新基建时代智慧城市构建最容忽视的基础设施建设

伴随着疫情后期国民经济的全方位重启，“新基建”投资已拉开序幕。据央视新闻2020年3月2日报道，“新基建”指发力于科技端的基础设施建设，主要包含这几个领域：5G基建、特高压、城际高速铁路和城际轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能和工业互联网。这几个领域，正逐步变成全社会对“新基建”基本概念的共识。
尽管这些确实是合乎技术和产业发展方向的主要基础领域，但除去属于交通和能源范畴的几个应用领域外，其它真正看似基础的几个方向：5G、大数据中心、人工智能和工业互联网，大多数都 聚集在数据的传输、储存和应用方面。
数据虽说是新经济的血液，但这些“新基建”之下，数据又是来源于何处呢？诸多更加基础的领域是否被忽略了？
1、构建智慧城市数据基座需三大设施设备
伴随着我国城镇化率超出50%，城镇化增长速度下降，中国大城市相继进入存量甚至于减量发展环节，新城新区建设愈加遭受严苛限制。城市发展的首要任务，也从空间增长和生产效率，转变到存量空间的不断优化和精细化运营管理上。
另一方面，信息与通信技术高速发展的时代已经到来。犹如当年城市形态和规划管理体系方法被下水道、汽车、高速公路、电梯深刻改变，人工智能、物联网、5G、无人驾驶等新技术，也正以前所未有的速度，改变着整个社会和经济运行模式，并对城市发展和基础设施造成深刻影响。
可以说，铁路、公路、电网等基础设施，各自支撑了以机械化、电气化和自动化为基本特征的历次产业革命和城市革命。
而新一轮的城市革命，也就是智慧城市的变革，将由创新型基础设施支撑，实现城市数字化、网络化和智能化发展，推进城市运营和治理的精细化、现代化。

城市本质是一种“通过基础设施和公共服务的聚集供给，在空间、环境、能源等有限资源条件下实现生产效率和市民幸福感提升的繁杂功能网络平台。”
我们处理的所有城市问题基本上都能够归纳为一个共同的痛点：处理有限的基础设施和服务能力与高速增长的需求之间的矛盾。
交通堵塞、内涝、能源紧缺、环境污染等体现了基础设施的动态服务能力和效率不够，住房供给、房价、教育医疗等公共设施问题体现了住房和公共服务的布局、供给量与服务水平不够。
在工业时代，我们是通过发明和生产更多的产品，创造更多的城市空间来满足需求的增长。但资源是有限的，我们不可能永远维持这种增长。
智慧城市并不只是我们平常见到的政府信息化，归根结底是通过数据和计算更为高效地连接供需双方，实现更精确的匹配，使有限的存量资源能发挥出更大的效率。
居住环境构建与改善的基本技术体系，也将从工程设计转换到基于数据和算法的资源匹配，及其对更丰富的空间场景的综合运营。
近几年来，互联网和信息技术公司强势加入城市智能化改造领域，并相继提出把用于储存和处理城市数据的“云”和“城市大脑”作为城市新的基础设施的观点。政府部门也在大力主导构建5G网络和数据中心。
这些并没有错，但我们城市更大的问题是，用于操控和感知的肢体、感官都还不完善，只有用于计算和传输数据的大脑、神经也无法构建真正的智能。
所以说，对传统的基础设施进行智能化改造，并造就更多的符合智慧城市现代化治理需求，尤其是用于采集数据、感知城市问题的创新型城市基础设施，才是城市新基建的关键所在。
2、创新型智能管线：物联化全面改造是趋势
城市基础设施是传统基建中最重要的领域。在这里说的城市基础设施，是城市规划里相对狭义的工程性设施概念，主要包含能源、给排水、通信等系统，道路也是较为特殊的一类。
在其中最普遍最大量的，是各类城市管线系统。其投资和维护成本极大，全国各地每年有数万亿市场规模，且直接关系城市的安全高效运作，但大多处在极为低效率的人工管理阶段。
可以说，城市基础设施的运作逻辑，确定了城市运营和管理的基本模式和水准，但因深埋在地下，通常被人忽视，造成了城市建设领域“重地上轻地下”的顽疾。
中国包含大城市在内，以供排水网络为代表的物质流管线技术水平，还滞留在中世纪。不仅有管线位置和拓扑结构难以探测和维护；管线损耗和泄漏、污染、爆炸、灾损等风险极大，维护成本高，第一代城市管线要求大规模的改造；地下环境造成 管内状态数据难以监测和传输，当前基本是借助工业仪表的思路和产品感知干管节点压力、流量、流速、水质、破损、堵塞等；数据有线传输为主，成本极大，数据的质量、密度、频度，都难以达到自动控制的要求。
这些也造成 近几年来大城市重大基础设施事故频频发生，对群众生命财产安全造成极大威胁。价格昂贵的基础设施综合管廊，能解决一部分问题，但除个别工程条件良好且有特殊需求的路段外，要全方位普及化还不大可能。

近几年来，低功耗物联网（LPWAN）、分布式光纤传感器（DFS）和微机电传感器（MEMS）的发展，使我们有可能以较低的成本，广泛性部署分布式传感器，实现新的基础设施运营逻辑。
在通过CIM平台维护完整的管线拓扑结构的前提条件下，以大批量无线小型分布式传感器和边缘计算节点将整个基础设施网络变成一套新的ICT基础设施。再加上实时无线远传的末端计量仪表，搭配新型管内巡线工具，理论上，可以实现一个全息的数字孪生系统。
基于人工智能建模的全网动态平衡调度算法，可以对各类设备进行毫秒级调节；对各类管道损伤和内部异常，可以精确定位和及时干涉。这些数据，不但有利于管线本身的精准操控，也描述了整个城市的实时运作状态。
3、城市感知网：不再依赖数据尾气
除了地下管线的数据收集之外，城市地上空间运作的数据收集情况实际上也并没有通常想像中得那么理想。
我国有世界上最大的安防监控摄像头网络，这几套网络在无间断无缝收集近乎覆盖整个城市空间的实时视频；我们的政府掌控着号称八成以上的城市数据，覆盖各个行业，拥有 周密的城市数据网格化人工收集机制；我们有世界上最大的几家互联网公司，也在通过各类产品收集用户行为、交通运作，乃至通过无人驾驶的各类传感器不断收集城市的三维形态，并越来越多地用于城市治理。
但尽管如此，这些数据依然是存在于一个个的数据孤岛或者数据烟囱之中，没法互联互通；更重要的是，大多数数据结构化程度极低，没法相互融合和分析；我们平时运用的许多 城市数据也不是专门为了城市治理的需求收集的，大部分是各类应用系统形成的数据尾气，清洗和处理的成本很高。
伴随着物联网、传感器、云计算和大数据技术的广泛应用，智慧城市开始逐渐实现对城市环境和时空行为更为直接和细致的全面感知、深度挖掘和综合分析能力。

全面感知会带来数据收集和传递网络两个层面广度的扩展和敏感度的提升，这就意味着智慧城市基础设施能够更为直接和深层次地收集城市数据。
感知的核心目标，一方面是以人流车流、环境污染、负面事件为代表性的动态需求信息，一方面是代表供给的道路和基础设施的运作情况。在此基础上，数据平台和算法才能实现动态预测和供需匹配。
包含交通和安防摄像头在内，大量的城市物联网设备都对供电和通讯有着相似的需求，但由于部门的事权分割，各类设备的安装部署缺乏统筹规划，造成 了大量的重复性建设，也造成了收集的各类数据分属不同的部门，无法融合运用。
为了更好地应对未来越来越多类型、越来越精细化的感知需求，各类城市感知设备的统筹布局成为了智慧城市顶层设计的重要环节，上文提到的创新型智能管线也是未来完整的城市感知网络的一部分。
对城市政府而言，这类方式最大的挑战其实是在理念上接纳从环境监测、安防监测、交通监测到综合城市数据感知的转换。部门的事权分割曾经是综合城市数据感知的最大阻碍，而越来越多的大数据管理局的成立则为这类共享的数据基础设施建设管理提供了可能性。

4、CIM平台：承载高频多维高精时空数据
CIM（CityInformationModeling）的基本概念有利于BIM（建筑信息模型）的信息数字化。也把用作设计、施工、使用、维护全生命周期管理的理念，拓展到了城市领域。是数字孪生基本概念在城市领域的主要体现。
已经有的BIM技术对城市中每个建筑可以做到构件尺度的数字孪生，进而将建筑物的信息数字化；GIS（地理信息系统）技术则能够对城市尺度上的地形地貌、土地利用等宏观空间环境特征和人群特征、信息资金流动等城市中无形的社会经济活动信息进行结构化、历时性储存。
基于物联网技术的创新型智能管线和城市感知网的广泛性布设，城市具备了高频、多维的时空数据收集能力。这一方面可以对BIM中建筑物的运营数据进行补充，更关键的是对交通流、基础设施运行、大气水文等城市空间中的微观环境变化进行实时感知和收集。
BIM与GIS在空间范畴上互补，数据结构上共通，每栋建筑可以看成GIS中的一个地物，每一根管道、路灯等城市基础设施都可看成BIM的一个构件。在此基础上嵌入物联网数据，增加了对“流”、“场”等动态性空间的描述和计算能力，又大大提升了数据空间和时间粒度的精细化程度，实现对城市空间精细化、全面性、动态性、实时的数字化。
因此，在空间范畴和技术逻辑上，CIM的建设是“大场景的GIS数据+小场景的BIM数据+物联网”的有机结合。在全面收集数据的基础上，CIM通过统一的数据平台将各领域不同维度的数据进行结构化、标准化整合。

一方面实现城市级数据的可计算，对任意空间范畴内的建筑面积、容积率等空间指标和人口密度、车辆密度甚至于用水用电量等社会经济指标进行统计分析，并可通过机器学习和虚拟仿真挖掘规律、进行预测。
另一方面通过空间信息可视化的技术，促使城市数据可以与其空间位置实时相对应，简单明了，有利于运维和管理人员的快速感知和决策。
除此之外，CIM平台还具有开放性，经授权后可以向政府、企业和学界提供数据接口，成为了城市级应用开发的“土地供给”，促使数据可以产生更大的社会和经济价值。
CIM平台并不是GIS和BIM的简单融合，而是在无缝衔接各尺度空间数据。CIM平台在实现三维空间的精准描述之外，更注重来自物联网的海量实时大数据的接入和计算，并具有完善的时空流的描述和计算能力。
伴随着5G和物联网技术的普及化，多维、高频、高精度的时空大数据场景越来越丰富。充分考虑到这种趋势，在软件层面，现阶段我们还并没有一个真正意义上的CIM产品。市面上的GIS和BIM厂商，许多都基于自身的产品延伸拓展，同时具有了GIS和BIM的部分能力。
但这些产品除了满足住建系统规、建、管等传统三维空间数据需求以外，对智慧城市更全面的需求都不能很好满足。
产品架构都具有天然的缺陷，需要进行底层的重构而非简单的功能完善。就算是行业瞩目的雄安CIM平台和现阶段的几个国家CIM平台试点，也都还远未成熟。
现阶段，已经有一些技术厂商认识到全新CIM构架的价值，并已经采用“时空数据库+时空数据引擎+时空网格体系”等技术体系创建全新的CIM系统，正在取代传统GIS和BIM成为了城市中台的核心部分，真正成为了这一新的城市基础设施。

5、结语
做为未来城市数据的最大高频流量入口之一，创新型智能管线和城市感知网是5G网络的最大流量来源，也是训练人工智能城市模型算法的数据基础。而承载了这些数据的CIM平台则会是城市数据中心需求的主体。
三者共同构成整个城市“新基建”中最为基础的几个领域，也是具备最大市场空间的方向。与互联网行业来自于用户、工业互联网领域来自机器的数据不同，城市的数据需要专业的基础设施体系去收集、汇聚和处理。这样才可以通过人工智能去发挥出各种政府治理和商业应用的价值。
因此，在智慧城市领域，5G、IDC和人工智能只是“新基建”的表层，需要大大拓展“新基建”的视野，加大对创新型智能管线、城市感知网和时空数据驱动的CIM平台几个方向的探究投入，跳出简单集成的信息化桎梏，实现城市面向智能化和智慧化未来的转型。