来源丨 齐齐哈尔大学建筑与土木工程学院（李扬，刘平，王丹丹）
基于5G网络和CIM的智慧城市系统构建探索
【摘要】文章以5G网络和城市信息模型为主要入手点，尝试性构建智慧城市的基础建设、信息系统、预警监控、规划管理一体化平台。阐述了城市信息综合管廊构建，多元大数据交叉采集处理系统构建、城市生态空间监控与预警系统构建、城市规划动态管理与可视化设计的构建的内容以及其中的地位与关联，并以国内的最新研究为背景，探讨智慧城市实现的可能性。
【关键词】5G网络；城市信息模型；智慧城市
【基金项目】黑龙江省艺术科学规划一般项目(2019B050)中期成果，黑龙江省教育科学规划(GJD1319028)中期成果；齐齐哈尔大学2019年大学生创新创业训练计划省级一般项目(201910232061、201910232094)结题成果。
1、引言
2012年首批90个国家智慧城市试点城市作为开拓者，历经十年的探索，中国的智慧城市建设已进入新阶段，一座座更高效、更灵敏、更可持续发展的城市正在应运而生。数据统计显示，截至2018年底，中国超过600个城市均已明确提出或正在建设智慧城市。2019年2月全球首个5G火车站建设启动仪式在上海虹桥火车站开始，这意味着中国5G技术智慧化转型应用里程碑式的突破。自2008年末IBM公司“智慧地球”理念提出到如今，十多年的光景，中国的智慧城市和5G技术发展便取得了骄人的成绩。5G网络下的智慧城市系统建构顺应了中国新型城镇化发展进程，为解决城镇化的发展难题，建设智慧城市、创建新型数字化城市已成为国家级战略发展规划。在实现绿色、生态、现代化、信息化同步发展和习总书记“两步走”战略第二阶段：即建成富强、民主、文明、和谐、美丽的社会主义现代化强国的奋斗目标具有重大历史意义。
本文以城市规划视角分析了基于5G网络和CIM的智慧城市数字化建设系统构建——城市信息综合管廊构建，多元大数据交叉釆集处理系统构建、城市生态空间监控与预警系统构建、城市规划动态管理与可视化设计构建。通过构建从理论系统框架到实践的例举，探讨智慧城市系统建设可行性。
2、城市信息综合管廊构建
信息综合管廊是5G网络普及以后信息传输速度方面的重大突破，以往的网络速度在构建信息通道时无法做到实时联通，比如以往的远程医疗手术仅有部分的医院才有条件实现，而未来这样的联通在智慧城市建设中实现了全民普及。电信业推动着各行各业数字化转型，可预测的“主动运维”乃至实现自动、自优、自意和自治的“自动驾驶”网络，以提升运维和运营效率是信息综合管廊构建中信息线路的的保障。虽然目前通信管道资源在城区覆盖和介入较完善，但未能实现管道资源的全覆盖，网络的建设需要管廊的保驾护航，而网络的质量提升为智慧城市的建设提供了可能。
自2015年起我国先后有25个城市成为地下综合管廊试点城市，而这些城市几乎覆盖了智慧城市试点城市。其规模化、智慧化、市场化运作的特点加上BIM技术构建和引入“元模型”智能化检测手段，即刻可通过CIM中城市基础设施监控、模拟、预警、可视化操作，在所构建的模型上实现各种信息的关联，不仅可以实时査看主体全部位置信息，而且还可以对任意部位进行剖切査看，使技术人员快速掌握主体的结构形式及其位置尺寸信息【1】。脱离传统耗时费力的排査，运用手机等端口设备就可实现电力、通信、燃气、供排水等市政设施的维护和检修。在规划方面减少架空线与绿化的矛盾，保持路容完整和美观，降低了返修维护成本。目前国内一些新区已经能够实现自动化养护数字平台的构架，使5G时代的基础设施的安全和维护管理逐步实现流程标准化、信息智能化、时效可视化。总之城市信息综合管廊构建是智慧城市构建的骨架。
3、多元大数据交叉采集处理系统构建
2018年自然资源部接手了城乡规划的管理职能，实行多规合一和多管合一将涉及城市发展的规划落实到了一张蓝图上，运用一个共同的空间规划平台，形成融合平台，将空间资源内利用效率提高，解决利益矛盾，为大数据的采集提供了一个有效媒介。在住建部《“多规 合一"业务协同平台技术标准》中也曾提出有条件的城市可在BIM应用的基础上建立CIM，建立规划、建设、管理精细化应用模型。另外我国的北斗系统高密度组网，为智慧城市的数据传递和提取的国产化实现提供了前提。
此系统的构建使国内的部分城市已经走在了智慧城市建设的前列。常州市从空间形态及地理信息数据的整合，二次软件技术开发，到数据子系统开发，提取，都可以通过“智慧常州"数据信息釆集平台实现成果信息的自动提取、转录、统计、运筹及应用。近些年研究的较为火热的海绵城市、韧性城市都是在数据仓库的语境下，通过ETL离线、Flumex Kafka实时、互联网Crawler, DPI等展开城市物理环境、产业P0I、交通组织、生态保育、基础设施、拟态体验、人文感受等方面的数据采集。而5G网络是未来数据收集的主阵地，采集的大数据如果运用实时流式，处理涉及数据的聚合，数据的处理和展现能够在秒级或者毫秒级得到响应。Flume专注于大数据的收集和传输类似的大数据开源系统有Logstash和Fluentdo MapReduce可以做批量计算，计算完成的数据如需数据仓库的存储，直接存入Hive，然后从Hive进行展现。有些则会运用交互的OLAP和OLTP,但这些信息还不足以涵盖所有。智慧城市的核心“以人为本”最终是由程序化运算向人工智能逻辑的过渡。信息采集需要5G网络的速度，更离不开信息管廊的建设。智慧城市的管理一般都是平台化处理，而能够将信息在平台上处理则离不幵信息源和信息流，CIM是智慧城市构建中的左膀右臂，那么5G则是它的神经网络。一个高效能的管理和运维系统不仅靠硬件还需要软件的支撑，多元大数据交叉采集处理系统是智慧城市构建中的神经中枢。
4、城市生态空间监控与预警系统构建
美国早在1997年就开始对城市的生态系统进行了监控，有些是以流域单元为出发点，进行流域水文和水质的监测, 并建立了城市碳通量观测塔，有的则以城市整体为着眼点，采用网格分层双密度采样布点和社会调查的举措，为城市生态系统长期演变规律研究提供基础数据【2】2016年国务院关于印发“十三五”生态环境保护规划的通知，提到生态文明建设要摆在更加重要的战略位置，坚持绿色发展、标本兼治就是要在智慧城市系统构建中将生态环境问题这块短板补齐。于此同时，国内的生态监控系统还大多处于人工巡查阶段，如何能够将实时的环境反映在眼前还要考虑成本控制, 是很多西方国家都在致力解决的。利用卫星进行检测的成本很高，只能实现重点区域重点地段的阶段性监测。而5G的高频传输术为此提供了实现的可能，通过地面网络能够实现监测的高质量和稳定。
国内一些企业已经建立城市生态环境综合监测指标体系。利用增强现实技术将传统的三维地貌与数据传感、数据展示、数据查询合而为一，将生态学、气象学、地理学、水文学、森林学等交叉学科的数据进行平台整合，利用5G网络将地区内布建的各类环境监控传感器网络（包括空气质量指标，土壤环境质量指标检测网络）所釆集的数据，结合相关数据预测模型生成的预报数据，实时上传智慧城市生态云平台，为生态环境演变突变、灾害预测、管控治理等提供了有力支撑。
国内某些大学建立的区域与城市空气质量和灰霾天气预报系统，正是基于中国环境监测总站所提供的数据进行预报的。水质自动监测、空气质量监测、土壤质量监测、植物植被监测、环境演变预测在智慧城市建设中所提供的数据与城市环境质量和生态修复修补，以及政府决策均有着直接关系。城市生态空间监控与预警系统是智慧城市构建中的血肉。
5、城市动态管理与可视化设计构建
随着地下管线、构筑物等城市地下空间基础设施的规模和密度的增大，现代城市规划建设和管理从二维向三维转变。运用CIM将规划、国土、市政、交通、水利、安防、人防等各自为政的主管部门管理制度向协同管理，多管合一的动态管理，有利于打破部门壁垒，避免资源要素间的人为分界与管理上的交叉重叠，还可以通过统一协调资源、法律规章等，对城市的动态发展随时调控，在存量规划中实现人、地、钱挂钩。建立BIM和三维倾斜摄影以及三维激光扫描等技术为基础的多方参与城市可视化平台，以此用于解决建筑、社区、城市层面信息不关联和纵向断层的问题。智慧动态管理的物质化是运用建设运营可视化实现智慧城市的终极目标。以往静态三维展示已经无法实现动态管理的需求，城市的管理需要海量的数据与平台进行输送，智慧交通、智慧就医、应急安防、智慧建筑、智慧能源、智慧社区都需要有专业的设备和专业的人员进行管理。将城市管理的大任务分担到社区、到居民家中，让城市居民也参与到管理中来，建立人一空间一网络复合智慧系统，让智慧城市的运营和管控朝着人与物理系统整合的方向迈逬【3】。
北京、南京、贵阳等以数字经济和智慧产业为支撑的新型智慧城市已成为我国战略推进、经济崛起的主要阵地，在智慧产业提升城镇化质量、在公共交通、买菜购物、就医安防等方面使得人民的幸福感逐步提升。“城市大脑”逐步构建也使得城市的管理不再由人主导，城市动态管理与可视化设计由智慧城市构建中的大脑承担。
6、结语与展望
智慧城市是一项涉及物联网、云计算、大数据等众多技术的复杂巨系统。随着5G时代的来临，大容量、低时延的网络传输将变为现实，人类将进入万物互联的物联网时代，智慧城市建设也将步入一个崭新阶段。这些便利的条件也为智慧城市规划的发展提供了基础，延伸到规划领域即城市信息模型（City Information Modeling）的建立，即以城市信息数据为基数，建立起三维城市空间模型和城市信息的有机综合体，将动态管理的大脑思维与数据处理的神经网络结合。加之，信息管廊的骨架延伸配合，监控预警的血肉感知，智慧城市未来的发展前途无量。智慧城市在新时代的提出，完全能够实现国家与城市协调，达到为人民服务的宗旨。而CIM这个概念的提出，把视野从单体建筑拉高到建筑群和城市一级，给予智慧城市更加有力的支撑【4】。5G网络和CIM的共同技术支撑，为智慧城市系统的构建提供了无限的可能性。最后，也还是要警惕CIM和5G的在城市建设中的“灰犀牛”。
参考文献
[1] 耿丹，李丹彤.智慧城市背景下城市信息模型相关技术发展综述【J】.中国建设信息化，2017（15）:72-73.
[2] 陈瑶,BIM技术在综合管廊建设的质量控制中的应用【A】.武汉大学党委研究生工作部.武汉大学第九届研究生学术科技节系列活动之“第八届湖北省给水排水工程与环境工程研究生学术论坛”论文集【C】.武汉：武汉大学，2014.
[3] 袁艺桐，金探花，杨俊宴，智慧城市的四个数字化系统建构探索一以广州市南沙新区为例，城市建筑，2018（15）: 13-16.
[4] Wang Xiaoke, Chi yang Zhiyun, RenYufen, et al. Advances in urban ecosystem longterm studies [J]. Advances in Earth Science, 2009,24（8）: 928-935.
