基于5G網(wǎng)絡(luò)和CIM的智慧城市系統(tǒng)構(gòu)建探索

李揚(yáng)，劉平，王丹丹

（齊齊哈爾大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院）

1 引言

2012年首批90個(gè)國家智慧城市試點(diǎn)城市作為開拓者，歷經(jīng)十年的探索，中國的智慧城市建設(shè)已進(jìn)入新階段，一座座更高效、更靈敏、更可持續(xù)發(fā)展的城市正在應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，截至2018年底，中國超過600個(gè)城市均已明確提出或正在建設(shè)智慧城市。2019年2月全球首個(gè)5G火車站建設(shè)啟動(dòng)儀式在上海虹橋火車站開始，這意味著中國5G技術(shù)智慧化轉(zhuǎn)型應(yīng)用里程碑式的突破。自2008年末IBM公司“智慧地球”理念提出到如今，十多年的光景，中國的智慧城市和5G技術(shù)發(fā)展便取得了驕人的成績。5G網(wǎng)絡(luò)下的智慧城市系統(tǒng)建構(gòu)順應(yīng)了中國新型城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程，為解決城鎮(zhèn)化的發(fā)展難題，建設(shè)智慧城市、創(chuàng)建新型數(shù)字化城市已成為國家級(jí)戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃。在實(shí)現(xiàn)綠色、生態(tài)、現(xiàn)代化、信息化同步發(fā)展和習(xí)總書記“兩步走”戰(zhàn)略第二階段：即建成富強(qiáng)、民主、文明、和諧、美麗的社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國的奮斗目標(biāo)具有重大歷史意義。

本文以城市規(guī)劃視角分析了基于5G網(wǎng)絡(luò)和CIM的智慧城市數(shù)字化建設(shè)系統(tǒng)構(gòu)建——城市信息綜合管廊構(gòu)建，多元大數(shù)據(jù)交叉采集處理系統(tǒng)構(gòu)建、城市生態(tài)空間監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建、城市規(guī)劃動(dòng)態(tài)管理與可視化設(shè)計(jì)構(gòu)建。通過構(gòu)建從理論系統(tǒng)框架到實(shí)踐的例舉，探討智慧城市系統(tǒng)建設(shè)可行性。

2 城市信息綜合管廊構(gòu)建

信息綜合管廊是5G網(wǎng)絡(luò)普及以后信息傳輸速度方面的重大突破，以往的網(wǎng)絡(luò)速度在構(gòu)建信息通道時(shí)無法做到實(shí)時(shí)聯(lián)通，比如以往的遠(yuǎn)程醫(yī)療手術(shù)僅有部分的醫(yī)院才有條件實(shí)現(xiàn)，而未來這樣的聯(lián)通在智慧城市建設(shè)中實(shí)現(xiàn)了全民普及。電信業(yè)推動(dòng)著各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，可預(yù)測(cè)的“主動(dòng)運(yùn)維”乃至實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、自優(yōu)、自愈和自治的“自動(dòng)駕駛”網(wǎng)絡(luò)，以提升運(yùn)維和運(yùn)營效率是信息綜合管廊構(gòu)建中信息線路的的保障。雖然目前通信管道資源在城區(qū)覆蓋和介入較完善，但未能實(shí)現(xiàn)管道資源的全覆蓋，網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需要管廊的保駕護(hù)航，而網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量提升為智慧城市的建設(shè)提供了可能。

自2015年起我國先后有25個(gè)城市成為地下綜合管廊試點(diǎn)城市，而這些城市幾乎覆蓋了智慧城市試點(diǎn)城市。其規(guī)?；?、智慧化、市場(chǎng)化運(yùn)作的特點(diǎn)加上BIM技術(shù)構(gòu)建和引入“元模型”智能化檢測(cè)手段，即刻可通過CIM中城市基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控、模擬、預(yù)警、可視化操作，在所構(gòu)建的模型上實(shí)現(xiàn)各種信息的關(guān)聯(lián)，不僅可以實(shí)時(shí)查看主體全部位置信息，而且還可以對(duì)任意部位進(jìn)行剖切查看，使技術(shù)人員快速掌握主體的結(jié)構(gòu)形式及其位置尺寸信息[1]。脫離傳統(tǒng)耗時(shí)費(fèi)力的排查，運(yùn)用手機(jī)等端口設(shè)備就可實(shí)現(xiàn)電力、通信、燃?xì)狻⒐┡潘仁姓O(shè)施的維護(hù)和檢修。在規(guī)劃方面減少架空線與綠化的矛盾，保持路容完整和美觀，降低了返修維護(hù)成本。目前國內(nèi)一些新區(qū)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化養(yǎng)護(hù)數(shù)字平臺(tái)的構(gòu)架，使5G時(shí)代的基礎(chǔ)設(shè)施的安全和維護(hù)管理逐步實(shí)現(xiàn)流程標(biāo)準(zhǔn)化、信息智能化、時(shí)效可視化。總之城市信息綜合管廊構(gòu)建是智慧城市構(gòu)建的骨架。

3 多元大數(shù)據(jù)交叉采集處理系統(tǒng)構(gòu)建

2018年自然資源部接手了城鄉(xiāng)規(guī)劃的管理職能，實(shí)行多規(guī)合一和多管合一將涉及城市發(fā)展的規(guī)劃落實(shí)到了一張藍(lán)圖上，運(yùn)用一個(gè)共同的空間規(guī)劃平臺(tái)，形成融合平臺(tái)，將空間資源內(nèi)利用效率提高，解決利益矛盾，為大數(shù)據(jù)的采集提供了一個(gè)有效媒介。在住建部《“多規(guī)合一”業(yè)務(wù)協(xié)同平臺(tái)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中也曾提出有條件的城市可在BIM應(yīng)用的基礎(chǔ)上建立CIM，建立規(guī)劃、建設(shè)、管理精細(xì)化應(yīng)用模型。另外我國的北斗系統(tǒng)高密度組網(wǎng)，為智慧城市的數(shù)據(jù)傳遞和提取的國產(chǎn)化實(shí)現(xiàn)提供了前提。

此系統(tǒng)的構(gòu)建使國內(nèi)的部分城市已經(jīng)走在了智慧城市建設(shè)的前列。常州市從空間形態(tài)及地理信息數(shù)據(jù)的整合，二次軟件技術(shù)開發(fā)，到數(shù)據(jù)子系統(tǒng)開發(fā)，提取，都可以通過“智慧常州”數(shù)據(jù)信息采集平臺(tái)實(shí)現(xiàn)成果信息的自動(dòng)提取、轉(zhuǎn)錄、統(tǒng)計(jì)、運(yùn)籌及應(yīng)用。近些年研究的較為火熱的海綿城市、韌性城市都是在數(shù)據(jù)倉庫的語境下，通過ETL離線、Flume、Kafka實(shí)時(shí)、互聯(lián)網(wǎng) Crawler，DPI等展開城市物理環(huán)境、產(chǎn)業(yè)POI、交通組織、生態(tài)保育、基礎(chǔ)設(shè)施、擬態(tài)體驗(yàn)、人文感受等方面的數(shù)據(jù)采集。而5G網(wǎng)絡(luò)是未來數(shù)據(jù)收集的主陣地，采集的大數(shù)據(jù)如果運(yùn)用實(shí)時(shí)流式，處理涉及數(shù)據(jù)的聚合，數(shù)據(jù)的處理和展現(xiàn)能夠在秒級(jí)或者毫秒級(jí)得到響應(yīng)。Flume專注于大數(shù)據(jù)的收集和傳輸類似的大數(shù)據(jù)開源系統(tǒng)有 Logstash 和 Fluentd。MapReduce可以做批量計(jì)算，計(jì)算完成的數(shù)據(jù)如需數(shù)據(jù)倉庫的存儲(chǔ)，直接存入 Hive，然后從Hive進(jìn)行展現(xiàn)。有些則會(huì)運(yùn)用交互的OLAP和OLTP，但這些信息還不足以涵蓋所有。智慧城市的核心“以人為本”最終是由程序化運(yùn)算向人工智能邏輯的過渡。信息采集需要5G網(wǎng)絡(luò)的速度，更離不開信息管廊的建設(shè)。智慧城市的管理一般都是平臺(tái)化處理，而能夠?qū)⑿畔⒃谄脚_(tái)上處理則離不開信息源和信息流，CIM是智慧城市構(gòu)建中的左膀右臂，那么5G則是它的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)高效能的管理和運(yùn)維系統(tǒng)不僅靠硬件還需要軟件的支撐，多元大數(shù)據(jù)交叉采集處理系統(tǒng)是智慧城市構(gòu)建中的神經(jīng)中樞。

4 城市生態(tài)空間監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

美國早在1997年就開始對(duì)城市的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了監(jiān)控，有些是以流域單元為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行流域水文和水質(zhì)的監(jiān)測(cè)，并建立了城市碳通量觀測(cè)塔，有的則以城市整體為著眼點(diǎn)，采用網(wǎng)格分層雙密度采樣布點(diǎn)和社會(huì)調(diào)查的舉措，為城市生態(tài)系統(tǒng)長期演變規(guī)律研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2]2016年國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃的通知，提到生態(tài)文明建設(shè)要擺在更加重要的戰(zhàn)略位置，堅(jiān)持綠色發(fā)展、標(biāo)本兼治就是要在智慧城市系統(tǒng)構(gòu)建中將生態(tài)環(huán)境問題這塊短板補(bǔ)齊。于此同時(shí)，國內(nèi)的生態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)還大多處于人工巡查階段，如何能夠?qū)?shí)時(shí)的環(huán)境反映在眼前還要考慮成本控制，是很多西方國家都在致力解決的。利用衛(wèi)星進(jìn)行檢測(cè)的成本很高，只能實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域重點(diǎn)地段的階段性監(jiān)測(cè)。而5G的高頻傳輸技術(shù)為此提供了實(shí)現(xiàn)的可能，通過地面網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)的高質(zhì)量和穩(wěn)定。

國內(nèi)一些企業(yè)已經(jīng)建立城市生態(tài)環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系。利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將傳統(tǒng)的三維地貌與數(shù)據(jù)傳感、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)查詢合而為一，將生態(tài)學(xué)、氣象學(xué)、地理學(xué)、水文學(xué)、森林學(xué)等交叉學(xué)科的數(shù)據(jù)進(jìn)行平臺(tái)整合，利用5G網(wǎng)絡(luò)將地區(qū)內(nèi)布建的各類環(huán)境監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)（包括空氣質(zhì)量指標(biāo)，土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)）所采集的數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型生成的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)上傳智慧城市生態(tài)云平臺(tái)，為生態(tài)環(huán)境演變突變、災(zāi)害預(yù)測(cè)、管控治理等提供了有力支撐。

國內(nèi)某些大學(xué)建立的區(qū)域與城市空氣質(zhì)量和灰霾天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，正是基于中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站所提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)報(bào)的。水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、土壤質(zhì)量監(jiān)測(cè)、植物植被監(jiān)測(cè)、環(huán)境演變預(yù)測(cè)在智慧城市建設(shè)中所提供的數(shù)據(jù)與城市環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)修復(fù)修補(bǔ)，以及政府決策均有著直接關(guān)系。城市生態(tài)空間監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)是智慧城市構(gòu)建中的血肉。

5 城市動(dòng)態(tài)管理與可視化設(shè)計(jì)構(gòu)建

隨著地下管線、構(gòu)筑物等城市地下空間基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)模和密度的增大，現(xiàn)代城市規(guī)劃建設(shè)和管理從二維向三維轉(zhuǎn)變。運(yùn)用CIM將規(guī)劃、國土、市政、交通、水利、安防、人防等各自為政的主管部門管理制度向協(xié)同管理，多管合一的動(dòng)態(tài)管理，有利于打破部門壁壘，避免資源要素間的人為分界與管理上的交叉重疊，還可以通過統(tǒng)一協(xié)調(diào)資源、法律規(guī)章等，對(duì)城市的動(dòng)態(tài)發(fā)展隨時(shí)調(diào)控，在存量規(guī)劃中實(shí)現(xiàn)人、地、錢掛鉤。建立BIM和三維傾斜攝影以及三維激光掃描等技術(shù)為基礎(chǔ)的多方參與城市可視化平臺(tái)，以此用于解決建筑、社區(qū)、城市層面信息不關(guān)聯(lián)和縱向斷層的問題。智慧動(dòng)態(tài)管理的物質(zhì)化是運(yùn)用建設(shè)運(yùn)營可視化實(shí)現(xiàn)智慧城市的終極目標(biāo)。以往靜態(tài)三維展示已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理的需求，城市的管理需要海量的數(shù)據(jù)與平臺(tái)進(jìn)行輸送，智慧交通、智慧就醫(yī)、應(yīng)急安防、智慧建筑、智慧能源、智慧社區(qū)都需要有專業(yè)的設(shè)備和專業(yè)的人員進(jìn)行管理。將城市管理的大任務(wù)分擔(dān)到社區(qū)、到居民家中，讓城市居民也參與到管理中來，建立人—空間—網(wǎng)絡(luò)復(fù)合智慧系統(tǒng)，讓智慧城市的運(yùn)營和管控朝著人與物理系統(tǒng)整合的方向邁進(jìn)[3]。

北京、南京、貴陽等以數(shù)字經(jīng)濟(jì)和智慧產(chǎn)業(yè)為支撐的新型智慧城市已成為我國戰(zhàn)略推進(jìn)、經(jīng)濟(jì)崛起的主要陣地，在智慧產(chǎn)業(yè)提升城鎮(zhèn)化質(zhì)量、在公共交通、買菜購物、就醫(yī)安防等方面使得人民的幸福感逐步提升。“城市大腦”逐步構(gòu)建也使得城市的管理不再由人主導(dǎo)，城市動(dòng)態(tài)管理與可視化設(shè)計(jì)由智慧城市構(gòu)建中的大腦承擔(dān)。

6 結(jié)語與展望

智慧城市是一項(xiàng)涉及物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等眾多技術(shù)的復(fù)雜巨系統(tǒng)。隨著5G時(shí)代的來臨，大容量、低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)傳輸將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，人類將進(jìn)入萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，智慧城市建設(shè)也將步入一個(gè)嶄新階段。這些便利的條件也為智慧城市規(guī)劃的發(fā)展提供了基礎(chǔ)，延伸到規(guī)劃領(lǐng)域即城市信息模型（City Information Modeling)的建立，即以城市信息數(shù)據(jù)為基數(shù)，建立起三維城市空間模型和城市信息的有機(jī)綜合體，將動(dòng)態(tài)管理的大腦思維與數(shù)據(jù)處理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合。加之，信息管廊的骨架延伸配合，監(jiān)控預(yù)警的血肉感知，智慧城市未來的發(fā)展前途無量。智慧城市在新時(shí)代的提出，完全能夠?qū)崿F(xiàn)國家與城市協(xié)調(diào)，達(dá)到為人民服務(wù)的宗旨。而CIM這個(gè)概念的提出，把視野從單體建筑拉高到建筑群和城市一級(jí)，給予智慧城市更加有力的支撐[4]。5G網(wǎng)絡(luò)和CIM的共同技術(shù)支撐，為智慧城市系統(tǒng)的構(gòu)建提供了無限的可能性。最后，也還是要警惕CIM和5G的在城市建設(shè)中的“灰犀?！?。