王鵬:被忽視的城市新基建

2020年07月06日11:43  來源:中國大數據產業觀察網
 

國家發改委相關負責人表示,初步研究認為,新型基礎設施是以新發展理念為引領,以技術創新為驅動,以信息網絡為基礎,面向高質量發展需要,提供數字轉型、智能升級、融合創新等服務的基礎設施體系。

目前來看,新型基礎設施主要包括3個方面內容:

一是信息基礎設施。主要是指基於新一代信息技術演化生成的基礎設施,比如,以5G、物聯網、工業互聯網、衛星互聯網為代表的通信網絡基礎設施,以人工智能、雲計算、區塊鏈等為代表的新技術基礎設施,以數據中心、智能計算中心為代表的算力基礎設施等。

二是融合基礎設施。主要是指深度應用互聯網、大數據、人工智能等技術,支撐傳統基礎設施轉型升級,進而形成的融合基礎設施,比如,智能交通基礎設施、智慧能源基礎設施等。

三是創新基礎設施。主要是指支撐科學研究、技術開發、產品研制的具有公益屬性的基礎設施,比如,重大科技基礎設施、科教基礎設施、產業技術創新基礎設施等。

雖然這三大新型基礎設施的確是符合技術和產業發展方向的重要基礎領域,但除了融合基礎設施中屬於交通和能源范疇的幾個應用領域外,其他真正看似基礎的幾個方向:5G、數據中心、人工智能、數據中心,大都集中在數據的傳輸、存儲和應用層面。

作為北京大數據研究院平台公司,博雅智慧深耕於傳統基礎設施的數字化轉型,即疫情后達成廣泛共識的“新基建”。在多年的數據運營與基礎設施數字化轉型的項目積累基礎上,筆者團隊認為,數據固然是新經濟的血液,但這些“新基建”之下,數據又是從何而來?許多更為基礎的領域是否被忽略了?

建立智慧城市數據底座需三大設施

改革開放40年來,中國經歷迄今為止世界歷史上規模最大、速度最快的城鎮化進程:截止2018年,我國城鎮化率為59.28%,預計到2030年,這一數字將高達70%。隨著大量的人口快速向城市轉移,特別是城市急劇擴張與工業化的快速發展,產生了許多社會與環境問題,並增大了政府管理的壓力。在大量“城市病”問題面前,ICT技術的發展為精細化的城市治理指出了具有可操作性的解決方案,開辟了重新認識城市、管理城市和發展城市的新視角,數字城市和智慧城市也應運而生。

新一輪城市革命,也就是智慧城市的變革,將由新型基礎設施支撐,實現城市數字化、網絡化和智能化發展,推動城市運營和治理的精細化、現代化。

3月31日下午,習近平總書記在杭州城市大腦運營指揮中心觀看“數字杭州”建設情況說到,城市大腦是建設“數字杭州”的重要舉措。通過大數據、雲計算、人工智能等手段推進城市治理現代化,大城市也可以更“聰明”。從信息化到智能化再到智慧化,是建設智慧城市的必由之路,前景廣闊。

城市本質是一種“通過基礎設施和公共服務的集中供給,在空間、環境、能源等有限資源條件下實現生產效率和居民幸福感提升的復雜功能網絡平台。”

我們解決的所有城市問題幾乎都可以歸結為一個共同的痛點:解決有限的基礎設施和服務能力與高速增長的需求之間的矛盾。

交通擁堵、內澇、能源短缺、環境污染等體現了基礎設施的動態服務能力和效率不足,住房供給、房價、教育醫療等公共設施問題體現了住房和公共服務的布局、供給量與服務水平不足。

在工業時代,我們是通過發明和生產更多的產品,創造更多的城市空間來滿足需求的增長。但資源是有限的,我們不可能永遠維持這種增長。

智慧城市並不只是我們平時看到的政府信息化,其本質是通過數據和計算更加高效地連接供需雙方,實現更精准的匹配,使有限的存量資源能發揮更大的效率。

人居環境營造與改善的基本技術體系,也將從工程設計轉移到基於數據和算法的資源匹配,以及對更豐富的空間場景的綜合運營。

近年來,互聯網和信息技術公司強勢進入城市智能化改造領域,並紛紛提出把用來存儲和處理城市數據的“雲”和“城市大腦”作為城市新的基礎設施的觀點。政府也在大力主導建設5G網絡和數據中心。

這些並沒有錯,但我們城市更大的問題是,用來控制和感知的肢體、感官都還不健全,隻有用來計算和傳輸數據的大腦、神經也無法建立真正的智能。

所以說,對傳統基礎設施進行智能化改造,並創造更多符合智慧城市現代化治理需求,尤其是用來採集數據、感知城市問題的新型城市基礎設施,才是城市新基建的關鍵所在。

博雅智慧認為新型智能管網、城市感知網和時空數據驅動的CIM平台(城市信息模型平台),是當下智慧城市建設最急需的三大新型基礎設施,也都是建立智慧城市數據底座的前提。

新型智能管網:物聯化全面改造是趨勢

城市基礎設施是傳統基建中最重要的領域。

這裡說的基礎設施,是城市規劃裡相對狹義的工程性設施概念,包括能源、給排水、通信等系統。這些設施或者說管網的核心特征就是輸送城市裡的各種“流”的通道。“流”分為幾個層次,物質流包括水(自來水、雨水、污水、中水)、燃氣、供熱、垃圾,能量流主要是電網(供熱燃氣雖然本質上是傳遞能量,但實際的邏輯還是運送物質載體),信息流是廣義電信網絡(有線、無線、包括有線電視等)。城市基礎設施投資和維護成本巨大,全國每年都是數萬億市場,且關系城市的安全高效運行,但大都又處於一個極其低效的人工管理階段。

可以說,城市基礎設施的運行邏輯,定義了城市運營和管理的基本模式和水平,但因深埋地下,往往被人忽略,造成了城市建設領域“重地上輕地下”的頑疾。

中國包括大城市在內,以供排水網絡為代表的物質流管網技術水平,還停留在中世紀。既有管線位置和拓扑結構難以探測和維護﹔管網損耗和泄漏、污染、爆炸、災損等風險巨大,維護成本高,第一代城市管網需要大規模改造﹔地下環境導致管內狀態數據難以監測和傳輸,目前基本是借用工業儀表的思路和產品感知干管節點壓力、流量、流速、水質、破損、堵塞等﹔數據有線傳輸為主,成本巨大,數據的質量、密度、頻度,都難以達到自動控制的需要。

這些也導致近年來大城市重大基礎設施事故頻發,對市民生命財產安全造成極大威脅。價格昂貴的基礎設施綜合管廊,能解決一部分問題,但除個別工程條件良好且有特殊需求的路段外,要全面普及還不大可能。

今年四月,國家發改委與中國証監會聯合發布了《關於推進基礎設施領域不動產投資信托基金(REITs)試點相關工作的通知》。將基礎設施納入REITs試點,也意味著基礎設施運營邏輯的改變:不再過度依賴財政補貼,而是通過基礎設施的物聯網化改造,降低運營成本,升級基礎設施品質並獲得相關收益。

近年來,低功耗物聯網(LPWAN)、分布式光纖傳感器(DFS)和微機電傳感器(MEMS)的發展,使我們有可能以極低的成本,廣泛部署分布式傳感器,實現新的基礎設施運營邏輯。

在通過CIM平台維護完整的管線拓扑結構的前提下,以大量無線小型分布式傳感器和邊緣計算節點將整個基礎設施網絡變成一套新的ICT基礎設施。加上實時無線遠傳的末端計量儀表,配合新型管內巡線工具,理論上,可以實現一個全息的數字孿生系統。

基於人工智能建模的全網動態平衡調度算法,可以對各種設備進行毫秒級調節﹔對各種管道損傷和內部異常,可以精准定位和及時干預。這些數據,不但有助於管網本身的精確控制,也描述了整個城市的實時運行狀態。

以筆者參與的某大型ICT企業的智能熱力管道研發為例。我們選擇了在地埋管道中纏繞分布式光纖傳感器和埋入MEMS傳感器,並引入無線供電和傳輸等技術,通過對傳統地下管道的低成本適度改造,實現了整個地下管網全面覆蓋的溫、壓、流和泄漏等故障以及水質的感知,可大大降低管網風險,並節約大量城市能源。

這種方式相當於在地下再造一個通訊網和傳感網,大大擴展了人們對城市基礎設施的把控能力。當然,類似產品的普及和替換現有設施,需要漫長的過程和強力的政企協同。但類似思路適用於整個城市建成環境和基礎設施體系的全面物聯化改造,是未來的必然趨勢。

城市感知網:不再依賴數據尾氣

除了地下管網的數據採集以外,城市地上空間運行的數據採集情況其實也並沒有通常想象得那麼理想。

我國有世界上最大的安防監控攝像頭網絡,這幾套網絡在不間斷無縫採集幾乎覆蓋整個城市空間的實時視頻﹔我們的政府掌握著號稱八成以上的城市數據,覆蓋各個行業,有著縝密的城市數據網格化人工採集機制﹔我們有世界上最大的幾家互聯網公司,也在通過各種產品採集用戶行為、交通運行,甚至通過無人駕駛的各種傳感器持續採集城市的三維形態,並越來越多地用於城市治理。

但即便如此,這些數據還是存在於一個一個的數據孤島或者數據煙囪之中,無法互聯互通﹔更重要的是,大多數數據結構化程度極低,無法互相融合和分析﹔我們平時使用的很多城市數據也不是專門為了城市治理的需求採集的,大多是各種應用系統產生的數據尾氣,清洗和處理的成本很高。

隨著物聯網、傳感器、雲計算和大數據技術的廣泛應用,智慧城市開始逐步實現對城市環境和時空行為更為直接和細致的全面感知、深度挖掘和綜合分析能力。

全面感知會帶來數據採集和傳遞網絡兩個層面廣度的拓展和敏感度的提升,這就意味著智慧城市基礎設施能夠更加直接和深入地收集城市數據。

感知的核心對象,一方面是以人流車流、環境污染、負面事件為代表的動態需求信息,一方面是代表供給的道路和基礎設施的運行情況。在此基礎上,數據平台和算法才能實現動態預測和供需匹配。

包括交通和安防攝像頭在內,大量的城市物聯網設備都對供電和通訊有著類似的需求,但因為部門的事權分割,各種設備的安裝部署缺少統籌,導致了大量的重復性建設,也造成了採集的各種數據分屬不同部門,難以融合應用。

為了應對未來越來越多類型、越來越精細化的感知需求,各種城市感知設備的統籌布局成為智慧城市頂層設計的關鍵環節,上文提到的新型智能管網也是未來完整的城市感知網絡的一部分。

對城市政府來說,這種方式最大的挑戰其實是在觀念上接受從環境監測、安防監測、交通監測到綜合城市數據感知的轉變。部門的事權分割曾經是綜合城市數據感知的最大障礙,而越來越多的大數據管理局的成立則為這種共享的數據基礎設施建設管理提供了可能性。

▲已經可以實現對城市系統的高質量感知

博雅智慧近年來持續研發的Citygrid城市數據集成傳感器將是未來城市感知網的重要形態之一。我們在一個依附於智能燈杆的低成本小盒子裡,集成了幾十種城市傳感器,並具備邊緣計算和實時通訊能力,可以同時採集環境污染、氣象、聲音、地面積水、人車流量速度、人的行為軌跡,還可以通過人工智能識別城市事件,並具有三維感知能力為無人駕駛V2X提供路側數據支持。該設備以密集的網格方式均布於城市,採集的數據便於集成分析和應用,打破了部門的數據壁壘,已經廣泛應用於規劃、城管、環保、文保、交通等領域,發揮了巨大的作用。相信未來類似的city-AIOT產品和城市感知網將在5G的帶動下成為城市新的基礎設施。當然,如何設計和部署這些新的基礎設施,並依托其解決各種城市問題,還需要大量的研究與實踐支撐。

博雅智慧認為,未來城市感知網的發展趨勢是:從分散監測到集成監測,從要素監測到事件監測。

隨著城市數據監測站成本進一步下降以及普及率進一步上升,集成監測方式將逐漸成為城市運行數據監測的主流手段。基礎設施運行數據和集成感知數據,將成為數字孿生城市和CIM平台的最重要基礎數據,完整描述城市的運行狀態。

隨著城市數據感知網的建設,我們將能夠收集到城市運行過程中的全面數據。而各種城市事件都會對某些城市數據造成擾動,結合視頻數據,我們可以通過訓練人工智能模型,來識別城市中發生的各種事件,從而實現事件感知,從要素監測轉變為事件監測。例如,施工事件可以造成噪聲和顆粒物數據的周期性變化。另一方面,我們可以以很低的成本觀測街道和城市功能區的精確人流量,為商業選址運營等提供精准的數據依據,以及避免踩踏、非正常聚集等群體事件。

城市數字孿生平台:承載高頻多維高精時空數據

CIM平台為城市信息模型(CIM, City Information Modeling)的概念於2013年左右由BIM領域的學者和企業提出,將BIM対建筑完整信息數字化建模,用於設計、施工、使用、維護全生命周期管理的概念擴展到城市領域,指以城市數據信息為基礎建立的,能夠實時儲存並調用城市全生命周期信息的三維城市空間模型。完整的CIM平台投入使用意味著城市現狀數字孿生的實現,也是城市數字孿生后續階段的基礎。

在空間范圍和技術基礎上,CIM的建設是“大場景的GIS數據+小場景的BIM數據+物聯網”的有機結合。已有的BIM技術對城市中各個建筑可以做到構件尺度的數字孿生,從而將建筑物的信息數字化。GIS技術則能夠對城市尺度上的地形地貌、土地利用等宏觀空間環境特征和人群特征、信息資金流動等城市中無形的社會經濟活動信息進行結構化、歷時性的儲存。而物聯網技術通過城市傳感器的廣泛布設,一方面可以對BIM中建筑物的運營數據進行補充,更重要的是對交通流、大氣水文等城市開放空間中的微觀環境變化進行實時感知和收集。BIM與GIS在空間范圍上互補,數據結構上共通,每棟建筑可以看作GIS中的一個地物,每一根管道、路燈等城市基礎設施也可看作BIM的一個構件。在此基礎上嵌入物聯網數據,又大大提升了數據空間和時間粒度的細化程度,實現對城市空間精細、全面、動態、實時的數字化。

在全面收集數據的基礎上,CIM通過統一的數據平台將各領域不同維度的數據進行結構化、標准化整合。

一方面實現城市級數據的可計算,對任意空間范圍內的建筑面積、容積率等空間指標和人口密度、車輛密度甚至用水用電量等社會經濟指標進行統計分析,並可通過機器學習和仿真模擬挖掘規律、進行預測。

另一方面通過空間信息可視化的技術,使得城市數據能夠與其空間位置實時對應,一目了然,便於運維和管理人員的迅速感知和決策。

此外,CIM平台還具有開放性,經授權后可以向政府、企業和學界提供數據接口,成為城市級應用開發的“土地供給”,使得數據能夠產生更大的社會和經濟價值。

CIM平台並非GIS和BIM的簡單結合,而是在無縫銜接各尺度空間數據。CIM平台在實現三維空間的精確描述之外,更注重來自物聯網的海量實時大數據的接入和計算,並具備完備的時空流的描述和計算能力。

隨著5G和物聯網技術的普及,多維、高頻、高精度的時空大數據場景越來越豐富。

考慮到這種趨勢,在軟件層面,目前我們還並沒有一個真正意義上的CIM產品。市面上的GIS和BIM廠商,很多都基於自己的產品延伸擴展,同時具備了GIS和BIM的部分能力。

但這些產品除了滿足住建系統規、建、管等傳統三維空間數據需求以外,對智慧城市更全面的需求都不能很好滿足。

產品架構都存在天然的缺陷,需要進行底層的重構而非簡單的功能完善。即便是行業矚目的雄安CIM平台和目前的幾個國家CIM平台試點,也都還遠未成熟。

目前,已經有一些技術廠商認識到全新CIM架構的價值,並已經採用“時空數據庫+時空數據引擎+時空網格體系”等技術體系構建全新的CIM系統,正在取代傳統GIS和BIM成為城市中台的核心部分,真正成為這一新的城市基礎設施。筆者團隊參與研發的SpaceojoCIM平台就是其中最為典型的產品。

結語:

作為未來城市數據的最大高頻流量入口之一,新型智能管網和城市感知網是5G網絡的最大流量來源,也是訓練人工智能城市模型算法的數據基礎。而承載了這些數據的CIM平台則會是城市數據中心需求的主體。

三者共同構成整個城市“新基建”中最為基礎的幾個領域,也是具有最大市場空間的方向。

與互聯網行業來自於用戶、工業互聯網領域來自機器的數據不同,城市的數據需要專業的基礎設施體系去採集、會聚和處理。這樣才能通過人工智能去發揮各種政府治理和商業應用的價值。

因此,在智慧城市領域,5G、IDC和人工智能只是“新基建”的表層,需要大大拓展“新基建”的視野,加大對新型智能管網、城市感知網和時空數據驅動的CIM平台幾個方向的研究投入,跳出簡單集成的信息化窠臼,實現城市面向智能化和智慧化未來的轉型。

在“新基建”領域,希望不會重演“重地上輕地下”的遺憾。

【作者簡介】

王鵬,博雅智慧合伙人、副總裁,北京大數據研究院智慧城市實驗室主任,教授級高級城市規劃師。(作者:王鵬)

(責編:陳晶晶、陳康清)

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