很曲折的。要解決數字城市的建設，不但要有美好的願望和強大的內心，更需要有超人的能力。

　　傳統的建模方法需要大量人工，建造一座虛擬城市的工作量，並不比建造一座真實的城市少多少。而且建立的城市哪怕是要做一點點的修改都非常麻煩。此外，城市不僅僅包括靜態的道路和建築，也包括動態的人流、車輛和社會活動，這些在數字城市中也需要進行模擬重現。最後，這些動態還得靠譜，也就是模擬結果的大致規律和真實的城市相同，只有這樣當我們用數字城市去做模擬工作的時候，才能真正有助於現實的城市。

　　還好我們有計算機，和使用計算機的虛擬現實技術。VR的進展，可以一一解決這些挑戰問題。

　　在孩子們玩小火車玩具的時候怎麼做呢，第一，準備積木塊。第二，把積木塊搭成不同的功能的社區。第三，在社區當中放上小火車讓它動起來。建立數字城市的過程很像是用小火車玩具套件搭積木。

　　數字城市的積木塊就是各種風格的建築物的數字模型，我們可以用無人機繞著一座建築物拍很多張照片，然後用計算機把這些照片組合成三維模型，一個積木塊就出來了。這個視頻就是我們用這種方法重建的天津理工大學圖書館。這只是我們做的上百上千塊積木之一。

　　有了很多這樣的積木塊之後，就可以按一定方式把他們組合起來變成街區，比如北京，我們知道它是一環圍一環的，就可以用這種叫做「環形路擴張技術」的方式來生成街區，這樣生成的街區也是一環一環的。這樣的城市就具備了模擬城市的雛形。

　　

光有了這個街區和積木塊，其實還不夠，還要把積木塊放到街區裡面去，要把很多積木塊組合起來，讓不同的街區具有不同的功能。在做這個功能的時候，我們還不能亂放。比如說如果搭出來一座北京城，結果在故宮的位置，你發現是三里屯的結構，那這樣的城市建設出來是不行的。

　　這個時候就用到一個超級玩家的超級道具——社交網路的大數據了。你在發朋友圈，曬美食，曬狗糧的時候，有一些單身狗在注視著你，其實還有一些計算機科學的單身狗也在注視著你。他除了被虐以外，他還在想一個想法，你這個數據對我有啥用。然後他默默地寫一行程序，把這個數據扒下來，你這一行數據來講可能是虐了他，但是100萬人這樣的數據對計算機科學工作者可不是這樣的，它就有規律了，它可以讓我們知道哪些街區是幹啥的，告訴我們怎麼把這些基木塊搭進去。

　　

　　你在發朋友圈，曬美食，曬狗糧的時候，一些計算機科學的單身狗也在注視著你，然後默默地寫一行程序，把這個數據扒下來。圖片來源：pixabay

　　另外，一些公開的資料庫，例如城市裡面的停車場、醫院、學校等的黃頁地址，也可以用計算機轉換到地圖上的位置。這樣我們就能搭成不同的街區。

　　這樣建成的城市是靜態的，想讓它「活」起來，還要有人。這個時候我們就用到另外一種數據，叫做「時空數據」。

　　「時空數據」指的是數據本身和特定的時間和特定的位置是相關的，聽起來比較抽象，給大家舉兩個最鮮活的時空數據的例子，一個是網約車的數據，一個是計程車的數據。網約車和計程車佔了咱們這個城市裡面運行的車輛的相當大的部分，用它們來做抽樣，我們基本上可以復原出城市裡面的交通是什麼樣的，就能猜出城市裡面的車在怎麼動，以及能夠大致猜出城市裡面的人在怎麼動。這樣一來我們就能生成動態的城市。

　　下面這個視頻是國外的學者做的一些初步的研究，他們做了一個比較小的城市，但是可以看到這樣小的城市裡已經具有了其模塊的多元性，也具有了組合出來的視覺和功能上的近似性，我們能在這裡看到不同的停止的或者運行的車輛。

　　那麼我們建設的城市只是用來看的嗎？其實不是，我們可以做很多有意義的事情。

　　比如說在拉美的城市裡，棚戶區是一種廣泛的存在。棚戶區是由於在城市擴張的過程中，人口數量急劇增加，而基礎設施缺乏規劃，或者是有規劃但建設速度跟不上造成的。

　　

　　這樣的棚戶區造成了很多城市問題，亟需改造，但棚戶區的改造不僅僅是拆除或者是重建這麼簡單，需要為好幾個問題找到答案。比如棚戶區里的居民該怎麼辦？他們都在從事哪些職業，平時通勤去城市的哪些地方？棚戶區改造后，地塊是用作商業區合適，還是作為住宅區合適？如果改造為商業區，應該是哪一種類型？如果只是簡單魯莽地做出決定，不僅不能解決現有的問題，還可能帶來新的問題。

　　中國在治理棚戶區方面已經積累了大量的經驗和教訓，也摸索出來了很多成熟的方式方法。可不可以把這些經驗和方法用到拉美城市中呢？這個時候，如果我們把拉美地區的一座大城市，構建為數字城市。那麼，就可以把中國類似城市的棚戶治理模式，在數字城市中進行模擬和嘗試。充分考慮各種各樣可能的結果，最大程度地綜合專業人士的觀點，制定出最好的治理方案。這是非常有意義的嘗試，在一帶一路國家中，可以這樣做的城市還有很多很多。

　　數字模擬城市可以幫助城市的管理者，解決當下城市中的問題。它還可以幫助城市的使用者，來探索在城市中應用未來科技的方式。

　　自動駕駛是當下的一個熱詞，自動駕駛技術中最核心的，是計算機對海量環境感知數據的處理演演算法。這些感知數據包括攝像頭數據、雷達數據等等。對於演演算法單元來說，只要能獲得城市級的數據，並不需要車輛真的上路，在實驗室中就可以完成數十億次出行，驗證在不同情形下，油門、車速、變道等控制演演算法的正確性。它的好處是顯而易見的。首先，它能夠減少排放，更重要的是它很安全，我們說哪怕是100萬次實驗當中撞到一次人，其實在幾十億次這種危險性都是很大的，而如果我們能夠用模擬的城市來做這樣，就會好很多。

　　

　　Google的自動駕駛汽車。

　　各種遊戲都有自己的玩家地圖。作為一個虛擬城市的頭號玩家，我的地圖特別特別大，遊戲里的角色也特別特別多。我們最近重建了五個數字的城市，有中國的兩座，成都和西安，還有北美的三座。我們目前正在建設五座南美地區的城市，包括哥倫比亞的三座，波哥大、麥德林和卡利，還有包括厄爾多爾的兩座，基多和瓜亞基爾。這些城市人口加起一共有1690萬。

　　我們團隊的願景是為了在第一步讓1690萬的人們，他們的城市生活有三分鐘的體驗，可以變得更好，那麼1690萬人的三分鐘加起來就是5070萬分鐘，大概相當於100年，這也是一個計算機科學家能夠活得最長的壽命。如果我們的小小願景如果能實現，這一生也就很滿足了。

　　我喜歡虛擬現實，它能讓我們去體驗和感受當下的世界，但更重要的是可以在虛擬現實里創造和想象未來的世界。這也就是作為一個計算機科學家所不知疲倦，能夠堅持自己所做的這個事情的一個動力和理由。我相信我們今天想要的將是我們城市的未來，願意和你分享。

　　謝謝大家的聆聽。

　　

　　演講嘉賓羅訓：《虛擬城市的頭號玩家》