城市設計視角下數字化工具在智慧城市中的應用研究

文／苑皓銘 青島理工大學建筑與城鄉規劃學院 碩士研究生（通訊作者）

楊仕尚 青島理工大學建筑與城鄉規劃學院 碩士研究生

1 概述

今天的中國城市，正在疾步躍進智慧時代。我國智慧城市的建設，得到了政府、企業、社會等多方面力量的參與。智慧城市的本質是利用先進的科學技術將已建成的真實城市物理環境與數字系統相結合，實現現代城市的科學化管理與智慧化運行，促進城市的高速發展。因此，智慧城市的建設需要多個子系統的相互配合及支持[1]，離不開以數字化工具為引擎的物理基礎、計算基礎、關系基礎、社會基礎、經濟基礎的支撐，每一個基礎的發展，都會促進整個城市系統的進步。

2 基于數字化的智慧城市基礎構成

對城市進行數字化是智慧城市建設的前提，因而數字城市可以看作是智慧城市建設的物理基礎；城市信息模型（CIM）作為模擬智慧城市運行的載體，構成智慧城市的計算基礎；第五代移動通信技術（5G）作為關系基礎能夠為各種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基礎，成為管理智慧城市的得力助手；中國人民銀行電子貨幣（DCEP）的研究與發展將進一步促進城市的良性運轉，成為智慧城市不可或缺的經濟基礎。

2.1 物理基礎——數字城市

數字城市利用傳統電子信息技術來實現真實城市的數字化，將城市信息儲存于計算機上。數字城市的建設為實現城市信息共享和互聯提供了基礎[2]。而智慧城市在使用傳統電子信息技術基礎上，進一步利用物聯網、云計算等新一代信息技術為支撐，依靠數據中心、泛在網絡等設施為物理引擎，逐步實現城市的“感知化”“互聯化”和“智能化”。一般來講，智慧城市被認為是依托數字城市對城市信息的數字化和無線城市對城市信息的網絡化所建設的城市發展第三階段，即依托前兩階段實現對智慧應用的展現，實現城市建設的智能化。

從目前的發展來看，數字城市只是簡單地實現了傳統城市在網絡信息中的虛擬，而未真正地實現人和城市的感知與互動。而智慧城市建設的目標，就是要以數字城市為依托，充分運用新一代數字化工具，實現人與城市、機器的高效互聯，提升城市的服務質量。此外，數字城市只是整合了各行業之內的信息，依托互聯網形成業務的初步協同以促進社會生產率，并未達到城市級之間的信息融合。而智慧城市在城市信息數字化的基礎上，進一步實現對城市的全面感知，依托各種泛在網絡、移動技術的支持，促進市場、社會等各方面力量的支持，從而沖破行業界限，實現各行業之間的協同發展，建設更加開放、完善的城市信息化基礎，促進信息對城市發展的服務能力。

我們認為，數字城市是智慧城市的物理基礎。智慧城市就是在數字城市這一基礎之上，通過利用各種信息技術感知城市生活中各個參與者的動態，傳遞給數字城市這一具備超級計算能力的物理基礎，然后借助云計算等新興技術實現對萬物互聯的整合，從而實現對城市資源的有效整合。通過智慧城市，最終實現對數字城市的深度利用[3]。

2.2 計算基礎——CIM

CIM 由地理信息系統（GIS）、建筑信息模型（BIM）和物聯網（LOT）三部分組成。BIM是單個或一組建筑的信息管理者，而CIM 作為更高一級的信息承載者，能夠實現城市海量數據的存儲。伴隨著多學科的融合，CIM 也逐漸與云計算、物聯網等技術協同工作，實現對城市資源的深度計算。

GIS 作為城市的“4D”模型能夠以時間為軸線記錄城市的演變過程，指導城市的可持續發展，實現對城市發展的有效管理和科學規劃；同時，作為各種數據的承載基礎，將各個資源庫所采集的數據進行統一處理與表達，實現“多圖合一”；此外，作為真實空間位置點的“記錄儀”，GIS在位置引導、位置關系計算、路徑分析等與大眾生活息息相關的服務中發揮著不可或缺的作用。BIM 作為儲存建筑數據的基本單元，是CIM 最為直接的基礎組成，通過與GIS 這一宏觀層面數據平臺的聯合，將進一步推動智慧城市的建設。例如，由Autodesk 開發的Infraworks 就實現了GIS與BIM的合作，GIS實現對項目的規劃、審批、運營等服務，BIM 完成對項目的設計、建造、施工等管理。LOT 作為一個開放的平臺，容納所有的數據并呈現各單元的實時狀態，離不開設備與設備之間的信息融合與交換，而這一目的的實現，首先需要將各種設備與建筑實體相連接，然后借助移動互聯網等信息技術進行信息傳遞，最終實現LOT 與BIM 的深度融合。

在CIM 這一計算基礎平臺之上，可以定義城市與建筑的空間關系，感知城市的多源數據并進行共享，從而實現智慧城市的可視化；同時，CIM 作為城市運維的支撐系統，能夠清楚地表達城市的發展狀態，加快城市的反應能力。

2.3 關系基礎——5G

5G 是目前為止最新一代的蜂窩移動通信技術，具有高傳輸速率、低延遲、高容量、多設備連接的特點[4]。智慧城市的建設及運行，需要大量設備之間信息的快速交換以實現資源的有效整合及分配，從而提高城市的管理及服務水平。從信息技術的角度來看，4G 遠遠不能滿足諸多領域的需求，而5G 的出現，在無人駕駛、電視直播、手術會診、能源管控等方面展現出信息傳遞的可靠性和實時性。

5G 在智慧交通建設中具有重要的作用。智慧城市的道路系統中，交通的調控將更加高效合理，這一目的的實現，離不開全方位大面積的道路信息監測系統，而這些密集的傳感器，需要可靠、穩定、高效的連接，目前來看，5G 使得這一目標成為可能。其次，5G 能夠滿足車輛信息、公交運營、出租錄像錄音等數據的傳輸要求，縮短監控視頻的回傳時間，提升交通運營的管理水平。最后，5G 技術下的多數據在線傳輸，為無人駕駛、車路協同等交互式場景提供了更多的可能性，從而驅動交通行業的轉型升級。

5G也將在智慧能源的建設中發揮重要作用。以智慧電網為例：首先，5G 將更好地檢測電網的能源消耗，預測未來的使用需求，節省停電檢修的時間，提高輸送及使用效率，實現電網與用戶的互動；其次，5G 將對饋線自動化的發展產生推動，而這也將進一步促進多種能源電網的合并，實現對異常信息的及時感知，達到精準快速的電網控制。

5G 還將在智慧安防建設中發揮重要作用。目前，攝像技術正在向4K 分辨率監控的方向發展，高幀率、超高清的攝像技術，會產生大量的數據流量，而5G 的出現，與AI 及云儲存的融合，將會在滿足基本監控的基礎上提供高清的實時信息，甚至在公安系統中實現針對罪犯追蹤的面部識別。此外，通過5G 與無線傳感器的廣泛連接進行自然災害預警系統的部署，能夠在龍卷風、地震、洪災等自然災害事件中及時進行預測及信息傳遞，減少由此帶來的人員傷亡或經濟損失。

移動網絡的發展，為全行業的數字化融合提供可能。而5G 的出現，還將在其他諸多領域發揮重要的作用，在智能制造、智慧醫療、智慧家居、個人AI 輔助等方面整合以往難以解決的問題，促進各行業之間信息的快速交流。因此我們認為，5G 是智慧城市建設的關系基礎。5G 作為全新的跨時代技術，在智慧城市的建設中將成為城市、機器、人的連接體，為萬物互聯提供可能，從而支撐更多業務的發展，有效促進智慧城市的建設[5]。

2.4 社會基礎——AI

從2019 年起，AI 的不斷發展正逐漸刷新人們對于科技的認知，初級的AI 產品（如天貓精靈、小愛同學等）已經走進我們的日常工作與生活中，而對于整個智慧城市的建設來說，AI 的重要性將不僅局限于智能產品的研發，其將根據需要結合各類現代技術成為智慧城市的又一基礎。目前AI在教育、金融等領域均有所實踐，未來智慧城市中，AI 將依靠強大的“學習辨識”能力，從源源不斷的城市海量數據中汲取知識，實現不斷地演進與發展。

AI 首先在物流中發揮出重要的作用。電商的快速發展需要物流行業提供線下的支持。隨著AI技術在物流行業中的應用逐漸增多，在貨物分揀、配送等多個方面為工作人員帶來極大的幫助。AI在環境保護方面的應用也逐漸變得廣泛，在幫助人們解決氣候變化、生物多樣性、水資源及農業問題等方面起到重要的作用。我國北京市環保局與IBM 于2014 年合作推出的“綠色地平線”項目，就是以AI 為基礎依托，計算分析氣象衛星及空間監測站傳來的實時數據，提供高精度的空氣質量預報。同時，憑借AI 的學習能力，對比分析預測與真實環境狀況的差異，以期提供更加準確的預測。

除此之外，AI 還在語言和圖像理解、智能搜索、自動規劃、遺傳編程、博弈等方面展現出超強的思維能力，因此我們認為，AI 是智慧城市建設的社會基礎。正是因為AI 超強的計算能力和學習能力，才會在與云計算、大數據等新興技術結合的基礎上，進一步促進城市高效快速的發展。

2.5 經濟基礎——DCEP

數字貨幣是基于部分環節采用區塊鏈所形成的全新系統架構，它的出現及使用將會改變貨幣的供給和管理方式。DCEP 是中國人民銀行正在研究中的法定數字貨幣，與人們日常生活中所使用的紙幣及硬幣一樣具有國家信用，是“數字化形態的”的法定貨幣。

DCEP 支付的優勢是無須建立賬戶就可以實現價值轉移。目前已經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變，其前提是需要綁定一個銀行賬戶來進行交易。雖然二者都有余額錢包的存在，但前提是進行銀行卡綁定完成實名認證，且支付寶或微信支付的使用，受到大量公司及機關單位的限制，甚至會遭到一些App 的禁用。而DCEP 的流通將不受銀行品牌和公司的限制，只要在可以進行傳統貨幣交易的場所，都可以使用DCEP進行交易，實現無障礙支付。

DCEP與傳統貨幣相比，還有很多優點。首先，DCEP 支持“雙離線支付”，即不受手機信號影響，只要有電就可以完成交易；且因為取消了“找零”這一環節，DCEP 的使用將會比紙鈔更加便捷。其次，DCEP 的使用，將不再依賴大量銀行的實體店和人工服務，減少人們對于紙幣的兌換，方便人們對貨幣的攜帶，進一步提升安全性與便利性，節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點將在反腐、反洗錢、精準扶貧等方面為政府提供強有力的管控能力。

由于數字貨幣所擁有的種種屬性，DCEP 的發展也將是一個漫長的過程。2020 年8 月14 日，商務部網站刊發的《商務部關于印發全面深化服務貿易創新發展試點總體方案的通知》中指出京津冀、長三角、粵港澳大灣區及中西部具備試點的地區將開展數字人民幣試點，為DCEP 的全面深化試點及推廣奠定了基礎[6]。DCEP 未來的使用也將逐步與傳統貨幣之間相互配合、相互發展。

我們相信，在不遠的未來，DCEP 將作為智慧城市的經濟基礎，在消費過程、財富管理、金融政策等方面對國家經濟的發展產生積極的影響，同時在貨幣監管、打擊犯罪等方面提高政府的管控能力。數字貨幣作為未來貨幣發展的重要趨勢，將促進政治、經濟、文化等領域的良性發展，推動一系列智慧場景的實現，對智慧城市的建設與深化產生至關重要的影響。

結語

以大數據、物聯網、人工智能為代表的新一代科學技術正在帶動新一輪的科技和產業革命，由此帶來的數字孿生、共享經濟等理念也逐步得到人們的關注。智慧城市的建設，首先會在數字城市這一物理基礎上實現萬物感知；其次依托計算基礎與關系基礎實現萬物互聯，最后將借助社會基礎、經濟基礎等實現人與城市互動的美好愿景。2020 年新冠疫情的防控足以讓我們了解到發展新技術的必要性，借助物理基礎和計算基礎具備更強的計算能力，借助經濟基礎促進智慧城市的深度應用，最終實現智慧城市感知、互聯、智能的建設目標。

城市設計視角下的研究更加清楚地展示了數字化工具對于智慧城市建設的重要作用，提出基于數字化工具的智慧城市建設五大基礎。由于文章主要針對數字化工具的運用，因而對全方位智慧城市建設基礎的深入研究亟待展開；由于電子信息科技受到外國的保密，文章主要圍繞數字化工具在我國智慧城市建設中的現狀展開，需要結合國際環境進行深化。

智慧城市的建設和發展給人們帶來了很多便利，隨著城市管理水平的提升，城市各方面的協同能力也會越來越完善，人們對于城市服務的要求也會越來越高，而這些都將進一步促進城市的建設和發展。智慧城市是未來城市的發展趨勢，只有更好地認識智慧城市的各個基礎構成，讓數字化工具及其技術為智慧城市系統提供更多進步的可能性，才能讓城市和人們的生活更加美好。