基于物聯網和生態系統的智慧城市可持續設計研究

姚俊華

(深圳市南山區智慧城市運營中心 廣東 深圳 518052)

目前，世界上一半以上的人口居住在城市，預計到2050年這一數字將達到67%。快速的城市化帶來了各種環境、社會和經濟挑戰，人們對探索實現城市可持續發展的解決方案越來越感興趣。2009 年，IBM 提出了“智慧城市”的概念，即使用一系列智能和信息化手段來促進城市交通、醫療保健和環境保護等領域的發展[1]。從那時起，建設智慧城市被視為解決當今城市面臨的問題的有效解決方案。近年來，阿姆斯特丹、巴塞羅那、柏林、開普敦、哥本哈根、赫爾辛基、倫敦、米蘭、墨爾本和紐約等發達國家的許多城市都開始推動智慧城市發展，包括中國在內的發展中國家也將智慧城市建設視為促進城市可持續發展的重要途徑。

智慧城市旨在促進城市可持續發展，不可持續的城市不能被視為真正的智慧城市，因此，確保智慧城市的可持續性至關重要。智慧城市建設基于信息技術的廣泛應用，如智能傳感技術、物聯網和云計算，智慧城市采用信息技術的目的是促進城市的可持續發展。然而，僅靠信息技術可能無法使智慧城市具有可持續性，因為技術并不總是優先考慮可持續性，只有將IT技術應用于可持續系統，才能在智慧城市中實現可持續發展，此外，智慧城市還需要通過基于IT 技術的信息處理系統來收集、傳輸和處理各個領域的實時數據[2]。智慧城市的信息處理系統主要基于物聯網，新型智慧城市建設主要通過構建基于物聯網的CIM（城市信息建模）平臺來實現，因此，通過可持續系統的建設和CIM在智慧城市中的應用來研究智慧城市的可持續性。

1 智慧城市與可持續設計

智慧城市是一個復雜而創新的生態系統，旨在通過使用信息技術重塑城市空間，實現城市可持續發展。由于信息技術的快速發展，智慧城市的概念迅速改變。沒有可持續性的智慧城市并不是真正的“智慧”，強調可持續性應該是智慧城市發展的一部分。這也就意味著可持續性是智慧城市的一個基本特征，智慧城市越先進，就應該越可持續。智慧城市的可持續性是以人為中心，通過技術創新實現的。設計的目的也是創造性地解決人類面臨的問題。

可持續設計是設計的一個關鍵要素，可持續設計的概念是基于20世紀80年代出現的可持續發展理念，指的是在不損害子孫后代滿足自身需求能力的情況下滿足當前需求的發展。可持續發展的核心目的是使人類發展具有可持續性。人類的可持續發展必須包括經濟、社會和環境的可持續性。然而，隨著全球化的深入，世界各地的文化可持續發展面臨著巨大的困難和挑戰。因此，在可持續發展的要求下，可持續設計注重實現人類經濟、社會、自然和文化的可持續發展。現代可持續設計理念將設計行為融入“人類—環境—社會—經濟—文化”的生態系統中，關注這個生態系統及其和諧發展[3]。

智慧城市與可持續設計之間存在緊密聯系，因為可持續設計的概念與智慧城市的可持續發展目標是一致的，它們之間有著密切的內在關系。可持續發展要求在保護環境的同時追求經濟、社會、文化和生活發展。可持續設計的這一核心價值也是智慧城市建設和發展的基本要求，在人類、經濟、環境、社會和文化之間取得平衡，形成一個生態系統。智慧城市與可持續設計之間的內在聯系是研究和構建智慧城市可持續設計體系的基礎。

2 CIM體系結構

CIM是新型智慧城市建設的基礎平臺。CIM是基于物聯網、BIM（建筑信息模型）和GIS（地理信息系統）的有機綜合。CIM通過物聯網、BIM和GIS收集和處理相關城市數據，為城市提供全面的多維管理能力，為智慧城市的規劃、建設、管理、運營和服務全面賦能。

CIM通過物聯網、BIM和CIS構建多維信息模型數據和城市傳感數據，構建三維數字城市信息有機合成。其中，物聯網是一種信息載體，通過各種信息技術和設備與互聯網相結合，智慧感知、識別和管理事物的一系列信息，實現人、機器和事物之間的互聯[4]。BIM 是城市工程建設必不可少的信息管理工具，是建筑信息模型，可以從多個角度實現工程項目的集成化、智慧化管理。地理信息系統既是城市的數字模型，又是城市信息數據的承載平臺。它是一個信息系統，可以通過空間或地理坐標管理和顯示城市各個方面的數據。

在CIM 架構中，GIS 是BIM 的宏觀框架，而BIM 在微觀層面上補充了GIS，物聯網實現了GIS和BIM之間的連接。GIS 和BIM 的結合可以涉及智慧城市的方方面面，而物聯網可以實現萬物互聯和信息交換。因此，CIM 通過GIS 和BIM 收集信息，并通過物聯網進行處理。CIM可以理解為通過GIS、BIM和物聯網集成一系列城市信息開發的智慧模型，是CIM、GIS 和物聯網的集成系統。CIM也是一個用于存儲、提取、更新和修改所有城市相關信息的數字平臺。CIM通過數字化表達城市地上、地下、過去、現在和未來的所有空間和所有規模的信息，可以為城市規劃、建設和運營管理的整個過程提供“智慧”賦能。

在GIS、BIM 和物聯網的支持下，CIM 的體系結構主要由4個部分組成：前端設備、CIM基礎平臺、CIM應用層和終端設備。

（1）前端。智慧前端包括各種類型的物聯網傳感設備，如傳感器、圖像捕捉設備、位置記錄設備、執行器、RFID 讀/寫設備等。通過這些物聯網傳感裝置，可以監測城市基礎設施和環境，并收集物聯網數據，為CIM平臺提供數據支持[5]。

（2）CIM 基礎平臺。CIM 基礎平臺是CIM 數據匯聚和應用的載體，是智慧城市的基礎支撐平臺。CIM基礎平臺包括設施層、數據層、服務層以及兩個系統框架（標準規范體系和信息安全與運維保障體系）。

（3）CIM+應用層。CIM+應用層是指CIM基礎平臺的應用。CIM+應用層的內容包括智慧醫療、城市管理、智慧交通、智慧社區、空間規劃等。CIM+應用的擴展能力可以支持城市的規劃、建設、管理和決策。

（4）終端設備。終端設備是顯示CIM平臺服務的載體。終端包括瀏覽器、移動終端設備、可視化設備、VR/AR等。當然，終端設備不僅在顯示內容方面發揮作用，而且在數據收集、傳輸和轉換方面也發揮著特定的作用。

CIM 體系結構的4 個組成部分中，智慧前端負責收集信息，CIM基本平臺負責信息的傳輸、存儲和處理,CIM+應用層管理和應用信息，由終端設備輸出信息。通過這4個組成部分，CIM體系結構促進了智慧城市的建設，并為用戶提供了服務。CIM 的用戶主要包括政府部門、企業和企業集團以及公眾。

CIM強大的功能可以有效地處理智慧城市規劃設計中的各種問題，CIM 的應用可以促進可持續設計系統在智慧城市中的具體實施，因此，CIM系統可以作為研究智慧城市可持續設計策略的基礎。

3 基于CIM的蘇州智慧城市建設

蘇州是一個以其豐富的歷史文化遺產而聞名的城市，也是目前中國最發達的城市之一。2022 年，蘇州加入各種CIM數據資源，構建蘇州智慧城市CIM平臺。該平臺包括CIM基礎平臺、CIM時空數據庫（包括CIM建模、處理等）和CIM+應用系統。CIM 基礎平臺是蘇州城市規劃、建設、管理和運營的主要運營平臺。CIM時空數據庫收集并構建蘇州的各種CIM 時空數據，創建3D 信息模型，管理各種CIM 空間信息模型數據。CIM+應用系統基于蘇州的地理信息數據和各種規劃數據，構建了一個跨規劃、建設、管理和運營4 個模塊的三維空間數據模型。它與城市規劃、建設、管理和運營服務的子系統相連，實現蘇州一系列信息的集成和顯示，以及數據指標分析[6]。

此外，蘇州市的CIM 平臺建立在統一的標準和空間編碼系統之上，它包括一個數字孿生時空基地，構建在3 個不同的層面：蘇州古城、中心區和歷史城區，每個級別都是為了滿足不同的空間范圍和模型精度要求而開發的。占地19.2 km2的歷史城區是構建數字雙CIM 駕駛艙系統的試驗區，該系統包括地上和地下空間的精細3D模型。同時，還完成了覆蓋全市8 657 km2的電子地圖、正射影像和建筑模型的建設。利用CIM，蘇州的智慧城市建設取得了重大進展，主要體現在以下幾個方面。

（1）政府城市管理水平的提高，蘇州城市建設、管理、協調能力全面增強。CIM 平臺也為蘇州城市規劃建設的精細化管理提供了便利。它改變了城市規劃、設計、建設和管理的方式，提高了政府的科學管理和智慧決策能力。

（2）CIM 平臺保證了各級各部門之間的數據共享和流通，建立了數據共享通道，使與城市建設相關的三維時空數據能夠在不同的應用和部門之間共享和共建，避免了空間數據的重復投資。

（3）解決了城市管理和公共服務方面的許多挑戰和困難。CIM 平臺有效整合了各種資源，為政府部門提供了全面、多樣化的服務，轉變了政府服務模式，提高了政府公共服務水平。

基于CIM的蘇州智慧城市建設，從城市管理、城市建設、城市服務等方面，有力地促進了城市的可持續發展。此外，CIM 平臺的應用充分發揮了蘇州在生態環境、社會經濟、歷史文化等方面的獨特優勢。

4 智慧城市可持續發展設計體系

可持續的智慧城市設計需要考慮各種因素，包括人類、環境、社會、經濟、文化和技術方面。因此，它們是可持續設計系統的基本要素。其中，人是可持續智慧城市設計的核心，而技術在推動可持續發展方面發揮著至關重要的作用。在智慧城市的可持續設計中，環境、社會、經濟和文化也是必不可少的考慮因素。可持續智慧城市設計旨在通過利用技術作為工具來解決“人類—環境—社會—經濟—文化”系統的相關方面，從而實現可持續發展。

4.1 智慧城市可持續設計體系的4個維度

從本質上講，智慧城市的可持續發展就是將技術因素介入“人類—環境—社會—經濟—文化”體系中，使智慧城市實現可持續發展。通過將最新的信息技術、大數據、網絡平臺和智慧終端相結合，并將其充分應用于城市的各個行業和領域，可有效地建設智慧城市。蘇州智慧城市建設的案例表明，智慧城市的發展如何對一個城市的“人類—環境—社會—經濟—文化”體系產生重大影響。通過智慧城市發展，蘇州能夠節約成本和能源，加強社會服務，促進文化繁榮，減少環境影響，有效協調環境、社會、經濟和文化因素。此外，新興技術的應用促進了部門之間的信息共享和知識傳播，加強了政府、企業和個人之間的聯系。以蘇州為例，智慧城市建設涉及4 個主要維度：公共空間，如社區、辦公室和娛樂區；城市管理，包括規劃、建設、運營和監督；公共服務平臺，如技術和網絡平臺，以及移動通信；公共資源，如基礎設施、政策法規、大數據、環境資源和社會資源。

4.1.1 管理維度

智慧城市不僅是先進技術的聚集地，也是通過“政策、管理和社區參與”實現社會公平的重要手段。智慧城市建設需要政府、企業、個人的共同參與，需要統籌規劃、建設、運營、監督。通過管理維度，可以調動空間和資源維度的內容，通過平臺維度實現智慧城市的運營，從而服務社會。智慧城市的管理水平決定了社會的運營成本和發展水平，是智慧城市可持續發展的基礎。

4.1.2 空間維度

社區、辦公、娛樂等城市空間是智慧城市發展的載體。通過以人為本和利用技術，可以從空間角度實現可持續的智慧城市設計。這可以優化城市空間的功能結構，實現不同區域的協調發展，最終實現智慧城市的可持續發展。

4.1.3 資源維度

基礎設施、政策法規、數據、環境資源是智慧城市建設的支撐條件。智慧城市建設不僅需要公共資源的支持，還需要通過合理配置資源引導社會公平，實現可持續發展。

4.1.4 平臺維度

公共服務、科技平臺、網絡、智慧終端等城市公共服務平臺是智慧城市建設的體現。智慧城市建設主要通過城市公共平臺的應用，提高社會服務效率和管理水平，從而促進社會、環境、經濟和文化的可持續發展。總之，從智慧城市的角度來看，以人為基礎、以技術為驅動的智慧城市可持續設計主要包括管理、空間、資源和平臺4 個維度。CIM 的信息收集和處理模型如圖1所示。

圖1 CIM信息收集和處理模型

4.2 智慧城市可持續設計系統模型

智慧城市可持續設計的6 個要素和4 個維度的結合構成了智慧城市可持續發展設計的體系。智慧城市可持續設計的6個要素反映了可持續設計對智慧城市的要求，而4 個維度則包含了可持續設計的內容。由此可見，智慧城市可持續設計應以人為中心，利用技術在管理、空間、資源和平臺維度上考慮環境、社會、經濟和文化因素的要求。由此，可以構建一個智慧城市可持續設計系統的模型。智慧城市可持續設計系統模型可以作為智慧城市可持續發展概念化的指導工具，并為智慧城市設計師、規劃者和管理者思考智慧城市的可持續發展提供幫助。

智慧城市的可持續設計系統模型是智慧城市可持續設計系統的可視化表示。構成智慧城市可持續設計體系的要素包括人、技術、環境、社會、經濟、文化等因素，以及與管理、空間、資源和平臺相關的內容，設計是將系統的所有元素結合在一起的潛在因素。智慧城市可持續設計系統的目標是以人為本，利用技術工具建立各要素之間的聯系，形成一個系統，最終實現智慧城市的可持續發展。

智慧城市可持續設計系統模型包含4個部分：（1）人是內部核心因素；（2）管理、空間、資源、平臺4 個維度；（3）環境、社會、經濟、文化四大影響因素；（4）技術作為外部驅動力因素。

反過來，這4個組成部分形成了3種相互作用：（1）人與其他部分之間的關系；（2）尺寸分量與影響因素分量之間的關系；（3）技術與其他部分之間的關系。

基于CIM的智慧城市可持續發展設計管理模型如圖2 所示，該模型可以為設計者在智慧城市可持續發展設計實踐中提供一些參考。

圖2 基于CIM的智慧城市可持續發展設計管理模型

5 結語

本文將可持續設計理念與智慧城市相結合，從設計的角度探討了如何提高智慧城市的可持續性，并考察了智慧城市與可持續設計之間的關系，探討了構成智慧城市可持續設計體系的6個要素和4個維度，并構建了該體系的模型。