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元宇宙赋能城市建设发展新逻辑—空间治理

时间:2022-10-17 09:22 浏览:406 来源:
摘要:目前,中国乃至全球都以 " 智慧地球 "、" 智慧城市 " 作为城市发展建设的长期目标,那么,什么是智慧城市的建设逻辑呢?元宇宙如何赋能城市建设发展?本文从空间治理的方面,对此作出了详细的阐述分析,一起来看一下吧。

  目前,中国乃至全球都以 " 智慧地球 "、" 智慧城市 " 作为城市发展建设的长期目标,那么,什么是智慧城市的建设逻辑呢?元宇宙如何赋能城市建设发展?本文从空间治理的方面,对此作出了详细的阐述分析,一起来看一下吧。

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  自古以来,中国一直是一个农业大国,大量劳动力和人口都集中在乡村,城镇化水平低。辛亥革命后,中国受西方工业革命影响,工业化和城镇化率逐步升高。在 1912-1928 年的 16 年间,城镇人口总数上升了 1000 万,城镇化率从 7.6% 提升到 8.9%,开始出现人口百万级的大城市。


  新中国成立后,把国家建设成为一个工业化大国、强国作为长期发展目标,并通过一系列 " 五年计划 " 的制定和执行,使中国工业化水平得到极大进步,而城市作为工业化发展的载体,也随之蓬勃发展。据国家统计局数据显示,截至 2020 年中国城镇总人口已达 9 亿人,城镇化率达 63.9%。


  新中国成立后,城市发展逻辑也先后经历了以行政组织改革为核心的 " 建市设区 " 阶段,用工业带动发展的工业化城市发展阶段、以商业驱动发展的商业化城市发展阶段、以人为本的宜居城市发展阶段和以科技为基础的智慧城市发展阶段。


  目前,中国乃至全球都以 " 智慧地球 "、" 智慧城市 " 作为城市发展建设的长期目标,根据 IDC 的 2020 年 7 月发布的《全球智慧城市支出指南》披露,2020 年,中国智慧城市市场支出规模达到 259 亿美元,同比增长 12.7%,仅次于美国的第二大智慧城市支出国家。


  2008 年 IBM 首先提出 " 智慧地球 " 概念,通过新一代 "3I" 技术(物联化、互联化、智能化),通过嵌入到全球医院、电网、铁路等公共设施的感应器,为人类提供更加精准、动态、智能的生活和工作方式,从而提升全人类的 " 智慧水平 "。由于该概念过于笼统和庞大,继而在 2010 年 IBM 又推出 " 智慧城市 " 概念,随之在全球范围内引发智慧城市建设热潮。但是什么是智慧城市的建设逻辑呢?


  上世纪 90 年代,一款名为《模拟城市》的游戏横空出世,深度影响了后续模拟建造类、经营类、策略类等游戏的发展。在这款游戏中,玩家可以扮演市长角色,在 PC 电脑上用上帝视角建设大楼、住宅、桥梁、道路等基础设施,可以经营医院、政府、车站等公共服务机构。


  玩家可以按照自己的想法,建设和经营一个高仿真的城市,这种 " 我的城市我作主 "、" 所见即所得 " 的虚拟城市建设逻辑,令玩家们乐此不疲。由于游戏模拟得太过真实,很多政府部门都联系该游戏的制作公司 Maxis 开发专业的政府模拟类的软件,从美国中情局到国防部,从加拿大木材协会到澳大利亚税务委员会。

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  《模拟城市》

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  《模拟城市 2000》


  《模拟城市》游戏是一款没有输赢的游戏,它成功的秘诀是玩家可完全按照自由意志,建设成千上万个数字化城市实例,不满意推倒重来,直到满意为止。这种以人为本、构件化建设思路和上帝视角的空间利用,为后续城市建设提供了创新发展思路。


  我将分别用《元宇宙赋能城市建设发展新逻辑(一)——空间治理》、《元宇宙赋能城市建设发展新逻辑(二)——绿色智慧管理》两篇文章,详细介绍元宇宙在智慧城市规划与管理方面应用前景。


  一、 智慧城市以人为本的建设发展新逻辑


  1. 以人为本的城市发展逻辑


  在城镇化改造早期,人居环境一直以来是工业化和商业化发展的辅助设施,是服务于工业和商业发展需求的次要条件,工业革命在加速城镇化发展的同时也带来大量的环境污染问题。


  从 1780 年开始英国主要的工业城市就饱受空气污染影响,1873 年 12 月 7 日至 13 日,一场大雾笼罩伦敦,造成了近千人死亡。到 19 世纪末,伦敦每年的 " 雾霾天 " 长达 90 天左右,即便上世纪 20 年代,英国政府逐渐减少煤在工业燃烧中的占比,空气污染也并无其实质的改变。


  1952 年 12 月 5 日,伦敦全城依然遭遇持续 5 日浓雾弥漫。据不完全统计,这段时期每天有 1000 吨烟尘颗粒、2000 吨二氧化碳、140 吨盐酸和 14 吨氟化物被排放到了空气中,厚厚的雾霾在伦敦上空悬浮了 5 天,伦敦市空气中的烟雾量增加了 10 倍。在那五天里,有四千人死于呼吸道疾病,在之后的几个月,又有八千人因大雾死亡,死者大多数是年纪大或者旧病缠身的人,另外还有很多人患上了支气管炎、气喘和其他影响肺部的疾病。


  而商业化发展在提高了城镇经济活力的同时也带来交通拥堵问题。纽约作为全球金融中心、美国第一大城市,也是世界上交通拥堵最为严重的城市之一。据统计,在 2016 年开车穿越纽约市中心的平均速度是 7.5 公里每小时,这比步行也快不了多少。


  交通拥堵是商业化城市发展必然经历的问题,中国也不例外,据统计,2020 年北京上班族平均单程通勤时间为 47 分钟,上海是 42 分钟。特别是在 CBD、软件园、金融街等商业聚集地,实际单程通勤时间远超 1 小时,可以说商业活跃度带来了出行成本的直线攀升。


  以工业化和商业化为中心的城市发展逻辑,发展工业和经济是第一要务,往往会忽略人居体验,把人的吃、住、行定位为辅助设施,通过划分功能为住宅区、工业区、商业区等平面规划方式,将城市功能严格分隔为不同区域。


  早期城市建设中的土地大尺度的功能区划分(一般以城中心、东、南、西、北划分)在节省建设成本,节约土地资源,提高工商业效率方面起到积极作用。但随着城市土地资源紧张,城市人口增长与承载能力不协调、政府公共管理与公众需求之间的矛盾日趋显著,住宅区远离工商业中心,从而降低城市效率和活力。


  以人为本的城市建设逻辑,则是城市工商业发展较为成熟后的一种高质量发展方向。以人为本的建设是将土地大尺度、粗放式功能划分,转变为小尺度、立体性、融合性的发展思路,让工商业和住宅配套,在同一区域协同发展。充分考虑人居在生态环境、效率、安全、便捷等要素上的平衡,充分考虑工业、商业和农业的协调发展。以人为本的建设思路需要更加精细化、灵活的城市规划、调整和运营。


  2. 新型信息技术应用的城市智慧发展逻辑


  在传统的城市建设发展中,人口、社会、经济、环境、土地等是主要资源要素,以这些要素构成的城市基础设施和公共服务部门是城市的主要组成单位。而技术长期以来只是企业驱动而非城市驱动。


  自从以计算机与信息技术为代表的第三次工业革命以来,信息技术作为人口、社会、经济、环境、土地等资源要素的连接要素,显著提高城市资源的利用效率,而为各国城市发展所重视。互联网、物联网、5G、人工智能、大数据、区块链、元宇宙等新型信息技术相继涌现为实现 " 智慧城市 " 建设提供了全新发展逻辑。


  世界各国政府也相继提出基于数字技术的 " 智慧城市 " 发展战略,如:2006-2010 年,欧洲完成了第三阶段的信息社会发展战略;2014 年,新加坡公布了 " 智慧国家 2025" 计划;2015 年,美国白宫提出 " 智慧城市计划 ";2012 年,中国首批 90 个国家级智慧城市试点计划正式开展,智慧城市也陆续写入后来 " 十三五 "、" 十四五 " 的建设规划中。全球城市智能发展的新逻辑开始孕育成型。


  城市的智慧发展是把新一代信息技术运用在城市基础设施和公共服务建设中,是城市信息化的高级形态,实现了信息化、工业化、商业化与城镇化的深度融合,有助于缓解 " 大城市病 ",提高城镇化质量,实现精细化和动态管理,并提升城市管理效率和改善市民生活质量。


  不同于水、电、气、公路交通等传统城市基础设施和公共服务,智慧城市更聚焦 5G、互联网、云计算、区块链、物联网、人工智能、大数据中心等新型信息技术与交通、能源、 建筑与住房、水资源、城市农业、城市商业和城市制造业等资源要素的融合建设,具有创新性、整体性、综合性、系统性、基础性、动态性特征的城市新型基础设施与服务领域。


  新型信息技术对城市资源要素之间的信息流动加速、提高城市空间利用率,服务产业升级、提升人居体验、保护生态环境、降低企业经营成本等方面起到推动作用。


  新型信息技术是利用数字空间多维、无边界,数据传输高效、计算成本低的特性,为城市基础设施和公共服务机构的信息采集、传递、协同、决策、服务赋予以人为本的智慧思考模式。


  新型信息技术是构成城市公民数字化身份与数字化活动的基础框架。


  3. 空间利用的城市发展逻辑


  一直以来,人类都有一颗摆脱地面束缚,向往天空的愿望,但受限于工程技术落后,长久以来人类只能通过登高望远来抒发自己对更广阔空间的向往。世界公认的第一座摩天大楼是位于芝加哥的家庭保险大楼,它建于 1885 年,设计者是美国建筑师威廉詹尼,这座大楼一共有 10 层,高 42 米,是当时最高的楼。


  目前,世界最高大楼的记录是由迪拜塔(哈里发塔)保持,它占地面积 34.4 公顷,共有 162 层,828 米高。建筑内拥有 1000 套高档住宅公寓,多家酒店、写字楼、商场、清真寺、游泳池、高档会所等设施,能同时容纳 1.2 万人,可足不出塔解决一切生活必须。


  迪拜塔就是一座小型城镇,其实际人均占地面积仅为 28.7 平方米,比世界上人口最为稠密的区域之一:纽约曼哈顿区的人均占地面积 37.5 平方米还要低 8.8 平方米。当然,迪拜塔的修建并非是满足节约地面空间的需求,而是出自对世界第一高楼称号重回阿拉伯世界的渴望。


  中国重庆市的洪崖洞,则是更为典型地在沿江依山,高低错落的狭窄空间下,将川渝特色的 " 吊脚楼 " 建筑风格,结合分层筑台、吊脚、错叠、临崖等山地建筑手法,有机整合餐饮、娱乐、休闲、保健和特色文化购物等 5 大业态,形成了别具一格的 " 立体式空中步行街 " 商业空间。自从 1824 年,英国人约瑟夫 · 阿斯谱丁(Joseph Aspdin)发明了水泥,人类修建高层建筑就不再是难题,但人类对城市空间的利用并不是简单地将建筑修高。


  城市空间利用的发展逻辑是以人为本的角度出发,优化人居空间要素配置,对生活、娱乐、工作、安全等各类必要多维动态要素建立城市信息模型(City information model CIM),通过 CIM 与智慧基础设施的整合,在优化基础设施布局网络的基础上,协同信息基础设施和城市交通、给水、能源以及工业、商业、医疗、文化娱乐、人防等设施之间的交互,明确各类要素的空间组织方式,形成合理的城市空间结构与功能分区,提升城市土地利用效率和空间品质。


  城市空间利用需要充分利用多维的社会经济建模、地理信息建模、建筑信息建模、物联网、互联网、人工智能、大数据、区块链、元宇宙等新型信息技术与传统城市基础设施结合。在地理空间、建筑和设施的物理空间、社会逻辑空间之间,广泛建立信息感知、传递、协同、共识、决策和执行反馈的自动化、智慧化空间利用机制。


  二、元宇宙 + 城市空间治理


  城市空间治理是国土空间治理的一部分,另外还有农业空间、生态空间和其他空间。按照传统工业化和商业化城市发展逻辑,城市空间常被认为是提供工业品和服务产品为主体功能的空间,城市空间是现代社会人类居住和活动的主体,人口多、居住集中、开发强度较高,产业结构以工业和服务业为主,居民点形态主要是规模较大的城市、城市群、城市圈、都市区等。


  而在 " 以人为本 " 的城市空间治理中主要考虑以人作为主体,在工作的效率、生活的宜居和社交关系的融洽等方面的因素。可分为:物理空间、社会空间和数字空间三大要素。


  ☆ 物理空间


  包含城市时空位置、城市要素和城市生态环境。其中,时空位置是城市地理时间空间信息,包含城市各实体和实体间的时间、坐标信息和高程信息等;


  城市要素是构成城市各类物理实体的总称,包含城市道路交通设施、能源设施、信息设施等;


  城市生态环境是构成城市自然环境的要素,包含土壤、植被、大气、水资源、物候、天气等。物理空间体现的是人与物质的关系。


  ☆ 社会空间


  包括城市中的组织、活动、关系以及逻辑,用于描述城市社会中个体与个体、个体与群体、群体与群体等关系和活动的总和。其中,城市发展和社会治理中多元参与主体构成组织要素;多元参与主体围绕城市生活、生产和生态所开展的各类政治、经济、文化等活动构成活动要素;多元参与主体间相互作用并产生多维层次关系构成关系要素;社会空间本质上是一种人与人的逻辑关系。


   数字空间


  是与物理空间和社会空间映射连接形成的虚拟空间。通过对城市物理空间和社会空间所包含城市要素实体的全域历史及实时数据的采集、汇聚、建模、分析以及反馈,数字空间完成对城市要素及活动的全周期可溯、动态迭代以及实时反馈,实现城市多维仿真、智能预测、虚实交互、精准控制。数字空间是智慧城市建设的基础设施。


  2021 年 8 月,中国自然资源部发布《实景三维中国建设技术大纲 ( 2021 版 ) 》,提出由空间数据体、物联感知数据、支撑环境组成的 " 实景三维中国 ",从而实现数字化的国土空间高效治理。在自然资源管理、国土空间用途管制以及国土空间规划实践中,很多城市和地方通过搭建时空大数据平台、国土空间基础信息平台、数字孪生平台、城市信息模型 ( CIM ) 等技术体系,支撑自然资源和国土空间运行分析、动态评估、规划决策、监测实施等业务需求,实现空间的数字化、精细化治理 。


  城市信息模型(City information model 简称 CIM),是以建筑信息模型(BIM)、地理信息系统(GIS)、物联网(IoT)等技术为基础,整合城市地上地下、室内室外、历史现状未来多维多尺度信息模型数据和城市感知数据,构建起三维数字空间的城市信息有机综合体。


  可以看到 CIM 构建的三维城市数字空间模型与元宇宙提出的构建的多维数字空间颇为相似,但不同之处在于 CIM 依然是系统级,而元宇宙是网络级,CIM 是在单一系统中实现部分城市建筑、地理位置、设备等的多维建模与动态感知,而元宇宙则是在更广泛的互联网空间内分布式地实现全局城市物理、社会、数字空间的虚实共生;CIM 是以建筑为中心的建模思路,而元宇宙则是以人为本的建模,强调沉浸式的消费体验。


  元宇宙的城市空间治理更强调链接、应用和人居体验能力,元宇宙以开放、包容的城市信息信息模型,链接各类 CIM 系统,为城市管理者、居民提供全方位、多维度、立体综合的城市应用和人居体验。


  1. 元宇宙助力城市物理空间综合治理


  城市空间综合治理需要在城市物理时空框架内充分协调交通、水、能源、建筑等城市要素,湖泊、公园等生态环境环境要素的建设和运营,引导城市资源要素的高效流动,促进城市物理空间的智能化和居民生产生活的高效协同,优化人居、工作环境体验。


  通过对物理空间的布局与用地形态、基础设施与服务质量、道路交通系统支撑、生态环境承载能力等城市要素,智能监测、实时感知,并分析城市内部人地系统时空影响机理及动力变化,实现动态调整和响应,从而提高公共服务品质、城市空间布局优化、城市经济高效运行、精细化的城市管理、宜居生活环境、城市安全保障等方面的智慧城市建设。


  在元宇宙中,各类城市要素和生态环境要素都处于城市的全局共享和链接状态,人居与能源、工业与环保、商业与交通、生态与建筑等要素之间呈现互为影响、互为协助的关联状态,通过建立跨系统、跨部门、跨要素的立体综合城市信息模型,使地理空间、建筑空间、设备空间和公共服务形成有机结合体。


  同时,将人居要素放入其中,使人居需求与空间环境产生耦合效应,通过元宇宙海量的模型实例处理能力,将每个居民的人居潜在需求与空间环境相融合,从而寻找最佳城市要素匹配方案。


  2. 元宇宙实现城市群空间链接和协同


  目前在大多数场景下,受制于城市空间要素主体的差异性,建设仍然是独立自主和各自为政的。虽然从城市静态要素看,例如:建筑、桥梁、道路、公园等,确实属于城市主体独有。但从城市要素的动态运作来看,城市要素产生的结果却能严重影响物理空间邻近区域的企业城市主体,即:城市群效应。


  一条河道的疏通,会提高沿河上下游航运适航性,但一座大桥的修建又会降低其通航能力;一座公园的修建可以提高城市生态环境,但也有可能影响周边城市的水资源利用;一座工业园区的修建不光只带动当地产业发展,还能牵动周边城市群多产业集群的联动效应。所以动态城市要素是相互链接、耦合和协同的。


  目前,中国已建成包括长三角城市群、粤港澳大湾区、成渝城市群、长江中游城市群、京津冀城市群、中原城市群和关中平原城市群等七大城市群,中国国内生产总值约 70% 来自七大城市群,经济规模显著。而在中国 " 十四五 " 规划和 2035 年远景目标纲要也明确提出:" 以促进城市群发展为抓手,全面形成‘两横三纵’城镇化战略格局。优化提升京津冀、长三角、珠三角、成渝、长江中游等城市群。"


  在元宇宙中,城市群空间的链接和协同是强调区域内城市间物理空间、社会空间等要素的相互关联,依托元宇宙网络建立的广泛全局的数字化空间,打破地理和行政上的隔离,建设具有创新能力与竞争力的可持续发展的城市群,实现区域链接和协同,推动区域一体化发展。


  城市之间的优劣势、需求、资源要素配置是依靠在城市之间建立的元宇宙城市节点自由组合和智能化配置实现,城市群内的空间建设需要通过元宇宙城市群数字空间的映射、感知和反馈实现在城市群参与主体之间达成广泛共识。元宇宙在数字虚拟世界中详细刻画城市空间建设中的得与失、价值与人居体验,是将现实物理世界的价值传递,迁移到数字网络中,使建设中的分析、判断与决策更加高效和智能。


  3. 元宇宙助力建设数字化家庭空间


  家庭是社会组成的最小单位,是人在社会存在的逻辑单位。俗话说:" 家和万事兴 ",家庭也关系着社会和谐稳定。在中国,自古以来就有 " 修身、齐家、治国、平天下 " 的家国天下思想,可见家庭对于社会、国家的重要性。


  家庭空间的建设,关系社会民生,关系城市空间以人为本的发展目标,家庭空间由自然人属性、居住空间、家庭结构、生活习惯等物理或逻辑属性构成。虽然家庭空间与城市空间的协同发展关系智慧城市建设的终极目标,但,家庭空间又是私人空间,具有隐私权,任何机构或政府不能擅自透视或监视家庭空间数据。


  元宇宙的城市空间治理不是一种简单意义的中心化数据采集、分析和决策过程,在元宇宙网络中家庭空间被数字化为一个本地节点,并参与整体城市空间的治理。


  家庭空间本地节点通过隐私计算将敏感数据留在本地,将居住空间、家庭结构、生活习惯等脱敏的规模训练数据共享,用于与城市空间公共数据的协同分析,为城市空间优化治理提供动态策略,也引导与优化个体与家庭尺度的行为活动,增强居民时空活动满意度。


  在居民的充分授权下、参与式感知计算技术保障下,通过家庭空间的各类传感设备可获取居民的消费需求和潜在生活诉求等实例数据,并通过元宇宙网络直接实现去中心化的商品或服务提供;可借助虚拟现实技术在元宇宙中搭建的虚拟环境,可扩大居民家庭空间的行为活动感知和空间体验等内容的服务。


  4. 元宇宙助力构建数字化社会空间


  社会空间也是城市公共空间,主要包括社区、学校、工业园区、商圈、公园等城市重要功能区,具有办公、产业、交通、休闲等城市核心功能。


  城市社会空间合理的功能结构、布局和组合,畅通的信息、人口、资本、能源等要素的流动,以及人与人、人与空间的和谐交互都是构成智慧城市社会空间的基本要求。


  例如,在城市社区建设中,需要重点关注社区功能、社区活动、社区服务、交通与建成环境、治理模式以及社区系统建设等要素,分析社区内部居民各类活动与物质环境匹配程度与时空耦合关系,以及对智慧社区生活圈构建的促进作用,为以居民为中心的智慧社区生活圈的设施配置与空间优化建设提供支持;在智慧园区的建设中则需要以治理和服务需求为导向,从园区规划、建设、管理和服务全过程对园区智慧化建设进行考虑,并对园区内民生、环保、公共安全、园区服务、工商业活动等的需求做出智能响应。


  城市社会空间就是一个逻辑信息大熔炉,呈现海量的城市物理空间的多维功能和交互的逻辑信息。在传统信息化治理模式中,因为缺乏海量的视觉、逻辑、智能算力和存储,要从海量社会空间信息中识别、归类、还原、重构等繁杂的城市社会活动信息并不现实。而在元宇宙中可通过动态调用个人、城市、国家的计算平台,通过公平的利益分配机制,综合利用社会计算资源。


  通过元宇宙网络中的 CPU、GPU 等专用算力节点,可提供随时在线的网络计算能力,可将城市物理空间的功能结构映射为数字空间的结构虚拟模型,将信息、人口、资本、能源等要素的流动和交互映射为关系虚拟模型,再通过元宇宙的社会空间数字孪生模拟计算,从而寻找最佳城市空间功能组合和社会资源组合的建设策略。


  小结


  人类城市化的发展进程,是一个人口集中化的过程,也是对有限城市空间充分利用和开发的过程。随着新型建筑材料与技术的普及和应用,人类将自身的居住空间,逐步从二维扩展到三维,将活动空间从点到发展到线、面,最终建立立体、综合的生存环境。


  在二维生存环境中人类是靠身体力行、脚步丈量等实践方式去探索未知世界。而在三维空间中,由于空间体量的庞大,人类不再仅靠 " 足履实地 " 的认知和建设生存空间。


  元宇宙赋能城市建设发展新逻辑则是利用数字空间多维、无边界,数据传输高效、计算成本低的特性,为城市基础设施和公共服务机构的信息采集、传递、协同、决策、服务赋予以人为本的智慧思考模式。新型信息技术是构成城市公民数字化身份与数字化活动的基础框架。


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