郭仁忠院士團(tuán)隊，深圳大學(xué)智慧城市研究院副院長賀彪從智慧城市建設(shè)前沿的角度，帶來了《基于虛擬地理環(huán)境的智慧城市工程邏輯》的主題分享。
基于這個基本認(rèn)知，郭仁忠院士團(tuán)隊提出了以虛擬地理環(huán)境為數(shù)字基礎(chǔ)，以時空信息為連接紐帶，基于智慧城市大數(shù)據(jù)平臺全面整合城市各類運(yùn)行數(shù)據(jù)，在數(shù)字世界中對城市進(jìn)行分析、模擬、優(yōu)化，再指導(dǎo)實際的城市運(yùn)行和管理的工程邏輯。
這個工程邏輯該如何實現(xiàn)？是否進(jìn)行過落地實踐？賀彪博士的演講中有更多信息。
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智慧城市誕生：城市化進(jìn)程的必然需要
人類自定居以來始終處于城市化的過程，有一些統(tǒng)計數(shù)據(jù)：1900年城市人口大概是2億，占總?cè)丝诘陌朔种唬?009年聯(lián)合國發(fā)布數(shù)據(jù)稱世界城市人口首次超過農(nóng)村人口，大概用了一百年的時間；2018年世界城鎮(zhèn)化率達(dá)到55%，大概有42億人口；到2050年預(yù)計會達(dá)到68%，接近70%。聯(lián)合國經(jīng)社署也講到，管理好城市是21世紀(jì)最重要的發(fā)展挑戰(zhàn)之一。
我國正在經(jīng)歷人類歷史上最大規(guī)模的城鎮(zhèn)化。從2000年到2019年，中國城鎮(zhèn)常住人口從36%達(dá)到60%。相關(guān)預(yù)計表明，2030年可能會超過70%。我們認(rèn)為，新型城鎮(zhèn)化是我國當(dāng)前和未來一段時間國家的重大發(fā)展戰(zhàn)略。
為什么會有這么多的城市出現(xiàn)？大城市是有它的價值的，比如在《大國大城》中提到“大國需要大城”，另外一些相關(guān)數(shù)據(jù)也提到，大城市群主導(dǎo)著世界的經(jīng)濟(jì)，國家之間的主要競爭可能也來自于城市群之間的競爭。最近一本書《規(guī)模》，主要對城市規(guī)模進(jìn)行了科學(xué)解釋、
一般認(rèn)為，一個城市的規(guī)模越大，GDP收入是越高的，它的社會經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出是超線性的，但公共資源投入是亞線性的，也就是說不需要投入太多公共資源，但可以產(chǎn)出大量的GDP，這是城市的好處。因此，全世界各個國家都在推動城市化和城鎮(zhèn)化。
當(dāng)然大家也能感受到，中國一線大城市出現(xiàn)了很多問題，比較典型的是交通問題，每個城市早晚高峰的時候交通特別擁堵，如果你不開車坐公共交通也會發(fā)現(xiàn)，等地鐵或等公交會特別擠。包括“上海外灘事件”，像元旦這樣的節(jié)日人口會特別多。包括霧霾、內(nèi)澇等城市問題現(xiàn)在也越來越多。
有了這么多問題，才會提出智慧城市。我們的第一個思考是，智慧城市是人類面臨城市發(fā)展問題提出的新發(fā)展思路，本質(zhì)是提升和改善城市生活品質(zhì)，讓城市回歸初心。
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智慧城市是城市信息化的高級階段
信息化跟城市也有一定關(guān)系，大概在十年前或者更早的時間，老百姓或者企業(yè)要辦事特別麻煩，因為一個政府有很多職能部門，辦事情要跟不同的職能部門打交道，大家要跑很多局，像工商局、公安局、交通局、規(guī)土局等等，你得去很多地方。
后來出現(xiàn)了一個趨勢，每個政府會做一個政務(wù)服務(wù)大廳，有些地方叫市民中心，在物理上把這些區(qū)域歸納到一起，老百姓或者企業(yè)去辦事很方便，去一個大廳就可以把所有事情辦完，這只是組織形式或物理形式上的改進(jìn)。
到最近幾年，全國都在推數(shù)字政府的工作。數(shù)字政府的建設(shè)將物理分散的局進(jìn)行了合并，我們認(rèn)為數(shù)字政府的工作是信息化，為城市治理帶來了明顯提升。ICT大幅度發(fā)展提升了人類處理復(fù)雜問題的能力。
當(dāng)然，信息化也催生了很多其他的變革，比如經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型、智能制造、數(shù)字建造、智能化產(chǎn)品，包括疫情期間出現(xiàn)了很多自媒體、直播帶貨等新的經(jīng)濟(jì)增長點，實際上都是由信息化帶來的。
信息化還有一個很大的特征比較重要。它創(chuàng)建了一個網(wǎng)絡(luò)虛擬空間，有別于物理城市和我們看得到的現(xiàn)實世界，網(wǎng)絡(luò)上的虛擬空間是人類目前生存發(fā)展的第二空間，大家停留在第二空間的時間越來越多。
智慧城市和信息化也有很大的關(guān)聯(lián)，信息化的本質(zhì)是提升人們生活學(xué)習(xí)工作的效率，信息化是智慧城市的基礎(chǔ)，智慧城市是城市信息化的高級階段，這是我們的基本認(rèn)識。
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數(shù)字孿生是智慧城市建設(shè)的基礎(chǔ)底板
基于基本認(rèn)識，我們認(rèn)為一個城市有三個這樣的空間：
物理空間：人們生活的空間。
社會空間：政府管理和人類社會經(jīng)濟(jì)活動，它是人文社會的空間。
信息空間：現(xiàn)在變得越來越重要。
數(shù)字孿生，這是最近十年提出來的，最開始出現(xiàn)是在工業(yè)制造領(lǐng)域，為了制造一些精密的設(shè)備，特別是美國航空航天的相關(guān)部門，將物理設(shè)備在計算機(jī)里做出一個一模一樣的東西，通過傳感器捕捉物理設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的實際情況，將信息輸入到計算機(jī)里，在計算機(jī)里進(jìn)行設(shè)備優(yōu)化，再反饋到物理設(shè)備上，這是數(shù)字孿生的技術(shù)。特點是效率高、成本低。
我們認(rèn)為，智慧城市構(gòu)建主要是數(shù)字孿生技術(shù)，對一個城市做數(shù)字孿生，是智慧城市建設(shè)的基礎(chǔ)底板。大概是這樣的一條路徑：
首先是信息時代的城市，按照三元空間的理論，捕獲這三個空間都有相應(yīng)的實體，有相應(yīng)的活動，有相應(yīng)的規(guī)律產(chǎn)生各種各樣的數(shù)據(jù)，將它歸納為城市基礎(chǔ)的時空數(shù)據(jù)；
第二個是社會空間的技術(shù)，主要是城市管理對象數(shù)據(jù)；
第三個是城市運(yùn)行狀態(tài)的感知數(shù)據(jù)。
在這個過程中可以看到，數(shù)字化孿生是由各種各樣的數(shù)據(jù)構(gòu)建的，這個數(shù)據(jù)集本身比較復(fù)雜。在此基礎(chǔ)上，智慧城市操作系統(tǒng)應(yīng)該是橫貫整個三元空間，將三元空間中各種各樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集管理的，為政府、百姓提供統(tǒng)一接口。
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城市信息基礎(chǔ)設(shè)施：泛在感知網(wǎng)絡(luò)、統(tǒng)一大數(shù)據(jù)平臺
回到報告的主題，基于虛擬地理環(huán)境的工程邏輯。以虛擬地理環(huán)境為數(shù)字基礎(chǔ)，以時空信息為連接紐帶，基于智慧城市大數(shù)據(jù)平臺全面整合城市各類運(yùn)行數(shù)據(jù)，在數(shù)字世界中對城市進(jìn)行分析、模擬、優(yōu)化，再指導(dǎo)實際城市運(yùn)行和管理，這是一個可行的工程邏輯。
一個城市應(yīng)該有城市的信息基礎(chǔ)設(shè)施，除了網(wǎng)絡(luò)通信、存儲、計算這樣的設(shè)施之外，應(yīng)該還要有泛在的感知網(wǎng)絡(luò)，由城市統(tǒng)一建設(shè)，包括有統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)平臺，這兩個階段都應(yīng)該由城市級別的部門統(tǒng)一建設(shè)。
目前各個單位都在自己建，比如交通部門為了捕捉交通的運(yùn)行情況，裝了很多攝像頭。環(huán)保部門為了監(jiān)測霧霾，或者監(jiān)測一些環(huán)境的指標(biāo)，可能也建設(shè)了很多物聯(lián)網(wǎng)、傳感器的設(shè)備，但是每個部門都有自己的設(shè)備、平臺、數(shù)據(jù)、應(yīng)用，一套建下來之后，會造成很多數(shù)據(jù)孤島的問題。
一個城市要把泛在的感知網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)平臺作為基礎(chǔ)設(shè)施來建設(shè)，在這之上才會有各種各樣的個性化應(yīng)用。政府各個職能部門的信息系統(tǒng)應(yīng)該只是這個平臺上的某一方面應(yīng)用，比如做房產(chǎn)登記、發(fā)身份證、辦理工商登記等等，應(yīng)該只是委辦局的應(yīng)用，當(dāng)然公眾和企業(yè)也可以在這個平臺上做相應(yīng)的開發(fā)。
有了這個邏輯之后，從技術(shù)架構(gòu)上，應(yīng)該分為幾層：
感知層：主要是物理設(shè)備，依賴于傳感器和互聯(lián)網(wǎng)的一些東西；
數(shù)據(jù)層：將數(shù)據(jù)匯聚起來，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)底線，建立平臺，提供應(yīng)用支撐；
數(shù)據(jù)層+平臺層：智慧城市操作系統(tǒng)，上面有城市規(guī)劃、建造、智能交通、公共安全、應(yīng)急管理。
最后才是面向政府、企業(yè)、公眾用戶。
在這樣的邏輯下，智慧城市的操作系統(tǒng)應(yīng)該有如下的核心特征：
數(shù)據(jù)應(yīng)該是對象化的組織。傳統(tǒng)來說大家都是把各種數(shù)據(jù)匯集到一起，特別是對政府部門來說，如果這些數(shù)據(jù)僅僅是放在一起，其實基本沒什么用。更多的時候需要按照城市管理的一套邏輯將數(shù)據(jù)進(jìn)行對象化的組織，雖然我們的邏輯上不是很完備，但我們提出了這樣的理念，數(shù)據(jù)應(yīng)該按對象進(jìn)行組織，這樣才可以發(fā)揮作用。
智慧城市建設(shè)需要可視化的能力。很多數(shù)據(jù)的計算，通過各種方法能得出結(jié)果，但結(jié)果的展示也特別重要。目前來說在智慧城市建設(shè)領(lǐng)域，大規(guī)模、大場景的城市展示是比較多見的，規(guī)模很大，但效果不是特別好。大家更關(guān)注宏觀場景，但宏觀場景和逼真可視化并不矛盾，只是目前沒有人做這個事，這是比較重要的特征。
城市操作系統(tǒng)應(yīng)該有海量多元數(shù)據(jù)的接入與管理能力。對政府而言，可能要接入各種各樣的數(shù)據(jù)，一個是遺留的系統(tǒng)，已經(jīng)建成的系統(tǒng)，要把軟件和數(shù)據(jù)庫接入進(jìn)來。當(dāng)然，我們也要在互聯(lián)網(wǎng)上捕獲輿情。加上物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)入，各種傳感器等相關(guān)數(shù)據(jù)。城市操作系統(tǒng)應(yīng)該具備海量時空數(shù)據(jù)的并行處理能力，目前一些大的IT公司已經(jīng)做得很好了，目前技術(shù)挑戰(zhàn)相對不是很大。
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基于虛擬地理環(huán)境工程邏輯的實踐應(yīng)用
從城市的泛在感知、信息的傳輸與鏈接、大數(shù)據(jù)平臺到數(shù)據(jù)融合分析、到最后的城市建模與優(yōu)化這個技術(shù)流程，物聯(lián)感知和信息傳輸我們認(rèn)為ICT領(lǐng)域已經(jīng)做得特別好了，所以我們研究院把目光主要聚焦在大數(shù)據(jù)平臺和數(shù)據(jù)融合分析這兩個領(lǐng)域。
這里有一個立體感知示意圖，從測繪遙感、地理信息的技術(shù)，通過天和地捕捉能看到的物理世界的東西。我們也接入政府管理產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，匯聚人口、法人、地址等城市運(yùn)行的相關(guān)社會數(shù)據(jù)，捕捉社會空間的城市信息。最后通過一些互聯(lián)網(wǎng)、政務(wù)網(wǎng)、社交網(wǎng)的接入，從網(wǎng)絡(luò)上抓取網(wǎng)絡(luò)輿情相關(guān)的數(shù)據(jù)，感知虛擬網(wǎng)絡(luò)空間正在發(fā)生著什么事情，通過這樣的技術(shù)手段獲取各種各樣的數(shù)據(jù)。
在城市建模方面我們也做了研究，主要做的是如何構(gòu)建全空間、全尺度、全要素的虛擬城市環(huán)境。這是智慧城市建設(shè)的底板，有了這個底板，各種各樣的數(shù)據(jù)都可以在底板上疊加融合進(jìn)行分析，城市建模就是城市孿生的第一步。
當(dāng)城市數(shù)據(jù)建好后，需要一個平臺管理，在這個平臺上進(jìn)行一些模擬和分析，以模擬分析結(jié)果優(yōu)化實際的城市管理工作，這個平臺我們稱為智慧城市操作系統(tǒng)。
我們現(xiàn)在也在研究如何將大規(guī)模數(shù)據(jù)和精細(xì)城市可視化系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。一旦數(shù)據(jù)進(jìn)入可視化城市操作系統(tǒng)的平臺，就可以進(jìn)行各種各樣的交互式分析，在物理世界中可能需要很大的成本，而在虛擬世界中可以很容易進(jìn)行交互分析。
也可以做虛實融合，在物理世界中疊加虛擬管理概念，城市土地利用都是以地塊為單位，地塊沒有明確的物理邊界，但是在管理上有很清晰的界址點，規(guī)劃控高也很明確，在物理世界看不到，但可以在計算機(jī)領(lǐng)域通過虛實融合的方法可以把規(guī)劃控高、用途、限制表達(dá)出來。
剛才也提到，要接入各種各樣的物聯(lián)網(wǎng)和傳感器數(shù)據(jù)。無人機(jī)數(shù)據(jù)的接入很有必要，特別是在城市的應(yīng)急和公共突發(fā)事件的應(yīng)急處置上，無人機(jī)飛到天空，將視頻回傳過來，通過與地理場景的匹配，可以很清楚地看到物理世界在當(dāng)前時間、地點上發(fā)生了什么樣的事情。
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總結(jié)
我們團(tuán)隊認(rèn)為，如何建設(shè)智慧城市，其實不同學(xué)科的專家都有不同的見解，包括計算機(jī)領(lǐng)域或者通訊領(lǐng)域，包括測繪遙感、地理信息領(lǐng)域，都有不同的想法。我們認(rèn)為基于地理信息的技術(shù)構(gòu)建虛擬城市環(huán)境，整合各類數(shù)據(jù)資源，形成統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)平臺，基于這樣的大數(shù)據(jù)平臺支撐多元的智慧化應(yīng)用，這應(yīng)該是可行的技術(shù)路徑，并且深圳市目前也在這樣的思路下進(jìn)行一些實踐的探索。
