城市設(shè)計(jì)視角下數(shù)字化工具在智慧城市中的應(yīng)用研究

文／苑皓銘 青島理工大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院 碩士研究生（通訊作者）

楊仕尚 青島理工大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院 碩士研究生

1 概述

今天的中國(guó)城市，正在疾步躍進(jìn)智慧時(shí)代。我國(guó)智慧城市的建設(shè)，得到了政府、企業(yè)、社會(huì)等多方面力量的參與。智慧城市的本質(zhì)是利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)將已建成的真實(shí)城市物理環(huán)境與數(shù)字系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代城市的科學(xué)化管理與智慧化運(yùn)行，促進(jìn)城市的高速發(fā)展。因此，智慧城市的建設(shè)需要多個(gè)子系統(tǒng)的相互配合及支持[1]，離不開(kāi)以數(shù)字化工具為引擎的物理基礎(chǔ)、計(jì)算基礎(chǔ)、關(guān)系基礎(chǔ)、社會(huì)基礎(chǔ)、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的支撐，每一個(gè)基礎(chǔ)的發(fā)展，都會(huì)促進(jìn)整個(gè)城市系統(tǒng)的進(jìn)步。

2 基于數(shù)字化的智慧城市基礎(chǔ)構(gòu)成

對(duì)城市進(jìn)行數(shù)字化是智慧城市建設(shè)的前提，因而數(shù)字城市可以看作是智慧城市建設(shè)的物理基礎(chǔ)；城市信息模型（CIM）作為模擬智慧城市運(yùn)行的載體，構(gòu)成智慧城市的計(jì)算基礎(chǔ)；第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）作為關(guān)系基礎(chǔ)能夠?yàn)楦鞣N信息的傳遞提供可能性；人工智能（AI）作為快速處理各種信息的社會(huì)基礎(chǔ)，成為管理智慧城市的得力助手；中國(guó)人民銀行電子貨幣（DCEP）的研究與發(fā)展將進(jìn)一步促進(jìn)城市的良性運(yùn)轉(zhuǎn)，成為智慧城市不可或缺的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。

2.1 物理基礎(chǔ)——數(shù)字城市

數(shù)字城市利用傳統(tǒng)電子信息技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)真實(shí)城市的數(shù)字化，將城市信息儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)上。數(shù)字城市的建設(shè)為實(shí)現(xiàn)城市信息共享和互聯(lián)提供了基礎(chǔ)[2]。而智慧城市在使用傳統(tǒng)電子信息技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)為支撐，依靠數(shù)據(jù)中心、泛在網(wǎng)絡(luò)等設(shè)施為物理引擎，逐步實(shí)現(xiàn)城市的“感知化”“互聯(lián)化”和“智能化”。一般來(lái)講，智慧城市被認(rèn)為是依托數(shù)字城市對(duì)城市信息的數(shù)字化和無(wú)線(xiàn)城市對(duì)城市信息的網(wǎng)絡(luò)化所建設(shè)的城市發(fā)展第三階段，即依托前兩階段實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧應(yīng)用的展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)城市建設(shè)的智能化。

從目前的發(fā)展來(lái)看，數(shù)字城市只是簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)城市在網(wǎng)絡(luò)信息中的虛擬，而未真正地實(shí)現(xiàn)人和城市的感知與互動(dòng)。而智慧城市建設(shè)的目標(biāo)，就是要以數(shù)字城市為依托，充分運(yùn)用新一代數(shù)字化工具，實(shí)現(xiàn)人與城市、機(jī)器的高效互聯(lián)，提升城市的服務(wù)質(zhì)量。此外，數(shù)字城市只是整合了各行業(yè)之內(nèi)的信息，依托互聯(lián)網(wǎng)形成業(yè)務(wù)的初步協(xié)同以促進(jìn)社會(huì)生產(chǎn)率，并未達(dá)到城市級(jí)之間的信息融合。而智慧城市在城市信息數(shù)字化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)城市的全面感知，依托各種泛在網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)技術(shù)的支持，促進(jìn)市場(chǎng)、社會(huì)等各方面力量的支持，從而沖破行業(yè)界限，實(shí)現(xiàn)各行業(yè)之間的協(xié)同發(fā)展，建設(shè)更加開(kāi)放、完善的城市信息化基礎(chǔ)，促進(jìn)信息對(duì)城市發(fā)展的服務(wù)能力。

我們認(rèn)為，數(shù)字城市是智慧城市的物理基礎(chǔ)。智慧城市就是在數(shù)字城市這一基礎(chǔ)之上，通過(guò)利用各種信息技術(shù)感知城市生活中各個(gè)參與者的動(dòng)態(tài)，傳遞給數(shù)字城市這一具備超級(jí)計(jì)算能力的物理基礎(chǔ)，然后借助云計(jì)算等新興技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)萬(wàn)物互聯(lián)的整合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)城市資源的有效整合。通過(guò)智慧城市，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字城市的深度利用[3]。

2.2 計(jì)算基礎(chǔ)——CIM

CIM 由地理信息系統(tǒng)（GIS）、建筑信息模型（BIM）和物聯(lián)網(wǎng)（LOT）三部分組成。BIM是單個(gè)或一組建筑的信息管理者，而CIM 作為更高一級(jí)的信息承載者，能夠?qū)崿F(xiàn)城市海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。伴隨著多學(xué)科的融合，CIM 也逐漸與云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市資源的深度計(jì)算。

GIS 作為城市的“4D”模型能夠以時(shí)間為軸線(xiàn)記錄城市的演變過(guò)程，指導(dǎo)城市的可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市發(fā)展的有效管理和科學(xué)規(guī)劃；同時(shí)，作為各種數(shù)據(jù)的承載基礎(chǔ)，將各個(gè)資源庫(kù)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理與表達(dá)，實(shí)現(xiàn)“多圖合一”；此外，作為真實(shí)空間位置點(diǎn)的“記錄儀”，GIS在位置引導(dǎo)、位置關(guān)系計(jì)算、路徑分析等與大眾生活息息相關(guān)的服務(wù)中發(fā)揮著不可或缺的作用。BIM 作為儲(chǔ)存建筑數(shù)據(jù)的基本單元，是CIM 最為直接的基礎(chǔ)組成，通過(guò)與GIS 這一宏觀(guān)層面數(shù)據(jù)平臺(tái)的聯(lián)合，將進(jìn)一步推動(dòng)智慧城市的建設(shè)。例如，由Autodesk 開(kāi)發(fā)的Infraworks 就實(shí)現(xiàn)了GIS與BIM的合作，GIS實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目的規(guī)劃、審批、運(yùn)營(yíng)等服務(wù)，BIM 完成對(duì)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建造、施工等管理。LOT 作為一個(gè)開(kāi)放的平臺(tái)，容納所有的數(shù)據(jù)并呈現(xiàn)各單元的實(shí)時(shí)狀態(tài)，離不開(kāi)設(shè)備與設(shè)備之間的信息融合與交換，而這一目的的實(shí)現(xiàn)，首先需要將各種設(shè)備與建筑實(shí)體相連接，然后借助移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)進(jìn)行信息傳遞，最終實(shí)現(xiàn)LOT 與BIM 的深度融合。

在CIM 這一計(jì)算基礎(chǔ)平臺(tái)之上，可以定義城市與建筑的空間關(guān)系，感知城市的多源數(shù)據(jù)并進(jìn)行共享，從而實(shí)現(xiàn)智慧城市的可視化；同時(shí)，CIM 作為城市運(yùn)維的支撐系統(tǒng)，能夠清楚地表達(dá)城市的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，加快城市的反應(yīng)能力。

2.3 關(guān)系基礎(chǔ)——5G

5G 是目前為止最新一代的蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，具有高傳輸速率、低延遲、高容量、多設(shè)備連接的特點(diǎn)[4]。智慧城市的建設(shè)及運(yùn)行，需要大量設(shè)備之間信息的快速交換以實(shí)現(xiàn)資源的有效整合及分配，從而提高城市的管理及服務(wù)水平。從信息技術(shù)的角度來(lái)看，4G 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足諸多領(lǐng)域的需求，而5G 的出現(xiàn)，在無(wú)人駕駛、電視直播、手術(shù)會(huì)診、能源管控等方面展現(xiàn)出信息傳遞的可靠性和實(shí)時(shí)性。

5G 在智慧交通建設(shè)中具有重要的作用。智慧城市的道路系統(tǒng)中，交通的調(diào)控將更加高效合理，這一目的的實(shí)現(xiàn)，離不開(kāi)全方位大面積的道路信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而這些密集的傳感器，需要可靠、穩(wěn)定、高效的連接，目前來(lái)看，5G 使得這一目標(biāo)成為可能。其次，5G 能夠滿(mǎn)足車(chē)輛信息、公交運(yùn)營(yíng)、出租錄像錄音等數(shù)據(jù)的傳輸要求，縮短監(jiān)控視頻的回傳時(shí)間，提升交通運(yùn)營(yíng)的管理水平。最后，5G 技術(shù)下的多數(shù)據(jù)在線(xiàn)傳輸，為無(wú)人駕駛、車(chē)路協(xié)同等交互式場(chǎng)景提供了更多的可能性，從而驅(qū)動(dòng)交通行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

5G也將在智慧能源的建設(shè)中發(fā)揮重要作用。以智慧電網(wǎng)為例：首先，5G 將更好地檢測(cè)電網(wǎng)的能源消耗，預(yù)測(cè)未來(lái)的使用需求，節(jié)省停電檢修的時(shí)間，提高輸送及使用效率，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶(hù)的互動(dòng)；其次，5G 將對(duì)饋線(xiàn)自動(dòng)化的發(fā)展產(chǎn)生推動(dòng)，而這也將進(jìn)一步促進(jìn)多種能源電網(wǎng)的合并，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常信息的及時(shí)感知，達(dá)到精準(zhǔn)快速的電網(wǎng)控制。

5G 還將在智慧安防建設(shè)中發(fā)揮重要作用。目前，攝像技術(shù)正在向4K 分辨率監(jiān)控的方向發(fā)展，高幀率、超高清的攝像技術(shù)，會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)流量，而5G 的出現(xiàn)，與AI 及云儲(chǔ)存的融合，將會(huì)在滿(mǎn)足基本監(jiān)控的基礎(chǔ)上提供高清的實(shí)時(shí)信息，甚至在公安系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)針對(duì)罪犯追蹤的面部識(shí)別。此外，通過(guò)5G 與無(wú)線(xiàn)傳感器的廣泛連接進(jìn)行自然災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的部署，能夠在龍卷風(fēng)、地震、洪災(zāi)等自然災(zāi)害事件中及時(shí)進(jìn)行預(yù)測(cè)及信息傳遞，減少由此帶來(lái)的人員傷亡或經(jīng)濟(jì)損失。

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，為全行業(yè)的數(shù)字化融合提供可能。而5G 的出現(xiàn)，還將在其他諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，在智能制造、智慧醫(yī)療、智慧家居、個(gè)人AI 輔助等方面整合以往難以解決的問(wèn)題，促進(jìn)各行業(yè)之間信息的快速交流。因此我們認(rèn)為，5G 是智慧城市建設(shè)的關(guān)系基礎(chǔ)。5G 作為全新的跨時(shí)代技術(shù)，在智慧城市的建設(shè)中將成為城市、機(jī)器、人的連接體，為萬(wàn)物互聯(lián)提供可能，從而支撐更多業(yè)務(wù)的發(fā)展，有效促進(jìn)智慧城市的建設(shè)[5]。

2.4 社會(huì)基礎(chǔ)——AI

從2019 年起，AI 的不斷發(fā)展正逐漸刷新人們對(duì)于科技的認(rèn)知，初級(jí)的AI 產(chǎn)品（如天貓精靈、小愛(ài)同學(xué)等）已經(jīng)走進(jìn)我們的日常工作與生活中，而對(duì)于整個(gè)智慧城市的建設(shè)來(lái)說(shuō)，AI 的重要性將不僅局限于智能產(chǎn)品的研發(fā)，其將根據(jù)需要結(jié)合各類(lèi)現(xiàn)代技術(shù)成為智慧城市的又一基礎(chǔ)。目前AI在教育、金融等領(lǐng)域均有所實(shí)踐，未來(lái)智慧城市中，AI 將依靠強(qiáng)大的“學(xué)習(xí)辨識(shí)”能力，從源源不斷的城市海量數(shù)據(jù)中汲取知識(shí)，實(shí)現(xiàn)不斷地演進(jìn)與發(fā)展。

AI 首先在物流中發(fā)揮出重要的作用。電商的快速發(fā)展需要物流行業(yè)提供線(xiàn)下的支持。隨著AI技術(shù)在物流行業(yè)中的應(yīng)用逐漸增多，在貨物分揀、配送等多個(gè)方面為工作人員帶來(lái)極大的幫助。AI在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用也逐漸變得廣泛，在幫助人們解決氣候變化、生物多樣性、水資源及農(nóng)業(yè)問(wèn)題等方面起到重要的作用。我國(guó)北京市環(huán)保局與IBM 于2014 年合作推出的“綠色地平線(xiàn)”項(xiàng)目，就是以AI 為基礎(chǔ)依托，計(jì)算分析氣象衛(wèi)星及空間監(jiān)測(cè)站傳來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提供高精度的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)。同時(shí)，憑借AI 的學(xué)習(xí)能力，對(duì)比分析預(yù)測(cè)與真實(shí)環(huán)境狀況的差異，以期提供更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

除此之外，AI 還在語(yǔ)言和圖像理解、智能搜索、自動(dòng)規(guī)劃、遺傳編程、博弈等方面展現(xiàn)出超強(qiáng)的思維能力，因此我們認(rèn)為，AI 是智慧城市建設(shè)的社會(huì)基礎(chǔ)。正是因?yàn)锳I 超強(qiáng)的計(jì)算能力和學(xué)習(xí)能力，才會(huì)在與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)結(jié)合的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步促進(jìn)城市高效快速的發(fā)展。

2.5 經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)——DCEP

數(shù)字貨幣是基于部分環(huán)節(jié)采用區(qū)塊鏈所形成的全新系統(tǒng)架構(gòu)，它的出現(xiàn)及使用將會(huì)改變貨幣的供給和管理方式。DCEP 是中國(guó)人民銀行正在研究中的法定數(shù)字貨幣，與人們?nèi)粘Ｉ钪兴褂玫募垘偶坝矌乓粯泳哂袊?guó)家信用，是“數(shù)字化形態(tài)的”的法定貨幣。

DCEP 支付的優(yōu)勢(shì)是無(wú)須建立賬戶(hù)就可以實(shí)現(xiàn)價(jià)值轉(zhuǎn)移。目前已經(jīng)被人們廣泛使用的支付寶及微信支付僅僅是一種使用方式的轉(zhuǎn)變，其前提是需要綁定一個(gè)銀行賬戶(hù)來(lái)進(jìn)行交易。雖然二者都有余額錢(qián)包的存在，但前提是進(jìn)行銀行卡綁定完成實(shí)名認(rèn)證，且支付寶或微信支付的使用，受到大量公司及機(jī)關(guān)單位的限制，甚至?xí)獾揭恍〢pp 的禁用。而DCEP 的流通將不受銀行品牌和公司的限制，只要在可以進(jìn)行傳統(tǒng)貨幣交易的場(chǎng)所，都可以使用DCEP進(jìn)行交易，實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙支付。

DCEP與傳統(tǒng)貨幣相比，還有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，DCEP 支持“雙離線(xiàn)支付”，即不受手機(jī)信號(hào)影響，只要有電就可以完成交易；且因?yàn)槿∠恕罢伊恪边@一環(huán)節(jié)，DCEP 的使用將會(huì)比紙鈔更加便捷。其次，DCEP 的使用，將不再依賴(lài)大量銀行的實(shí)體店和人工服務(wù)，減少人們對(duì)于紙幣的兌換，方便人們對(duì)貨幣的攜帶，進(jìn)一步提升安全性與便利性，節(jié)約大量的人力及物力成本。最后，資金的可追溯性、多終端的選擇性等優(yōu)點(diǎn)將在反腐、反洗錢(qián)、精準(zhǔn)扶貧等方面為政府提供強(qiáng)有力的管控能力。

由于數(shù)字貨幣所擁有的種種屬性，DCEP 的發(fā)展也將是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。2020 年8 月14 日，商務(wù)部網(wǎng)站刊發(fā)的《商務(wù)部關(guān)于印發(fā)全面深化服務(wù)貿(mào)易創(chuàng)新發(fā)展試點(diǎn)總體方案的通知》中指出京津冀、長(zhǎng)三角、粵港澳大灣區(qū)及中西部具備試點(diǎn)的地區(qū)將開(kāi)展數(shù)字人民幣試點(diǎn)，為DCEP 的全面深化試點(diǎn)及推廣奠定了基礎(chǔ)[6]。DCEP 未來(lái)的使用也將逐步與傳統(tǒng)貨幣之間相互配合、相互發(fā)展。

我們相信，在不遠(yuǎn)的未來(lái)，DCEP 將作為智慧城市的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，在消費(fèi)過(guò)程、財(cái)富管理、金融政策等方面對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生積極的影響，同時(shí)在貨幣監(jiān)管、打擊犯罪等方面提高政府的管控能力。數(shù)字貨幣作為未來(lái)貨幣發(fā)展的重要趨勢(shì)，將促進(jìn)政治、經(jīng)濟(jì)、文化等領(lǐng)域的良性發(fā)展，推動(dòng)一系列智慧場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)，對(duì)智慧城市的建設(shè)與深化產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。

結(jié)語(yǔ)

以大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能為代表的新一代科學(xué)技術(shù)正在帶動(dòng)新一輪的科技和產(chǎn)業(yè)革命，由此帶來(lái)的數(shù)字孿生、共享經(jīng)濟(jì)等理念也逐步得到人們的關(guān)注。智慧城市的建設(shè)，首先會(huì)在數(shù)字城市這一物理基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物感知；其次依托計(jì)算基礎(chǔ)與關(guān)系基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)，最后將借助社會(huì)基礎(chǔ)、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)等實(shí)現(xiàn)人與城市互動(dòng)的美好愿景。2020 年新冠疫情的防控足以讓我們了解到發(fā)展新技術(shù)的必要性，借助物理基礎(chǔ)和計(jì)算基礎(chǔ)具備更強(qiáng)的計(jì)算能力，借助經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)促進(jìn)智慧城市的深度應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)智慧城市感知、互聯(lián)、智能的建設(shè)目標(biāo)。

城市設(shè)計(jì)視角下的研究更加清楚地展示了數(shù)字化工具對(duì)于智慧城市建設(shè)的重要作用，提出基于數(shù)字化工具的智慧城市建設(shè)五大基礎(chǔ)。由于文章主要針對(duì)數(shù)字化工具的運(yùn)用，因而對(duì)全方位智慧城市建設(shè)基礎(chǔ)的深入研究亟待展開(kāi)；由于電子信息科技受到外國(guó)的保密，文章主要圍繞數(shù)字化工具在我國(guó)智慧城市建設(shè)中的現(xiàn)狀展開(kāi)，需要結(jié)合國(guó)際環(huán)境進(jìn)行深化。

智慧城市的建設(shè)和發(fā)展給人們帶來(lái)了很多便利，隨著城市管理水平的提升，城市各方面的協(xié)同能力也會(huì)越來(lái)越完善，人們對(duì)于城市服務(wù)的要求也會(huì)越來(lái)越高，而這些都將進(jìn)一步促進(jìn)城市的建設(shè)和發(fā)展。智慧城市是未來(lái)城市的發(fā)展趨勢(shì)，只有更好地認(rèn)識(shí)智慧城市的各個(gè)基礎(chǔ)構(gòu)成，讓數(shù)字化工具及其技術(shù)為智慧城市系統(tǒng)提供更多進(jìn)步的可能性，才能讓城市和人們的生活更加美好。