智慧城市的总体发展趋势分析

    随着城市化进程加快，城市人口的密集度越来越大，城市空间资源利用呈现向三层空间发展的总体趋势，城市空间基础设施的信息化也将成必然趋势。如何更好地利用、管理城市地下空间？
　　当前国内外学术界和市政管理机构也在探讨，例如有行业专家以“武汉城市地下交通发展趋势”为基础提出改变当前交通结构和交通方式，大力发展地下交通设施；依据“物联网和BIM技术在地下综合管廊建设运维中的应用研究”，提出从设计、施工、维护3个阶段全面利用物联网和BIM工具；有专家在《北斗+物联网技术在地下管线管理中的应用》一文中提出，利用北斗卫星系统定位+物联网技术开展地下燃气管线的安全监管。从以上案例中不难看出当前行业内对于地下空间的利用大多局限于具体的行业，如交通、燃气、供水、综合管廊建设等，但对于城市空间如何整体规划当前还没有具体成果。
　　智慧城市的总体发展趋势分析
　　城市空间三层发展的总体趋势
　　由于城市道路拥堵、马路拉链、雾霾、城市内涝等问题，人们对改善城市环境的呼声越来越高。但目前城市问题的根源在于城市发展模式、基础设施等一定程度上违背了人与自然和谐发展的规律。城市空间发展趋势是向三层空间拓展的，包括地下空间、地面空间和城市上空空间。
　　未来城市发展的趋势是基础设施尽量向地下空间发展，包括交通、电力、通信、燃气、自来水、蓄水排水等；城市建筑、花园植被、市民活动空间、渗透型道路，建筑活动工业化、城市工厂搬迁至郊区（未来工厂将大规模采用机器人作业）可优化地面自然空间；城市风道、无人机交通航线、无人飞行车交通航线将优化城市上层空间。
　　三层空间城市基础设施比重应在5:4:1，而当前该比重为3:7:0。但随着综合管廊技术、海绵城市技术、无人驾驶技术的发展，城市地下交通的比重会越来越高，城市的地下基础设施占比也将越来越大。
　　开发智慧城市地下空间与基础设施刻不容缓
　　我国大部分老城区已经暴露出交通拥堵、城市基础设施支撑能力下降、人居环境恶化等城市通病，地下空间的开发能够有效缓解老城的现实问题；随着城市化进程的加快，未来5~10年，城市将负担70%的人口，城市地面空间开发余量已非常有限，60%以上城市的老城区在超负荷运转，大大降低了城市居民的舒适度。未来，地下空间规划体系与管理机制将逐步走向完善。
　　与此同时，当前电力、通信、燃气、给排水等城市地下管线管理方分属不同政府部门或企业，形成了信息孤岛，使得地下空间越来越拥挤，地下管线被挖断、施工受阻挠等问题时有发生。据估算，我国城市每年因施工造成的地下管线事故直接经济损失约50亿元，间接经济损失约400亿元。亟需通过实行统一的规划、设计、建设和管理，彻底改变管道自建、各自管理的零乱局面。而统一规划的前提是建立地下空间的管网信息模型，通过数字化模型实时展示各类管线的功能、位置、深度、间距等。
　　在当前大交通理念下，城市地下交通与城际高铁、地铁形成了大交通趋势，城市以地下隧道方式建设了越来越多的快速路，快速路是未来城市全面走入地下的雏形。同时城市地铁在规划时也需要在城市楼宇地下层、车库之间进行接驳和参照，避免地铁震动扰民和对建筑地基的损害，这需要建立城市地平面以下的空间模型，没有这个空间模型就无法进行统筹规划。
　　内涝也是我国的城市的一大棘手问题。每年夏季我国一线城市都会发生内涝，且随着人口密度增长和城市扩展，内涝问题愈加严重。而以英国、德国、日本等发达国家的发展经历来看，建设地下宫殿式的蓄水、排水系统是必然趋势。面向海绵城市的地下给水、排水系统的规划和设计需要有完整的城市地下空间模型。因此城市公共管线设施、地下交通设施、海绵城市设施均需要统一的城市地下空间模型才能进行统一规划、协同设计、同步实施。
　　如何开发智慧城市地下空间与基础设施
　　基于以上现状，城市地下公共设施信息模型（Informationmodelofurbanundergroundpublicfacilities，本文简称UIM）应运而生，UIM是以物联网技术为基础，面向城市地下空间资源规划的发展趋势，充分管理好、利用好城市地下空间，为市民的生活腾挪出更多的自然环境空间，顺应自然规律，减少城市交通污染以及水泥地面对地表自然环境的侵害。
　　当前行业内已经有建筑信息模型（BuildingInformationModeling，BIM）、ArcGIS+Engine地理信息系统、OpenGL（OpenGraphicsLibrary)等开发环境，在此基础上，与数字孪生城市相结合，完成整个城市的物理环境与数字环境的映射、同步。在一个统一的平台上展现城市地下基础设施、地质条件等。
　　如何实现智慧城市地下空间与基础设施的开发
　　传统的数字城市侧重于政务信息化、城市地理空间GIS（GeographicInformationSystem）系统、无线城市、光网城市建设等，是初步的数字化应用。数字孪生（DigitalTwin）是将城市活动和城市物理环境全部实现数字化，映射到数字世界中去。数字孪生最初只在工业精密制造领域使用，是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。对于城市空间资源来说，数字孪生技术应用前景广阔。过去，城市管理者是将政务信息管理起来，通过流程信息化管理数据的互联互通，这是城市活动数字孪生化。城市的数字化给城市带来的是数字资产，它与矿产资源不同，可以重复无限次使用，从而发挥最大价值。
　　物联网（InternetofEverything或InternetofThings，本文称之为IoT）概念早在2001年已经提出。互联网使人类的活动得以数字化，打通了人类和人类之间的快速交互通道，而物联网使物理世界得以数字化，打通了数字世界与物理世界之间的通道。物联网在整个人类技术经济的发展演进路径上处于数字经济的中期阶段，是物理世界数字化之后的阶段，借助现有的通信网络、互联网通道，采集现场数字化信息改变以前“互联网―人―互联网”的交互模式为“物―互联网―物”的模式，在这个过程中人的作用是不断提升这种交互方式的技术水平、经济价值、应用功能，为后续人工智能技术经济形态下的社会做好铺垫。
　　随着城市化进程加快，城市人口的密集度越来越大，城市空间资源利用呈现向三层空间发展的总体趋势，城市空间基础设施的信息化也将成必然趋势。如何更好地利用、管理城市地下空间？
　　当前国内外学术界和市政管理机构也在探讨，例如有行业专家以“武汉城市地下交通发展趋势”为基础提出改变当前交通结构和交通方式，大力发展地下交通设施；依据“物联网和BIM技术在地下综合管廊建设运维中的应用研究”，提出从设计、施工、维护3个阶段全面利用物联网和BIM工具；有专家在《北斗+物联网技术在地下管线管理中的应用》一文中提出，利用北斗卫星系统定位+物联网技术开展地下燃气管线的安全监管。从以上案例中不难看出当前行业内对于地下空间的利用大多局限于具体的行业，如交通、燃气、供水、综合管廊建设等，但对于城市空间如何整体规划当前还没有具体成果。
　　智慧城市的总体发展趋势分析
　　城市空间三层发展的总体趋势
　　由于城市道路拥堵、马路拉链、雾霾、城市内涝等问题，人们对改善城市环境的呼声越来越高。但目前城市问题的根源在于城市发展模式、基础设施等一定程度上违背了人与自然和谐发展的规律。城市空间发展趋势是向三层空间拓展的，包括地下空间、地面空间和城市上空空间。
　　未来城市发展的趋势是基础设施尽量向地下空间发展，包括交通、电力、通信、燃气、自来水、蓄水排水等；城市建筑、花园植被、市民活动空间、渗透型道路，建筑活动工业化、城市工厂搬迁至郊区（未来工厂将大规模采用机器人作业）可优化地面自然空间；城市风道、无人机交通航线、无人飞行车交通航线将优化城市上层空间。
　　三层空间城市基础设施比重应在5:4:1，而当前该比重为3:7:0。但随着综合管廊技术、海绵城市技术、无人驾驶技术的发展，城市地下交通的比重会越来越高，城市的地下基础设施占比也将越来越大。
　　开发智慧城市地下空间与基础设施刻不容缓
　　我国大部分老城区已经暴露出交通拥堵、城市基础设施支撑能力下降、人居环境恶化等城市通病，地下空间的开发能够有效缓解老城的现实问题；随着城市化进程的加快，未来5~10年，城市将负担70%的人口，城市地面空间开发余量已非常有限，60%以上城市的老城区在超负荷运转，大大降低了城市居民的舒适度。未来，地下空间规划体系与管理机制将逐步走向完善。
　　与此同时，当前电力、通信、燃气、给排水等城市地下管线管理方分属不同政府部门或企业，形成了信息孤岛，使得地下空间越来越拥挤，地下管线被挖断、施工受阻挠等问题时有发生。据估算，我国城市每年因施工造成的地下管线事故直接经济损失约50亿元，间接经济损失约400亿元。亟需通过实行统一的规划、设计、建设和管理，彻底改变管道自建、各自管理的零乱局面。而统一规划的前提是建立地下空间的管网信息模型，通过数字化模型实时展示各类管线的功能、位置、深度、间距等。
　　在当前大交通理念下，城市地下交通与城际高铁、地铁形成了大交通趋势，城市以地下隧道方式建设了越来越多的快速路，快速路是未来城市全面走入地下的雏形。同时城市地铁在规划时也需要在城市楼宇地下层、车库之间进行接驳和参照，避免地铁震动扰民和对建筑地基的损害，这需要建立城市地平面以下的空间模型，没有这个空间模型就无法进行统筹规划。
　　内涝也是我国的城市的一大棘手问题。每年夏季我国一线城市都会发生内涝，且随着人口密度增长和城市扩展，内涝问题愈加严重。而以英国、德国、日本等发达国家的发展经历来看，建设地下宫殿式的蓄水、排水系统是必然趋势。面向海绵城市的地下给水、排水系统的规划和设计需要有完整的城市地下空间模型。因此城市公共管线设施、地下交通设施、海绵城市设施均需要统一的城市地下空间模型才能进行统一规划、协同设计、同步实施。
　　如何开发智慧城市地下空间与基础设施
　　基于以上现状，城市地下公共设施信息模型（Informationmodelofurbanundergroundpublicfacilities，本文简称UIM）应运而生，UIM是以物联网技术为基础，面向城市地下空间资源规划的发展趋势，充分管理好、利用好城市地下空间，为市民的生活腾挪出更多的自然环境空间，顺应自然规律，减少城市交通污染以及水泥地面对地表自然环境的侵害。
　　当前行业内已经有建筑信息模型（BuildingInformationModeling，BIM）、ArcGIS+Engine地理信息系统、OpenGL（OpenGraphicsLibrary)等开发环境，在此基础上，与数字孪生城市相结合，完成整个城市的物理环境与数字环境的映射、同步。在一个统一的平台上展现城市地下基础设施、地质条件等。
　　如何实现智慧城市地下空间与基础设施的开发
　　传统的数字城市侧重于政务信息化、城市地理空间GIS（GeographicInformationSystem）系统、无线城市、光网城市建设等，是初步的数字化应用。数字孪生（DigitalTwin）是将城市活动和城市物理环境全部实现数字化，映射到数字世界中去。数字孪生最初只在工业精密制造领域使用，是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。对于城市空间资源来说，数字孪生技术应用前景广阔。过去，城市管理者是将政务信息管理起来，通过流程信息化管理数据的互联互通，这是城市活动数字孪生化。城市的数字化给城市带来的是数字资产，它与矿产资源不同，可以重复无限次使用，从而发挥最大价值。
　　物联网（InternetofEverything或InternetofThings，本文称之为IoT）概念早在2001年已经提出。互联网使人类的活动得以数字化，打通了人类和人类之间的快速交互通道，而物联网使物理世界得以数字化，打通了数字世界与物理世界之间的通道。物联网在整个人类技术经济的发展演进路径上处于数字经济的中期阶段，是物理世界数字化之后的阶段，借助现有的通信网络、互联网通道，采集现场数字化信息改变以前“互联网―人―互联网”的交互模式为“物―互联网―物”的模式，在这个过程中人的作用是不断提升这种交互方式的技术水平、经济价值、应用功能，为后续人工智能技术经济形态下的社会做好铺垫。
　　物联网不是一场技术的革命，而是一场升级和进化。传统物联网通常被称作传感网，是通过RFID、传感器自上而下采集数据，通常分为感知层、网络层、传输层，城市智能抄表、工业物联网（IIoT）、商场智能停车等目前应用较多。新型物联网强调物与物之间的本地通信能力、协同能力，减少人的参与，它是未来人工智能的基础。城市中人们的活动是动态的，物联网负责搜集动态环境、设施的实时数据，然后进行汇总，反映整个城市的交通、水电燃气等公共设施、污水雨水排水情况。空气状况、智慧路灯杆、照明、停车位、充电站、公共自行车、环卫车辆等基础设施都可通过物联网连接。物联网连接的本质是将城市作为特大型企业来运营，想要更好的运营特大型企业，就必须知道城市的实时运转情况，感受城市律动的脉搏，按照预案做好实时处置。连接本身就是一种价值，互联网、物联网时代，一个节点的连接数越大，它的价值越大，城市也是如此。Gartner预计2020年全球物联网连接数将达97亿。
　　城市地下信息基础设施的大数据系统
　　当前我国城市地下管线的总长度已经超过200万千米，且每年以10万千米的速度增长。管线的建设数据、状态数据、维护数据等组成了海量数据，现有地下空间基础设施将逐步转变为综合管廊的形式。目前很多老城区人口密集、管线老化、管孔资源饱和，多次重复开挖的社会成本和污染成本较大，城市将探索综合管廊的形式，城市地下基础设施未来将通过综合管廊的升级改造而具备更多的智能感知、数字孪生功能。城市地下是宝贵的空间资源，除了用于地铁、管线、城市快速路小型隧道以外，未来会逐步将城市地上交通、管线设施移到地下。而城市地下空间的规划、设计、施工、维护均需要一套以数字孪生为基础的大数据系统，实现多规合一、协同规划和协同建设。有了这套大数据系统，才有人工智能城市的基础。
　　智慧城市在传统意义上是城市的信息化，信息化是物理世界和数字世界的映射。由于人工智能可以识别的是数字环境，因此只有基于数字化、物联网、互联网、大数据基础上的大数据系统才能给人工智能打下基础，否则广泛的人工智能不可能实现。以无人驾驶为例，目前主流技术路线是智能网联汽车，即通过道路数字化、车辆数字化、车辆网联、模式识别技术才能最终实现城市道路的无人驾驶，仅依靠单车智能无法实现无人驾驶，这是一个循序渐进的过程。而未来城市的地面交通，则是向地下发展，通过地下空间大数据系统为无人驾驶车辆提供整个城市的最佳路线、最佳车速、交通动态。诸如此类，其他各个行业也是基于这样一个大数据系统实现数据的调用和边缘计算进行决策判断。
　　智慧城市的理论和实践从2009年开始，已经发展了10个年头。回顾这10年的实践情况可以看出，从数字化到互联网、物联网再到数字孪生大数据系统的路径是循序渐进的。当前，政府是智慧城市建设的主要推动力。而未来，理念的更新将带动整个社会技术的升级和革新，智慧城市建设将形成政府主牵头、全行业共同参与的双赢模式，实现生态化、协同化、社会化，城市地下信息基础设施模型将成为这一方向的重要载体。
　　物联网不是一场技术的革命，而是一场升级和进化。传统物联网通常被称作传感网，是通过RFID、传感器自上而下采集数据，通常分为感知层、网络层、传输层，城市智能抄表、工业物联网（IIoT）、商场智能停车等目前应用较多。新型物联网强调物与物之间的本地通信能力、协同能力，减少人的参与，它是未来人工智能的基础。城市中人们的活动是动态的，物联网负责搜集动态环境、设施的实时数据，然后进行汇总，反映整个城市的交通、水电燃气等公共设施、污水雨水排水情况。空气状况、智慧路灯杆、照明、停车位、充电站、公共自行车、环卫车辆等基础设施都可通过物联网连接。物联网连接的本质是将城市作为特大型企业来运营，想要更好的运营特大型企业，就必须知道城市的实时运转情况，感受城市律动的脉搏，按照预案做好实时处置。连接本身就是一种价值，互联网、物联网时代，一个节点的连接数越大，它的价值越大，城市也是如此。Gartner预计2020年全球物联网连接数将达97亿。
　　城市地下信息基础设施的大数据系统
　　当前我国城市地下管线的总长度已经超过200万千米，且每年以10万千米的速度增长。管线的建设数据、状态数据、维护数据等组成了海量数据，现有地下空间基础设施将逐步转变为综合管廊的形式。目前很多老城区人口密集、管线老化、管孔资源饱和，多次重复开挖的社会成本和污染成本较大，城市将探索综合管廊的形式，城市地下基础设施未来将通过综合管廊的升级改造而具备更多的智能感知、数字孪生功能。城市地下是宝贵的空间资源，除了用于地铁、管线、城市快速路小型隧道以外，未来会逐步将城市地上交通、管线设施移到地下。而城市地下空间的规划、设计、施工、维护均需要一套以数字孪生为基础的大数据系统，实现多规合一、协同规划和协同建设。有了这套大数据系统，才有人工智能城市的基础。
　　智慧城市在传统意义上是城市的信息化，信息化是物理世界和数字世界的映射。由于人工智能可以识别的是数字环境，因此只有基于数字化、物联网、互联网、大数据基础上的大数据系统才能给人工智能打下基础，否则广泛的人工智能不可能实现。以无人驾驶为例，目前主流技术路线是智能网联汽车，即通过道路数字化、车辆数字化、车辆网联、模式识别技术才能最终实现城市道路的无人驾驶，仅依靠单车智能无法实现无人驾驶，这是一个循序渐进的过程。而未来城市的地面交通，则是向地下发展，通过地下空间大数据系统为无人驾驶车辆提供整个城市的最佳路线、最佳车速、交通动态。诸如此类，其他各个行业也是基于这样一个大数据系统实现数据的调用和边缘计算进行决策判断。
　　智慧城市的理论和实践从2009年开始，已经发展了10个年头。回顾这10年的实践情况可以看出，从数字化到互联网、物联网再到数字孪生大数据系统的路径是循序渐进的。当前，政府是智慧城市建设的主要推动力。而未来，理念的更新将带动整个社会技术的升级和革新，智慧城市建设将形成政府主牵头、全行业共同参与的双赢模式，实现生态化、协同化、社会化，城市地下信息基础设施模型将成为这一方向的重要载体。