赛迪研究院杨春立:数字孪生城市的顶层设计 | CCF-GAIR 2019-中国科技新闻网

雷锋网按:7 月 12 日-7 月 14 日,2019 第四届全球人工智能与机器人峰会(CCF-GAIR 2019)于深圳正式召开。峰会由中国计算机学会(CCF)主办,雷锋网、香港中文大学(深圳)承办,深圳市人工智能与机器人研究院协办,得到了深圳市政府的大力指导,是国内人工智能和机器人学术界、工业界及投资界三大领域的顶级交流博览盛会,旨在打造国内人工智能领域极具实力的跨界交流合作平台。

智慧城市作为复杂巨系统,一直是近十几年来产业界、学术界重点研判的话题。在 7 月 14 日下午的 CCF-GAIR 2019「智慧城市专场」上,中国电子信息产业发展研究院(赛迪)软件与集成电路评测中心副主任杨春立博士带来了相关演讲,演讲主题为《基于数字孪生的智慧城市顶层设计探索与实践》。

演讲中,杨春立表示,尽管中国已经成为全球建设智慧城市数量最多的国家,但成效却不容乐观。她提到,目前中国建设智慧城市存在 10 大共性问题,包括软硬件设施的建设忽视了市民参与、关联性不强的建设也被纳入城市项目、大而全却落地难等。同时,她也提出的这些问题的根本原因是智慧城市的顶层设计失灵。

那么,如何对智慧城市进行顶层设计呢? 2013 年,赛迪研究院提出了梳子型顶层设计,按照统筹的思想来进行智慧城市的顶层设计,并且这套方法论曾应用到北京市东城区、上海张江科学城等地。

技术上,数字孪生+CIM(城市信息模型)是最被看好的方式。目前在制造领域(大飞机、大轮船、高铁等)极端复杂的产品里面都用到了数字孪生,它的核心就是构建了一个物理和信息交互的模型。

杨春立强调,新型智慧城市要从盲目追求土地空间的城市发展旧模式中解脱出来,要把政府、企业、居民作为新型智慧城市建设中缺一不可的主体,明确各方需要承担的职责,建立“让数据能依法交换流动、可依法开发利用、可精准追溯责任、可动态分配利益的体制”。

以下是杨春立在 CCF-GAIR 大会上的演讲内容,雷锋网(公众号:雷锋网)对其进行了不改变原意的编辑整理:

尊敬的各位嘉宾下午好,今天我主要想跟大家探讨一下智慧城市的顶层设计。

从智慧城市建设来看,它的顶层设计起了非常关键的作用。自“智慧城市”理念提出以来,世界各国都在积极探索,现在有 1000 多个城市在建设智慧城市,数字城市、无线城市。比如说,欧盟提出来要积极探索绿色智慧城市;美国是智慧城市先驱;日本、韩国也在从国家层面进行积极的探索和实践。在这些探索和实践过程之中,我们国家成为全球建设智慧城市数量最多的国家。

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这是国内智慧城市的分布图,五角星代表着智慧城市试点示范。据不完全统计,我国有多个城市提出要建设智慧城市:省级和副省级城市智慧城市建设比例达到 100%,地市级城市是 74%,一些县级城市建设的比例也达到了三分之一。但是,尽管这么多的城市在建设,成效却是不容乐观的。

罗兰贝格 2018 年发布了一个关于智慧城市的报告。以全球视角来看,选了三类指标:基础设施、战略规划,行动领域,其实这个平均分数很低。我们国家发改委也发布对新型智慧城市的评估,评估结果的平均分还不到 60 分,70% 的城市还处于一个初步建设的阶段。

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为什么智慧城市建设成效没有达到预期?我们归纳了 10 大问题,比如硬件设施的建设;忽视了市民,城市居住者的参与;跨部门协同不够等等。这 10 个问题都指向了一条最根本的原因:智慧城市的顶层设计失灵。

从地方来看,智慧城市的主导者,在推进智慧城市的建设过程中,以前把智慧城市当做一个项目来建设和实施,更关注信息技术和单个项目,而不注重智慧城市整体的架构和实现的路径。所以在智慧城市建设的过程中,就可能形成了新一轮的信息孤岛。

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那么,如何对智慧城市进行顶层设计呢?我们梳理了从 2009 年开始的国家智慧城市发展的各个阶段。

  • 2009 年到 2012 年主要是概念的导入期,这个时候社会各界都在围绕着“智慧城市到底是什么;智慧城市的内涵和外延;智慧城市到底由什么要素来构成等”进行研究。

  • 到了 2013 年到 2016 年这个阶段,这个时候主要是智慧城市一个非常加速的建设期。各地发布了十二五规划纲要,把智慧城市建设作为一个非常重要的内容。

  • 到了 2016 年,国家提出来要打造新型智慧城市建设目标,打造一批新型智慧城市的试点示范。

在这三个阶段过程中,智慧城市的顶层设计在逐渐地迭代和完善。早期,我们按照企业架构的模式,按照 SOA、IEM 这些工程方法论,IT 治理的模式等推动智慧城市的顶层设计。到今天,我们按照梳子型,数字孪生的一些顶层设计方法去推动。

2013 年,我们提出了智慧城市梳子型顶层设计,按照系统统筹的思想来进行智慧城市的顶层设计,中间是由若干个平台构成,相当于梳头用的背;上面的竖齿是每一个智慧城市的应用。

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这个是更典型、更形象的梳子型架构,基于 SOA 的理念。其中,最重要的一个特点是这个梳子背部是由多个平台构成的,可以拆装,容易组件,像一个个模块或者积木一样。还有,梳子上的齿——一个个竖起来的应用系统也是根据需要进行搭建的。所以说,智慧梳子型的体系架构在当时满足了很多城市要求的柔性、灵活,解决了信息孤岛,解决了跨部门之间的协同问题。

梳子型智慧城市顶层设计方法论在北京市东城区、上海张江、重庆南岸等地进行了实践应用。2017 年,山东的枣庄提出来的顶层架构是把数据资源作为一个特别核心的要素嵌入到每层里面,第一层是基础设施聚能层;第二层是数据核心赋能层;第三层就是应用的层面——智慧释能层。

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由此来看,智慧城市是什么,是信息系统的大综合、大集成、大协同。从结构上看,大综合主要是六要素;从领域上看,主要是涵盖五位一体。大集成就是各领域信息系统不是简单堆积,而是采用科学的系统集成方法,实现同构、异构系统的有效衔接,互联互通,各个部门之间能够协同合作。

所以,从这个层面来看,智慧城市很像一棵智慧树,根部是基础设施;树干是城市的运行、运营;树叶就是智慧城市各个领域的应用,包括产业。

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智慧城市的顶层设计要考虑三个要素,第一要面向对象,智慧城市服务的对象,参与建设的对象都是谁,都需要考虑。第二个就是智慧城市要解决什么问题,有的人说智慧城市建设是为了解决大城市的城市病。到底要解决什么问题?要有坚持需求和问题导向。第三个是面向未来,智慧城市的建设还要有一定的前瞻性和引领性。

智慧城市参与的主角和主导到底是谁?用户对智慧城市有什么样的诉求?智慧城市建设的目标是什么?谁是智慧城市最终的推动力量?这些都是需要在顶层设计的过程中需要去着重考虑。

智慧城市顶层设计还需要考虑智慧城市建设的目的和实现的手段,还有实施的路径。新型智慧城市建设要以人为本、要动态迭代、要按照系统思维去建设。智慧主要是体现在新技术的应用,比如说人工智能、区块链,最终目的都是为了服务城市。

所以说,新型智慧城市要从盲目追求土地空间的城市发展等的旧模式中解脱出来,要把政府、企业、居民作为新型智慧城市建设中缺一不可的主体,明确各方需要承担的职责,构建政企民“共建、共创、共享、共惠”的新局面。

智慧城市的核心要素是里面的数据流、数据资源,所以需要构建让数据能够依法交换流动,可以依法开发利用,可以精准追溯责任,可动态分配利益的一套体制。

正如我们国家这几年在推动的,新型智慧城市要深化“简政放权、放管结合、优化服务”的改革。此前,我去过数字广东做过调研和考察。实际上,数字广东是结合了简政放权、放管结合、优化服务的理念,来进行的重大机构改革。

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为了解决这些问题、实现目标,我们这几年开始在探索“以数字孪生加城市信息模型(CIM)来推进、实施智慧城市”的顶层设计。

在制造领域中,比如飞机、大轮船、高铁等,都用到了数字孪生,它的核心就是构建一个物理和信息的模型,在空间里面不断地去对模型进行优化和迭代。

从产品来讲,原本是必须要生产出真实的原型产品,进行不断地测试和验证。现在应用了数字孪生技术后,可以在软件里面就不断地优化、测试和验证,缩短产品开发的周期,提高了效率。

在智慧城市的建设中,比如说正在构建智慧绿色的雄安,有一个物理的、肉眼可见的雄安;背后的物理系统、软件系统里面,还有一个和它一一对应的数字孪生的雄安的模型。

实际上,如果从范围上来看,CIM 的核心就是面向应用场景,就是 GIS 加上 BIM,再加上新兴的人工智能。从技术上看,CIM 就是数字孪生技术加上 BIM;更进一步来讲,CIM 就是数据模型加上算法。

CIM 的前身是 BIM,很多搞建筑的从业人员都用到了 BIM 的技术手段。CIM 的本质是集成、并行、迭代;核心是数据的共享和交换。构建这样基于数据自由流的一套业务体系,关键就是场景,由一个具体的应用场景来实现人和机器的多方协作的关系。

基于数字孪生+城市信息模型(CIM)的新型智慧城市建设方法论最大的优点就是遵循一个特别大的视野,凸显重点,注重实效。

  1. 注重以人为本,落脚智慧城市的建设。从民生的需求和城市的功能定位出发,来构建这样的模型。

  2. 它特别强调城市里面的各个应用和产业之间的协同协作。一个城市的发展,产业肯定是城市发展生存离不开的一个重要的功能,在这个理念里面,它把各个应用和产业,甚至和保障体系结合在一起。

  3. 重视新的技术应用,不断完善和优化。由实践力、创造力、吸引力协同来推动整个智慧城市的可持续发展。

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CIM 背后的本质就是数据模型加算法,整套方法论都是由数据驱动的,它是城市数据的集成和动态的分析。图中的数据将各个领域、各个行业收集在一起进行动态分析和优化,最终把原来静态的分阶段的物质性的智慧城市提升为动态的、以人为本的一套运营模式。

这套顶层设计注重协同,通过多元利益相关主体交互参与,改变政府主导的单一建设模式。比如说,智慧城市一开始是由政府来主导,构建的一个单一的模式,之后出现了很多模式,比如服务外包、由政府和企业共建一个公司、甚至完全采用了商业模式。

实际上,基于城市信息模型(CIM)的新型智慧城市建设方法论(MBE)用到了一些核心技术,包括 BIM、CIM、GIS,包括物联网还有人工智能、大数据等等。

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这个是基于这套方法论构建的一个“SMART”模型: S 是服务,M 是管理,A 是应用,R 是资源,T 是技术。这 5 个部分里面又构成了三层,R 和 T 主要是投入层,主要是技术、资源的投入。A 是产出层,建设产生相应的应用平台和业务系统;S 层和 M 层是绩效层,面向城市服务去推进。

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这个是新型智慧城市的体系框架,第一层是用强化公用的思维理念来构建一个公用的基础设施,能形成共用基础的“一张网”。第二层是整合通用,构建一个通用层,构建一个统一的数据资源体系,形成一个通用功能平台。第三层非常强调应用,在应用的前面又加了开放,形成一个开放、应用的生态体系。

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这是 CIM 的一些应用的呈现,包括 CIM 在建筑、生产制造里面应用的场景,三维效果图、智慧社区、智慧工厂等。

对赛迪来说,我们一直在追寻一个理念:智慧城市的规划、建设、评估三方分离。我们主要是在智慧城市的顶层设计、规划和后期评估这三个方面承担了一些地方的重点课题。同时,在整个建设的过程中遵循“四控三管一协调”的理念。

最后引用一句话,诺贝尔经济学奖获得者、美国经济学家斯蒂格利茨说过,“影响21世纪人类社会进程最深刻的两件事,第一是以美国为首的新技术革命,第二是中国的城市化。”

现在智慧城市又到了新一轮的爆发期,也希望在座的各位为了我们整个国家智慧城市的高效、科学、可持续发展,能够积极探索有效的、科学的顶层设计。以上就是我今天做的一些分享,谢谢大家。

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