中國城市基礎(chǔ)設(shè)施的挑戰(zhàn)

潘云鶴

Former Executive Vice President, Chinese Academy of Engineering

中國城市基礎(chǔ)設(shè)施的挑戰(zhàn)

潘云鶴

Former Executive Vice President, Chinese Academy of Engineering

1.引言

為滿足人們?nèi)粘Ｉ?、生產(chǎn)、娛樂的需要，在城市中建設(shè)了各種各樣的基礎(chǔ)設(shè)施，如商店、廠房、辦公樓、住房、道路、管網(wǎng)等。城市人口的迅速增長和人們對(duì)美好生活的追求，導(dǎo)致了對(duì)公交、鐵路、飛機(jī)、汽車和地鐵的更大需求，生產(chǎn)、物流、運(yùn)輸和廢物排放的更大規(guī)模，以及各種類型服務(wù)設(shè)施，如商場、銀行、排污、通訊、數(shù)據(jù)中心、醫(yī)療和養(yǎng)老等設(shè)施的建立。于是，城市迅速擴(kuò)張，城市物理系統(tǒng)變得愈加復(fù)雜。如果城市規(guī)劃與管理不當(dāng)，就必然會(huì)出現(xiàn)交通擁堵、環(huán)境污染、居民失業(yè)、建筑乏味及其他的“城市隱憂”。當(dāng)前中國城市面臨的問題主要源自在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，對(duì)城市物理系統(tǒng)復(fù)雜性的認(rèn)識(shí)不足和管理不當(dāng)。這一問題給中國當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展帶來了很大的挑戰(zhàn)。

2.城市交通擁堵：現(xiàn)狀及對(duì)策

2.1.城市交通的挑戰(zhàn)

對(duì)正經(jīng)歷著城市化浪潮的國家來說，交通擁堵十分常見。然而，中國的交通擁堵尤甚。1990年中國私家 車僅有80萬輛，但到2012年這一數(shù)字已超過了9000萬輛，增加了約110倍。私家車數(shù)量的急劇增加，導(dǎo)致了嚴(yán)重的城市交通擁堵(圖1)?！吨袊滦统鞘谢瘓?bào)告2012》指出，在北京，開車上班的平均時(shí)間是52 min，平均速度約為15 km·h–1[1]。類似的情況也發(fā)生在中國的其他城市。

交通擁堵不僅造成時(shí)間的浪費(fèi)，而且還導(dǎo)致燃料浪費(fèi)、空氣污染、噪聲污染、交通事故等問題。相關(guān)研究表明：北京的擁堵成本約占北京市全年GDP的4.2 % [2]，代價(jià)非常巨大。

2.2 城市交通擁堵對(duì)策

目前，解決交通擁堵問題主要利用實(shí)時(shí)交通傳感信息對(duì)車輛進(jìn)行疏導(dǎo)和管理。當(dāng)擁堵嚴(yán)重時(shí)，施行限行政策。然而，這只是淺層和暫時(shí)的手段，并不能夠從根本上解決交通擁堵問題。為此，提出以下三個(gè)有效的解決方案。

(1)改善城市路網(wǎng)。中國城市路網(wǎng)的主要缺點(diǎn)是路網(wǎng)過稀且道路過寬，表1[3]列出了不同城市的路網(wǎng)比較。其中“北京新區(qū)”是指二環(huán)和三環(huán)以外的區(qū)域，該區(qū)每平方千米路口的平均數(shù)量為14個(gè)，上海的數(shù)量約為17個(gè)。相比而言，意大利都靈和法國巴黎類似，約為150個(gè)。因此，與其他大城市相比，中國城市街道具有路口較少、街道較寬的特點(diǎn)。比如：北京長安街有10~12車道，但路口很少。

圖1.北 京上班高峰典型交通狀況。

表1 不同城市的路網(wǎng)比較[3]

表2 不同街區(qū)單位面積(每平方千米)道路比較[3]

如表2[3]所示，北京新街區(qū)路口之間的距離為500 m，而緊密街區(qū)則為130 m。緊密街區(qū)容易避讓擁堵，因?yàn)橐坏矶?，車輛可以馬上轉(zhuǎn)到別的道路。不同街區(qū)的車道總長也存在很大差別：緊密街區(qū)的機(jī)動(dòng)車道總長達(dá)每平方千米472 km，而在道路過寬且路網(wǎng)過稀的街區(qū)每平方千米機(jī)動(dòng)車道總長只有32 km。這一差異解釋了為什么緊密街區(qū)不易發(fā)生擁堵。北京新街區(qū)的人口密度為每平方千米7500人，遠(yuǎn) 遠(yuǎn)低于緊密街區(qū)的每平方千米20 000人。因此，緊密街區(qū)有更強(qiáng)的人口承受力，這與緊密街區(qū)的人均城市街道成本遠(yuǎn)低于 道路過寬街區(qū)的人均城市街道成本有關(guān)。綜上，如果不從城市規(guī)劃入手，僅靠控制交通和汽車，難以從根本上解決城市交通擁堵問題。

(2)智能物流 管理。中國物流量巨大。物流成本以平均每年高于12 %的增長率迅速增長(圖2)，造成了大量的尾氣排放。另外，中國的物流成本非常高，分別占全年GDP和物價(jià)的18 %和20 %~40 %；而歐美的這兩個(gè)比例則是10 %和10 %~15 %。

圖2.2007~2013年中國社會(huì)物流總費(fèi)用情況。

研究表明，貨運(yùn)車輛產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)和一氧化氮占全部車輛產(chǎn)生量的76 %和36 %。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在中國有40 %的卡車空駛在路上，從缷貨到再次裝載的平均等待時(shí)間是72 h。因此，在中國，一輛卡車的日均行駛里程只有300 km；在美國，這一數(shù)值則為1000 km?？梢姡袊倪\(yùn)輸效率較低[4,5]。針對(duì)以上問題，中國傳化集團(tuán)分別從線上和線下兩個(gè)方面著手，積極開展智能物流：線上做物流信息平臺(tái)；線下做物流裝卸轉(zhuǎn)運(yùn)中心。經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展，該公司將中國1200多萬輛營運(yùn)貨車中的200多萬輛(16.6 %)納入了物流信息系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全中國范圍內(nèi)的貨運(yùn)配套、產(chǎn)能調(diào)度和實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)，在中國68個(gè)樞紐城市建造了物流裝卸和轉(zhuǎn)運(yùn)中心，集中貨與車、車與車的交接，以及提供各種服務(wù)設(shè)施。通過以上措施，配貨時(shí)間從過去的72 h減少至9 h，空車行駛數(shù)量顯著減少，運(yùn)輸成本降低約40 %?？梢?，信息技術(shù)在物流及其相關(guān)的減排領(lǐng)域能夠發(fā)揮巨大作用。

(3)智能交通管理。當(dāng)前，多數(shù)國家通常采用的交通管理措施為交通信息顯示和車量聯(lián)網(wǎng)。然而，中國的研究人員根據(jù)電動(dòng)自行車日益普及的現(xiàn)狀提出了新的思路。與汽車相比，電動(dòng)自行車在城市交通中具有許多獨(dú)特優(yōu)勢。

由表3可見，電動(dòng)自行車的占地面積僅為汽車的八分之一。因此，如果北京一半的汽車被電動(dòng)自行車代替，交通狀況就會(huì)有很大的改善。其次，電動(dòng)自行車在價(jià)格和環(huán)境污染方面都具有很大的優(yōu) 勢。另外，電動(dòng)自行車在城市中的行駛速度并不遜色于汽 車。事實(shí)上，電動(dòng)自行車的唯一缺點(diǎn)是在安全性和舒適度上不如汽車。但是，可以對(duì)電動(dòng)自行車加以改造，加固、加罩，使它更加安全、舒適。這樣的電動(dòng)迷你車在未來可能會(huì)成為中國城市的主要交通工具。一位美國工程院院士針對(duì)中國城市的交通現(xiàn)狀曾說：“如果將新能源技術(shù)和新的安全技術(shù)應(yīng)用于中國的電動(dòng)自行車，它將有很大的發(fā)展前途，并可能取代城市汽車?！蔽磥淼碾妱?dòng)迷你車可能又輕又小，有兩個(gè)座位，以中等速度行駛，舒適又安全，并可能擁有一些汽車和電動(dòng)自行車的特點(diǎn)。

表3 汽車和電動(dòng)自行車不同方面的比較

3.城市PM2.5：源監(jiān)測及對(duì)策

隨著中國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市環(huán)境污染，如固體廢棄物污染、水污染、空氣污染和噪聲污染等變得越來越嚴(yán)重。中國城市廣泛采取垃圾分類處理技術(shù)，如分解、燃燒和循環(huán)使用，以解決垃圾問題。為解決水污染問題，各地采用綜合防治的方法，如浙江省的“五水共治”工程，即治污水、防洪水、排澇水、保供水、抓節(jié)水。為減少空氣污染，如PM2.5，中國政府通常采用部分企業(yè)暫停生產(chǎn)、民眾放假和汽車限行的方法，如北京的“APEC藍(lán)”計(jì)劃。該計(jì)劃是由中國政府在2014年秋天為在北京舉行的APEC會(huì)議減少污染排放而采取的臨時(shí)措施。這些措施在不同程度上都取得了成效?！癆PEC藍(lán)”計(jì)劃表明，PM2.5污染可以被快速減輕，但需要付出巨大的代價(jià)。APEC會(huì)議 后，北京的PM2.5雖略有改善，但污染依然嚴(yán)重。

根治中國空氣污染的首要要求是確定PM2.5的來源。然而，專家們對(duì)此各執(zhí)一詞?；?013年相關(guān)報(bào)告[6]，對(duì)京津冀PM2.5污染的成因分析指出：浮塵占17 %，燃煤電廠和供暖鍋爐占30 %，鋼鐵、水泥、石化等工業(yè)占25 %，機(jī)動(dòng)車占18 %，生活占10 %。然而，2014年由國務(wù)院發(fā)展研究中心和世界銀行共 同署名的《中國推進(jìn)高效、包容、可持續(xù)的城鎮(zhèn)化》聯(lián)合報(bào)告[2]給出了不同的分析結(jié)果。如表4[3]所示，該報(bào)告指出，汽車尾氣占PM2.5污染的22 %；該該報(bào)告的另一部分又指出，大量的新車貢獻(xiàn)了空氣中30 %的PM2.5。

PM2.5分析數(shù)據(jù)的混亂由數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)過于稀疏造成。例如：北京只有大約四十個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)，而杭州僅有十幾個(gè)。因此，專家通?；谏贁?shù)采樣點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析報(bào)告。然而，PM2.5的分布對(duì)時(shí)間和空間相當(dāng)敏感。因此有必要對(duì)PM2.5進(jìn)行高分辨率的實(shí)時(shí)監(jiān)測。為 此，下面列出三個(gè)對(duì)策用以比較。

表4.文獻(xiàn)[3]中PM2.5來源分析

(1)增加現(xiàn)有采樣點(diǎn)數(shù)目。例如：將PM2.5采樣點(diǎn)的數(shù)目增至數(shù)千個(gè)。然而，這一方案過于昂貴。

(2)招募志愿者。通過向志愿者發(fā)放便攜式PM2.5檢測設(shè)備，獲得更廣泛時(shí)間和空間范圍內(nèi)的PM2.5濃度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。巴黎曾招用數(shù)百志愿者采集類似數(shù)據(jù)。

(3)設(shè)計(jì)新產(chǎn)品。向新設(shè)計(jì)的手機(jī)或汽車中嵌入PM2.5傳感器。通過眾包的方式，可以收集到大量的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可被用于分析個(gè)人健康、環(huán)境狀況與城市空氣污染間的關(guān)系。這是最佳的解決方案。目前，相關(guān)產(chǎn)品已被成功研究，并有望在中國內(nèi)外廣泛、成功地使用。

4.結(jié)束語

城市基礎(chǔ)設(shè)施不僅面臨著交通擁堵和空氣污染的挑戰(zhàn)，還面臨著許多其他的挑戰(zhàn)，包括：處理自然災(zāi)害、恐怖事件、城 市安全，建立教育、科學(xué)、文化設(shè)施，建立能源與資源保障系統(tǒng)等。如今的城市不再是純粹的人類與物理環(huán)境相互作用的二元結(jié)構(gòu)，而是升級(jí)為人類與物理環(huán)境及網(wǎng)絡(luò)空間中信息其同作用的三元結(jié)構(gòu) (圖3)。這一轉(zhuǎn)變與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等的出現(xiàn)密切相關(guān)?，F(xiàn)代城市是一個(gè)龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)，要使其高效運(yùn)行并為人們提供更好的服務(wù)，應(yīng)對(duì)共附加一個(gè)“神經(jīng)層”。這就是智能城市的目標(biāo)，即城市的智能化發(fā)展。

中國目前正處于工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和綠色化共同發(fā)展階段。智能城市的發(fā)展涉及獨(dú)特的任務(wù)，包括城市建設(shè)、城市信息基礎(chǔ)設(shè)施、城市產(chǎn)業(yè)發(fā)展、城市管理與服務(wù)、城市人力資源等方面的智能化發(fā)展。目前，從中國的發(fā)展路徑看(圖4)，第一步是創(chuàng)建各種智能應(yīng)用中級(jí)系統(tǒng)，如智能醫(yī)療、智能電網(wǎng)、智能運(yùn)輸?shù)取Ｆ浯?，這些中級(jí)系統(tǒng)都可以分別向上、向下深入拓展：向上通過大數(shù)據(jù)平臺(tái)的發(fā)展，獲取并結(jié)合隔離的數(shù)據(jù)，以利用大數(shù)據(jù)推動(dòng)預(yù)測、決策與規(guī)劃的智能化；向下通過物聯(lián)網(wǎng)等建設(shè)，形成高效的傳感器網(wǎng)絡(luò)以感知城市。這些發(fā)展步驟將改善城市環(huán)境、交通、城管、人流、物流、信息流等，實(shí)現(xiàn)人、物理環(huán)境和信息的三元結(jié)構(gòu)。

圖3.城市從二元結(jié)構(gòu)升級(jí) 為三元結(jié)構(gòu)。

圖4.中國城市智能化發(fā)展路徑。

當(dāng)前，中國已有300多個(gè)城市開始了智能城市的建設(shè)。我們相信，十年之后，中國城市將發(fā)展得更高效、更宜居、更綠色、更美麗。

[1] Niu WY, Liu YJ.China’s new urbanization report of 2012.Beijing: Science Press; 2012.Chinese.

[2] Pan Y.“B eijing average running 15 kilometers per hour” will be changed? Ch ina Youth Daily.2015 Sep 22; Sect.: 6.Chinese.

[3] The World Bank, Development Research Center of the State Council.China: a new approach for efficient, inclusive, sustainable urbanization.Beijing: China Development Press; 2014.Chinese.

[4] Economic Operation and Regulation Bureau of National Development and Reform Commission, Modern Logistics Research Center of Nankai University.Report of China logistics development (2011).Beijing: China Fortune Press; 2011.Chinese.

[5] China Federation of Logistics and Purchasing.China logistics yearbook 2013.Beijing: China Fortune Press; 2013.Chinese.

[6] Report of the C PPCC National Committee: Analysis of PM2.5 pollution in Beijing, Tianjin and Hebei Province.2013.Chinese.

2095-8099/? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engine ering 2016, 2(1): 29—32

Yunhe Pan.China’s Urban Infrastructure Chal lenges.Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.01.007