生態(tài)新區(qū)智慧化頂層設(shè)計(jì)及智慧應(yīng)用場(chǎng)景規(guī)劃的實(shí)施研究

曲 慧 娟

中國(guó)建筑上海設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200333

0 引言

新區(qū)當(dāng)?shù)厥形姓岢鼋ㄔO(shè)江蘇東部綜合交通樞紐,長(zhǎng)三角北翼產(chǎn)業(yè)高地,全省創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展示范地區(qū),宜居宜業(yè)幸福之城的戰(zhàn)略定位,并提出將5G建設(shè)融入智慧城市建設(shè)大局,持續(xù)推進(jìn)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、智能制造等產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用,深入開(kāi)展智慧城市惠企、惠民系列活動(dòng).以5G、區(qū)塊鏈、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù),賦能市縣建設(shè)和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng),重塑市縣核心競(jìng)爭(zhēng)力,打造愈加科學(xué)化、精細(xì)化、智能化、智慧化的市縣綜合治理和服務(wù)水平,加快打造智慧城市的建設(shè)步伐.

本次建設(shè)的智慧新區(qū)位于城市西北部,設(shè)計(jì)過(guò)程中需充分考慮承接南部中心城區(qū)的生活外溢,并為東側(cè)產(chǎn)業(yè)區(qū)域提供配套功能.新區(qū)規(guī)劃面積約8 km2,具有生態(tài)廊道、文化園、禪寺、書院等旅游資源,亦可打響江海文明起源、教育之鄉(xiāng)、長(zhǎng)壽之鄉(xiāng)等文化品牌.可培育發(fā)展生態(tài)休閑、文教、康養(yǎng)等文旅產(chǎn)業(yè).綜上,新建具有良好的自然基底和文化資源,可作為生態(tài)智慧新區(qū)建設(shè)試點(diǎn).

1 基本設(shè)計(jì)原則

頂層設(shè)計(jì)原則:以構(gòu)建大數(shù)據(jù)平臺(tái)和服務(wù)能力平臺(tái)為頂層架構(gòu),要求所有新建系統(tǒng)必須與新區(qū)管理大腦平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和能力的對(duì)接互通,并積極推動(dòng)在此過(guò)程中的標(biāo)準(zhǔn)制定[1].

應(yīng)用導(dǎo)向原則:以創(chuàng)新發(fā)展為驅(qū)動(dòng),生態(tài)宜居為導(dǎo)向,以新區(qū)管理大腦為智能決策支撐,達(dá)到智慧應(yīng)用的效果.

試點(diǎn)優(yōu)先原則:先試點(diǎn)后推廣,遴選支撐廠家,為了將頂層設(shè)計(jì)方案更好實(shí)施,選取綠廊區(qū)作為試點(diǎn),待綠廊區(qū)內(nèi)試運(yùn)行各智慧應(yīng)用,并建設(shè)智慧管理中心作為智慧新區(qū)的分控中心.驗(yàn)證應(yīng)用效果后,在先行先試的基礎(chǔ)上進(jìn)行可升級(jí)拓展.

加速推廣原則:有成效試點(diǎn)方案推廣,樹(shù)立標(biāo)桿,形成影響力.

2 新區(qū)現(xiàn)狀及建設(shè)愿景

數(shù)字化不徹底,缺少基礎(chǔ)感知設(shè)備.需構(gòu)建高效可靠的感知基礎(chǔ)設(shè)施,保障新區(qū)各業(yè)態(tài)建筑群及市政區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)即時(shí)響應(yīng),及時(shí)應(yīng)對(duì).

分散化管理、交通、旅游、公安、環(huán)保等各部門均獨(dú)立系統(tǒng).頂層規(guī)劃階段需優(yōu)化城市治理的多維資源配置[2]:基于一網(wǎng)統(tǒng)管系統(tǒng)打通交通、公共安全、生態(tài)、社區(qū)、旅游、商業(yè)等體系,充分挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值,實(shí)現(xiàn)生態(tài)新區(qū)全域交通態(tài)勢(shì)和人群集聚狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知.

管理系統(tǒng)各系統(tǒng)獨(dú)立,信息孤島化[3],管理人員管理復(fù)雜.創(chuàng)新城市智慧管理模式:在數(shù)字孿生新區(qū)的基礎(chǔ)上加上新區(qū)管理大腦智能中樞的技術(shù),以安全高效便捷的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)為基礎(chǔ),打造無(wú)人機(jī)巡航,無(wú)人公交運(yùn)輸,無(wú)人車清掃等多種智能應(yīng)用示范場(chǎng)景,實(shí)現(xiàn)新區(qū)管理由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng),定性變?yōu)槎?靜態(tài)變?yōu)閯?dòng)態(tài),單一變?yōu)榫C合,滯后變?yōu)閷?shí)時(shí),最終實(shí)現(xiàn)科學(xué)、精細(xì)、智能、智慧的管理.

3 頂層設(shè)計(jì)及場(chǎng)景規(guī)劃

整體采用1+1+N的架構(gòu)如圖1所示,即建設(shè)1網(wǎng),1腦的底座平臺(tái),實(shí)現(xiàn)N個(gè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景板塊.

圖1 智慧新區(qū)總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of smart new area

1網(wǎng):即全域感知網(wǎng),建設(shè)3類感知基礎(chǔ)設(shè)施,構(gòu)建覆蓋智慧新區(qū)的全域感知網(wǎng),基于5G將智能視頻/物聯(lián)網(wǎng)神經(jīng)元/無(wú)人執(zhí)勤納入一網(wǎng)管理,并進(jìn)行統(tǒng)一運(yùn)維.

1腦:即新區(qū)管理大腦,構(gòu)建基于3DGIS+BIM+IBMS的數(shù)字孿生底座,以及包含全量分析的城市級(jí)數(shù)據(jù)中臺(tái)和統(tǒng)一計(jì)算、統(tǒng)一交互的智能中臺(tái)，支撐新區(qū)管理大腦[4];

N個(gè)智慧應(yīng)用:包括新區(qū)全域安全板塊,智慧交通管理板塊,智慧生態(tài)監(jiān)控板塊,智慧旅游服務(wù)板塊,智慧商業(yè)綜合管理板塊(系統(tǒng)對(duì)接),智慧社區(qū)綜合管理板塊(系統(tǒng)對(duì)接),智慧醫(yī)療服務(wù)管理板塊(系統(tǒng)對(duì)接),智慧教育服務(wù)管理板塊(系統(tǒng)對(duì)接)等應(yīng)用.

3.1 全域感知網(wǎng)設(shè)計(jì)

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中,充分分析新區(qū)各區(qū)域?qū)W(wǎng)絡(luò)的具體要求,如市政采用5G+光纜進(jìn)行通訊;智慧社區(qū)采用NB-IOT/Lora+光纜進(jìn)行通訊,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示.

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.2 Network topology

針對(duì)3大類感知終端,采取了不同的接入處理方式.

視頻類數(shù)據(jù)通過(guò)前端接入邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn),將結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)接入公有云,便于新區(qū)管理大腦后續(xù)智能分析,對(duì)外統(tǒng)一提供服務(wù).同時(shí)敷設(shè)光纜,保障有線傳輸條件.

神經(jīng)元終端,包括智能垃圾箱/智能井蓋/智能路燈/環(huán)境傳感/水質(zhì)傳感/水位傳感等各類傳感器設(shè)備,通過(guò)NB-IOT/Lora網(wǎng)關(guān)與基站通信,然后接入公有云應(yīng)用服務(wù)器[5].同時(shí)敷設(shè)光纜,保障有線傳輸條件.

無(wú)人機(jī)及其他無(wú)人終端系統(tǒng),基于5G的高速通道,低時(shí)延等特點(diǎn),統(tǒng)一采用5G無(wú)線通信接入.

秉著政府對(duì)智慧化新區(qū)、智能化管理為需求出發(fā)點(diǎn)[6],結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延、高寬帶、高可靠的通信網(wǎng)絡(luò)特性,對(duì)新區(qū)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了綜合整體規(guī)劃,并對(duì)該規(guī)劃城區(qū)的廣福路生態(tài)廊道的5G網(wǎng)絡(luò)布置做了詳細(xì)規(guī)劃.力求實(shí)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)的5G全覆蓋,采用宏站基為主,小基站為深度覆蓋,針對(duì)重點(diǎn)黨政機(jī)關(guān)/醫(yī)院及城區(qū)分控中心采用室內(nèi)分布為主,實(shí)現(xiàn)室分5G網(wǎng)格的良好覆蓋.

3.2 新區(qū)管理大腦設(shè)計(jì)

構(gòu)建全面實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)字孿生底座:數(shù)字孿生底座[7]可以將現(xiàn)實(shí)的新區(qū)完全數(shù)字化,便于更直觀地對(duì)新區(qū)各智能化模塊進(jìn)行管控.

數(shù)字孿生新區(qū)的核心應(yīng)用是云側(cè)的具備智能操控能力的城市大腦,端側(cè)全域感知能力,網(wǎng)側(cè)的智能交互能力都屬于物理城市的基礎(chǔ)設(shè)施,通過(guò)端/網(wǎng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)城市的互聯(lián)與映射.通過(guò)數(shù)字規(guī)劃、數(shù)字建設(shè)、數(shù)字運(yùn)營(yíng)搭建起來(lái)的城市時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)，是支撐數(shù)字孿生新區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施,相當(dāng)于數(shù)字城市的操作系統(tǒng).

數(shù)字孿生新區(qū)的操作系統(tǒng)——新區(qū)空間大數(shù)據(jù)平臺(tái)是依托GIS(地理信息系統(tǒng))+BIM(建筑信息模型)+IOT+AI等技術(shù)[8].智慧管理大腦架構(gòu)如圖3所示.

在規(guī)劃階段,在智慧大腦模型中將各項(xiàng)規(guī)劃數(shù)據(jù)(如市政/通信/交通等)導(dǎo)入,統(tǒng)一規(guī)劃避免后期出現(xiàn)管路碰撞,重復(fù)施工等現(xiàn)象.

在建設(shè)階段,以智慧大腦模型為基礎(chǔ),對(duì)新區(qū)建設(shè)從擴(kuò)初設(shè)計(jì),施工階段到后期竣工驗(yàn)收全過(guò)程管控.

在運(yùn)管階段,基于智慧大腦模型,可實(shí)現(xiàn)對(duì)新區(qū)市政基礎(chǔ)設(shè)施、地下管網(wǎng)、各大型綠地生態(tài)環(huán)境、新區(qū)內(nèi)道路交通等運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控,并可進(jìn)行統(tǒng)一呈現(xiàn).

圖3 智慧大腦架構(gòu)Fig.3 Management brain architecture

3.3 智慧應(yīng)用場(chǎng)景規(guī)劃

3.3.1 智慧交通

智能燈桿系統(tǒng):為新能源車輛提供充電樁,太陽(yáng)能供電LED照明,集成智能監(jiān)控,信息發(fā)布,WiFi基站和環(huán)境檢測(cè)等功能[9].包含綠廊/景區(qū)照明及市政道路照明.可以遠(yuǎn)程控制各種道路照明燈/景觀燈/建筑泛光燈,具備開(kāi)關(guān)/調(diào)光/監(jiān)測(cè)/報(bào)警等單燈控制/回路控制以及場(chǎng)景照明控制功能,實(shí)現(xiàn)了景觀照明節(jié)能化、網(wǎng)絡(luò)化、智慧化.

智能信號(hào)燈:打造路口信號(hào)燈實(shí)現(xiàn)100 %網(wǎng)聯(lián)控制的智能信號(hào)燈,利用傳感網(wǎng)絡(luò)與多角度信息發(fā)布,智能調(diào)節(jié)信號(hào)燈,實(shí)現(xiàn)行人/車輛/信號(hào)燈/斑馬線聯(lián)動(dòng)的交通系統(tǒng),提高通行效率.

通過(guò)智能信號(hào)燈系統(tǒng)的建設(shè),提供流量排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè),實(shí)時(shí)分析車流量確定紅綠燈時(shí)長(zhǎng),信號(hào)燈故障檢測(cè),交通違法行為抓拍,行為事件檢測(cè)并推送,全天候調(diào)度響應(yīng)等多種功能.以綠廊試點(diǎn)區(qū)道路為例進(jìn)行設(shè)計(jì)如圖4所示.

圖4 示范區(qū)丹鳳路智能點(diǎn)位圖Fig.4 Intelligent point map of Danfeng road in demonstration area

智能公交站牌:緊密結(jié)合新區(qū)公共交通的具體實(shí)際情況,新區(qū)以生態(tài)園區(qū)及社區(qū)為主,公共交通利用率較高,為了提高市民舒適感,打造集候車/信息查詢/廣告宣傳/背景音樂(lè)廣播/高清視頻監(jiān)控/WIFI/移動(dòng)充電等多功能于一體的太陽(yáng)能供電的智能公交站臺(tái),可即時(shí)在公交站臺(tái)及手機(jī)查看各路公交車的線路信息/到站時(shí)間/車內(nèi)人員密度等信息,使公共交通更加舒適,更加人性化,有利于倡導(dǎo)新區(qū)居民綠色出行,打造生態(tài)新區(qū).

無(wú)人駕駛擺渡車:針對(duì)社區(qū)、綠廊公園、景區(qū)等熱門站點(diǎn),打造車路協(xié)同的無(wú)人駕駛道路,開(kāi)展5G無(wú)人駕駛公交示范.構(gòu)建路網(wǎng)綜合運(yùn)行監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng),打造人-車-路協(xié)同的綜合感知體系全程交通流監(jiān)測(cè).在一期綠廊示范區(qū)設(shè)置3條無(wú)人駕駛擺渡車觀光路線,分別為綠廊外部市政路環(huán)線 (共設(shè)置6個(gè)站點(diǎn))詳見(jiàn)圖5;綠廊3區(qū)內(nèi)部環(huán)線;綠廊5～6區(qū)內(nèi)部環(huán)線.游客可通過(guò)手機(jī)對(duì)無(wú)人駕駛擺渡車進(jìn)行預(yù)約,外部環(huán)線僅可于站點(diǎn)上下車,內(nèi)部環(huán)線可根據(jù)實(shí)時(shí)定位上車.手機(jī)可以看到預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間以及車內(nèi)空位情況.

無(wú)人駕駛擺渡車內(nèi)部AI控制系統(tǒng),可與乘客進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)話,乘客可通過(guò)語(yǔ)音對(duì)車內(nèi)背景音樂(lè)/空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行控制.

智能交通誘導(dǎo):針對(duì)規(guī)劃區(qū)域內(nèi)停車誘導(dǎo)系統(tǒng)全部實(shí)現(xiàn)三級(jí)誘導(dǎo)[5].道路信息實(shí)時(shí)更新,全角度LED顯示交通狀況、氣象等信息,給途經(jīng)車輛推送交通信息及限速提醒.

圖5 示范區(qū)無(wú)人駕駛擺渡車路線規(guī)劃Fig.5 Route planning of driverless ferry vehicles in demonstration area

3.3.2 智慧生態(tài)

新區(qū)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與環(huán)境信息化相結(jié)合,針對(duì)大氣污染源/水體污染源和土壤污染源等對(duì)人類生活影響最大的三類污染源[8],打造智慧生態(tài)系統(tǒng).

環(huán)境監(jiān)測(cè):針對(duì)新區(qū)的河道/綠廊及其他大型綠地/空氣/水/土壤等生態(tài)環(huán)境,建設(shè)智能環(huán)境監(jiān)測(cè)及生態(tài)灌溉,河道環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng);通過(guò)無(wú)人機(jī)河道自動(dòng)巡檢技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)河道水質(zhì)污染/空氣質(zhì)量/垃圾/違建的智能識(shí)別;開(kāi)展無(wú)人清掃車示范,實(shí)現(xiàn)自主定時(shí)清掃,打造全局生態(tài)管理系統(tǒng),形成統(tǒng)一的指揮應(yīng)急體系,實(shí)時(shí)掌控區(qū)域內(nèi)空氣、水體、重點(diǎn)區(qū)域等生態(tài)變化.

水位監(jiān)測(cè):達(dá)到預(yù)警水位時(shí),綠廊沿河區(qū)域需報(bào)警,提醒游客謹(jǐn)慎通行;達(dá)到危險(xiǎn)水位時(shí),警示禁止在沿河景觀區(qū)逗留.發(fā)生告警時(shí)系統(tǒng)將警情上傳至管理大腦提醒相關(guān)人員做出應(yīng)對(duì),可直接降低出現(xiàn)淹沒(méi)車輛致人死亡的事件發(fā)生.

生態(tài)灌溉:智能病蟲(chóng)害檢測(cè),智能灌溉.智能病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)生態(tài)綠廊、市政綠地等區(qū)域的植物進(jìn)行病蟲(chóng)害監(jiān)控,有利于園林技術(shù)人員及時(shí)掌握各大型綠地的病蟲(chóng)害情況.智能灌溉可實(shí)現(xiàn)生態(tài)區(qū)綠植護(hù)理過(guò)程智慧化,養(yǎng)護(hù)信息通過(guò)實(shí)時(shí)采集的空氣溫度及土壤濕度信息,通過(guò)模糊運(yùn)算控制器[10],智能輸出合適的灌水量,同時(shí)可通過(guò)手機(jī)等智能終端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,達(dá)到精準(zhǔn),及時(shí)灌溉.

3.3.3 其他智慧應(yīng)用場(chǎng)景接口要求

采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),即XML格式.采用面向服務(wù)的架構(gòu),以保障業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)[11],預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)等需要向第三方系統(tǒng)傳送需要的數(shù)據(jù),且于第三方系統(tǒng)的格式規(guī)范相匹配.數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的規(guī)則可靈活配置，可進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),自由擴(kuò)充以最大程度滿足管理需求.

4 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)新區(qū)頂層設(shè)計(jì)及場(chǎng)景應(yīng)用規(guī)劃時(shí),充分考慮與城市現(xiàn)有智慧城市平臺(tái)對(duì)接,充分利用現(xiàn)有資源及數(shù)據(jù)庫(kù),做到資源利用最大化.充分利用新信息技術(shù),賦能完善新區(qū)應(yīng)用場(chǎng)景,徹底顛覆傳統(tǒng)管理,實(shí)現(xiàn)預(yù)防為先與動(dòng)態(tài)治理的緊密結(jié)合,以生態(tài)宜居為特色目標(biāo),完善和優(yōu)化園林綠化的日常養(yǎng)護(hù),監(jiān)控分析,蟲(chóng)害預(yù)警,古樹(shù)保護(hù),智能灌溉等工作,加強(qiáng)對(duì)新區(qū)所涉及到的人/車/物/事進(jìn)行全過(guò)程實(shí)時(shí)智能監(jiān)控[11],提高管理水平,提高宜居競(jìng)爭(zhēng)力,出行便利度,社會(huì)安全性，打造生態(tài)宜居,數(shù)據(jù)融合的智慧示范生態(tài)新區(qū).