基于5G網(wǎng)絡和CIM的智慧城市系統(tǒng)構建探索

2012年首批90個國家智慧城市試點城市作為開拓者，歷經(jīng)十年的探索，中國的智慧城市建設已進入新階段，一座座更高效、更靈敏、更可持續(xù)發(fā)展的城市正在應運而生。數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，截至2018年底，中國超過600個城市均已明確提出或正在建設智慧城市。2019年2月全球首個5G火車站建設啟動儀式在上海虹橋火車站開始，這意味著中國5G技術智慧化轉型應用里程碑式的突破。

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技術發(fā)展便取得了驕人的成績。5G網(wǎng)絡下的智慧城市系統(tǒng)建構順應了中國新型城鎮(zhèn)化發(fā)展進程，為解決城鎮(zhèn)化的發(fā)展難題，建設智慧城市、創(chuàng)建新型數(shù)字化城市已成為國家級戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃。在實現(xiàn)綠色、生態(tài)、現(xiàn)代化、信息化同步發(fā)展和“兩步走”戰(zhàn)略第二階段：即建成富強、民主、文明、和諧、美麗的社會主義現(xiàn)代化強國的奮斗目標具有重大歷史意義。

本文以城市規(guī)劃視角分析了基于5G網(wǎng)絡和CIM的智慧城市數(shù)字化建設系統(tǒng)構建——城市信息綜合管廊構建，多元大數(shù)據(jù)交叉釆集處理系統(tǒng)構建、城市生態(tài)空間監(jiān)控與預警系統(tǒng)構建、城市規(guī)劃動態(tài)管理與可視化設計構建。通過構建從理論系統(tǒng)框架到實踐的例舉，探討智慧城市系統(tǒng)建設可行性。

信息綜合管廊是5G網(wǎng)絡普及以后信息傳輸速度方面的重大突破，以往的網(wǎng)絡速度在構建信息通道時無法做到實時聯(lián)通，比如以往的遠程醫(yī)療手術僅有部分的醫(yī)院才有條件實現(xiàn)，而未來這樣的聯(lián)通在智慧城市建設中實現(xiàn)了全民普及。電信業(yè)推動著各行各業(yè)數(shù)字化轉型，可預測的“主動運維”乃至實現(xiàn)自動、自優(yōu)、自意和自治的“自動駕駛”網(wǎng)絡，以提升運維和運營效率是信息綜合管廊構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，但未能實現(xiàn)管道資源的全覆蓋，網(wǎng)絡的建設需要管廊的保駕護航，而網(wǎng)絡的質量提升為智慧城市的建設提供了可能。

自2015年起我國先后有25個城市成為地下綜合管廊試點城市，而這些城市幾乎覆蓋了智慧城市試點城市。其規(guī)?；?、智慧化、市場化運作的特點加上BIM技術構建和引入“元模型”智能化檢測手段，即刻可通過CIM中城市基礎設施監(jiān)控、模擬、預警、可視化操作，在所構建的模型上實現(xiàn)各種信息的關聯(lián)，不僅可以實時査看主體全部位置信息，而且還可以對任意部位進行剖切査看，使技術人員快速掌握主體的結構形式及其位置尺寸信息。

脫離傳統(tǒng)耗時費力的排査，運用手機等端口設備就可實現(xiàn)電力、通信、燃氣、供排水等市政設施的維護和檢修。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，降低了返修維護成本。目前國內(nèi)一些新區(qū)已經(jīng)能夠實現(xiàn)自動化養(yǎng)護數(shù)字平臺的構架，使5G時代的基礎設施的安全和維護管理逐步實現(xiàn)流程標準化、信息智能化、時效可視化。總之城市信息綜合管廊構建是智慧城市構建的骨架。

2018年自然資源部接手了城鄉(xiāng)規(guī)劃的管理職能，實行多規(guī)合一和多管合一將涉及城市發(fā)展的規(guī)劃落實到了一張藍圖上，運用一個共同的空間規(guī)劃平臺，形成融合平臺，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)的采集提供了一個有效媒介。在住建部《“多規(guī) 合一"業(yè)務協(xié)同平臺技術標準》中也曾提出有條件的城市可在BIM應用的基礎上建立CIM，建立規(guī)劃、建設、管理精細化應用模型。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)化實現(xiàn)提供了前提。

此系統(tǒng)的構建使國內(nèi)的部分城市已經(jīng)走在了智慧城市建設的前列。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)信息釆集平臺實現(xiàn)成果信息的自動提取、轉錄、統(tǒng)計、運籌及應用。

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、Flumex Kafka實時、互聯(lián)網(wǎng)Crawler, DPI等展開城市物理環(huán)境、產(chǎn)業(yè)P0I、交通組織、生態(tài)保育、基礎設施、擬態(tài)體驗、人文感受等方面的數(shù)據(jù)采集。

而5G網(wǎng)絡是未來數(shù)據(jù)收集的主陣地，采集的大數(shù)據(jù)如果運用實時流式，處理涉及數(shù)據(jù)的聚合，數(shù)據(jù)的處理和展現(xiàn)能夠在秒級或者毫秒級得到響應。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Fluentdo MapReduce可以做批量計算，計算完成的數(shù)據(jù)如需數(shù)據(jù)倉庫的存儲，直接存入Hive，然后從Hive進行展現(xiàn)。有些則會運用交互的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”最終是由程序化運算向人工智能邏輯的過渡。信息采集需要5G網(wǎng)絡的速度，更離不開信息管廊的建設。智慧城市的管理一般都是平臺化處理，而能夠將信息在平臺上處理則離不幵信息源和信息流，CIM是智慧城市構建中的左膀右臂，那么5G則是它的神經(jīng)網(wǎng)絡。一個高效能的管理和運維系統(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)是智慧城市構建中的神經(jīng)中樞。

美國早在1997年就開始對城市的生態(tài)系統(tǒng)進行了監(jiān)控，有些是以流域單元為出發(fā)點，進行流域水文和水質的監(jiān)測, 并建立了城市碳通量觀測塔，有的則以城市整體為著眼點，采用網(wǎng)格分層雙密度采樣布點和社會調(diào)查的舉措，為城市生態(tài)系統(tǒng)長期演變規(guī)律研究提供基礎數(shù)據(jù)。

2016年國務院關于印發(fā)“十三五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃的通知，提到生態(tài)文明建設要擺在更加重要的戰(zhàn)略位置，堅持綠色發(fā)展、標本兼治就是要在智慧城市系統(tǒng)構建中將生態(tài)環(huán)境問題這塊短板補齊。于此同時，國內(nèi)的生態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)還大多處于人工巡查階段，如何能夠將實時的環(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)星進行檢測的成本很高，只能實現(xiàn)重點區(qū)域重點地段的階段性監(jiān)測。而5G的高頻傳輸術為此提供了實現(xiàn)的可能，通過地面網(wǎng)絡能夠實現(xiàn)監(jiān)測的高質量和穩(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)測指標體系。利用增強現(xiàn)實技術將傳統(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、氣象學、地理學、水文學、森林學等交叉學科的數(shù)據(jù)進行平臺整合，利用5G網(wǎng)絡將地區(qū)內(nèi)布建的各類環(huán)境監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡（包括空氣質量指標，土壤環(huán)境質量指標檢測網(wǎng)絡）所釆集的數(shù)據(jù)，結合相關數(shù)據(jù)預測模型生成的預報數(shù)據(jù)，實時上傳智慧城市生態(tài)云平臺，為生態(tài)環(huán)境演變突變、災害預測、管控治理等提供了有力支撐。

國內(nèi)某些大學建立的區(qū)域與城市空氣質量和灰霾天氣預報系統(tǒng)，正是基于中國環(huán)境監(jiān)測總站所提供的數(shù)據(jù)進行預報的。水質自動監(jiān)測、空氣質量監(jiān)測、土壤質量監(jiān)測、植物植被監(jiān)測、環(huán)境演變預測在智慧城市建設中所提供的數(shù)據(jù)與城市環(huán)境質量和生態(tài)修復修補，以及政府決策均有著直接關系。城市生態(tài)空間監(jiān)控與預警系統(tǒng)是智慧城市構建中的血肉。

隨著地下管線、構筑物等城市地下空間基礎設施的規(guī)模和密度的增大，現(xiàn)代城市規(guī)劃建設和管理從二維向三維轉變。運用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，對城市的動態(tài)發(fā)展隨時調(diào)控，在存量規(guī)劃中實現(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為基礎的多方參與城市可視化平臺，以此用于解決建筑、社區(qū)、城市層面信息不關聯(lián)和縱向斷層的問題。智慧動態(tài)管理的物質化是運用建設運營可視化實現(xiàn)智慧城市的終極目標。以往靜態(tài)三維展示已經(jīng)無法實現(xiàn)動態(tài)管理的需求，城市的管理需要海量的數(shù)據(jù)與平臺進行輸送，智慧交通、智慧就醫(yī)、應急安防、智慧建筑、智慧能源、智慧社區(qū)都需要有專業(yè)的設備和專業(yè)的人員進行管理。

將城市管理的大任務分擔到社區(qū)、到居民家中，讓城市居民也參與到管理中來，建立人一空間一網(wǎng)絡復合智慧系統(tǒng)，讓智慧城市的運營和管控朝著人與物理系統(tǒng)整合的方向邁逬。

北京、南京、貴陽等以數(shù)字經(jīng)濟和智慧產(chǎn)業(yè)為支撐的新型智慧城市已成為我國戰(zhàn)略推進、經(jīng)濟崛起的主要陣地，在智慧產(chǎn)業(yè)提升城鎮(zhèn)化質量、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”逐步構建也使得城市的管理不再由人主導，城市動態(tài)管理與可視化設計由智慧城市構建中的大腦承擔。

智慧城市是一項涉及物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等眾多技術的復雜巨系統(tǒng)。隨著5G時代的來臨，大容量、低時延的網(wǎng)絡傳輸將變?yōu)楝F(xiàn)實，人類將進入萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)時代，智慧城市建設也將步入一個嶄新階段。

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，延伸到規(guī)劃領域即城市信息模型 （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綜合體，將動態(tài)管理的大腦思維與數(shù)據(jù)處理的神經(jīng)網(wǎng)絡結合。

加之，信息管廊的骨架延伸配合，監(jiān)控預警的血肉感知，智慧城市未來的發(fā)展前途無量。智慧城市在新時代的提出，完全能夠實現(xiàn)國家與城市協(xié)調(diào)，達到為人民服務的宗旨。而CIM這個概念的提出，把視野從單體建筑拉高到建筑群和城市一級，給予智慧城市更加有力的支撐。5G網(wǎng)絡和CIM的共同技術支撐，為智慧城市系統(tǒng)的構建提供了無限的可能性。最后，也還是要警惕CIM和5G的在城市建設中的“灰犀?！?。

來源：齊齊哈爾大學建筑與土木工程學院（李揚，劉平，王丹丹）