基於5G網絡和CIM的智慧城市係統構建探索

2012年首批90個(ge) 國家智慧城市試點城市作為(wei) 開拓者，曆經十年的探索，中國的智慧城市建設已進入新階段，一座座更高效、更靈敏、更可持續發展的城市正在應運而生。數據統計顯示，截至2018年底，中國超過600個(ge) 城市均已明確提出或正在建設智慧城市。2019年2月全球首個(ge) 5G火車站建設啟動儀(yi) 式在上海虹橋火車站開始，這意味著中國5G技術智慧化轉型應用裏程碑式的突破。

自2008年末IBM公司“智慧地球”理念提出到如今，十多年的光景，中國的智慧城市和5G技術發展便取得了驕人的成績。5G網絡下的智慧城市係統建構順應了中國新型城鎮化發展進程，為(wei) 解決(jue) 城鎮化的發展難題，建設智慧城市、創建新型數字化城市已成為(wei) 國家級戰略發展規劃。在實現綠色、生態、現代化、信息化同步發展和“兩(liang) 步走”戰略第二階段：即建成富強、民主、文明、和諧、美麗(li) 的社會(hui) 主義(yi) 現代化強國的奮鬥目標具有重大曆史意義(yi) 。

本文以城市規劃視角分析了基於(yu) 5G網絡和CIM的智慧城市數字化建設係統構建——城市信息綜合管廊構建，多元大數據交叉釆集處理係統構建、城市生態空間監控與(yu) 預警係統構建、城市規劃動態管理與(yu) 可視化設計構建。通過構建從(cong) 理論係統框架到實踐的例舉(ju) ，探討智慧城市係統建設可行性。

信息綜合管廊是5G網絡普及以後信息傳(chuan) 輸速度方麵的重大突破，以往的網絡速度在構建信息通道時無法做到實時聯通，比如以往的遠程醫療手術僅(jin) 有部分的醫院才有條件實現，而未來這樣的聯通在智慧城市建設中實現了全民普及。電信業(ye) 推動著各行各業(ye) 數字化轉型，可預測的“主動運維”乃至實現自動、自優(you) 、自意和自治的“自動駕駛”網絡，以提升運維和運營效率是信息綜合管廊構建中信息線路的的保障。

雖然目前通信管道資源在城區覆蓋和介入較完善，但未能實現管道資源的全覆蓋，網絡的建設需要管廊的保駕護航，而網絡的質量提升為(wei) 智慧城市的建設提供了可能。

自2015年起我國先後有25個(ge) 城市成為(wei) 地下綜合管廊試點城市，而這些城市幾乎覆蓋了智慧城市試點城市。其規模化、智慧化、市場化運作的特點加上BIM技術構建和引入“元模型”智能化檢測手段，即刻可通過CIM中城市基礎設施監控、模擬、預警、可視化操作，在所構建的模型上實現各種信息的關(guan) 聯，不僅(jin) 可以實時査看主體(ti) 全部位置信息，而且還可以對任意部位進行剖切査看，使技術人員快速掌握主體(ti) 的結構形式及其位置尺寸信息。

脫離傳(chuan) 統耗時費力的排査，運用手機等端口設備就可實現電力、通信、燃氣、供排水等市政設施的維護和檢修。在規劃方麵減少架空線與(yu) 綠化的矛盾，保持路容完整和美觀，降低了返修維護成本。目前國內(nei) 一些新區已經能夠實現自動化養(yang) 護數字平台的構架，使5G時代的基礎設施的安全和維護管理逐步實現流程標準化、信息智能化、時效可視化。總之城市信息綜合管廊構建是智慧城市構建的骨架。

2018年自然資源部接手了城鄉(xiang) 規劃的管理職能，實行多規合一和多管合一將涉及城市發展的規劃落實到了一張藍圖上，運用一個(ge) 共同的空間規劃平台，形成融合平台，將空間資源內(nei) 利用效率提高，解決(jue) 利益矛盾，為(wei) 大數據的采集提供了一個(ge) 有效媒介。在住建部《“多規 合一"業(ye) 務協同平台技術標準》中也曾提出有條件的城市可在BIM應用的基礎上建立CIM，建立規劃、建設、管理精細化應用模型。另外我國的北鬥係統高密度組網，為(wei) 智慧城市的數據傳(chuan) 遞和提取的國產(chan) 化實現提供了前提。

此係統的構建使國內(nei) 的部分城市已經走在了智慧城市建設的前列。常州市從(cong) 空間形態及地理信息數據的整合，二次軟件技術開發，到數據子係統開發，提取，都可以通過“智慧常州"數據信息釆集平台實現成果信息的自動提取、轉錄、統計、運籌及應用。

近些年研究的較為(wei) 火熱的海綿城市、韌性城市都是在數據倉(cang) 庫的語境下，通過ETL離線、Flumex Kafka實時、互聯網Crawler, DPI等展開城市物理環境、產(chan) 業(ye) P0I、交通組織、生態保育、基礎設施、擬態體(ti) 驗、人文感受等方麵的數據采集。

而5G網絡是未來數據收集的主陣地，采集的大數據如果運用實時流式，處理涉及數據的聚合，數據的處理和展現能夠在秒級或者毫秒級得到響應。Flume專(zhuan) 注於(yu) 大數據的收集和傳(chuan) 輸類似的大數據開源係統有Logstash和Fluentdo MapReduce可以做批量計算，計算完成的數據如需數據倉(cang) 庫的存儲(chu) ，直接存入Hive，然後從(cong) Hive進行展現。有些則會(hui) 運用交互的OLAP和OLTP,但這些信息還不足以涵蓋所有。

智慧城市的核心“以人為(wei) 本”最終是由程序化運算向人工智能邏輯的過渡。信息采集需要5G網絡的速度，更離不開信息管廊的建設。智慧城市的管理一般都是平台化處理，而能夠將信息在平台上處理則離不幵信息源和信息流，CIM是智慧城市構建中的左膀右臂，那麽(me) 5G則是它的神經網絡。一個(ge) 高效能的管理和運維係統不僅(jin) 靠硬件還需要軟件的支撐，多元大數據交叉采集處理係統是智慧城市構建中的神經中樞。

美國早在1997年就開始對城市的生態係統進行了監控，有些是以流域單元為(wei) 出發點，進行流域水文和水質的監測, 並建立了城市碳通量觀測塔，有的則以城市整體(ti) 為(wei) 著眼點，采用網格分層雙密度采樣布點和社會(hui) 調查的舉(ju) 措，為(wei) 城市生態係統長期演變規律研究提供基礎數據。

2016年國務院關(guan) 於(yu) 印發“十三五”生態環境保護規劃的通知，提到生態文明建設要擺在更加重要的戰略位置，堅持綠色發展、標本兼治就是要在智慧城市係統構建中將生態環境問題這塊短板補齊。於(yu) 此同時，國內(nei) 的生態監控係統還大多處於(yu) 人工巡查階段，如何能夠將實時的環境反映在眼前還要考慮成本控製, 是很多西方國家都在致力解決(jue) 的。利用衛星進行檢測的成本很高，隻能實現重點區域重點地段的階段性監測。而5G的高頻傳(chuan) 輸術為(wei) 此提供了實現的可能，通過地麵網絡能夠實現監測的高質量和穩定。

國內(nei) 一些企業(ye) 已經建立城市生態環境綜合監測指標體(ti) 係。利用增強現實技術將傳(chuan) 統的三維地貌與(yu) 數據傳(chuan) 感、數據展示、數據查詢合而為(wei) 一，將生態學、氣象學、地理學、水文學、森林學等交叉學科的數據進行平台整合，利用5G網絡將地區內(nei) 布建的各類環境監控傳(chuan) 感器網絡（包括空氣質量指標，土壤環境質量指標檢測網絡）所釆集的數據，結合相關(guan) 數據預測模型生成的預報數據，實時上傳(chuan) 智慧城市生態雲(yun) 平台，為(wei) 生態環境演變突變、災害預測、管控治理等提供了有力支撐。

國內(nei) 某些大學建立的區域與(yu) 城市空氣質量和灰霾天氣預報係統，正是基於(yu) 中國環境監測總站所提供的數據進行預報的。水質自動監測、空氣質量監測、土壤質量監測、植物植被監測、環境演變預測在智慧城市建設中所提供的數據與(yu) 城市環境質量和生態修複修補，以及政府決(jue) 策均有著直接關(guan) 係。城市生態空間監控與(yu) 預警係統是智慧城市構建中的血肉。

隨著地下管線、構築物等城市地下空間基礎設施的規模和密度的增大，現代城市規劃建設和管理從(cong) 二維向三維轉變。運用CIM將規劃、國土、市政、交通、水利、安防、人防等各自為(wei) 政的主管部門管理製度向協同管理，多管合一的動態管理，有利於(yu) 打破部門壁壘，避免資源要素間的人為(wei) 分界與(yu) 管理上的交叉重疊，還可以通過統一協調資源、法律規章等，對城市的動態發展隨時調控，在存量規劃中實現人、地、錢掛鉤。

建立BIM和三維傾(qing) 斜攝影以及三維激光掃描等技術為(wei) 基礎的多方參與(yu) 城市可視化平台，以此用於(yu) 解決(jue) 建築、社區、城市層麵信息不關(guan) 聯和縱向斷層的問題。智慧動態管理的物質化是運用建設運營可視化實現智慧城市的終極目標。以往靜態三維展示已經無法實現動態管理的需求，城市的管理需要海量的數據與(yu) 平台進行輸送，智慧交通、智慧就醫、應急安防、智慧建築、智慧能源、智慧社區都需要有專(zhuan) 業(ye) 的設備和專(zhuan) 業(ye) 的人員進行管理。

將城市管理的大任務分擔到社區、到居民家中，讓城市居民也參與(yu) 到管理中來，建立人一空間一網絡複合智慧係統，讓智慧城市的運營和管控朝著人與(yu) 物理係統整合的方向邁逬。

北京、南京、貴陽等以數字經濟和智慧產(chan) 業(ye) 為(wei) 支撐的新型智慧城市已成為(wei) 我國戰略推進、經濟崛起的主要陣地，在智慧產(chan) 業(ye) 提升城鎮化質量、在公共交通、買(mai) 菜購物、就醫安防等方麵使得人民的幸福感逐步提升。“城市大腦”逐步構建也使得城市的管理不再由人主導，城市動態管理與(yu) 可視化設計由智慧城市構建中的大腦承擔。

智慧城市是一項涉及物聯網、雲(yun) 計算、大數據等眾(zhong) 多技術的複雜巨係統。隨著5G時代的來臨(lin) ，大容量、低時延的網絡傳(chuan) 輸將變為(wei) 現實，人類將進入萬(wan) 物互聯的物聯網時代，智慧城市建設也將步入一個(ge) 嶄新階段。

這些便利的條件也為(wei) 智慧城市規劃的發展提供了基礎，延伸到規劃領域即城市信息模型 （City Information Modeling）的建立，即以城市信息數據為(wei) 基數，建立起三維城市空間模型和城市信息的有機綜合體(ti) ，將動態管理的大腦思維與(yu) 數據處理的神經網絡結合。

加之，信息管廊的骨架延伸配合，監控預警的血肉感知，智慧城市未來的發展前途無量。智慧城市在新時代的提出，完全能夠實現國家與(yu) 城市協調，達到為(wei) 人民服務的宗旨。而CIM這個(ge) 概念的提出，把視野從(cong) 單體(ti) 建築拉高到建築群和城市一級，給予智慧城市更加有力的支撐。5G網絡和CIM的共同技術支撐，為(wei) 智慧城市係統的構建提供了無限的可能性。最後，也還是要警惕CIM和5G的在城市建設中的“灰犀牛”。

來源：齊齊哈爾大學建築與(yu) 土木工程學院（李揚，劉平，王丹丹）