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首頁 觀點正文

智慧城市建設問題(二):城市要素分析

  “城市是一個復雜的巨系統”,筆者在與多位專業人士討論城市時,這是大家喜歡說的一句話,筆者也非常贊同。可是,我們現在的智慧城市建設項目是否遵循了系統論思想了呢?這一點,筆者真的是不敢妄言。從筆者分析過的一些所謂的智慧城市建設項目來看,至少沒有完全遵循系統論的思想。

  系統論誕生于國外,開始是由醫學生理學的專家提出的。而我國,則是由錢學森提出并形成了基本的理論。航天工程必須遵循系統論的思想,否則就很難保證任務的成功完成。

  系統論的思想主要有這樣的一些觀點:一是系統的整體性,系統是以一個整體與外部進行交互的;二是系統的等級性(或者稱為分層性),等級之間是有聯系和作用的;三是系統的多要素性,這些要素是相互作用的;四是多任務性,每一個任務都要考慮對資源(包括時間、空間)的需求;五是動態性,說明系統不是一成不變的,是時間的函數。

  復雜的巨系統,就意味著這個系統應該是由多個子系統構成的,而這些子系統可能會具有共同的組成要素,子系統之間有相互的交叉和作用。

  對城市要素進行分析,將這些要素映射到數字空間中來,并用直觀簡潔的方法進行呈現是智慧城市應該有的環節。

  1.傳統城市的要素

  1.1 城市的主體要素

  我們先從底層來談談城市構成的主體要素。無論是單個的人,還是一個人的群體,對于人類社會來說,是人與環境之間關系。

  所以人和環境就構成了兩大基本要素,但是這樣對要素的分析太籠統了,必須細分。

  作為人(這里主要指城市中的人)即要活在當下,也要考慮未來;既有基本的活著的需求,也有更高級生活需求;既要與環境進行交互,也不可避免地要和他人交互......

  城市最初的形態,是因為有城墻,有交易才構成的。城墻的目的首先是抵御入侵,而交易則必須要保證公平。這樣以人為基礎,就形成了這樣的一些要素:

  居民:每一個在城市中居住的人,無論是何種身份,他都是一個居民;

  政府:無論古今中外,每個城市都需要管理者,來統籌防御外敵入侵是內部的公平交易問題;

  機構:包括企業和各類服務于居民和城市需求的各類機構。

  居民、政府和機構是城市的最基本的主體要素。

  1.2 城市的基礎要素

  1.2.1 城市資源要素

  城市的資源要素,是保證城市發展的基礎,一個水資源匱乏的地區,就很難聚集起大量的人群,同樣一個缺少人力資源的城市,也很難在產業方面起步。資源,我們可以分為自然資源、人力資源、文化旅游資源、生態資源、資本資源等等。

  1.2.1.1 城市自然資源

  自然資源,是非人力干預而天然存在的資源,包括水資源、礦產資源、土地資源、地理氣象資源、周邊資源等等。

  水是人類生存必然的物質,人類就是在水邊聚焦和發展起來的。水資源已經不僅是人類生存所需的要素,也是產業發展必不可少的要素之一。

  礦產資源可以產生一個城市,也可以由于資源開采、加工的興盛而發展,還可能隨著礦產資源的枯竭,而使這個城市面臨窘境。

  地熱資源,是天然的能源寶庫。

  自然資源還包括地理資源,城市的地理位置優越,可以給這個城市帶來不可或缺的條件。濱海城市,如果有天然的深水港,那就有得天獨厚的發展空間。良好的氣候條件也是城市發展所需要的條件之一。

  土地資源對于一個城市發展的重要性是不言而喻的。

  1.2.1.2 人力資源

  人力資源是城市發展的最重要的要素,在世間萬物中,人是第一寶貴的,沒有人力資源就不可能有城市和城市的發展。

  人力資源,可以是自然人力資源和集約化的人力資源。

  自然人力資源當然是原住民為主,是由這個城市自然產生的勞動力資源。

  集約化的人力資源,是本文提出的一個概念,是由于產業及其他的一些因素,相關政府的政策所推動下的某些類的人力資源的聚集。

  人力資源中,人才特別是戰略性人才是最為寶貴的,當年美國人就講,一個錢學森等于美軍的5個師。人才不是學歷,不是資歷,不是職稱。要有科學的人才觀,還要有科學的人才使用機制和評估機制。

  1.2.1.3 文化旅游資源

  文化旅游資源,一方面是自然的資源,另一方面是人文資源,往往是人文和自然相結合的資源。有故事的城市,對人有巨大的吸引力。

  1.2.1.4 生態資源

  生態是由自然因素與人文因素共同作用而形成的,過度的對自然資源的開發,就可能會導致生態系統的破壞,就不會有持續性的發展。總書記說過,綠水青山就是金山銀山。

  1.2.1.5 資本資源

  資本往往是一個城市建設與發展的鑰匙,是一個原作用力。之所以把資本作為資源要素,就是考慮到這樣的一個要素,往往是某項經濟活動的杠桿,而資本即可以是本地自有資本也可以是引進的資本。資本還要考慮是政府可以支配的資本,還是民間的資本。

  這些資源都是可以轉換或者是生成為數據的,這些數據對于智慧城市或者說是城市大腦來說,是極為重要的數據源。

  1.2.2 城市的基礎設施要素

  有墻為城,有易為市。而墻也好,市也罷,都是城市的基礎建設,基礎設施說到底是為人、為企業服務的。

  城市的基礎設施資源包括兩大部分,一是“路”(空、天、地),二是市政。市政基礎設施包括建筑、電力、通信與網絡、交通、垃圾處理、供水,污水處理、綠地、場所、管網、生態體系,甚至還包括殯儀館及骨灰存放地等等。

  而這些基礎設施,除了電力及通信與計算網絡之外,都是需要用各類非電測量的手段,或者是其它的方法,才能對其數據進行采集,對其相關設備的運行狀態進行監控分析的。必須以物聯網為基礎,才能將這些城市基礎設施要素映射到網絡空間中來。

  CIM就是以對這些城市基礎設施進行映射和管理形成的。

  必須指出,在這些基礎設施中,通信與網絡是智慧城市新基建,是基礎中的基礎。由于有網絡資源的存在,就可以將其他地域的資源,特別是人才資源為己所用。也使得這個城市真正融入到世界的大格局之中。才能更好的在世界的大格局,對自己進行定位,城市發展會有更大的空間。

  1.3 城市的保障性機構要素

  教育、醫療、金融、物流、社區服務、消防應急、防災減災等等,都是一個城市的保障性機構要素。

  一個城市的有機的運轉,還需要各類保障機構進行保障,才能夠使這個城市有機地運轉。首先是醫療機構,包括一個人從生到死都需要醫療機構;

  教育機構,從學齡前一直到成人,甚至是老年人都需要相應的教育機構;

  金融業和物流業,也是居民和企業所離不開的服務機構。這些機構,有相當多數是以產業形式出現的;

  社區是直接為居民服務的機構;

  消防與應急,防災減災恰恰出現在人們最需要的時候。

  1.4 公共安全要素

  一個最重要的保障機構是公共安全部門,任何一個人也不愿意生活在一個無秩序的城市當中,路不拾遺、夜不閉戶是人們永久性的期盼,這就需要有公安部門。公安部門是一個特殊的政府機構,是一個具有武裝性質的特權部門。相應的還要有其他相關的法律實施部門、法院、檢察院和司法機構。

  由公安、檢察院、法院和司法系統,構成一個按照統治階段意志的法律執行體系。并按照相應的法律體系來構筑和維護社會的秩序。

  1.5 輔助性要素

  一個城市還會因為歷史和其他的原因形成一些包括習俗在內的地域文化。我們說一方水土養一方人,就是這個道理。這些地方性的習俗文化,對于一個地方的經濟建設、社會穩定是有重要影響的。對于一些規模很大的現代化城市來說,這一點并不明顯。而對于一些歷史沉淀比較久遠的城市來說,這些因素就必須要考慮。

  輔助性的要素還包括法律、政策等等。

  這些要素如何形成“結構”,讓城市合理、可持續發展運轉起來。一種是聚集,體現為組團;一種是互通,體現為網絡;一種是浸潤,體現為介質,如各種軟環境。

  1.6 智慧城市新增要素

  網絡、計算資源、物聯感知、衛星導航定位等,都是因為要建設智慧城市而新增的要素。

  2.城市要素的全面感知

  2.1 全面的要素感知

  對于一個智慧城市來說,全面地感知所有的城市要素,將這些要素映射到數字空間來是一個基礎性的工作。

  這些感知,包括對物的感知,也要包括對人的感知。

  對于“物”的感知,即要包括固定的物體,還要包括移動的物體;既要包括隨著時間變化較慢的物體,也要包括那些隨著時間變化較快的物體。

  對于人的感知,即要包括對自然人的感知,也要包括由人構成的機構的感知,還要包括對政府的感知。

  而對于自然人的感知,即要包括這個人的身份信息,還應該包括這個的行為信息。

  2.2 感知要求

  對于一個智慧城市來說,應該將所有重要的城市要素都映射到數字空間中去,并在數字空間中進行管理,對這些要素的感知則是第一位的需求。這些要素包括所有的主體要素,相當一部分的基礎要素和其他的要素。

  2.2.1 主體要素的映射

  一個城市中,人是第一位的,如果一個智慧城市沒有使得人的要素映射到數字空間去,那么這個城市的“智慧”是低級的。

  對于人的感知,需要建立個人的數字身份。這樣做的目的不僅是為了在數字空間中將自然人進行映射,同時也是為了最大程度上來保護個人的隱私。對人的身份鑒別時,可以分等級進行鑒別,只需要鑒別其需要鑒別的部分,而不鑒別其他的信息。如:一個老人進入收費的公園,只要能夠證明其年齡達到了優惠的年齡段就夠了。不需要知道這個人的姓名,更不需要知道這個的身份證號。新冠肺炎疫情期間,各個小區、各個交通要道都設置了查驗個人身份的檢查點,并要求相關人員出示身份證進行登記,同時還要記錄手機號等信息。雖然說是疫情防范所需,但是實際上是居民讓度出了個人的隱私信息。如果我們能有相應的數字身份,就既可以保證抗疫的需求,又不會暴露更多個人隱私。

  在感知自然人的同時,還應該建立個人的數據帳戶,一方面方便個人對自身數據的掌握,同時也可以在必要時對單個自然人的行為進行一定程度上的鑒別。如個人誠信記錄,在自然進行某種交易時,就會有一個信任級別上的保證。再如個人的運動軌跡,也可以在特定的時期,對某個特定目標人進行軌跡查詢。應該說,這次抗疫的過程中,雖然大數據起到了不小的作用,但是還沒有達到理想的目標。如果我們的政府能夠了解運營商的數據,那么武漢可能不用封城,青島也不需要對那么多人進行核酸檢測。

  機構和政府也需要相應的數字身份,并且這個數字身份可以在一定程度上讓居民進行監督。

  2.2.2 城市的基礎要素

  1.2中,我們說明的城市的基礎要素的組成部分。包括城市資源要素、城市的基礎設施要素。對于城市資源要素,除了人力資源要素和資本要素外,都是以“物”的形式存在的,而城市基礎設施要素,也是“物”的形式存在的。對于智慧城市,就是要將這些“物”映射到數字空間中去。

  對于物的映射,應該進行分析,并不是所有的“物”都需要映射到數字空間中去的,對于物的感知需要篩選。

  2.3 感知方法

  2.3.1 非電測量

  非電測量并不是一項新技術,應該有相當長的歷史了,上個世紀初就有了非電測量。如將我們的話音信號轉換成電信號(機械能轉換成電能),這就有了利用“電”傳輸語音的可能,在工業控制中,非電測量更是普遍的應用。

  所謂非電測量,就是利用對某個物理量變化時,某些材料或者是復合的材料,會對這種變化產生電學效應,就可以將非電物理量變成了電學物理量。如壓敏電阻,當壓力變化時,電阻值就會有明顯的變化,相應的電流、電壓值也就變了。光學器件就是將光(電磁波)的變化量,變成電流的變化。同樣對溫度、溫度、速度、加速度、流量、壓強等都有相應的測量元器件。

  在非電測量中,有一類特殊的敏感器件——攝像頭。

  2.3.2 無線數字標簽(RFID)技術

  無線數字標簽技術是利用近場無線電技術,用一個數字標簽(ID)來代表某一物體或者是人的方法。

  2.3.3 二維碼

  利用讀卡器可以將二維碼所代表的物,或者是人映射到數字空間中去。

  2.3.4 電學物理量的直接映射

  在城市中電是無所不在,用電器可以利用電學參數直接映射到數字空間中去。

  可能還存在其它的映射方法。

  3.智慧城市中的新要素分析

  既然要建設智慧城市,就離不開數字化和網絡化,必然要引進新的城市要素。

  3.1 城市的網絡

  要建設智慧城市,沒有網絡肯定不行,有些城市直接使用運營商的公用網絡,這當然是一個選項。但是從安全的角度來看,這個風險是比較大的。公用網絡,必然與Internet是有聯結的,這種聯結可以引入大量的來自Internet上的攻擊源。作為一個智慧城市,全面的物聯感知,高度的網絡化和自動化、智能化是必然的趨勢,如果存在大量的攻擊源,這個網絡可能導致的安全后果,就不是簡單的“網絡攻擊”了,而可能會對基礎設施產生硬破壞,還有可能導致人的生命和公私的財產被侵害。殺人、放火可能就是動動鼠標,敲敲鍵盤就能完成的,如果網絡基礎設施不安全,不隱蔽后果是很預料的。

  所以,對于智慧城市的網絡,筆者建議還是要考慮一個城市獨立的網絡系統,并且以光網為骨干,輔助其他的網絡資源,并且,應該劃域;還要考慮網絡的隱藏問題。

  當然在智慧城市中,免不了使用的移動網絡,特別是5G,關于這一問題,我們會單獨討論。

  3.2 城市的計算問題

  智慧城市會有大量的計算任務,這些計算任務可能直接會用于相應的系統控制,如車路協同的問題,并且無人駕駛正在呼之欲出。各類智慧項目,都需要算力來支撐。

  算力的需求是需要進行分析的,究竟各個項目本身需要多大的算力,總體上城市需要多大算力,都是要在頂層設計時進行考慮的。當然,頂層設計的依據是各類智慧項目的計算任務。

  在智慧城市中計算問題,還不僅是算力問題,還要考慮計算應該在哪里完成。特別是一些對實時控制要求比較高的應用,如果不考慮實時性可能會導致極大的損失,如溫感/煙感報警器與消防設備的聯動,就需要在極恰當的時刻完成。如果過早,可能還不需要自動噴淋各類消防劑,但是過晚火災就釀成了。同樣在車路協同中,對于一些突發的路面情況,如果實時性太差,就可能釀成嚴重的交通事故。同樣還有一些控制也是要求實時性的。

  同時還要考慮到一些計算任務并不影響到全局,其結果可上報,也可不上報。特別是一些常態化的情景,上報數據前一時刻與當前這一時刻沒什么區別的,這樣的數據上報不僅要占用計算資源,還要占用相應的存儲資源。

  所以在智慧城市中,要考慮端、邊、分布式云計算,甚至要考慮超算。實際大量分散的個人電腦,其算力有相當一部分的閑置,這些閑置的算力是可以通過各類的協同方法、云網一體化的方法、軟件定義的方法進行集約化管理和使用的。

  與算力相關的是存儲資源的問題,存儲要考慮冷數據的存儲、溫數據的存儲和熱數據的存儲,存儲還要考慮相應的安全問題。

  4.其他的要素

  4.1 衛星資源和利用

  我們城市的上空已經有大量的衛星,這些衛星可以使得我們的城市更加智慧。

  資源衛星可以為我們普查相關的資源情況;通信衛星可以保證我們的一些特殊的通信需求,包括電視轉播等;環境監測衛星會對我們的環境進行實時的監測,及時發現破壞環境的情況;導航衛星可以為地面的目標提供定位和導航功能;海事衛星可以為我們大量重要的移動目標提供坐標信息等。

  4.2 供電

  所有的智慧城市項目都離不開供電,如果供電問題沒有在智慧城市建設之初就加以考慮,可能就會犯顛覆性錯誤。

  一是供電的總電量,這些電量消耗多少化石能源,總的電費支出;二是供電的可靠性保障問題。

責任編輯:姚治

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