城市设计视角下数字化工具在智慧城市中的应用研究

文／苑皓铭 青岛理工大学建筑与城乡规划学院 硕士研究生（通讯作者）

杨仕尚 青岛理工大学建筑与城乡规划学院 硕士研究生

1 概述

今天的中国城市，正在疾步跃进智慧时代。我国智慧城市的建设，得到了政府、企业、社会等多方面力量的参与。智慧城市的本质是利用先进的科学技术将已建成的真实城市物理环境与数字系统相结合，实现现代城市的科学化管理与智慧化运行，促进城市的高速发展。因此，智慧城市的建设需要多个子系统的相互配合及支持[1]，离不开以数字化工具为引擎的物理基础、计算基础、关系基础、社会基础、经济基础的支撑，每一个基础的发展，都会促进整个城市系统的进步。

2 基于数字化的智慧城市基础构成

对城市进行数字化是智慧城市建设的前提，因而数字城市可以看作是智慧城市建设的物理基础；城市信息模型（CIM）作为模拟智慧城市运行的载体，构成智慧城市的计算基础；第五代移动通信技术（5G）作为关系基础能够为各种信息的传递提供可能性；人工智能（AI）作为快速处理各种信息的社会基础，成为管理智慧城市的得力助手；中国人民银行电子货币（DCEP）的研究与发展将进一步促进城市的良性运转，成为智慧城市不可或缺的经济基础。

2.1 物理基础——数字城市

数字城市利用传统电子信息技术来实现真实城市的数字化，将城市信息储存于计算机上。数字城市的建设为实现城市信息共享和互联提供了基础[2]。而智慧城市在使用传统电子信息技术基础上，进一步利用物联网、云计算等新一代信息技术为支撑，依靠数据中心、泛在网络等设施为物理引擎，逐步实现城市的“感知化”“互联化”和“智能化”。一般来讲，智慧城市被认为是依托数字城市对城市信息的数字化和无线城市对城市信息的网络化所建设的城市发展第三阶段，即依托前两阶段实现对智慧应用的展现，实现城市建设的智能化。

从目前的发展来看，数字城市只是简单地实现了传统城市在网络信息中的虚拟，而未真正地实现人和城市的感知与互动。而智慧城市建设的目标，就是要以数字城市为依托，充分运用新一代数字化工具，实现人与城市、机器的高效互联，提升城市的服务质量。此外，数字城市只是整合了各行业之内的信息，依托互联网形成业务的初步协同以促进社会生产率，并未达到城市级之间的信息融合。而智慧城市在城市信息数字化的基础上，进一步实现对城市的全面感知，依托各种泛在网络、移动技术的支持，促进市场、社会等各方面力量的支持，从而冲破行业界限，实现各行业之间的协同发展，建设更加开放、完善的城市信息化基础，促进信息对城市发展的服务能力。

我们认为，数字城市是智慧城市的物理基础。智慧城市就是在数字城市这一基础之上，通过利用各种信息技术感知城市生活中各个参与者的动态，传递给数字城市这一具备超级计算能力的物理基础，然后借助云计算等新兴技术实现对万物互联的整合，从而实现对城市资源的有效整合。通过智慧城市，最终实现对数字城市的深度利用[3]。

2.2 计算基础——CIM

CIM 由地理信息系统（GIS）、建筑信息模型（BIM）和物联网（LOT）三部分组成。BIM是单个或一组建筑的信息管理者，而CIM 作为更高一级的信息承载者，能够实现城市海量数据的存储。伴随着多学科的融合，CIM 也逐渐与云计算、物联网等技术协同工作，实现对城市资源的深度计算。

GIS 作为城市的“4D”模型能够以时间为轴线记录城市的演变过程，指导城市的可持续发展，实现对城市发展的有效管理和科学规划；同时，作为各种数据的承载基础，将各个资源库所采集的数据进行统一处理与表达，实现“多图合一”；此外，作为真实空间位置点的“记录仪”，GIS在位置引导、位置关系计算、路径分析等与大众生活息息相关的服务中发挥着不可或缺的作用。BIM 作为储存建筑数据的基本单元，是CIM 最为直接的基础组成，通过与GIS 这一宏观层面数据平台的联合，将进一步推动智慧城市的建设。例如，由Autodesk 开发的Infraworks 就实现了GIS与BIM的合作，GIS实现对项目的规划、审批、运营等服务，BIM 完成对项目的设计、建造、施工等管理。LOT 作为一个开放的平台，容纳所有的数据并呈现各单元的实时状态，离不开设备与设备之间的信息融合与交换，而这一目的的实现，首先需要将各种设备与建筑实体相连接，然后借助移动互联网等信息技术进行信息传递，最终实现LOT 与BIM 的深度融合。

在CIM 这一计算基础平台之上，可以定义城市与建筑的空间关系，感知城市的多源数据并进行共享，从而实现智慧城市的可视化；同时，CIM 作为城市运维的支撑系统，能够清楚地表达城市的发展状态，加快城市的反应能力。

2.3 关系基础——5G

5G 是目前为止最新一代的蜂窝移动通信技术，具有高传输速率、低延迟、高容量、多设备连接的特点[4]。智慧城市的建设及运行，需要大量设备之间信息的快速交换以实现资源的有效整合及分配，从而提高城市的管理及服务水平。从信息技术的角度来看，4G 远远不能满足诸多领域的需求，而5G 的出现，在无人驾驶、电视直播、手术会诊、能源管控等方面展现出信息传递的可靠性和实时性。

5G 在智慧交通建设中具有重要的作用。智慧城市的道路系统中，交通的调控将更加高效合理，这一目的的实现，离不开全方位大面积的道路信息监测系统，而这些密集的传感器，需要可靠、稳定、高效的连接，目前来看，5G 使得这一目标成为可能。其次，5G 能够满足车辆信息、公交运营、出租录像录音等数据的传输要求，缩短监控视频的回传时间，提升交通运营的管理水平。最后，5G 技术下的多数据在线传输，为无人驾驶、车路协同等交互式场景提供了更多的可能性，从而驱动交通行业的转型升级。

5G也将在智慧能源的建设中发挥重要作用。以智慧电网为例：首先，5G 将更好地检测电网的能源消耗，预测未来的使用需求，节省停电检修的时间，提高输送及使用效率，实现电网与用户的互动；其次，5G 将对馈线自动化的发展产生推动，而这也将进一步促进多种能源电网的合并，实现对异常信息的及时感知，达到精准快速的电网控制。

5G 还将在智慧安防建设中发挥重要作用。目前，摄像技术正在向4K 分辨率监控的方向发展，高帧率、超高清的摄像技术，会产生大量的数据流量，而5G 的出现，与AI 及云储存的融合，将会在满足基本监控的基础上提供高清的实时信息，甚至在公安系统中实现针对罪犯追踪的面部识别。此外，通过5G 与无线传感器的广泛连接进行自然灾害预警系统的部署，能够在龙卷风、地震、洪灾等自然灾害事件中及时进行预测及信息传递，减少由此带来的人员伤亡或经济损失。

移动网络的发展，为全行业的数字化融合提供可能。而5G 的出现，还将在其他诸多领域发挥重要的作用，在智能制造、智慧医疗、智慧家居、个人AI 辅助等方面整合以往难以解决的问题，促进各行业之间信息的快速交流。因此我们认为，5G 是智慧城市建设的关系基础。5G 作为全新的跨时代技术，在智慧城市的建设中将成为城市、机器、人的连接体，为万物互联提供可能，从而支撑更多业务的发展，有效促进智慧城市的建设[5]。

2.4 社会基础——AI

从2019 年起，AI 的不断发展正逐渐刷新人们对于科技的认知，初级的AI 产品（如天猫精灵、小爱同学等）已经走进我们的日常工作与生活中，而对于整个智慧城市的建设来说，AI 的重要性将不仅局限于智能产品的研发，其将根据需要结合各类现代技术成为智慧城市的又一基础。目前AI在教育、金融等领域均有所实践，未来智慧城市中，AI 将依靠强大的“学习辨识”能力，从源源不断的城市海量数据中汲取知识，实现不断地演进与发展。

AI 首先在物流中发挥出重要的作用。电商的快速发展需要物流行业提供线下的支持。随着AI技术在物流行业中的应用逐渐增多，在货物分拣、配送等多个方面为工作人员带来极大的帮助。AI在环境保护方面的应用也逐渐变得广泛，在帮助人们解决气候变化、生物多样性、水资源及农业问题等方面起到重要的作用。我国北京市环保局与IBM 于2014 年合作推出的“绿色地平线”项目，就是以AI 为基础依托，计算分析气象卫星及空间监测站传来的实时数据，提供高精度的空气质量预报。同时，凭借AI 的学习能力，对比分析预测与真实环境状况的差异，以期提供更加准确的预测。

除此之外，AI 还在语言和图像理解、智能搜索、自动规划、遗传编程、博弈等方面展现出超强的思维能力，因此我们认为，AI 是智慧城市建设的社会基础。正是因为AI 超强的计算能力和学习能力，才会在与云计算、大数据等新兴技术结合的基础上，进一步促进城市高效快速的发展。

2.5 经济基础——DCEP

数字货币是基于部分环节采用区块链所形成的全新系统架构，它的出现及使用将会改变货币的供给和管理方式。DCEP 是中国人民银行正在研究中的法定数字货币，与人们日常生活中所使用的纸币及硬币一样具有国家信用，是“数字化形态的”的法定货币。

DCEP 支付的优势是无须建立账户就可以实现价值转移。目前已经被人们广泛使用的支付宝及微信支付仅仅是一种使用方式的转变，其前提是需要绑定一个银行账户来进行交易。虽然二者都有余额钱包的存在，但前提是进行银行卡绑定完成实名认证，且支付宝或微信支付的使用，受到大量公司及机关单位的限制，甚至会遭到一些App 的禁用。而DCEP 的流通将不受银行品牌和公司的限制，只要在可以进行传统货币交易的场所，都可以使用DCEP进行交易，实现无障碍支付。

DCEP与传统货币相比，还有很多优点。首先，DCEP 支持“双离线支付”，即不受手机信号影响，只要有电就可以完成交易；且因为取消了“找零”这一环节，DCEP 的使用将会比纸钞更加便捷。其次，DCEP 的使用，将不再依赖大量银行的实体店和人工服务，减少人们对于纸币的兑换，方便人们对货币的携带，进一步提升安全性与便利性，节约大量的人力及物力成本。最后，资金的可追溯性、多终端的选择性等优点将在反腐、反洗钱、精准扶贫等方面为政府提供强有力的管控能力。

由于数字货币所拥有的种种属性，DCEP 的发展也将是一个漫长的过程。2020 年8 月14 日，商务部网站刊发的《商务部关于印发全面深化服务贸易创新发展试点总体方案的通知》中指出京津冀、长三角、粤港澳大湾区及中西部具备试点的地区将开展数字人民币试点，为DCEP 的全面深化试点及推广奠定了基础[6]。DCEP 未来的使用也将逐步与传统货币之间相互配合、相互发展。

我们相信，在不远的未来，DCEP 将作为智慧城市的经济基础，在消费过程、财富管理、金融政策等方面对国家经济的发展产生积极的影响，同时在货币监管、打击犯罪等方面提高政府的管控能力。数字货币作为未来货币发展的重要趋势，将促进政治、经济、文化等领域的良性发展，推动一系列智慧场景的实现，对智慧城市的建设与深化产生至关重要的影响。

结语

以大数据、物联网、人工智能为代表的新一代科学技术正在带动新一轮的科技和产业革命，由此带来的数字孪生、共享经济等理念也逐步得到人们的关注。智慧城市的建设，首先会在数字城市这一物理基础上实现万物感知；其次依托计算基础与关系基础实现万物互联，最后将借助社会基础、经济基础等实现人与城市互动的美好愿景。2020 年新冠疫情的防控足以让我们了解到发展新技术的必要性，借助物理基础和计算基础具备更强的计算能力，借助经济基础促进智慧城市的深度应用，最终实现智慧城市感知、互联、智能的建设目标。

城市设计视角下的研究更加清楚地展示了数字化工具对于智慧城市建设的重要作用，提出基于数字化工具的智慧城市建设五大基础。由于文章主要针对数字化工具的运用，因而对全方位智慧城市建设基础的深入研究亟待展开；由于电子信息科技受到外国的保密，文章主要围绕数字化工具在我国智慧城市建设中的现状展开，需要结合国际环境进行深化。

智慧城市的建设和发展给人们带来了很多便利，随着城市管理水平的提升，城市各方面的协同能力也会越来越完善，人们对于城市服务的要求也会越来越高，而这些都将进一步促进城市的建设和发展。智慧城市是未来城市的发展趋势，只有更好地认识智慧城市的各个基础构成，让数字化工具及其技术为智慧城市系统提供更多进步的可能性，才能让城市和人们的生活更加美好。