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王鹏:被忽视的城市新基建

北极星大气网  来源:环球网    2020/7/6 11:20:46  我要投稿  
所属频道: 大气治理  关键词:环境监测 环境污染 新基建

北极星大气网讯:国家发改委相关负责人表示,初步研究认为,新型基础设施是以新发展理念为引领,以技术创新为驱动,以信息网络为基础,面向高质量发展需要,提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的基础设施体系。

目前来看,新型基础设施主要包括3个方面内容:

一是信息基础设施。主要是指基于新一代信息技术演化生成的基础设施,比如,以5G、物联网、工业互联网、卫星互联网为代表的通信网络基础设施,以人工智能、云计算、区块链等为代表的新技术基础设施,以数据中心、智能计算中心为代表的算力基础设施等。

二是融合基础设施。主要是指深度应用互联网、大数据、人工智能等技术,支撑传统基础设施转型升级,进而形成的融合基础设施,比如,智能交通基础设施、智慧能源基础设施等。

三是创新基础设施。主要是指支撑科学研究、技术开发、产品研制的具有公益属性的基础设施,比如,重大科技基础设施、科教基础设施、产业技术创新基础设施等。

虽然这三大新型基础设施的确是符合技术和产业发展方向的重要基础领域,但除了融合基础设施中属于交通和能源范畴的几个应用领域外,其他真正看似基础的几个方向:5G、数据中心、人工智能、数据中心,大都集中在数据的传输、存储和应用层面。

作为北京大数据研究院平台公司,博雅智慧深耕于传统基础设施的数字化转型,即疫情后达成广泛共识的“新基建”。在多年的数据运营与基础设施数字化转型的项目积累基础上,笔者团队认为,数据固然是新经济的血液,但这些“新基建”之下,数据又是从何而来?许多更为基础的领域是否被忽略了?

建立智慧城市数据底座需三大设施

改革开放40年来,中国经历迄今为止世界历史上规模最大、速度最快的城镇化进程:截止2018年,我国城镇化率为59.28%,预计到2030年,这一数字将高达70%。随着大量的人口快速向城市转移,特别是城市急剧扩张与工业化的快速发展,产生了许多社会与环境问题,并增大了政府管理的压力。在大量“城市病”问题面前,ICT技术的发展为精细化的城市治理指出了具有可操作性的解决方案,开辟了重新认识城市、管理城市和发展城市的新视角,数字城市和智慧城市也应运而生。

新一轮城市革命,也就是智慧城市的变革,将由新型基础设施支撑,实现城市数字化、网络化和智能化发展,推动城市运营和治理的精细化、现代化。

城市本质是一种“通过基础设施和公共服务的集中供给,在空间、环境、能源等有限资源条件下实现生产效率和居民幸福感提升的复杂功能网络平台。”

我们解决的所有城市问题几乎都可以归结为一个共同的痛点:解决有限的基础设施和服务能力与高速增长的需求之间的矛盾。

交通拥堵、内涝、能源短缺、环境污染等体现了基础设施的动态服务能力和效率不足,住房供给、房价、教育医疗等公共设施问题体现了住房和公共服务的布局、供给量与服务水平不足。

在工业时代,我们是通过发明和生产更多的产品,创造更多的城市空间来满足需求的增长。但资源是有限的,我们不可能永远维持这种增长。

智慧城市并不只是我们平时看到的政府信息化,其本质是通过数据和计算更加高效地连接供需双方,实现更精准的匹配,使有限的存量资源能发挥更大的效率。

人居环境营造与改善的基本技术体系,也将从工程设计转移到基于数据和算法的资源匹配,以及对更丰富的空间场景的综合运营。

近年来,互联网和信息技术公司强势进入城市智能化改造领域,并纷纷提出把用来存储和处理城市数据的“云”和“城市大脑”作为城市新的基础设施的观点。政府也在大力主导建设5G网络和数据中心。

这些并没有错,但我们城市更大的问题是,用来控制和感知的肢体、感官都还不健全,只有用来计算和传输数据的大脑、神经也无法建立真正的智能。

所以说,对传统基础设施进行智能化改造,并创造更多符合智慧城市现代化治理需求,尤其是用来采集数据、感知城市问题的新型城市基础设施,才是城市新基建的关键所在。

博雅智慧认为新型智能管网、城市感知网和时空数据驱动的CIM平台(城市信息模型平台),是当下智慧城市建设最急需的三大新型基础设施,也都是建立智慧城市数据底座的前提。

新型智能管网:物联化全面改造是趋势

城市基础设施是传统基建中最重要的领域。

这里说的基础设施,是城市规划里相对狭义的工程性设施概念,包括能源、给排水、通信等系统。这些设施或者说管网的核心特征就是输送城市里的各种“流”的通道。“流”分为几个层次,物质流包括水(自来水、雨水、污水、中水)、燃气、供热、垃圾,能量流主要是电网(供热燃气虽然本质上是传递能量,但实际的逻辑还是运送物质载体),信息流是广义电信网络(有线、无线、包括有线电视等)。城市基础设施投资和维护成本巨大,全国每年都是数万亿市场,且关系城市的安全高效运行,但大都又处于一个极其低效的人工管理阶段。

可以说,城市基础设施的运行逻辑,定义了城市运营和管理的基本模式和水平,但因深埋地下,往往被人忽略,造成了城市建设领域“重地上轻地下”的顽疾。

中国包括大城市在内,以供排水网络为代表的物质流管网技术水平,还停留在中世纪。既有管线位置和拓扑结构难以探测和维护;管网损耗和泄漏、污染、爆炸、灾损等风险巨大,维护成本高,第一代城市管网需要大规模改造;地下环境导致管内状态数据难以监测和传输,目前基本是借用工业仪表的思路和产品感知干管节点压力、流量、流速、水质、破损、堵塞等;数据有线传输为主,成本巨大,数据的质量、密度、频度,都难以达到自动控制的需要。

这些也导致近年来大城市重大基础设施事故频发,对市民生命财产安全造成极大威胁。价格昂贵的基础设施综合管廊,能解决一部分问题,但除个别工程条件良好且有特殊需求的路段外,要全面普及还不大可能。

今年四月,国家发改委与中国证监会联合发布了《关于推进基础设施领域不动产投资信托基金(REITs)试点相关工作的通知》。将基础设施纳入REITs试点,也意味着基础设施运营逻辑的改变:不再过度依赖财政补贴,而是通过基础设施的物联网化改造,降低运营成本,升级基础设施品质并获得相关收益。

近年来,低功耗物联网(LPWAN)、分布式光纤传感器(DFS)和微机电传感器(MEMS)的发展,使我们有可能以极低的成本,广泛部署分布式传感器,实现新的基础设施运营逻辑。

在通过CIM平台维护完整的管线拓扑结构的前提下,以大量无线小型分布式传感器和边缘计算节点将整个基础设施网络变成一套新的ICT基础设施。加上实时无线远传的末端计量仪表,配合新型管内巡线工具,理论上,可以实现一个全息的数字孪生系统。

基于人工智能建模的全网动态平衡调度算法,可以对各种设备进行毫秒级调节;对各种管道损伤和内部异常,可以精准定位和及时干预。这些数据,不但有助于管网本身的精确控制,也描述了整个城市的实时运行状态。

以笔者参与的某大型ICT企业的智能热力管道研发为例。我们选择了在地埋管道中缠绕分布式光纤传感器和埋入MEMS传感器,并引入无线供电和传输等技术,通过对传统地下管道的低成本适度改造,实现了整个地下管网全面覆盖的温、压、流和泄漏等故障以及水质的感知,可大大降低管网风险,并节约大量城市能源。

这种方式相当于在地下再造一个通讯网和传感网,大大扩展了人们对城市基础设施的把控能力。当然,类似产品的普及和替换现有设施,需要漫长的过程和强力的政企协同。但类似思路适用于整个城市建成环境和基础设施体系的全面物联化改造,是未来的必然趋势。

城市感知网:不再依赖数据尾气

除了地下管网的数据采集以外,城市地上空间运行的数据采集情况其实也并没有通常想象得那么理想。

我国有世界上最大的安防监控摄像头网络,这几套网络在不间断无缝采集几乎覆盖整个城市空间的实时视频;我们的政府掌握着号称八成以上的城市数据,覆盖各个行业,有着缜密的城市数据网格化人工采集机制;我们有世界上最大的几家互联网公司,也在通过各种产品采集用户行为、交通运行,甚至通过无人驾驶的各种传感器持续采集城市的三维形态,并越来越多地用于城市治理。

但即便如此,这些数据还是存在于一个一个的数据孤岛或者数据烟囱之中,无法互联互通;更重要的是,大多数数据结构化程度极低,无法互相融合和分析;我们平时使用的很多城市数据也不是专门为了城市治理的需求采集的,大多是各种应用系统产生的数据尾气,清洗和处理的成本很高。

随着物联网、传感器、云计算和大数据技术的广泛应用,智慧城市开始逐步实现对城市环境和时空行为更为直接和细致的全面感知、深度挖掘和综合分析能力。

全面感知会带来数据采集和传递网络两个层面广度的拓展和敏感度的提升,这就意味着智慧城市基础设施能够更加直接和深入地收集城市数据。

感知的核心对象,一方面是以人流车流、环境污染、负面事件为代表的动态需求信息,一方面是代表供给的道路和基础设施的运行情况。在此基础上,数据平台和算法才能实现动态预测和供需匹配。

包括交通和安防摄像头在内,大量的城市物联网设备都对供电和通讯有着类似的需求,但因为部门的事权分割,各种设备的安装部署缺少统筹,导致了大量的重复性建设,也造成了采集的各种数据分属不同部门,难以融合应用。

为了应对未来越来越多类型、越来越精细化的感知需求,各种城市感知设备的统筹布局成为智慧城市顶层设计的关键环节,上文提到的新型智能管网也是未来完整的城市感知网络的一部分。

对城市政府来说,这种方式最大的挑战其实是在观念上接受从环境监测、安防监测、交通监测到综合城市数据感知的转变。部门的事权分割曾经是综合城市数据感知的最大障碍,而越来越多的大数据管理局的成立则为这种共享的数据基础设施建设管理提供了可能性。

已经可以实现对城市系统的高质量感知

博雅智慧近年来持续研发的Citygrid城市数据集成传感器将是未来城市感知网的重要形态之一。我们在一个依附于智能灯杆的低成本小盒子里,集成了几十种城市传感器,并具备边缘计算和实时通讯能力,可以同时采集环境污染、气象、声音、地面积水、人车流量速度、人的行为轨迹,还可以通过人工智能识别城市事件,并具有三维感知能力为无人驾驶V2X提供路侧数据支持。该设备以密集的网格方式均布于城市,采集的数据便于集成分析和应用,打破了部门的数据壁垒,已经广泛应用于规划、城管、环保、文保、交通等领域,发挥了巨大的作用。相信未来类似的city-AIOT产品和城市感知网将在5G的带动下成为城市新的基础设施。当然,如何设计和部署这些新的基础设施,并依托其解决各种城市问题,还需要大量的研究与实践支撑。

Citygrid城市数据集成传感器

博雅智慧认为,未来城市感知网的发展趋势是:从分散监测到集成监测,从要素监测到事件监测。

随着城市数据监测站成本进一步下降以及普及率进一步上升,集成监测方式将逐渐成为城市运行数据监测的主流手段。基础设施运行数据和集成感知数据,将成为数字孪生城市和CIM平台的最重要基础数据,完整描述城市的运行状态。

随着城市数据感知网的建设,我们将能够收集到城市运行过程中的全面数据。而各种城市事件都会对某些城市数据造成扰动,结合视频数据,我们可以通过训练人工智能模型,来识别城市中发生的各种事件,从而实现事件感知,从要素监测转变为事件监测。例如,施工事件可以造成噪声和颗粒物数据的周期性变化。另一方面,我们可以以很低的成本观测街道和城市功能区的精确人流量,为商业选址运营等提供精准的数据依据,以及避免踩踏、非正常聚集等群体事件。

城市数字孪生平台:承载高频多维高精时空数据

CIM平台为城市信息模型(CIM, City Information Modeling)的概念于2013年左右由BIM领域的学者和企业提出,将BIM対建筑完整信息数字化建模,用于设计、施工、使用、维护全生命周期管理的概念扩展到城市领域,指以城市数据信息为基础建立的,能够实时储存并调用城市全生命周期信息的三维城市空间模型。完整的CIM平台投入使用意味着城市现状数字孪生的实现,也是城市数字孪生后续阶段的基础。

在空间范围和技术基础上,CIM的建设是“大场景的GIS数据+小场景的BIM数据+物联网”的有机结合。已有的BIM技术对城市中各个建筑可以做到构件尺度的数字孪生,从而将建筑物的信息数字化。GIS技术则能够对城市尺度上的地形地貌、土地利用等宏观空间环境特征和人群特征、信息资金流动等城市中无形的社会经济活动信息进行结构化、历时性的储存。而物联网技术通过城市传感器的广泛布设,一方面可以对BIM中建筑物的运营数据进行补充,更重要的是对交通流、大气水文等城市开放空间中的微观环境变化进行实时感知和收集。BIM与GIS在空间范围上互补,数据结构上共通,每栋建筑可以看作GIS中的一个地物,每一根管道、路灯等城市基础设施也可看作BIM的一个构件。在此基础上嵌入物联网数据,又大大提升了数据空间和时间粒度的细化程度,实现对城市空间精细、全面、动态、实时的数字化。

在全面收集数据的基础上,CIM通过统一的数据平台将各领域不同维度的数据进行结构化、标准化整合。

一方面实现城市级数据的可计算,对任意空间范围内的建筑面积、容积率等空间指标和人口密度、车辆密度甚至用水用电量等社会经济指标进行统计分析,并可通过机器学习和仿真模拟挖掘规律、进行预测。

另一方面通过空间信息可视化的技术,使得城市数据能够与其空间位置实时对应,一目了然,便于运维和管理人员的迅速感知和决策。

此外,CIM平台还具有开放性,经授权后可以向政府、企业和学界提供数据接口,成为城市级应用开发的“土地供给”,使得数据能够产生更大的社会和经济价值。

CIM平台并非GIS和BIM的简单结合,而是在无缝衔接各尺度空间数据。CIM平台在实现三维空间的精确描述之外,更注重来自物联网的海量实时大数据的接入和计算,并具备完备的时空流的描述和计算能力。

随着5G和物联网技术的普及,多维、高频、高精度的时空大数据场景越来越丰富。

考虑到这种趋势,在软件层面,目前我们还并没有一个真正意义上的CIM产品。市面上的GIS和BIM厂商,很多都基于自己的产品延伸扩展,同时具备了GIS和BIM的部分能力。

但这些产品除了满足住建系统规、建、管等传统三维空间数据需求以外,对智慧城市更全面的需求都不能很好满足。

产品架构都存在天然的缺陷,需要进行底层的重构而非简单的功能完善。即便是行业瞩目的雄安CIM平台和目前的几个国家CIM平台试点,也都还远未成熟。

目前,已经有一些技术厂商认识到全新CIM架构的价值,并已经采用“时空数据库+时空数据引擎+时空网格体系”等技术体系构建全新的CIM系统,正在取代传统GIS和BIM成为城市中台的核心部分,真正成为这一新的城市基础设施。笔者团队参与研发的SpaceojoCIM平台就是其中最为典型的产品。

依托SpaceojoCIM平台开发的城市领导驾驶舱产品(笔者团队)

结语:

作为未来城市数据的最大高频流量入口之一,新型智能管网和城市感知网是5G网络的最大流量来源,也是训练人工智能城市模型算法的数据基础。而承载了这些数据的CIM平台则会是城市数据中心需求的主体。

三者共同构成整个城市“新基建”中最为基础的几个领域,也是具有最大市场空间的方向。

与互联网行业来自于用户、工业互联网领域来自机器的数据不同,城市的数据需要专业的基础设施体系去采集、会聚和处理。这样才能通过人工智能去发挥各种政府治理和商业应用的价值。

因此,在智慧城市领域,5G、IDC和人工智能只是“新基建”的表层,需要大大拓展“新基建”的视野,加大对新型智能管网、城市感知网和时空数据驱动的CIM平台几个方向的研究投入,跳出简单集成的信息化窠臼,实现城市面向智能化和智慧化未来的转型。

在“新基建”领域,希望不会重演“重地上轻地下”的遗憾。

王鹏,博雅智慧合伙人、副总裁,北京大数据研究院智慧城市实验室主任,教授级高级城市规划师。


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