落地智慧城市，推动科技创新

文｜范秦寅

预测城市发展规律是目前的短板

中国近几十年的发展，尤其是城市的发展，不可不说是世界史上罕见的奇迹。

目前智慧城市建设主要集中在数据收集、城市现状掌控，管理等方面，科学预测城市发展规律，实现持续发展性规划是目前的短板。

城市仿真技术基于大数据的发展和整合，基于各种学科的基础理论，探索和预测城市在人口、经济、交通、环境等各方面的发展规律，包括预测城市人口的变化以及人口在城市中的分布，预测城市交通流量的变化和新规及交通设施的使用效果，预测各种灾害和意外突发事件并提出应急预案。最后，通过各种可视化技术将融合后的成果直观展现，实现城市发展的科学预测，达到城市持续发展的目的。

图1 某小区设计方案（左）和周围风速分布预测结果（右）（中国建科院提供）

结合今后城市、城市群的发展，以基于大数据的城市仿真为主题，聚焦城市仿真研究成果，推进城市大数据的发展和整合，预测城市发展规律，建立城市仿真系统。实现环境、人口、经济、交通、医疗、旅游等的科学预测，是智慧城市发展的一项重要工作。

为了明晰自己管理的城市的发展趋势和规律，城市领导必须重视抓紧这方面的工作。否则，城市群的发展会遇到更多难以预料的问题。

智慧城市实施需要遵循的几个原则

从政策法规上来看，《中华人民共和国城乡规划法》明确要求“城市总体规划、镇总体规划的规划期限为二十年。城市总体规划还应对城市更长远的发展做出预测性安排”。“环境保护、自然与历史文化遗产保护以及防灾减灾等内容，应当作为城市总体规划、镇总体规划的强制性内容”。就是说，为了保证持续发展，国家法律明确规定，城市规划至少20年不允许出问题。

2015年底，中共中央、国务院第37号文件又提出了“构建城市虚拟仿真系统”。基于大数据与科学理论的城市虚拟仿真系统的发展已箭在弦上。预测了城市的将来，就能够科学地规划城市。

磨刀不误砍柴功，城市发展建设需要认真规划，智慧城市的规划需要科学的检验，仿真则是现实而又可行的手段之一。

最后，能否考虑基于以上原则进行城市规划后，由当地政府各有关部门提出，通过地方人民代表大会和政协的审议和认可，从制度上为城市的持续发展提供保障。

智慧城市是科技创新的机遇

智慧城市的科学发展，将推动传统学科以及产业的发展和创新。

具体来说，智慧城市需要基于各传统学科的基础理论，探索和预测城市在环境、人口、经济、交通等各方面的发展规律，并推动传统城市规划不断吸收新兴学科的理念，包括和计算流体力学、人口学、交通理论、经济学、人工智能等学科的深入融合，从而进一步发展。中国的城市数量最多、规模最大，为传统城市规划的创新发展提供了无限的机会

智慧城市的应用和需要，还可以推动以下有关应用学科自身的发展，诸如：计算流体力学、人口学、交通理论、经济学，并促进这些传统学科的互补。

于是，就会有智慧城市专业的发展。建立智慧城市专业，适应城市发展需求，捕捉研究和解决智慧城市的科学和技术重点，推进各学科的融合创新，推动城市的发展。

以计算流体力学（CFD Computational Fluid Dynamics）为例，它应用于绿色建筑和城市环境仿真的过程中，城市需求在推动着它的发展。

在绿色建筑方面（或者说是BIM系统中），以中国建设科学研究院的PKPM和清华大学绿建斯维尔的建筑通风VENT导入的CFD为代表，结合中国国家以及各省市地区的绿色建筑标准，提供的PKPM-CFD平台，把建筑设计及绿色建筑标准和基于CFD的绿建检测评价集合于一体，可以说是一种大胆的创新（图1）。

在城市仿真方面，首先，城市规模的计算，硬件容量必须足够大，微分离散网格规模必须是亿的数量级。也就是说，算法速度要快是一方面，同时还需要相应的硬件配合，常规硬件的结构还需要改进才能满足需要。

为了提高计算速度，算法程序的改进、硬件GPU、并行处理等的应用都会遇到新的课题。

城市地理、建筑、道路、河流、气象等的数据采取制作后，如何迅速读入仿真平台应用起来，种种细节的处理，也有各种课题要解决（图 2）。

图2 北京顺义区局部航空扫描三维结果展示（东方道尔提供）

图3 北京顺义区局部环境仿真结果之风速分布（数字仿真研究院提供）

巨大规模的计算结果数据，需要能够迅速转换为清晰易懂的可视化图像、三维动画，VR视频等等。支撑城市决策的种种需求，都需要基于具体数据给予确实可信的答复（图3）。

今后，将地球仿真、城市仿真、绿色建筑仿真无缝连接起来，使之成为自然的一体，这将是不远的梦想。

通过计算流体力学，我们可以看到，综合其他所有有关学科的运用，实施城市各方面仿真，全面预测城市的发展，传统水文学、城市规划等每个学科也都遇到了同样的创新发展机会。