城市不僅需要“大腦”，“肢體”和“感官”也須健全

導(dǎo)讀：基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行邏輯決定了城市運(yùn)營管理的基本模式和水平

圖片來自“Unsplash”

道路、管道等城市基礎(chǔ)設(shè)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?xì)?、供熱、垃圾，道路也可歸為此類;能量流主要是電網(wǎng)(供熱燃?xì)怆m然本質(zhì)上是傳遞能量，但實(shí)際的邏輯還是運(yùn)送物質(zhì)載體);信息流是廣義電信網(wǎng)絡(luò)(有線、無線，包括有線電視等)。可以說，基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行邏輯決定了城市運(yùn)營管理的基本模式和水平。

近年來，互聯(lián)網(wǎng)公司開始進(jìn)入城市智能化改造領(lǐng)域，并紛紛提出把“云”和“城市大腦”作為城市新的基礎(chǔ)設(shè)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(shí)現(xiàn)真正的智能。所以，傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的智能化改造應(yīng)該是城市智能化改造的關(guān)鍵所在。

未來的基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行邏輯離不開CPS(信息物理系統(tǒng))。CPS是一個綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過3C(通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù))技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)。CPS可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通信與物理系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，可使系統(tǒng)更加可靠、高效、實(shí)時協(xié)同。數(shù)字孿生技術(shù)只是CPS的數(shù)字化前提，并不只是建立三維模型、實(shí)現(xiàn)感知到控制的閉環(huán)才是目標(biāo)。城市領(lǐng)域最關(guān)注的規(guī)劃、建設(shè)、管理業(yè)務(wù)，其實(shí)不可能變成CPS驅(qū)動的工程邏輯閉環(huán)，所以其并非數(shù)字孿生的最典型應(yīng)用。而城市工程性基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)作為一種工業(yè)化工程，其轉(zhuǎn)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(chǔ)設(shè)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(qū)動運(yùn)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(shè)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(shí)現(xiàn)了智能化，這一點(diǎn)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(shù)升級，提出了從芯片、終端、網(wǎng)絡(luò)、平臺到AI的全面方案，即通過全感知、全連接，實(shí)現(xiàn)基于全網(wǎng)實(shí)時數(shù)據(jù)的毫秒級預(yù)測響應(yīng)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(chǔ)設(shè)施改造的一個藍(lán)本，其數(shù)十億規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)、毫秒級的時延要求、變壓器斷路器儲能設(shè)備等生態(tài)鏈的升級，即造就了一個全國規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)體網(wǎng)絡(luò)，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(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，也很早就開始了智能化改造，基本實(shí)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(jìn)行全網(wǎng)誘導(dǎo)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(qū)動控制。

物質(zhì)流管網(wǎng)雖然各自有其物理特征和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，亦有壓力和重力之分，但基本邏輯的共同點(diǎn)很多，只是由于分屬不同的管理部門甚至不同學(xué)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(jié)構(gòu)，在關(guān)鍵的干管節(jié)點(diǎn)都有各種壓力、流量、流速等指標(biāo)的傳感器。這些傳感器通過數(shù)學(xué)模型一方面可以借助源頭調(diào)壓、沿途閘閥等手段進(jìn)行全網(wǎng)的需求平衡和調(diào)節(jié)，另一方面可以通過指標(biāo)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(diǎn)來平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。雖然各種設(shè)備大都實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和PLC控制，但大多數(shù)設(shè)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(yīng)，日常問題只能大致定位，通過經(jīng)驗(yàn)推斷，再配合人工手段進(jìn)行排查。

在CPS的邏輯下，在通過CIM(城市信息模型)平臺維護(hù)完整的管線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的前提下，大量無線小型分布式傳感器和邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)將整個基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)變成一套新的ICT(信息和通信技術(shù))基礎(chǔ)設(shè)施。加上實(shí)時無線遠(yuǎn)傳的末端計(jì)量儀表，配合新型管內(nèi)巡線工具，理論上可以實(shí)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(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié);對各種管道損傷和內(nèi)部異常，可以精準(zhǔn)定位和及時干預(yù)。

這套邏輯并不復(fù)雜，但比起電力和交通等系統(tǒng)，埋在地下的管網(wǎng)復(fù)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(lǐng)域的大多數(shù)常規(guī)方法都無能為力?？梢哉f，管網(wǎng)領(lǐng)域的絕大多數(shù)需求尚無成熟的產(chǎn)品響應(yīng)，這也是智慧城市領(lǐng)域最大的潛在市場。

就道路橋梁而言，結(jié)構(gòu)安全(應(yīng)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(guān)鍵參數(shù)都可以通過各種傳感器和低功耗物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測。地下管網(wǎng)、建筑結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)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(yù)。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(shí)現(xiàn)完整的狀態(tài)監(jiān)測。

除此之外，分布式光纖傳感技術(shù)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(diǎn)，通過連續(xù)獲取光纖沿線振動、應(yīng)變以及溫度等物理量的分布情況，從而實(shí)現(xiàn)分布式長距離測量。分布式光纖傳感技術(shù)主要包括基于干涉原理的分布式傳感技術(shù)和基于瑞利、布里淵以及拉曼等散射機(jī)制的分布式傳感技術(shù)，這些技術(shù)的單獨(dú)或結(jié)合使用不僅能實(shí)現(xiàn)高精度和高空間分辨率傳感，而且還能實(shí)現(xiàn)多物理參數(shù)的同時測量，從結(jié)構(gòu)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(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測領(lǐng)域。由于可以復(fù)用現(xiàn)有城市光纖通信網(wǎng)絡(luò)，因此只需要在電信運(yùn)營商機(jī)房增加一些設(shè)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(luò)。

此外，完全自動控制的城市生命線是運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)很難保障的，因此需要真正意義上的基礎(chǔ)設(shè)施物聯(lián)專網(wǎng)。但是除了國家電網(wǎng)，其他基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營公司大都只運(yùn)營城市規(guī)模的系統(tǒng)，很少有實(shí)力建設(shè)大范圍的專用網(wǎng)絡(luò)，因此負(fù)責(zé)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)部委應(yīng)該盡早介入基礎(chǔ)設(shè)施物聯(lián)專網(wǎng)的建設(shè)，在未來的基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域真正發(fā)揮政府的指導(dǎo)和引領(lǐng)作用，為城市的安全和可持續(xù)發(fā)展提供智慧保障。