隨著城市化進程加快，城市人口的密集度越來越大，城市空間資源利用呈現(xiàn)向三層空間發(fā)展的總體趨勢，城市空間基礎設施的信息化也將成必然趨勢。如何更好地利用、管理城市地下空間？

當前國內外學術界和市政管理機構也在探討，例如有行業(yè)專家以“武漢城市地下交通發(fā)展趨勢”為基礎提出改變當前交通結構和交通方式，大力發(fā)展地下交通設施；依據(jù)“物聯(lián)網(wǎng)和BIM技術在地下綜合管廊建設運維中的應用研究”，提出從設計、施工、維護3個階段全面利用物聯(lián)網(wǎng)和BIM工具；有專家在《北斗+物聯(lián)網(wǎng)技術在地下管線管理中的應用》一文中提出，利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)定位+物聯(lián)網(wǎng)技術開展地下燃氣管線的安全監(jiān)管。從以上案例中不難看出當前行業(yè)內對于地下空間的利用大多局限于具體的行業(yè)，如交通、燃氣、供水、綜合管廊建設等，但對于城市空間如何整體規(guī)劃當前還沒有具體成果。

城市空間三層發(fā)展的總體趨勢

由于城市道路擁堵、馬路拉鏈、霧霾、城市內澇等問題，人們對改善城市環(huán)境的呼聲越來越高。但目前城市問題的根源在于城市發(fā)展模式、基礎設施等一定程度上違背了人與自然和諧發(fā)展的規(guī)律。城市空間發(fā)展趨勢是向三層空間拓展的，包括地下空間、地面空間和城市上空空間。

未來城市發(fā)展的趨勢是基礎設施盡量向地下空間發(fā)展，包括交通、電力、通信、燃氣、自來水、蓄水排水等；城市建筑、花園植被、市民活動空間、滲透型道路，建筑活動工業(yè)化、城市工廠搬遷至郊區(qū)（未來工廠將大規(guī)模采用機器人作業(yè)）可優(yōu)化地面自然空間；城市風道、無人機交通航線、無人飛行車交通航線將優(yōu)化城市上層空間。

三層空間城市基礎設施比重應在5:4:1，而當前該比重為3:7:0。但隨著綜合管廊技術、海綿城市技術、無人駕駛技術的發(fā)展，城市地下交通的比重會越來越高，城市的地下基礎設施占比也將越來越大。

開發(fā)智慧城市地下空間與基礎設施刻不容緩

我國大部分老城區(qū)已經(jīng)暴露出交通擁堵、城市基礎設施支撐能力下降、人居環(huán)境惡化等城市通病，地下空間的開發(fā)能夠有效緩解老城的現(xiàn)實問題；隨著城市化進程的加快，未來5~10年，城市將負擔70%的人口，城市地面空間開發(fā)余量已非常有限，60%以上城市的老城區(qū)在超負荷運轉，大大降低了城市居民的舒適度。未來，地下空間規(guī)劃體系與管理機制將逐步走向完善。

與此同時，當前電力、通信、燃氣、給排水等城市地下管線管理方分屬不同政府部門或企業(yè)，形成了信息孤島，使得地下空間越來越擁擠，地下管線被挖斷、施工受阻撓等問題時有發(fā)生。據(jù)估算，我國城市每年因施工造成的地下管線事故直接經(jīng)濟損失約50億元，間接經(jīng)濟損失約400億元。亟需通過實行統(tǒng)一的規(guī)劃、設計、建設和管理，徹底改變管道自建、各自管理的零亂局面。而統(tǒng)一規(guī)劃的前提是建立地下空間的管網(wǎng)信息模型，通過數(shù)字化模型實時展示各類管線的功能、位置、深度、間距等。

在當前大交通理念下，城市地下交通與城際高鐵、地鐵形成了大交通趨勢，城市以地下隧道方式建設了越來越多的快速路，快速路是未來城市全面走入地下的雛形。同時城市地鐵在規(guī)劃時也需要在城市樓宇地下層、車庫之間進行接駁和參照，避免地鐵震動擾民和對建筑地基的損害，這需要建立城市地平面以下的空間模型，沒有這個空間模型就無法進行統(tǒng)籌規(guī)劃。

內澇也是我國的城市的一大棘手問題。每年夏季我國一線城市都會發(fā)生內澇，且隨著人口密度增長和城市擴展，內澇問題愈加嚴重。而以英國、德國、日本等發(fā)達國家的發(fā)展經(jīng)歷來看，建設地下宮殿式的蓄水、排水系統(tǒng)是必然趨勢。面向海綿城市的地下給水、排水系統(tǒng)的規(guī)劃和設計需要有完整的城市地下空間模型。因此城市公共管線設施、地下交通設施、海綿城市設施均需要統(tǒng)一的城市地下空間模型才能進行統(tǒng)一規(guī)劃、協(xié)同設計、同步實施。

如何開發(fā)智慧城市地下空間與基礎設施

基于以上現(xiàn)狀，城市地下公共設施信息模型（Information model of urban underground public facilities，本文簡稱UIM）應運而生，UIM是以物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎，面向城市地下空間資源規(guī)劃的發(fā)展趨勢，充分管理好、利用好城市地下空間，為市民的生活騰挪出更多的自然環(huán)境空間，順應自然規(guī)律，減少城市交通污染以及水泥地面對地表自然環(huán)境的侵害。

當前行業(yè)內已經(jīng)有建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）、ArcGIS+Engine地理信息系統(tǒng)、OpenGL（Open Graphics Library)等開發(fā)環(huán)境，在此基礎上，與數(shù)字孿生城市相結合，完成整個城市的物理環(huán)境與數(shù)字環(huán)境的映射、同步。在一個統(tǒng)一的平臺上展現(xiàn)城市地下基礎設施、地質條件等。

如何實現(xiàn)智慧城市地下空間與基礎設施的開發(fā)

傳統(tǒng)的數(shù)字城市側重于政務信息化、城市地理空間GIS（Geographic Information System）系統(tǒng)、無線城市、光網(wǎng)城市建設等，是初步的數(shù)字化應用。數(shù)字孿生（Digital Twin）是將城市活動和城市物理環(huán)境全部實現(xiàn)數(shù)字化，映射到數(shù)字世界中去。數(shù)字孿生最初只在工業(yè)精密制造領域使用，是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。對于城市空間資源來說，數(shù)字孿生技術應用前景廣闊。過去，城市管理者是將政務信息管理起來，通過流程信息化管理數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，這是城市活動數(shù)字孿生化。城市的數(shù)字化給城市帶來的是數(shù)字資產，它與礦產資源不同，可以重復無限次使用，從而發(fā)揮最大價值。

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Everything或Internet of Things，本文稱之為IoT）概念早在2001年已經(jīng)提出?；ヂ?lián)網(wǎng)使人類的活動得以數(shù)字化，打通了人類和人類之間的快速交互通道，而物聯(lián)網(wǎng)使物理世界得以數(shù)字化，打通了數(shù)字世界與物理世界之間的通道。物聯(lián)網(wǎng)在整個人類技術經(jīng)濟的發(fā)展演進路徑上處于數(shù)字經(jīng)濟的中期階段，是物理世界數(shù)字化之后的階段，借助現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)通道，采集現(xiàn)場數(shù)字化信息改變以前“互聯(lián)網(wǎng)—人—互聯(lián)網(wǎng)”的交互模式為“物—互聯(lián)網(wǎng)—物”的模式，在這個過程中人的作用是不斷提升這種交互方式的技術水平、經(jīng)濟價值、應用功能，為后續(xù)人工智能技術經(jīng)濟形態(tài)下的社會做好鋪墊。

物聯(lián)網(wǎng)不是一場技術的革命，而是一場升級和進化。傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)通常被稱作傳感網(wǎng)，是通過RFID、傳感器自上而下采集數(shù)據(jù)，通常分為感知層、網(wǎng)絡層、傳輸層，城市智能抄表、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）、商場智能停車等目前應用較多。新型物聯(lián)網(wǎng)強調物與物之間的本地通信能力、協(xié)同能力，減少人的參與，它是未來人工智能的基礎。城市中人們的活動是動態(tài)的，物聯(lián)網(wǎng)負責搜集動態(tài)環(huán)境、設施的實時數(shù)據(jù)，然后進行匯總，反映整個城市的交通、水電燃氣等公共設施、污水雨水排水情況?？諝鉅顩r、智慧路燈桿、照明、停車位、充電站、公共自行車、環(huán)衛(wèi)車輛等基礎設施都可通過物聯(lián)網(wǎng)連接。物聯(lián)網(wǎng)連接的本質是將城市作為特大型企業(yè)來運營，想要更好的運營特大型企業(yè)，就必須知道城市的實時運轉情況，感受城市律動的脈搏，按照預案做好實時處置。連接本身就是一種價值，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)時代，一個節(jié)點的連接數(shù)越大，它的價值越大，城市也是如此。Gartner預計2020年全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)將達97億。

城市地下信息基礎設施的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)

當前我國城市地下管線的總長度已經(jīng)超過200萬千米，且每年以10萬千米的速度增長。管線的建設數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、維護數(shù)據(jù)等組成了海量數(shù)據(jù)，現(xiàn)有地下空間基礎設施將逐步轉變?yōu)榫C合管廊的形式。目前很多老城區(qū)人口密集、管線老化、管孔資源飽和，多次重復開挖的社會成本和污染成本較大，城市將探索綜合管廊的形式，城市地下基礎設施未來將通過綜合管廊的升級改造而具備更多的智能感知、數(shù)字孿生功能。城市地下是寶貴的空間資源，除了用于地鐵、管線、城市快速路小型隧道以外，未來會逐步將城市地上交通、管線設施移到地下。而城市地下空間的規(guī)劃、設計、施工、維護均需要一套以數(shù)字孿生為基礎的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，實現(xiàn)多規(guī)合一、協(xié)同規(guī)劃和協(xié)同建設。有了這套大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，才有人工智能城市的基礎。

智慧城市在傳統(tǒng)意義上是城市的信息化，信息化是物理世界和數(shù)字世界的映射。由于人工智能可以識別的是數(shù)字環(huán)境，因此只有基于數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)基礎上的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)才能給人工智能打下基礎，否則廣泛的人工智能不可能實現(xiàn)。以無人駕駛為例，目前主流技術路線是智能網(wǎng)聯(lián)汽車，即通過道路數(shù)字化、車輛數(shù)字化、車輛網(wǎng)聯(lián)、模式識別技術才能最終實現(xiàn)城市道路的無人駕駛，僅依靠單車智能無法實現(xiàn)無人駕駛，這是一個循序漸進的過程。而未來城市的地面交通，則是向地下發(fā)展，通過地下空間大數(shù)據(jù)系統(tǒng)為無人駕駛車輛提供整個城市的最佳路線、最佳車速、交通動態(tài)。諸如此類，其他各個行業(yè)也是基于這樣一個大數(shù)據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的調用和邊緣計算進行決策判斷。

智慧城市的理論和實踐從2009年開始，已經(jīng)發(fā)展了10個年頭?；仡欉@10年的實踐情況可以看出，從數(shù)字化到互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)再到數(shù)字孿生大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的路徑是循序漸進的。當前，政府是智慧城市建設的主要推動力。而未來，理念的更新將帶動整個社會技術的升級和革新，智慧城市建設將形成政府主牽頭、全行業(yè)共同參與的雙贏模式，實現(xiàn)生態(tài)化、協(xié)同化、社會化，城市地下信息基礎設施模型將成為這一方向的重要載體。
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