城市不僅需要“大腦”，“肢體”和“感官”也須健全

導讀：基礎設施的運行邏輯決定了城市運營管理的基本模式和水平

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道路、管道等城市基礎設施的主要功能就是輸送城市里的各種“流”，形成各種管網(wǎng)系統(tǒng)。“流”分為幾個層次，物質(zhì)流包括水(自來水、雨水、污水、中水)、燃氣、供熱、垃圾，道路也可歸為此類;能量流主要是電網(wǎng)(供熱燃氣雖然本質(zhì)上是傳遞能量，但實際的邏輯還是運送物質(zhì)載體);信息流是廣義電信網(wǎng)絡(有線、無線，包括有線電視等)?？梢哉f，基礎設施的運行邏輯決定了城市運營管理的基本模式和水平。

近年來，互聯(lián)網(wǎng)公司開始進入城市智能化改造領域，并紛紛提出把“云”和“城市大腦”作為城市新的基礎設施。但我國城市目前的問題是只有“大腦”，“肢體”和“感官”都還不健全，這種狀態(tài)無法實現(xiàn)真正的智能。所以，傳統(tǒng)基礎設施的智能化改造應該是城市智能化改造的關鍵所在。

未來的基礎設施運行邏輯離不開CPS(信息物理系統(tǒng))。CPS是一個綜合計算、網(wǎng)絡和物理環(huán)境的多維復雜系統(tǒng)，通過3C(通信技術、計算機技術和控制技術)技術的有機融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務。CPS可以實現(xiàn)計算、通信與物理系統(tǒng)的一體化設計，可使系統(tǒng)更加可靠、高效、實時協(xié)同。數(shù)字孿生技術只是CPS的數(shù)字化前提，并不只是建立三維模型、實現(xiàn)感知到控制的閉環(huán)才是目標。城市領域最關注的規(guī)劃、建設、管理業(yè)務，其實不可能變成CPS驅動的工程邏輯閉環(huán)，所以其并非數(shù)字孿生的最典型應用。而城市工程性基礎設施系統(tǒng)作為一種工業(yè)化工程，其轉型的大邏輯則必然是從數(shù)字孿生到CPS的過程。

在前面說的幾種基礎設施流中，信息流具有天然的信息化屬性，也基本上是完全意義上的數(shù)據(jù)驅動運行。除此之外，作為能量流的電網(wǎng)，信息化程度也非常之高，在分布式能源和新能源汽車等各種新型智能化設備的新需求推動下，發(fā)電、輸變電、配電、用電和調(diào)度各環(huán)節(jié)已經(jīng)基本實現(xiàn)了智能化，這一點從末端的智能電表普及率就可以有所感受。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)等概念的陸續(xù)提出，電網(wǎng)系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集到傳輸和控制經(jīng)過了幾輪技術升級，提出了從芯片、終端、網(wǎng)絡、平臺到AI的全面方案，即通過全感知、全連接，實現(xiàn)基于全網(wǎng)實時數(shù)據(jù)的毫秒級預測響應和調(diào)度能力。

電網(wǎng)的改造方向和路徑基本可以作為基礎設施改造的一個藍本，其數(shù)十億規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算節(jié)點、毫秒級的時延要求、變壓器斷路器儲能設備等生態(tài)鏈的升級，即造就了一個全國規(guī)模的基礎設施實體網(wǎng)絡，也造就了一個巨大的新興市場。而與之相似的城市路網(wǎng)作為特殊的基礎設施網(wǎng)絡，也很早就開始了智能化改造，基本實現(xiàn)了分布式的流量和事件監(jiān)測，并開始用微觀感知數(shù)據(jù)調(diào)控紅綠燈進行全網(wǎng)誘導調(diào)控的嘗試。軌道交通網(wǎng)作為相對簡單和封閉的系統(tǒng)，更是很早就開始討論CPS化的完全數(shù)據(jù)驅動控制。

物質(zhì)流管網(wǎng)雖然各自有其物理特征和拓撲結構，亦有壓力和重力之分，但基本邏輯的共同點很多，只是由于分屬不同的管理部門甚至不同學科專業(yè)，因此很少被放在一起探討。壓力管網(wǎng)無論是環(huán)狀、枝狀、放射狀或是混合結構，在關鍵的干管節(jié)點都有各種壓力、流量、流速等指標的傳感器。這些傳感器通過數(shù)學模型一方面可以借助源頭調(diào)壓、沿途閘閥等手段進行全網(wǎng)的需求平衡和調(diào)節(jié)，另一方面可以通過指標的異常發(fā)現(xiàn)大型的事故和故障，如爆管、漏損、堵塞等。至于重力管則是大致相反的邏輯，分散的源頭，集中的末端處理或者排放，同樣靠中間的傳感器和閘泵以及調(diào)蓄節(jié)點來平衡網(wǎng)絡負荷。雖然各種設備大都實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和PLC控制，但大多數(shù)設備的控制時延都是分鐘級乃至小時級，因此只能在事故級事件時觸發(fā)響應，日常問題只能大致定位，通過經(jīng)驗推斷，再配合人工手段進行排查。

在CPS的邏輯下，在通過CIM(城市信息模型)平臺維護完整的管線拓撲結構的前提下，大量無線小型分布式傳感器和邊緣計算節(jié)點將整個基礎設施網(wǎng)絡變成一套新的ICT(信息和通信技術)基礎設施。加上實時無線遠傳的末端計量儀表，配合新型管內(nèi)巡線工具，理論上可以實現(xiàn)一個全息的數(shù)字孿生系統(tǒng)。而基于人工智能建模的全網(wǎng)動態(tài)平衡調(diào)度算法，可以毫秒級控制各種設備進行調(diào)節(jié);對各種管道損傷和內(nèi)部異常，可以精準定位和及時干預。

這套邏輯并不復雜，但比起電力和交通等系統(tǒng)，埋在地下的管網(wǎng)復雜程度極高，各種管線內(nèi)部壓力、腐蝕、污染等情況各不相同，土層和多種管壁材質(zhì)令通信和傳感領域的大多數(shù)常規(guī)方法都無能為力。可以說，管網(wǎng)領域的絕大多數(shù)需求尚無成熟的產(chǎn)品響應，這也是智慧城市領域最大的潛在市場。

就道路橋梁而言，結構安全(應變、裂縫、位移、撓度、傾角、溫濕度、沉降)、車輛荷載(車型、車速、車重、軸重、車長)等關鍵參數(shù)都可以通過各種傳感器和低功耗物聯(lián)網(wǎng)進行實時在線監(jiān)測。地下管網(wǎng)、建筑結構等基礎設施的運行狀態(tài)，包括泄露、開裂、形變、工程破壞等也都可以采用類似的方法，識別微小的事故隱患，并及時干預。一座上百米的橋梁只需要上百個各類傳感器，數(shù)萬元成本就可以實現(xiàn)完整的狀態(tài)監(jiān)測。

除此之外，分布式光纖傳感技術利用光纖自身既能作為信號傳輸介質(zhì)又能作為傳感單元的特點，通過連續(xù)獲取光纖沿線振動、應變以及溫度等物理量的分布情況，從而實現(xiàn)分布式長距離測量。分布式光纖傳感技術主要包括基于干涉原理的分布式傳感技術和基于瑞利、布里淵以及拉曼等散射機制的分布式傳感技術，這些技術的單獨或結合使用不僅能實現(xiàn)高精度和高空間分辨率傳感，而且還能實現(xiàn)多物理參數(shù)的同時測量，從結構形變、交通流量、車輛類型，到管道滲漏、施工震動等各種監(jiān)測，幾乎無所不能，近年來開始廣泛應用于基礎設施的監(jiān)測領域。由于可以復用現(xiàn)有城市光纖通信網(wǎng)絡，因此只需要在電信運營商機房增加一些設備，就能以較低成本形成一張覆蓋整個城市的新感知網(wǎng)絡。

此外，完全自動控制的城市生命線是運營商網(wǎng)絡很難保障的，因此需要真正意義上的基礎設施物聯(lián)專網(wǎng)。但是除了國家電網(wǎng)，其他基礎設施運營公司大都只運營城市規(guī)模的系統(tǒng)，很少有實力建設大范圍的專用網(wǎng)絡，因此負責基礎設施建設標準的相關部委應該盡早介入基礎設施物聯(lián)專網(wǎng)的建設，在未來的基礎設施領域真正發(fā)揮政府的指導和引領作用，為城市的安全和可持續(xù)發(fā)展提供智慧保障。