智慧城市的地下空間呈現(xiàn)出了向三層空間的發(fā)展趨勢

隨著城市化進程加快，城市人口的密集度越來越大，城市空間資源利用呈現(xiàn)向三層空間發(fā)展的總體趨勢，城市空間基礎(chǔ)設(shè)施的信息化也將成必然趨勢。如何更好地利用、管理城市地下空間？

當前國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和市政管理機構(gòu)也在探討，例如有行業(yè)專家以“武漢城市地下交通發(fā)展趨勢”為基礎(chǔ)提出改變當前交通結(jié)構(gòu)和交通方式，大力發(fā)展地下交通設(shè)施；依據(jù)“物聯(lián)網(wǎng)和BIM技術(shù)在地下綜合管廊建設(shè)運維中的應(yīng)用研究”，提出從設(shè)計、施工、維護3個階段全面利用物聯(lián)網(wǎng)和BIM工具；有專家在《北斗+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地下管線管理中的應(yīng)用》一文中提出，利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)定位+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開展地下燃氣管線的安全監(jiān)管。從以上案例中不難看出當前行業(yè)內(nèi)對于地下空間的利用大多局限于具體的行業(yè)，如交通、燃氣、供水、綜合管廊建設(shè)等，但對于城市空間如何整體規(guī)劃當前還沒有具體成果。

城市空間三層發(fā)展的總體趨勢

由于城市道路擁堵、馬路拉鏈、霧霾、城市內(nèi)澇等問題，人們對改善城市環(huán)境的呼聲越來越高。但目前城市問題的根源在于城市發(fā)展模式、基礎(chǔ)設(shè)施等一定程度上違背了人與自然和諧發(fā)展的規(guī)律。城市空間發(fā)展趨勢是向三層空間拓展的，包括地下空間、地面空間和城市上空空間。

未來城市發(fā)展的趨勢是基礎(chǔ)設(shè)施盡量向地下空間發(fā)展，包括交通、電力、通信、燃氣、自來水、蓄水排水等；城市建筑、花園植被、市民活動空間、滲透型道路，建筑活動工業(yè)化、城市工廠搬遷至郊區(qū)（未來工廠將大規(guī)模采用機器人作業(yè)）可優(yōu)化地面自然空間；城市風(fēng)道、無人機交通航線、無人飛行車交通航線將優(yōu)化城市上層空間。

三層空間城市基礎(chǔ)設(shè)施比重應(yīng)在5:4:1，而當前該比重為3:7:0。但隨著綜合管廊技術(shù)、海綿城市技術(shù)、無人駕駛技術(shù)的發(fā)展，城市地下交通的比重會越來越高，城市的地下基礎(chǔ)設(shè)施占比也將越來越大。

開發(fā)智慧城市地下空間與基礎(chǔ)設(shè)施刻不容緩

我國大部分老城區(qū)已經(jīng)暴露出交通擁堵、城市基礎(chǔ)設(shè)施支撐能力下降、人居環(huán)境惡化等城市通病，地下空間的開發(fā)能夠有效緩解老城的現(xiàn)實問題；隨著城市化進程的加快，未來5~10年，城市將負擔(dān)70%的人口，城市地面空間開發(fā)余量已非常有限，60%以上城市的老城區(qū)在超負荷運轉(zhuǎn)，大大降低了城市居民的舒適度。未來，地下空間規(guī)劃體系與管理機制將逐步走向完善。

與此同時，當前電力、通信、燃氣、給排水等城市地下管線管理方分屬不同政府部門或企業(yè)，形成了信息孤島，使得地下空間越來越擁擠，地下管線被挖斷、施工受阻撓等問題時有發(fā)生。據(jù)估算，我國城市每年因施工造成的地下管線事故直接經(jīng)濟損失約50億元，間接經(jīng)濟損失約400億元。亟需通過實行統(tǒng)一的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和管理，徹底改變管道自建、各自管理的零亂局面。而統(tǒng)一規(guī)劃的前提是建立地下空間的管網(wǎng)信息模型，通過數(shù)字化模型實時展示各類管線的功能、位置、深度、間距等。

在當前大交通理念下，城市地下交通與城際高鐵、地鐵形成了大交通趨勢，城市以地下隧道方式建設(shè)了越來越多的快速路，快速路是未來城市全面走入地下的雛形。同時城市地鐵在規(guī)劃時也需要在城市樓宇地下層、車庫之間進行接駁和參照，避免地鐵震動擾民和對建筑地基的損害，這需要建立城市地平面以下的空間模型，沒有這個空間模型就無法進行統(tǒng)籌規(guī)劃。

內(nèi)澇也是我國的城市的一大棘手問題。每年夏季我國一線城市都會發(fā)生內(nèi)澇，且隨著人口密度增長和城市擴展，內(nèi)澇問題愈加嚴重。而以英國、德國、日本等發(fā)達國家的發(fā)展經(jīng)歷來看，建設(shè)地下宮殿式的蓄水、排水系統(tǒng)是必然趨勢。面向海綿城市的地下給水、排水系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計需要有完整的城市地下空間模型。因此城市公共管線設(shè)施、地下交通設(shè)施、海綿城市設(shè)施均需要統(tǒng)一的城市地下空間模型才能進行統(tǒng)一規(guī)劃、協(xié)同設(shè)計、同步實施。

如何開發(fā)智慧城市地下空間與基礎(chǔ)設(shè)施

基于以上現(xiàn)狀，城市地下公共設(shè)施信息模型（Information model of urban underground public facilities，本文簡稱UIM）應(yīng)運而生，UIM是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，面向城市地下空間資源規(guī)劃的發(fā)展趨勢，充分管理好、利用好城市地下空間，為市民的生活騰挪出更多的自然環(huán)境空間，順應(yīng)自然規(guī)律，減少城市交通污染以及水泥地面對地表自然環(huán)境的侵害。

當前行業(yè)內(nèi)已經(jīng)有建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）、ArcGIS+Engine地理信息系統(tǒng)、OpenGL（Open Graphics Library)等開發(fā)環(huán)境，在此基礎(chǔ)上，與數(shù)字孿生城市相結(jié)合，完成整個城市的物理環(huán)境與數(shù)字環(huán)境的映射、同步。在一個統(tǒng)一的平臺上展現(xiàn)城市地下基礎(chǔ)設(shè)施、地質(zhì)條件等。

如何實現(xiàn)智慧城市地下空間與基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)

傳統(tǒng)的數(shù)字城市側(cè)重于政務(wù)信息化、城市地理空間GIS（Geographic Information System）系統(tǒng)、無線城市、光網(wǎng)城市建設(shè)等，是初步的數(shù)字化應(yīng)用。數(shù)字孿生（Digital Twin）是將城市活動和城市物理環(huán)境全部實現(xiàn)數(shù)字化，映射到數(shù)字世界中去。數(shù)字孿生最初只在工業(yè)精密制造領(lǐng)域使用，是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。對于城市空間資源來說，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。過去，城市管理者是將政務(wù)信息管理起來，通過流程信息化管理數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，這是城市活動數(shù)字孿生化。城市的數(shù)字化給城市帶來的是數(shù)字資產(chǎn)，它與礦產(chǎn)資源不同，可以重復(fù)無限次使用，從而發(fā)揮最大價值。

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Everything或Internet of Things，本文稱之為IoT）概念早在2001年已經(jīng)提出。互聯(lián)網(wǎng)使人類的活動得以數(shù)字化，打通了人類和人類之間的快速交互通道，而物聯(lián)網(wǎng)使物理世界得以數(shù)字化，打通了數(shù)字世界與物理世界之間的通道。物聯(lián)網(wǎng)在整個人類技術(shù)經(jīng)濟的發(fā)展演進路徑上處于數(shù)字經(jīng)濟的中期階段，是物理世界數(shù)字化之后的階段，借助現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)通道，采集現(xiàn)場數(shù)字化信息改變以前“互聯(lián)網(wǎng)—人—互聯(lián)網(wǎng)”的交互模式為“物—互聯(lián)網(wǎng)—物”的模式，在這個過程中人的作用是不斷提升這種交互方式的技術(shù)水平、經(jīng)濟價值、應(yīng)用功能，為后續(xù)人工智能技術(shù)經(jīng)濟形態(tài)下的社會做好鋪墊。

物聯(lián)網(wǎng)不是一場技術(shù)的革命，而是一場升級和進化。傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)通常被稱作傳感網(wǎng)，是通過RFID、傳感器自上而下采集數(shù)據(jù)，通常分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層，城市智能抄表、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）、商場智能停車等目前應(yīng)用較多。新型物聯(lián)網(wǎng)強調(diào)物與物之間的本地通信能力、協(xié)同能力，減少人的參與，它是未來人工智能的基礎(chǔ)。城市中人們的活動是動態(tài)的，物聯(lián)網(wǎng)負責(zé)搜集動態(tài)環(huán)境、設(shè)施的實時數(shù)據(jù)，然后進行匯總，反映整個城市的交通、水電燃氣等公共設(shè)施、污水雨水排水情況。空氣狀況、智慧路燈桿、照明、停車位、充電站、公共自行車、環(huán)衛(wèi)車輛等基礎(chǔ)設(shè)施都可通過物聯(lián)網(wǎng)連接。物聯(lián)網(wǎng)連接的本質(zhì)是將城市作為特大型企業(yè)來運營，想要更好的運營特大型企業(yè)，就必須知道城市的實時運轉(zhuǎn)情況，感受城市律動的脈搏，按照預(yù)案做好實時處置。連接本身就是一種價值，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)時代，一個節(jié)點的連接數(shù)越大，它的價值越大，城市也是如此。Gartner預(yù)計2020年全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)將達97億。

城市地下信息基礎(chǔ)設(shè)施的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)

當前我國城市地下管線的總長度已經(jīng)超過200萬千米，且每年以10萬千米的速度增長。管線的建設(shè)數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、維護數(shù)據(jù)等組成了海量數(shù)據(jù)，現(xiàn)有地下空間基礎(chǔ)設(shè)施將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合管廊的形式。目前很多老城區(qū)人口密集、管線老化、管孔資源飽和，多次重復(fù)開挖的社會成本和污染成本較大，城市將探索綜合管廊的形式，城市地下基礎(chǔ)設(shè)施未來將通過綜合管廊的升級改造而具備更多的智能感知、數(shù)字孿生功能。城市地下是寶貴的空間資源，除了用于地鐵、管線、城市快速路小型隧道以外，未來會逐步將城市地上交通、管線設(shè)施移到地下。而城市地下空間的規(guī)劃、設(shè)計、施工、維護均需要一套以數(shù)字孿生為基礎(chǔ)的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，實現(xiàn)多規(guī)合一、協(xié)同規(guī)劃和協(xié)同建設(shè)。有了這套大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，才有人工智能城市的基礎(chǔ)。

智慧城市在傳統(tǒng)意義上是城市的信息化，信息化是物理世界和數(shù)字世界的映射。由于人工智能可以識別的是數(shù)字環(huán)境，因此只有基于數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)才能給人工智能打下基礎(chǔ)，否則廣泛的人工智能不可能實現(xiàn)。以無人駕駛為例，目前主流技術(shù)路線是智能網(wǎng)聯(lián)汽車，即通過道路數(shù)字化、車輛數(shù)字化、車輛網(wǎng)聯(lián)、模式識別技術(shù)才能最終實現(xiàn)城市道路的無人駕駛，僅依靠單車智能無法實現(xiàn)無人駕駛，這是一個循序漸進的過程。而未來城市的地面交通，則是向地下發(fā)展，通過地下空間大數(shù)據(jù)系統(tǒng)為無人駕駛車輛提供整個城市的最佳路線、最佳車速、交通動態(tài)。諸如此類，其他各個行業(yè)也是基于這樣一個大數(shù)據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)用和邊緣計算進行決策判斷。

智慧城市的理論和實踐從2009年開始，已經(jīng)發(fā)展了10個年頭。回顧這10年的實踐情況可以看出，從數(shù)字化到互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)再到數(shù)字孿生大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的路徑是循序漸進的。當前，政府是智慧城市建設(shè)的主要推動力。而未來，理念的更新將帶動整個社會技術(shù)的升級和革新，智慧城市建設(shè)將形成政府主牽頭、全行業(yè)共同參與的雙贏模式，實現(xiàn)生態(tài)化、協(xié)同化、社會化，城市地下信息基礎(chǔ)設(shè)施模型將成為這一方向的重要載體。
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