全球有超過一半的人口居住在都市區域，而隨著城市化(Urbanization)速度的快速成長，為了符合人口成長衍生的房屋、基礎建設、交通及能源等需求，城市正面臨極大的挑戰，急需用新的方法來解決這些議題。城市轉型(Urban transformation)及永續發展的目標是能使人類及自然世世代代共生共榮，城市發展必須從創造建築環境轉變為改善都市建設的成果，即城市必須是以為了人類及地方的成果為導向(Outcomes-driven)所建立。由於整個城市是以互相連結的資產及網絡的複雜系統所組成，城市系統(Urban systems)必須一起來實現這些成果。我們這個世代的主要挑戰也是系統性的：如達到淨零排放、氣候韌性以及循環經濟等都是系統層面的挑戰，需要有以系統為基礎(system-based)的解決方案。因此，城市需要以系統為基礎的政策、策略及工具，可以讓我們了解及管理都市轉型以達成共生共榮的目標。

第四次工業革命的發展清楚指出邁向城市發展及轉型的路徑上，數位科技是主要的驅動關鍵，數據(Data)是生產的核心工具，其中代表性的科技是數位分身(Digital twin)，是連結實體及虛擬世界之間的橋樑。再加上政策及機制的改革協助我們更了解系統及做出更有效益的決定，第四次工業革命的代表-數位分身技術被城市用來重塑及優化城市規劃、營運、治理和服務的模型以及規劃方法。該份報告從數位分身城市的概念、價值與遠景談起，接著是描述數位分身城市的組成關鍵要素、挑戰，最後提出全球數位分身城市的實踐案例。

「數位分身(Digital twin)」之定義於2012年確立並被廣泛應用在產業界，由美國國家航空暨太空總署(NASA)的研究員E.H. Glaessgen及D.S. Starge定義數位分身是充分利用物理模型、感測器、營運歷史等資料，並綜整使用跨領域及多尺度模擬過程的技術；數位分身是作為實體產品在虛擬空間中的鏡像分身，可以反映出實體物件完整的生命歷程。2017年「數位分身城市(Digital twin city)」首度被中國信息通信研究院(CAICT)提出並應用於智慧城市的規劃與建設。到了2019年，數位分身城市的概念已經被廣泛推廣及被大眾所接受，數位分身的概念被用在智慧城市的建設，即在數位空間重建一個複雜、巨大的系統，與真實世界映射且可以互動的虛擬城市。

數位分身城市的營運機制主要包含下列幾個部份：
1. 透過物聯網(IoT)、資訊建模、優質網路，進行交通、生態環境及城市營運的即時資料蒐集，以實踐現實與虛擬的連結與映射。
2. 奠基於城市營運模式的知識圖譜及大數據分析演算，分析數位空間裡的問題，為政策制定者建立科學指導原則。
3. 透過IoT的遠端遙控及互動介面，真實城市可以透過虛擬機制進行控制，並且建立實體城市完整的管理服務歷程、城市營運的優化及具永續性的經濟發展。

數位分身城市已經在新加坡及中國雄安新區等地實行，數位分身技術被用來改善城市公共服務與管理、協助政府更有效率地提供城市服務，並使用3D模型來促進更精確的城市治理。然而，數位分身城市的發展仍屬於初步階段，正面臨許多挑戰，像是不成熟的技術及未明確的商業模式等。現在正是需要各方相關者，從產業領導者到學術界學者共同討論並逐步在數位分身城市的涵義及架構上達到共識，共同分享最佳實踐方案來確保數位分身城市可以有效益地發展。

數位分身城市是在虛擬空間建立與實體城市相映射的數位版本城市，其目標是透過模擬、監控、診斷、預測及控制來解決城市規劃、設計、建造、管理及服務的複雜度及不確定性；建立實體及數位城市同時營運及互動的空間。而數位分身城市有四個主要技術性特徵，分別為實體城市及數位城市精確的映射(Accurate mapping)、從數位城市可以提供分析式觀點(analytical insight)、實體及數位城市之間的虛實互動(Virtual-real interaction)，以及將從數位城市中獲得的觀點智慧干預(Intelligent intervention)到實體城市。

在數位空間中，規劃者可以隨意編輯城市實體以改善城市佈局、施行圖像推演以展示城市決策成效、透過遠端遙控對城市設備進行即時的干預以及察覺城市風險以便提前做出快速地回應，使得城市生產及營運可以更具即時性及效率，城市生活空間可以變得更宜居及便利，而且城市的生態環境也會變得更具永續性。數位分身城市的三大願景：
1. 使城市生產及營運更密集且更有效率。
在城市生產方面，數位城市技術被用來分析複雜的都市情境，包含人、物品、能源及資訊的流動，例如優化城市空間佈局、舒緩複雜路口的交通、模擬對天然災害的應對方式等。目標是深入了解城市營運模式，減少治理成本及提高居民的生活品質。
2. 讓城市生活空間更適合居住及更便利。
在城市生活方面，數位分身技術被用來監控城市的組成部分的效能、預測故障及避免風險，確保居民的安全。藉由數位分身技術的協助，醫院、教室及社群可以使用虛擬與實境的互動提供服務，也可以客製化服務。
3. 建立具永續性的城市生態環境。
數位分身城市可以協助城市管理者及專家評估及優化生態環境特徵，進行詳盡的各種碳排放政策的評估並且選擇最佳的解決方案，促進能源設施及碳足跡追蹤更有效率的營運與維護，而這些措施都有助於城市達到碳中和。

數位分身的全球市場正在茁壯發展，預計到了2030年，數位分身技術的應用將為都市計畫、建照及營運節省2800億美元；市場規模預期將在2026年之前達到482億美元，並且複合年成長率(Compound annual growth rate, CAGR)將成長58%。

該份報告結合先前的研究及數位分身城市的實踐案例，提出發展數位分身城市的九個要素，稱為「4+5架構」，其中「4」代表四個內部核心要素，這四個要素是數位分身城市的數位基礎。
(一) 基礎設施(Infrastructure)：資訊基礎設施是數位分身城市的資料庫。以物聯網(IoT)感測的設備及城市等級的IoT平台是感測城市營運條件的重要物件，而且可以做為城市遠端遙控的起始點。網路設備像是5G網路、多層級的數據儲存中心、進階的運算設備(高速運算電腦、分散式運算、AI運算、雲端運算等)都可以作為數位分身數據運算的可靠運算基礎。
(二) 數據資源(Data resources)：全時段(Full-time)及全量(Full-volume)的數據資源是實體城市之數位分身重要的組成內容。
(三) 平台能力(Platform capacity)：數位分身城市的建立需要有城市等級的平台支援，提供統一的對話介面及為數位分身城市提供營運系統及開發環境。城市等級的平台可以做為主要的核心樞紐，往下連結關於城市營運的多重資料來源，往上提供低成本、可取用的平台以作為不同用途應用的發展平台，大幅降低政府及企業的成本。
(四) 應用情境(Application scenario)：數位分身城市的應用已經被廣泛應用在城市生產、城市生活及生態中。
另外，該架構中的「5」即是指主要五個外部支援要素：政策及機制(Strategy and mechanism)、利益相關者(Stakeholders)、資金及商業模式(Funding and business model)、標準與評估(Standards and evaluation)及網路安全性(Cybersecurity)。

該份報告更進一步提出七個數位分身城市的實踐案例，包含：
(一) 中國雄安新區：是中國第一個建立數位分身城市的地區，使用BIM管理平台(BIM Management Platform)進行城市整體生命週期的數位監控。
(二) 中國昆明市：昆明是中國西部最重要的城市之一，為了舒緩高峰時段的交通阻塞，改善城市的交通健康指數，昆明建立數位分身交通資料庫以全面改善城市的交通狀況。
(三) 中國深圳：在媽灣智慧港(Mawan Smart Port)使用數位分身技術實現智慧港口的營運及管理。
(四) 馬來西亞檳城州的喬治市：該城市的觀光產業深受COVID-19疫情影響，馬來西亞政府企圖透過數位城市模型預測新的城市計畫可能帶來的影響。
(五) 美國新墨西哥州：根據數位分身城市平台建立潔淨的城市，以更有效率的減少碳排放。
(六) 法國雷恩：數位分身城市虛擬雷恩(Virtual Rennes)有助於大幅減少地下鐵規劃及建置的成本。
(七) 澳洲新南威爾斯州：發展數位分身概念驗證模型(Proof-of-concept)來支援多方利益相關者參與城市計畫的。

而數位分身城市目前仍面臨許多挑戰，例如大眾對數位分身城市的價值認知還不夠廣泛。另數據(Data)使用的增加凸顯了數位安全及隱私保護的風險，對於跨學科的人力資源及產業知識資源仍有所缺乏，而且創新的商業模式仍然需要被開發。根據研究顯示，現有66.7%的數位分身城市專案是由政府投資資助，因此社會資本及企業的投資仍然有進步空間。

另外，技術性的解決方案也是必須的，但目前仍有所不足。科技必須在以人為中心的狀態下被發展，數位分身城市的最終目標是促進社會平等及包容性；保護個人權利及讓城市轉型的正面商業力量；讓城市更適合居住以及取得人類、城市及自然之間的和諧平衡。城市級的數位分身計畫若要成功，必須處理人力跟組織因素的議題，例如倫理與技能、商業、法律與監管的解決方法等，這點在實踐跨組織邊界的資料共享上更為重要。這也是為什麼互相連結的數位分身計畫必須是具社會技術性的(Socio-technical)，這會確保每個組織都可以從決策過程中受益。簡而言之，互相連結的數位分身的社會技術變革計畫是可以為人類、社會與自然帶來更好成果的途徑。

為了數位分身城市未來更有效益的發展，需要政府、企業以及其他利益相關者共同提倡。政府必須完整整合從上而下的政策及從下而上的需求，同時促進市民及組織創新的動力；依據個人需求，設計更多跨產業的數位分身情境，並追蹤供需需求；建立有分級分類的分身城市的數據系統，確保分散式安全及個人隱私的保護；建立跨學科領域及全方面的人才團隊以達成合作創新。在企業方面，企業應該降低中小企業參與數位分身城市計畫的門檻；促進數位分身領域中獨特的優勢，創造結合各項優勢的創新生態系統；聚焦在產業的標準化以利產業各角色之間標準化的互利互惠合作關係；將數位分身城市從政府(to G)市場擴張到商業(to B)再到顧客(to C)市場，並且將一次性的計畫轉型至涵蓋營運及服務的長期性合作計畫。

數位分身技術是一種新的思維方式，也是一種先進的技術力量形式。為了該技術的長期發展，所有的利益相關者必須共同合作以確保數位分身技術的重要性可以被認可、了解及傳播。另外，數位分身治理架構需要映射及探索，對其共識也仍需要被建立。