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山东省电力公司-新基建大火 但城市最基础的三个领域却可能正被忽视

2020-04-03 14:30:04 来源 :

新型智能管网、城市感知网和CIM平台,是当下智慧城市建设最急需的三大设施。

随着疫情后期国民经济的全面重启,“新基建”投资已拉开帷幕。

据央视新闻2020年3月2日报道,“新基建”指发力于科技端的基础设施建设,主要包括这几大领域:5G基建、特高压、城际高速铁路和城际轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能和工业互联网。

这几个领域,正在逐渐成为全社会对“新基建”概念的共识。

虽然这些的确是符合技术和产业发展方向的重要基础领域,但除了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、大数据中心、人工智能和工业互联网,大都集中在数据的传输、存储和应用层面。

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

随着我国城镇化率超过50%,城镇化增速下降,中国大城市陆续进入存量甚至减量发展阶段,新城新区建设愈发受到严格限制。城市发展的首要任务,也从空间增长和生产效率,转变到存量空间的持续优化和精细化运营管理上。

与此同时,信息与通信技术高速发展的时代已经到来。

如同当年城市形态和规划体系方法被下水道、汽车、高速公路、电梯深刻改变,人工智能、物联网、5G、无人驾驶等新技术,也正在以前所未有的速度,改变着整个社会和经济运行模式,并对城市发展和基础设施产生深远影响。

可以说,铁路、公路、电网等基础设施,分别支撑了以机械化、电气化和自动化为特征的历次产业革命和城市革命。

而新一轮城市革命,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。

正如习近平总书记2020年3月31日考察杭州城市大脑时提出的:“通过大数据、云计算、人工智能等手段推进城市治理现代化,大城市也可以变得更‘聪明’。从信息化到智能化再到智慧化,是建设智慧城市的必由之路,前景广阔。”

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。

笔者认为新型智能管网、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。

这里说的城市基础设施,是城市规划里相对狭义的工程性设施概念,主要包括能源、给排水、通信等系统,道路也是比较特殊的一类。

其中最广泛最大量的,是各种城市管网系统。其投资和维护成本巨大,全国每年有数万亿市场规模,且关系城市的安全高效运行,但大都处于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。

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:助力减少数据尾气

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

CIM平台:标准化整合多维度数据

继阿里推出技术中台概念之后,各大企业也都在智慧城市领域提出了类似的城市数据中台和应用中台提法,将共性技术集成整合作为城市的数字化底座和操作系统。依托海量数据(21.270,0.05,0.24%)建立全面的数字孪生模型,是智慧城市中台最核心的能力。

CIM(City Information Modeling)的概念有利于BIM(建筑信息模型)的信息数字化。也把用于设计、施工、使用、维护全生命周期管理的理念,扩展到了城市领域。是数字孪生概念在城市领域的具体体现。

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(地理信息系统)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、历时性储存。

基于物联网技术的新型智能管网和城市感知网的广泛布设,城市具备了高频、多维的时空数据采集能力。

这一方面可以对BIM中建筑物的运营数据进行补充,更重要的是对交通流、基础设施运行、大气水文等城市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都可看作BIM的一个构件。

在此基础上嵌入物联网数据,增加了对“流”、“场”等动态空间的描述和计算能力,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。

因此,在空间范围和技术逻辑上,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。

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+相数科技)

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 教授级高级城市规划师

北京大数据研究院智慧城市实验室主任

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