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城市的物理骨架与数字肌理虚实交互
2020-01-20 13:10:38来源:中国建设报    作者:曾 辉

1516年,托马斯·莫尔的《乌托邦》,以一个旅客拉斐尔的见闻,通过假想岛屿国家乌托邦,着重描述了完整城市的构想;1961年,被引为城市规划经典的简·雅各布斯的《美国大城市的生与死》,敏锐捕捉到城市背后的精神元素,升华性地去看待都市结构的基本元素及其功能;2018年《头号玩家》被搬上银幕,人们只要戴上VR(虚拟现实)设备,就可以进入与现实形成强烈反差的虚拟世界。

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实与虚,科技与人文,人们对未来城市的构想恰恰反映着技术融入时代的印记。工业文明时代,城市在人们心中的形象,是以钢筋水泥代表的高速公路、高架桥等基础设施以及各种大型的能源场站;而到了智能时代,取而代之的是5G(第五代移动通信技术)、物联网、人工智能等为代表的新一轮的信息基础设施。而城市亦在以一种前所未有的方式生长——数字孪生,虚拟城市与实体城市相互映射、有序联动,在虚实交互中成长为可迭代的产品灵魂。一如《长安十二时辰》中靖安司拿出的沙盘,长安的一百零八坊、南北十四街、东西十一街、坊内曲巷和漕运水渠都映射其中,物理空间与虚拟空间得以找到同一种律动。

身处未来城市的关键转型期,城市的物理骨架与数字肌理亦在发生巨变。谷歌旗下Sidewalk Labs(人行道实验室)在多伦多所设计的“未来社区”Quayside(码头区),宣称创建“世界上最强大的城市数据管理机制”,以“城市数据信托”的形式管理基于个人ID(身份证)的数据和基于城市物理空间的数据,鼓励自动驾驶与垃圾智能处理链等创新应用。在刚举行的2020年拉斯维加斯消费电子展(CES)上,丹麦建筑工作室BIG(比贾克-英格尔斯集团)与日本丰田汽车公司宣布将在日本富士山附近以木制建筑和自动驾驶汽车为基础打造“未来城市原型——Woven City”。Woven City将城市道路划分为三种,以适应不同的速度,包括针对自动驾驶车辆的高速道、针对个人交通工具(自行车、踏板车和丰田的i-Walk)的低速道以及人行道(见图)。还有直通到每家每户的地下管道网络。更为重要的是,通过人、车、建筑物、街道等的互联互通,能在真实的生活场景和数字世界中切换,从而实现AI(人工智能)技术的测试迭代。

在中国当下的环境中,随着5G技术即将进入大规模商用阶段和技术公司纷纷介入的城市化进程下半场,在低时延(峰值速率比4G提高了30倍)、大连接(每平方千米支持100万个传感器连接上网)、支持高速移动(支持每小时500千米高速移动时的数据连接)等优势条件下,城市从诞生开始,流量和数据将迎来爆发性的增长,数字孪生城市的2.0版本已经开启。

虚拟世界:

多维数据构建的城市操作系统

智能时代的快车道甚至超车道是什么?就是建立起数据与AI技术融合的未来城市操作系统。这里面有三个核心的诀窍。

第一,建立一套以空间为ID的多源异构数据的汇聚与处理机制。一方面,要“从上至下”,从卫星遥感影像到LBS(移动定位服务)等不同地理信息;另一方面,要“从头开始”——打造城市级的CIM(城市信息模型)系统。古语有云“上知天文,下知地理”,随着2015年卫星遥感进入民用领域的相关政策解禁,卫星遥感影像的使用成本大幅下降,精度大幅提高,高频与低频数据融合的时空数据分析迎来绝佳发展良机,城市也成为AI大规模计算能力落地的策源地。尤其是我国首颗民用亚米级高分辨率光学传输型立体测绘卫星——高分七号进入应用阶段,地球第一次有了3D(三维)的立体照片。空天一体的“城市三围”计算不再是梦想。万里高空视角下城市的变迁一下就变得生动起来,这也解决了“卡脖子”的自主可研的地理信息数据问题。

除此之外,要建立覆盖规划设计-建设实施-运营管理的全生命周期的城市级CIM系统。空间ID把城市切分成最小的空间单元,来作为操作系统的入口,为数据和信息提供构件级的空间定位,让每一栋建筑、每一条街道都活过来。这背后需要从规划一开始,就搭建基于GIS(地理信息系统)+BIM(建筑信息模型)+IoT(物联网)的多工具融合的底层平台,通过量身定做的数据逻辑与规则引擎,以全局联动的电子导则和自主优化的模型体系,实现不同专业领域的交互统筹,进行系统智能化迭代,在决策实施前,能进行多方案的模拟、推演和比选。

第二,建立可被规模化复用的数据中台和业务中台。通过多模块集成的传感器和具备高算力的边缘计算终端,城市的分析和决策能力被下放到分布式终端,就可在卫星上进行在轨计算,算法被搭载到卫星上,直接在太空中进行实时的数据处理分析。得益于城市数据在时间、空间上的颗粒度变得更精准,得到了基于个体的ID档案。如GPS(全球定位系统)轨迹和搜索数据,在进行脱敏处理后,城市和用户的状况能被更加精准地追踪和预测,拉通了精细化的管理和面向用户的精准服务。在千人千面的推荐算法背后,ID 画像、人群透视与人群放大解决了“他是谁”“他们是谁”与“还有谁和他们一样”三个问题,同样的中台理念也被广泛应用到了城市领域。数据中台将来自不同部门、不同来源的数据,通过统一的空间ID进行存储、整合、萃取以及产品化包装,打通数据之间的隔阂,消除数据标准和口径不一致,实现城市要素的全数字化,数据被作为城市的资源进行资产管理;而业务中台则是从规则库和模型库的角度,围绕“城市水电煤”的基本概念,抽象共用能力和共有业务模块,向外输出公用基础组件和业务共享单元。在应用端,结合物理空间的智能设施与应用形成针对不同领域的解决方案工具包。

第三,建立广泛赋能的数据开放及交易机制。上海市与北京市相继推出了公共数据开放办法,都提出要构建分级分类开放机制和清单管理机制,打造开放数据平台以及构建数据生态。城市就是数据生成、使用以及被再利用最为重要的能量场。因此,要建立起一套针对不同对象的数据开放与交易机制,形成针对创新城市家具、创新空间(自动驾驶专用道等)等不同城市空间产品的监测评价体系,链接产业孵化与数字交易,为智能技术在城市中的应用,打造24小时永不落幕的路演场和交易平台。

实体世界:

循环可持续的城市底板

在实体城市方面,智慧应用应当回归从城市的基本要素出发,服务人对于美好生活的向往和对高品质社区的要求。梳理国内外品质城市后不难发现,无缝精准的智慧出行、循环的低碳社区、活力混合的功能单元、有温度的生态肌理、健康可持续的地下母体、灵活响应的公共空间等成为共性的追求。在其中技术仅仅充当了工具角色,串联起不同系统的一定是人文精神、艺术追求,以及对整个系统平衡的把握。因此,数字孪生绝不仅是系统上云、建几个机房、上一块可视化大屏这些操作,而且要在实体城市生长的每一个环节就考虑数字技术与城市生长(规划-建设-运营)的融合,将智能应用与城市的脉络、软组织乃至大脑相融合。比如,全谱系的无人驾驶城市所需要的道路系统,要考虑行人过街的稳静化设计,要考虑适应新能源汽车的充电系统,以及不同出行方式交叉的融合节点设计;针对垃圾、水、能源组成的分布式资源微循环系统,如何从建筑、组团、区域等不同层面考虑,基于建筑空间单元的能源平衡方案是什么;普惠化、个性化的分层级公共服务体系与15分钟生活圈、完整社区如何结合,技术的可迭代性和空间适应性之间的融合;通过参数化设计,如何实现建筑单元模块化的组织和更新等等。

空间与技术跃迁的融合共生是摆在设计师和科学家面前需要共同解决的问题。这其实涉及到一系列的技术选型分析和跨行业的智能场景版图研究,背后是一系列软硬一体结合的解决方案和工具包。

在虚拟城市和实体城市的背后,还涉及到城市的开发与运营模式,以及整体的体系设计。土地和地产增值不再是唯一的收益模式,实体城市空间也能被更好地经营和租赁,数字收益也将打破传统时空的限制,数据的价值将被指数级释放。得益于数字孪生技术,城市能建立起一套精细地图——城市全生命周期的空间档案馆。在商业驱动时代,我们有了淘宝,在技术驱动时代,也同样应该有一个城市创新的淘宝,未来城市的实体与虚拟空间都将成为商品(即城市服务与应用)的一个展示平台,城市运营商、用户、技术服务提供商都将是主角。一项新技术的应用从实验室走向真实社会,像自动驾驶和5G技术一样,一定有一个适应过程。应该根据技术成熟度,分区分类型推广应用,通过数字孪生建立起的落地-测试-评估-迭代的机制,能及时让企业获得数据,进行应用的迭代,从而推动产业的集聚和城市的创新。


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