一文看懂智慧城市最前沿的几大研究热点

2020-11-25 浏览数：

随着科学技术的发展，智慧城市早已经不再是一个无法具现化的名词。在城市中，万物智联的场景比比皆是，而城市发展的理念也由最开始的以技术为导向逐渐向以人的需求为导向开始转变。

在搭建智慧城市的过程中，许多技术不断迭代更新，更多的研究项成为热点。今天我们就通过一篇内容来简单盘点一下“智慧城市最前沿的几大研究热点”

1.数字孪生-城市发展新路径

作为未来智慧城市的发展路径，数字孪生在过去一段时间内成为该领域的绝对热门。倡导这一发展理念的是李德仁院士。

所谓数字孪生，是指充分利用物理模型和物联网传感器采集的全生命周期的运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间完成映射，从而反映相对应的实体对象的全生命周期过程。

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(图片来源：达实智能家居公众号，侵删)

简单来讲，就是通过物联网、人工智能等手段将物理实体和系统的属性、状态、功能和行为映射到虚拟世界，形成高保真的动态。

而数字孪生城市，就是让物理城市的所有动态静态的要素数字化，在网络空间再造一个与之对应的虚拟城市。在这一基础上，当公共疫情再次发生时，就可以用网络空间的数字孪生城市的监控来代替对物理城市的封城。

数字城市的最高阶段是数字孪生的智慧城市。李德仁院士此前提到，随着物联网技术的不断发展升级，室内导航卫星定位等将带来技术保障，应在公共场所建立高精度定位系统，在发生重大公共卫生事件时，精准跟踪确诊者或疑似患者的密切接触者，用这种方式取代"封城"，将减少无人空间的损失，更好保证人民正常的生产生活和健康安全。

"具有深度学习能力、虚实融合、迭代进化的数字城市，相比于工业制造的产品生命周期，城市的生命周期更长，效益将更大。"

点评：从工业走向城市，数字孪生将面临更加复杂的局面，因此建设节奏也会相对缓慢。但不可否认的是，数字孪生是一条新兴技术路径，是城市智能化的前沿模式。

2.时空大数据平台-城市信息实时可控

时空大数据平台建设这两年一直很火，包括很多智慧城市政策文件、城市群协同发展文件都明确提出这一点。

作为智慧城市领域泰斗级人物，王家耀院士是地图学与地理信息工程专家，中国工程院院士，河南大学教授，河南省时空大数据产业技术研究院院长，主要从事"地图制图学与地理信息工程"学科专业教学与科研工作。

王家耀院士刚开始提出来"时空大数据"的时候很多人不理解，有的人甚至反对。"所有的大数据都是时空大数据，这是我基本的观点。"时空大数据，指基于统一的时空基准（空间参照系统、时间参照系统），活动（运动变化）于时间和空间中与位置直接（定位）或间接（空间分布）相关联的大数据。

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(图片来源：达实智能家居公众号，侵删)

时空大数据平台是把分散和分割的大数据汇聚到一定的平台上。时空大数据平台是大数据的核心价值。

王家耀提出一个通用时空大数据平台，这个平台怎么用？采用"通用时空大数据平台+"的模式来解决它的应用问题，所谓"+"就是+民用、+军用。把民用的很多数据融合在这个平台上，来构建新型智慧城市的"智脑"，构建政府综合决策支持系统、各部门业务系统等等。

从目前信息技术发展的水平来看，时空大数据平台构建可以采用四种既有共性又有特性的技术体制。包括：

基于网络服务（Web Service）的空间信息共享和空间数据互操作技术模式

基于网格服务（Grid Service）的信息资源共享与协同工作（协同解决问题）技术模式

基于云计算的时空信息服务模式

基于网格集成与弹性云的"混合式"时空信息服务模式。

这四种模式都是采用面向服务的体系架构（SOA），都是解决共享与服务的问题，但是共享的程度和服务的范围、方式是不完全相同的。网络服务与网格服务的技术标准有相同的，也有不同的，网络服务与网格服务的大趋势是兼容或"融合"，但标准是统一的国际或国家标准，服务提供方、请求方都必须清楚；而云服务标准可以是内部统一的，用户不必清楚。

点评：智慧城市的本质是促进信息资源的集约化，让城市信息和测绘地理信息高度融合。城市信息千变万化，更新频率超级迅速，掌握时空数据成为必然。

3.基于GIS的城市操作系统-突破目前GIS发展局限

所有数据都是对对象的描述，所以城市问题是空间问题，必须表达空间关系。据此他指出，智慧城市的操作系统非GIS莫属。作为智慧城市领域的领军人物，中国工程院院士、深圳大学智慧城市研究院院长郭仁忠一直秉持这一观点。

目前的GIS平台尚不能全面胜任智慧城市的全部需求。未来应以GIS平台为核心，打造智慧城市的操作系统。这是一项非常重要的工作，其核心要素和能力为：数据集成与融合、可视化表达以及开放式的二次开发环境。

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(图片来源：达实智能家居公众号，侵删)

城市数据是十足的"大数据"，其特点是多元异构、时空交错。如何建大数据平台，怎么把它组织起来，怎么"上架"是个重要问题。其实最好的办法是利用三维地理信息系统（GIS）模型，因为所有数据都发生在城市的地理空间中，所有数据都有其位置属性。所有数据都可以用位置属性这个"关键词"进行关联，进行管理。

这个基于三维地理模型的操作系统是智慧城市"基础之基础、核心之核心、关键之关键"。它必须是可视化的、可仿真的、可模拟的。有了这样一个"超市"，数据集成后就可以做很多分析，比如通过摄像头了解某区域的人口分布，进行空间管理，遇到紧急情况可用系统来优化疏散，缩短避险时间。比如做立体仓储、商场热力图、建设云端博物馆、进行数字化体验式购物等。

基于三维地理模型的智慧城市操作系统是智慧城市建设的基本逻辑，但并非唯一逻辑。智慧城市建设可以遵循不同的逻辑，智慧城市也不应仅坚守一个平台。

点评：虚拟城市环境是我们进行智慧城市建设的数字基础，也是空间基础，是智慧城市建设不可或缺、必须完成的工作。

4.BIM与CIM-虚实交互的建设

BIM是指建筑信息模型(Building Information Modeling)，简单地说，BIM就是贯穿从建筑的设计、施工、运行直至终结的建筑全寿命周期，将各种信息始终整合于一个三维模型信息数据库中。

借助BIM这个高度集成的三维模型，极大地提高了建筑工程的信息化程度，为建筑工程项目涉及的各方人员提供一个工程信息交换和共享的平台。

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(图片来源：达实智能家居公众号，侵删)

然而，BIM在提供精确的地理位置、建筑物周边环境整体展示和空间地理信息分析上存在不足，而三维GIS(地理信息模型)正好可以对这些不足进行补充，完成建筑物的地理位置定位及周边环境空间分析，完善大场景的展示，使得信息更完整及全面。通过和GIS技术进行融合，BIM的应用范围从单一建筑物拓展到建筑群以及道路、隧道、铁路、港口、水电等工程领域。

BIM整合的是城市建筑物的整体信息，而GIS则整合及管理建筑物的外部环境信息，它们的融合创建了一个包含城市大量信息的虚拟城市模型。因而，引出了CIM的概念。

CIM是指城市信息模型(City Information Modeling)，是以城市信息数据为基础，建立起三维城市空间模型和城市信息的有机综合体。从狭义上的数据类型上讲，CIM是由大场景的GIS数据+BIM数据构成的，属于智慧城市建设的基础数据。基于BIM和GIS技术的融合，CIM将数据颗粒度精确到城市建筑物内部的单个模块，将静态的传统数字城市增强为可感知的、实时动态的、虚实交互的智慧城市，为城市综合管理和精细治理提供了重要的数据支撑。

在2019年，国家提出加快构建部、省、市三级CIM平台建设框架体系。也是在同一年，国家发改委29号令提出城市信息模型（CIM）纳入"鼓励类"产业。这两大信号助推了CIM的强势发展。

同济大学吴志强院士对CIM的定义进行了做出了进一步的拔高，提出城市智慧模型(City Intelligent Model)。吴院士指出，BIM是单体，CIM是群体，BIM是CIM的细胞。要解决智慧城市的问题，仅靠BIM这个单个细胞还不够，需要大量细胞再加上网络连接构成的CIM才可以。

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点评：CIM 背后的本质就是数据模型加算法，整套方法论都是由数据驱动的，它是城市数据的集成和动态的分析。基于CIM的新型智慧城市建设方法论能够设计出一套顶层设计注重协同、多元利益相关主体交互参与、改变政府主导单一建设的新模式。

5.城市5G-从民众走向产业

移动通信从第一代到现在5G来了从1G到5G，整个移动通信的发展十年一代，每一代都是前一代速率的1000倍。1G到4G是面向消费者的，5G扩展到产业互联网和智慧城市的应用，有三大应用场景：增强移动宽带场景，低功耗广覆盖场景和低时延高可靠场景。

5G和4G相比，峰值速率提高了30倍，用户体验速率提高了10倍，频谱效率提升了3倍，无线接口延伸减少90%，连接密度提高10倍，能效和流量密度各提高100倍，支持移动互联网和产业互联网的各方面应用。另外5G推动了人工智能跟物联网的结合，5G扩展了物联网的能力。

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(图片来源：达实智能家居公众号，侵删)

另外，5G开拓了8K视频的应用，不单是分辨率的提升，每个像素的编码也增加了，动态范围扩展了。5G的高带宽低时延可以直播8K视频，并且可以把运动场上多个摄像机位的信号同时播出来，组成360度的场景，使得场外观众有跟坐在运动场上一样的感受，可以随心所欲看到每一个角度的视频。

5G有更大的应用，包括电网、港口、炼油厂、建筑公司、冶金企业、机械加工企业、化工企业都可以应用。

站在今天推广5G的前沿地带，中国工程院院士，光纤传送网与宽带信息网专家，中国互联网协会理事长邬贺铨做出了很大贡献。他是中国工程院院士，光纤传送网与宽带信息网专家，是中国最早从事数字通信技术研究的骨干之一，多年连续参加ITU-T网络标准研究组会议，多次参与了中国通信发展的决策。

点评：原来4G之前的网络基本上都是设备厂商和运营商共同打造的一张网，提供的一种标准化的运营或流量服务，但5G不仅仅要讲好流量的故事，还要转向以多样化的、多层次的、多模式并举的价值经营。正如德国的化工巨头巴斯夫讲过的一段话：有了5G网络，我们可以自己决定网络的质量，还能保证数据的可用性、机密性和完整性。

6.智能建筑-回到宜居的本质

智能建筑是集现代科学技术之大成的产物。

其技术基础主要由现代建筑技术、现代电脑技术、现代通讯技术和现代控制技术所组成。主要面向办公楼、商业综合楼、文化、媒体、学校、体育场馆、医院、交通、工业建筑、住宅小区等新建、扩建或改建工程，通过对建筑物智能化功能的配备，实现高效、安全、节能、舒适、环保和可持续发展的目标。

通过将建筑物的结构、系统、服务和管理根据用户的需求进行最优化组合，从而为用户提供一个高效、舒适、便利的人性化建筑环境。

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在我国，由于智能建筑的理念契合了可持续发展的生态和谐发展理念，所以我国智能建筑主要更多凸显出的是智能建筑的节能环保性、实用性、先进性及可持续升级发展等特点，和其他国家的智能建筑相比，我国更加注重智能建筑的节能减排，更加追求的是智能建筑的高效和低碳。这一切对于节能减排降低能源消耗等都具有非常积极的促进作用。

随着我国社会生产力水平的不断进步，计算机网络技术、现代控制技术、智能卡技术、可视化技术、无线局域网技术、数据卫星通信技术等技术水平的不断提升，智能建筑将会在未来我国的城市建设中发挥更加重要的作用，将会作为现代建筑甚至未来建筑的一个有机组成部分，不断吸收并采用新的可靠性技术，不断实现设计和技术上的突破，为传统的建筑概念赋予新的内容。

孟建民院士是这一领域代表人物，他指出中国城市的历史演进过程中面临的交通拥堵、城市废弃物剧增、城市人口亚健康、环境污染、自然灾害、公共事务效率低下等城市问题的根本，在于现在智慧城市建设的核心问题是缺乏"以人为本"的顶层规划。