王鵬：被忽視的城市新基建

本文轉自【cbdio.com】；

國家發改委相關負責人表示，初步研究認為，新型基礎設施是以新發展理念為引領，以技術創新為驅動，以資訊網路為基礎，面向高質量發展需要，提供數字轉型、智慧升級、融合創新等服務的基礎設施體系。

目前來看，新型基礎設施主要包括3個方面內容：

一是資訊基礎設施。主要是指基於新一代資訊科技演化生成的基礎設施，比如，以5G、物聯網、工業網際網路、衛星網際網路為代表的通訊網路基礎設施，以人工智慧、雲計算、區塊鏈等為代表的新技術基礎設施，以資料中心、智慧計算中心為代表的算力基礎設施等。

二是融合基礎設施。主要是指深度應用網際網路、大資料、人工智慧等技術，支撐傳統基礎設施轉型升級，進而形成的融合基礎設施，比如，智慧交通基礎設施、智慧能源基礎設施等。

三是創新基礎設施。主要是指支撐科學研究、技術開發、產品研製的具有公益屬性的基礎設施，比如，重大科技基礎設施、科教基礎設施、產業技術創新基礎設施等。

雖然這三大新型基礎設施的確是符合技術和產業發展方向的重要基礎領域，但除了融合基礎設施中屬於交通和能源範疇的幾個應用領域外，其他真正看似基礎的幾個方向：5G、資料中心、人工智慧、資料中心，大都集中在資料的傳輸、儲存和應用層面。

作為北京大資料研究院平臺公司，博雅智慧深耕於傳統基礎設施的數字化轉型，即疫情後達成廣泛共識的“新基建”。在多年的資料運營與基礎設施數字化轉型的專案積累基礎上，筆者團隊認為，資料固然是新經濟的血液，但這些“新基建”之下，資料又是從何而來？許多更為基礎的領域是否被忽略了？

建立智慧城市資料底座需三大設施

改革開放40年來，中國經歷迄今為止世界歷史上規模最大、速度最快的城鎮化程序：截止2018年，我國城鎮化率為59.28%，預計到2030年，這一數字將高達70%。隨著大量的人口快速向城市轉移，特別是城市急劇擴張與工業化的快速發展，產生了許多社會與環境問題，並增大了政府管理的壓力。在大量“城市病”問題面前，ICT技術的發展為精細化的城市治理指出了具有可操作性的解決方案，開闢了重新認識城市、管理城市和發展城市的新視角，數字城市和智慧城市也應運而生。

新一輪城市革命，也就是智慧城市的變革，將由新型基礎設施支撐，實現城市數字化、網路化和智慧化發展，推動城市運營和治理的精細化、現代化。

城市本質是一種“透過基礎設施和公共服務的集中供給，在空間、環境、能源等有限資源條件下實現生產效率和居民幸福感提升的複雜功能網路平臺。”

我們解決的所有城市問題幾乎都可以歸結為一個共同的痛點：解決有限的基礎設施和服務能力與高速增長的需求之間的矛盾。

交通擁堵、內澇、能源短缺、環境汙染等體現了基礎設施的動態服務能力和效率不足，住房供給、房價、教育醫療等公共設施問題體現了住房和公共服務的佈局、供給量與服務水平不足。

在工業時代，我們是透過發明和生產更多的產品，創造更多的城市空間來滿足需求的增長。但資源是有限的，我們不可能永遠維持這種增長。

智慧城市並不只是我們平時看到的政府資訊化，其本質是透過資料和計算更加高效地連線供需雙方，實現更精準的匹配，使有限的存量資源能發揮更大的效率。

人居環境營造與改善的基本技術體系，也將從工程設計轉移到基於資料和演算法的資源匹配，以及對更豐富的空間場景的綜合運營。

近年來，網際網路和資訊科技公司強勢進入城市智慧化改造領域，並紛紛提出把用來儲存和處理城市資料的“雲”和“城市大腦”作為城市新的基礎設施的觀點。政府也在大力主導建設5G網路和資料中心。

這些並沒有錯，但我們城市更大的問題是，用來控制和感知的肢體、感官都還不健全，只有用來計算和傳輸資料的大腦、神經也無法建立真正的智慧。

所以說，對傳統基礎設施進行智慧化改造，並創造更多符合智慧城市現代化治理需求，尤其是用來採集資料、感知城市問題的新型城市基礎設施，才是城市新基建的關鍵所在。

博雅智慧認為新型智慧管網、城市感知網和時空資料驅動的CIM平臺（城市資訊模型平臺），是當下智慧城市建設最急需的三大新型基礎設施，也都是建立智慧城市資料底座的前提。

新型智慧管網：物聯化全面改造是趨勢

城市基礎設施是傳統基建中最重要的領域。

這裡說的基礎設施，是城市規劃裡相對狹義的工程性設施概念，包括能源、給排水、通訊等系統。這些設施或者說管網的核心特徵就是輸送城市裡的各種“流”的通道。“流”分為幾個層次，物質流包括水（自來水、雨水、汙水、中水）、燃氣、供熱、垃圾，能量流主要是電網（供熱燃氣雖然本質上是傳遞能量，但實際的邏輯還是運送物質載體），資訊流是廣義電信網路（有線、無線、包括有線電視等）。城市基礎設施投資和維護成本巨大，全國每年都是數萬億市場，且關係城市的安全高效執行，但大都又處於一個極其低效的人工管理階段。

可以說，城市基礎設施的執行邏輯，定義了城市運營和管理的基本模式和水平，但因深埋地下，往往被人忽略，造成了城市建設領域“重地上輕地下”的頑疾。

中國包括大城市在內，以供排水網路為代表的物質流管網技術水平，還停留在中世紀。既有管線位置和拓撲結構難以探測和維護；管網損耗和洩漏、汙染、爆炸、災損等風險巨大，維護成本高，第一代城市管網需要大規模改造；地下環境導致管內狀態資料難以監測和傳輸，目前基本是借用工業儀表的思路和產品感知幹管節點壓力、流量、流速、水質、破損、堵塞等；資料有線傳輸為主，成本巨大，資料的質量、密度、頻度，都難以達到自動控制的需要。

這些也導致近年來大城市重大基礎設施事故頻發，對市民生命財產安全造成極大威脅。價格昂貴的基礎設施綜合管廊，能解決一部分問題，但除個別工程條件良好且有特殊需求的路段外，要全面普及還不大可能。

今年四月，國家發改委與中國證監會聯合釋出了《關於推進基礎設施領域不動產投資信託基金（REITs）試點相關工作的通知》。將基礎設施納入REITs試點，也意味著基礎設施運營邏輯的改變：不再過度依賴財政補貼，而是透過基礎設施的物聯網化改造，降低運營成本，升級基礎設施品質並獲得相關收益。

近年來，低功耗物聯網（LPWAN）、分散式光纖感測器（DFS）和微機電感測器（MEMS）的發展，使我們有可能以極低的成本，廣泛部署分散式感測器，實現新的基礎設施運營邏輯。

在透過CIM平臺維護完整的管線拓撲結構的前提下，以大量無線小型分散式感測器和邊緣計算節點將整個基礎設施網路變成一套新的ICT基礎設施。加上實時無線遠傳的末端計量儀表，配合新型管內巡線工具，理論上，可以實現一個全息的數字孿生系統。

基於人工智慧建模的全網動態平衡排程演算法，可以對各種裝置進行毫秒級調節；對各種管道損傷和內部異常，可以精準定位和及時干預。這些資料，不但有助於管網本身的精確控制，也描述了整個城市的實時執行狀態。

以筆者參與的某大型ICT企業的智慧熱力管道研發為例。我們選擇了在地埋管道中纏繞分散式光纖感測器和埋入MEMS感測器，並引入無線供電和傳輸等技術，透過對傳統地下管道的低成本適度改造，實現了整個地下管網全面覆蓋的溫、壓、流和洩漏等故障以及水質的感知，可大大降低管網風險，並節約大量城市能源。

這種方式相當於在地下再造一個通訊網和感測網，大大擴充套件了人們對城市基礎設施的把控能力。當然，類似產品的普及和替換現有設施，需要漫長的過程和強力的政企協同。但類似思路適用於整個城市建成環境和基礎設施體系的全面物聯化改造，是未來的必然趨勢。

城市感知網：不再依賴資料尾氣

除了地下管網的資料採集以外，城市地上空間執行的資料採集情況其實也並沒有通常想象得那麼理想。

我國有世界上最大的安防監控攝像頭網路，這幾套網路在不間斷無縫採集幾乎覆蓋整個城市空間的實時影片；我們的政府掌握著號稱八成以上的城市資料，覆蓋各個行業，有著縝密的城市資料網格化人工採集機制；我們有世界上最大的幾家網際網路公司，也在透過各種產品採集使用者行為、交通執行，甚至透過無人駕駛的各種感測器持續採集城市的三維形態，並越來越多地用於城市治理。

但即便如此，這些資料還是存在於一個一個的資料孤島或者資料煙囪之中，無法互聯互通；更重要的是，大多數資料結構化程度極低，無法互相融合和分析；我們平時使用的很多城市資料也不是專門為了城市治理的需求採集的，大多是各種應用系統產生的資料尾氣，清洗和處理的成本很高。

隨著物聯網、感測器、雲計算和大資料技術的廣泛應用，智慧城市開始逐步實現對城市環境和時空行為更為直接和細緻的全面感知、深度挖掘和綜合分析能力。

全面感知會帶來資料採集和傳遞網路兩個層面廣度的拓展和敏感度的提升，這就意味著智慧城市基礎設施能夠更加直接和深入地收集城市資料。

感知的核心物件，一方面是以人流車流、環境汙染、負面事件為代表的動態需求資訊，一方面是代表供給的道路和基礎設施的執行情況。在此基礎上，資料平臺和演算法才能實現動態預測和供需匹配。

包括交通和安防攝像頭在內，大量的城市物聯網裝置都對供電和通訊有著類似的需求，但因為部門的事權分割，各種裝置的安裝部署缺少統籌，導致了大量的重複性建設，也造成了採集的各種資料分屬不同部門，難以融合應用。

為了應對未來越來越多型別、越來越精細化的感知需求，各種城市感知裝置的統籌佈局成為智慧城市頂層設計的關鍵環節，上文提到的新型智慧管網也是未來完整的城市感知網路的一部分。

對城市政府來說，這種方式最大的挑戰其實是在觀念上接受從環境監測、安防監測、交通監測到綜合城市資料感知的轉變。部門的事權分割曾經是綜合城市資料感知的最大障礙，而越來越多的大資料管理局的成立則為這種共享的資料基礎設施建設管理提供了可能性。

▲已經可以實現對城市系統的高質量感知

博雅智慧近年來持續研發的Citygrid城市資料整合感測器將是未來城市感知網的重要形態之一。我們在一個依附於智慧燈杆的低成本小盒子裡，集成了幾十種城市感測器，並具備邊緣計算和實時通訊能力，可以同時採集環境汙染、氣象、聲音、地面積水、人車流量速度、人的行為軌跡，還可以透過人工智慧識別城市事件，並具有三維感知能力為無人駕駛V2X提供路側資料支援。該裝置以密集的網格方式均佈於城市，採集的資料便於整合分析和應用，打破了部門的資料壁壘，已經廣泛應用於規劃、城管、環保、文保、交通等領域，發揮了巨大的作用。相信未來類似的city-AIOT產品和城市感知網將在5G的帶動下成為城市新的基礎設施。當然，如何設計和部署這些新的基礎設施，並依託其解決各種城市問題，還需要大量的研究與實踐支撐。

Citygrid城市資料整合感測器

博雅智慧認為，未來城市感知網的發展趨勢是：從分散監測到整合監測，從要素監測到事件監測。

隨著城市資料監測站成本進一步下降以及普及率進一步上升，整合監測方式將逐漸成為城市執行資料監測的主流手段。基礎設施執行資料和整合感知資料，將成為數字孿生城市和CIM平臺的最重要基礎資料，完整描述城市的執行狀態。

隨著城市資料感知網的建設，我們將能夠收集到城市執行過程中的全面資料。而各種城市事件都會對某些城市資料造成擾動，結合影片資料，我們可以透過訓練人工智慧模型，來識別城市中發生的各種事件，從而實現事件感知，從要素監測轉變為事件監測。例如，施工事件可以造成噪聲和顆粒物資料的週期性變化。另一方面，我們可以以很低的成本觀測街道和城市功能區的精確人流量，為商業選址運營等提供精準的資料依據，以及避免踩踏、非正常聚集等群體事件。

城市數字孿生平臺：承載高頻多維高精時空資料

CIM平臺為城市資訊模型（CIM, City Information Modeling）的概念於2013年左右由BIM領域的學者和企業提出，將BIM対建築完整資訊數字化建模，用於設計、施工、使用、維護全生命週期管理的概念擴充套件到城市領域，指以城市資料資訊為基礎建立的，能夠實時儲存並呼叫城市全生命週期資訊的三維城市空間模型。完整的CIM平臺投入使用意味著城市現狀數字孿生的實現，也是城市數字孿生後續階段的基礎。

在空間範圍和技術基礎上，CIM的建設是“大場景的GIS資料+小場景的BIM資料+物聯網”的有機結合。已有的BIM技術對城市中各個建築可以做到構件尺度的數字孿生，從而將建築物的資訊數字化。GIS技術則能夠對城市尺度上的地形地貌、土地利用等宏觀空間環境特徵和人群特徵、資訊資金流動等城市中無形的社會經濟活動資訊進行結構化、歷時性的儲存。而物聯網技術透過城市感測器的廣泛佈設，一方面可以對BIM中建築物的運營資料進行補充，更重要的是對交通流、大氣水文等城市開放空間中的微觀環境變化進行實時感知和收集。BIM與GIS在空間範圍上互補，資料結構上共通，每棟建築可以看作GIS中的一個地物，每一根管道、路燈等城市基礎設施也可看作BIM的一個構件。在此基礎上嵌入物聯網資料，又大大提升了資料空間和時間粒度的細化程度，實現對城市空間精細、全面、動態、實時的數字化。

在全面收集資料的基礎上，CIM透過統一的資料平臺將各領域不同維度的資料進行結構化、標準化整合。

一方面實現城市級資料的可計算，對任意空間範圍內的建築面積、容積率等空間指標和人口密度、車輛密度甚至用水用電量等社會經濟指標進行統計分析，並可透過機器學習和模擬模擬挖掘規律、進行預測。

另一方面透過空間資訊視覺化的技術，使得城市資料能夠與其空間位置實時對應，一目瞭然，便於運維和管理人員的迅速感知和決策。

此外，CIM平臺還具有開放性，經授權後可以向政府、企業和學界提供資料介面，成為城市級應用開發的“土地供給”，使得資料能夠產生更大的社會和經濟價值。

CIM平臺並非GIS和BIM的簡單結合，而是在無縫銜接各尺度空間資料。CIM平臺在實現三維空間的精確描述之外，更注重來自物聯網的海量實時大資料的接入和計算，並具備完備的時空流的描述和計算能力。

隨著5G和物聯網技術的普及，多維、高頻、高精度的時空大資料場景越來越豐富。

考慮到這種趨勢，在軟體層面，目前我們還並沒有一個真正意義上的CIM產品。市面上的GIS和BIM廠商，很多都基於自己的產品延伸擴充套件，同時具備了GIS和BIM的部分能力。

但這些產品除了滿足住建系統規、建、管等傳統三維空間資料需求以外，對智慧城市更全面的需求都不能很好滿足。

產品架構都存在天然的缺陷，需要進行底層的重構而非簡單的功能完善。即便是行業矚目的雄安CIM平臺和目前的幾個國家CIM平臺試點，也都還遠未成熟。

目前，已經有一些技術廠商認識到全新CIM架構的價值，並已經採用“時空資料庫+時空資料引擎+時空網格體系”等技術體系構建全新的CIM系統，正在取代傳統GIS和BIM成為城市中臺的核心部分，真正成為這一新的城市基礎設施。筆者團隊參與研發的SpaceojoCIM平臺就是其中最為典型的產品。

▲依託SpaceojoCIM平臺開發的城市領導駕駛艙產品（筆者團隊）

結語：

作為未來城市資料的最大高頻流量入口之一，新型智慧管網和城市感知網是5G網路的最大流量來源，也是訓練人工智慧城市模型演算法的資料基礎。而承載了這些資料的CIM平臺則會是城市資料中心需求的主體。

三者共同構成整個城市“新基建”中最為基礎的幾個領域，也是具有最大市場空間的方向。

與網際網路行業來自於使用者、工業網際網路領域來自機器的資料不同，城市的資料需要專業的基礎設施體系去採集、會聚和處理。這樣才能透過人工智慧去發揮各種政府治理和商業應用的價值。

因此，在智慧城市領域，5G、IDC和人工智慧只是“新基建”的表層，需要大大拓展“新基建”的視野，加大對新型智慧管網、城市感知網和時空資料驅動的CIM平臺幾個方向的研究投入，跳出簡單整合的資訊化窠臼，實現城市面向智慧化和智慧化未來的轉型。

在“新基建”領域，希望不會重演“重地上輕地下”的遺憾。

【作者簡介】

王鵬，博雅智慧合夥人、副總裁，北京大資料研究院智慧城市實驗室主任，教授級高階城市規劃師。