美国的标志
本期报道
NAE主席的一句话:国内外的基础设施
客座编者注:可持续智慧城市工程
智慧和可持续城市的元结构方法
智能净零碳城市战略
智慧城市的智慧基础设施
下载
可持续智慧城市春桥
2023年3月15日
世界城市面临着越来越多的自然灾害威胁, 老化的基础设施, 交通, 资源限制. 本期文章探讨智能基础设施, 可持续性, 净零碳方案, 自动驾驶, 智能和可持续城市的其他方法.

智慧和可持续城市的元结构方法

星期一，2023年3月20日

作者: 安妮年代. Kiremidjian和Michael leech

智慧城市的实施涉及物理基础设施, 数字它, 政策, 融资, 社区参与, 伙伴关系必须相互协调地建立和维持.

智慧城市概念的产生是由于全球需要应对特大城市人口不断增长和对有限资源需求大幅增加的双重挑战(Bačić 等. 2018). 除了, 世界上许多大城市都位于沿海地区, 这使得他们特别容易受到气候变化和洪水等自然灾害的影响, 飓风, 和地震/海啸. 因此，全球各地的城市社区都在寻求利用快速发展的技术和智慧城市方法，以减轻人口和基础设施对这些极端但日益常见的事件的影响, 为子孙后代使它们具有复原力和可持续性.

介绍

符合技术注入的方法，以满足不断增长的需求, 一些城市一直在探索, 并开始实施, 智慧城市概念中提出了许多想法. 但城市, 尤其是大城市, 复杂的系统是物理的吗, 环境, 社会, 经济, 金融体系. 每个系统的功能都依赖于其他系统的功能, 增加了非线性实现的难度，因为这些系统必须协同工作.

协助市政官员实施, 关于智慧城市结构，已经提出了几种模型(Harrison和Donnelly在2011年的一篇开创性论文中提供了例子), which lays the theoretical foundation for smart cities; Sánchez 等. 2013和Li等人. 2015 provide details; and Bačić 等. 2018年总结). 一些方法强调智慧城市发展的技术方面.g.， Park等. 2018), 其他方面则考虑到也需要处理的社会和经济方面(例如.g., Baraniewicz-Kotasiń斯卡2022).

传感网络可以专门为智慧城市而构建，也可以利用个人智能手机数量和功能的不断增加.

在此基础上, 在本文中，ca888亚洲城官网-ca888亚洲城(中国) 有限公司唯一官网 -欢迎光临将介绍智慧城市的各个组成部分，并将它们组合在一起 智慧城市元结构 这与其他提出的范例相比是全面的. 首先，ca888亚洲城官网-ca888亚洲城(中国) 有限公司唯一官网 -欢迎光临讨论这个元结构的组件. 认识到开发单个组件的困难, ca888亚洲城官网-ca888亚洲城(中国) 有限公司唯一官网 -欢迎光临回顾了智慧城市实施的一些成功和失败, 并确定有效创建智慧城市需要考虑的挑战.

智慧城市元结构

智慧城市的实施需要物理基础设施, 数码资讯科技, 法规和政策, 融资机制, 社区参与, 业务和商业模式, 合作伙伴关系, 以及其他必须建立的机构, 应用, 和持续 相互配合. 这组技术、政策和组织被斯坦福大学的研究人员称为 城市 变质构造, 一种卓越的城市基础设施形式，使智慧城市范式成为可能(leech 2017), 2021).

首先作为城市交通系统的概念提出(Rogers 2016)，城市元结构可以被解析为智慧城市的三个关键要素. 基本要素是(1)由物理基础设施组成的密集传感和数据收集网络. 这样的传感网络可以专门为智慧城市目的而构建(例如.g., 闭路电视摄像机, 道路交通传感器)或利用个人智能手机数量和功能的不断增长.

建立在这个传感网络上的是(2)一个计算层，它将不断增长的智慧城市数据流转化为智慧城市居民可以使用的信息, 企业, 和游客. 这个计算层利用了先进的计算算法(例如.g., 机器学习, 强化学习, 人工智能)来高效、快速地处理传入的数据流, 能否通过智能手机应用程序或直接警报更新向公众提供信息. 这是智慧城市元结构的两个基本层, 传感与计算, 通常与智慧城市的研究和实施有关.

智慧城市元结构的最后一个组成部分是(3)参与机制. 参与是智慧城市的一个较少研究但至关重要的组成部分. 有效的参与机制对于实质性地提高城市生活质量和为居民提供持久的价值主张是必要的. 没有为每个人创造持久的价值, 工作, 学习, 在城市里玩, 大大提高了他们的生活质量, 智慧城市技术和应用程序将继续成为新奇事物, 早期技术采用者使用的, 而不是城市可持续发展和管理的有效工具. 这些参与机制包括法规和政策, 融资机制, 社区ca888亚洲城官网-ca888亚洲城(中国) 有限公司唯一官网 -欢迎光临, 业务和商业模式, 合作伙伴关系, 以及其他机构对城市元结构的定义.

图1.gif

图1显示了城市元结构的三个主要组成部分及其相互联系的关系. 每个组成部分都必须与其他组成部分协同实施，以实现智慧和可持续城市的目标.

智慧城市的物理基础设施

智慧城市的大部分研究和实施都集中在交通传感技术的发展上, 权力, 水, and 通信 systems; maintenance and management of infrastructure components and systems; and monitoring of buildings and other structures.

传感器是任何智能控制系统的重要组成部分. 城市系统的性能可以通过控制系统得到改善，这些控制系统通过从一系列传感器收集必要的数据来增强对其环境和运行状态的认识čić 等. 2018). 通常部署不同类型的传感器来收集各种数据，然后对这些数据进行同步和分析，以提取适当的信息，从而实现稳健的决策和控制. 原位传感器, 嵌在结构上, 路, 或其他基础设施系统组件, 收集本地信息(e.g., at 交通 loops); remote sensors (e.g.(闭路电视摄像机，卫星传感器)从远处收集数据. 来自人为测量的数据”包括对环境的主观观察, 社交媒体帖子, 手机电话和短信, 以及可穿戴式身体传感器的生理测量”(Bačić 等. 2018, p. 279). 数据和信息的传输和存储是通过有线或无线通信网络实现的.

为了说明, 有效的空气质量管理需要综合数据，显示排放的空间分布以及燃烧和交通源(Flaga等). 2019; Kucharski 等. 2018). 用于监测空气质量数据的智能城市物理基础设施系统包括用于污染计量的街道照明中的分散传感器(Szarata等). 2017; Vasiutina 等. 2022). 这样的系统可以用来了解空气污染的性质，并提供补救建议, 例如, 产生连续气流补充自然气流的通风塔(Flaga等). 2019).

计算层

健壮的计算层是良好决策和基础设施管理的关键. 从智慧城市传感器的复杂组合中收集到的数据，在信息被提取出来并用于城市各个系统的管理和控制之前，是毫无意义的. 计算和数据科学工具，如高级统计分析, 机器学习, 人工智能的发展已经有一段时间了, 并且在过去的十年里得到了显著的提升.

最近计算能力和数据存储能力的指数级增长使分析成为可能, 存储, 以及对大型数据集的操作, 从无数传感器中获得, 这可以用于智慧城市的应用. 基于传感器数据的智能经常与物理模型相结合，以开发更强大的预测/预测和控制模型. 这些由硬件和软件驱动，大大提高了速度和存储空间. 支持全市交通监控和管理的算法, 权力, 水, 浪费, 环境条件也在不断发展, 使智慧城市模式得以更快速地实施.

例如, 主要市区的交通模式识别及控制，以达致最优的交通管理(例如.g., 哥本哈根, 纽约市, 旧金山, Songdo, 通过使用来自道路嵌入式传感器的数据来实现, 闭路电视摄像头, 射频识别(RFID)技术, 个人手机. 这些数据用于监控交通模式, 控制交通灯, 监察市政巴士及其他公共交通工具, 检测事故, 识别道路损坏, 控制和监督停车位, 发现交通违规行为. 步行交通模式也被用来补充优化人员移动的算法. 商业运输系统的管理与一般交通模式相结合，减少了等待时间，最大限度地减少了行驶里程, 同时减少燃料消耗和二氧化碳排放2 排放.

使城市电力供应智能化和弹性需要加固现有电网，并辅以风能等替代电力供应模式, 太阳能, 气体, 以及核能发电设施. 图2示意图显示了一个智能电网监控系统的示例，该系统将各种数据结合到ML算法中，以生成一个区域内最佳电源分配的场景.

图2.gif

关于物理网格的地理空间信息, 例如传输站的位置, 交换站, 干线, 配电线路, 是通过融合卫星图像数据获得的吗, 街景地图, 路线图, 构建分布. 类似的, 卫星和航空摄影被用来显示空间位置, 大小, 屋顶太阳能板的时代. 然后将这些数据与气象信息结合起来预测该地区的太阳能发电量. 类似的方法也用于风力发电. 保留了数据的时间变化，并使用Wang(2022)开发的算法将整体数据用于各种地区的鲁棒最优地理空间电源分配。.

计算发展的另一项主要工作集中在评估建筑物和其他基础设施组件和系统的状况, 启用按需而不是定期安排的维护(e.g.廖等。. 2019). 这样的方法, 如果在一个全面的决策支持系统的支持下主动完成, 导致意外失败的可能性降低, 降低整体生命周期维护成本, 更强的基础设施弹性, 以及CO的减少2 排放.

其他例子还包括跟踪建筑物空气和水质以确定空气传播病原体分布的环境监测系统.g.， Chew等人. 2022). 正在开发用于跟踪建筑物中脚步的系统，以优化人流量和交通流量, 在医疗保健和辅助生活设施, 监测老年住户，防止可能的跌倒.g.潘等人. 2017).

最后, 新型数字孪生技术中嵌入的计算层是智慧城市发展的关键. 这些技术可以以多种方式用于构建和管理智能城市中的关键系统(Farsi等). 2020). 将数字孪生与其他系统的物理和功能特性联系起来也很重要(leech等人). 2016)绘制和研究系统的相互依赖和冲突, 从而提高处理复杂问题的能力，这些问题通常很难解决.

订婚

参与机制是智慧城市元结构中最重要的组成部分, 对有效实施智慧城市系统至关重要. 它们包括法规和政策, 融资机制, 社区参与, 业务和商业模式, 合作伙伴关系, 以及其他机构. 没有这些要素的整合才能实现智慧城市的实施, 智慧城市技术的价值主张对居民来说可能仍然模棱两可，无法实现长期目标.

但是，当公民和决策者之间的知识不足时，参与和决策是困难的, 加上厌恶的因素, 偏见, 以及非理性行为. 信息不对称可能导致城市居民不知道什么是“最佳”决策.

幸运的是, 世界各地都有成功参与机制的例子:虚拟新加坡为居民提供“地理可视化”, 分析工具和3D语义嵌入信息平台，以连接和创建丰富社区的意识和服务.”[1] 数字迪拜现在有超过90个政府服务是数字化的，公民可以通过它的DubaiNow应用程序访问.[2] Songdo, 韩国, 是否将城市交通管理和城市运营整合在一个集中的指挥中心，可以实时解决交通挑战，缓解城市交通挑战.[3]

认识到智慧城市在减少环境影响的同时提高运营弹性的潜力, 纽约市, 在努力减少碳足迹方面, 采用了智能照明, 漏水监测, 智能垃圾桶, 交通监控与管理(Lai 2022). 自2013年以来，智能照明系统的安装每年减少了900多公吨温室气体的排放. 智能垃圾箱将垃圾收集效率提高了50%以上，同时减少了城市垃圾车的车辆排放. 最后, 纽约的自动抄表系统可以更快地识别城市供水系统中的泄漏和其他问题, 从而提高系统在极端事件(如热浪和强烈风暴)下可靠运行的能力.

当公民和决策者之间的知识不足时，参与和决策是困难的, 因厌恶而复杂化, 偏见, 以及非理性行为.

这些和其他例子说明了在国际和美国其他城市实施的参与机制, 包括波士顿和旧金山.

实施和全面部署的挑战

在全球范围内, 与智慧城市相关的概念被广泛接受，并且有很大的热情将其付诸实践. 然而，广泛实施仍然难以实现.

一些主要障碍阻碍了市政当局全面或部分部署智能技术，将城市推进到下一代更宜居和可持续的社区. 障碍包括隐私问题、数据安全、改造挑战和成本.

人行道实验室提出的智慧城市就是一个受阻的例子, 它是Alphabet旗下的智能城市开发部门, 该公司打算重建多伦多一个占地2000英亩的滨水区，名为Quayside. 这个新的城区计划建造经济适用的公寓, 两英亩的森林, 屋顶农场, 土著文化的新艺术场所, 并承诺实现零碳排放(雅各布斯2022). 对隐私和安全的担忧被认为是市政府和Sidewalk Lab未能达成协议的主要原因. 经过三年的努力，这个项目被放弃了.

广泛实施的另一个主要障碍是在已经使用了数百年的城市中使用和采用技术的困难, 旧的基础设施不能支持新的技术基础设施. 许多大城市都在与水资源老化作斗争, 权力, 通信, 交通基础设施. 新的数字智能技术不能简单地添加到这些系统中.

隐私问题, 数据安全, 改造的挑战, 此外，成本也阻碍了市政当局全面或部分部署智能技术.

例如，提供清洁水的关键是可靠的输水系统. 用智能水管取代这样的系统，监测流量并捕获潜在的污染或局部故障，需要大量的资本投资和升级. 市政官员还必须面对两难选择:是使用久经考验的方法重建现有部件，还是引入初始成本和风险可能更高的智能技术. 类似的例子可以在电力、通信和运输系统中引用.

除了老化的基础设施系统, 现有建筑的仪器仪表存在困难. 安装用于结构和环境监测以及用于感应人的运动的传感器可能特别困难，如果感应网络需要硬连线. 已经开发了用于结构监测的无线传感解决方案.g.， Kane等。. 2022; Kiremidjian 等. 2011; Lynch and Loh 2006), 但出于隐私和责任方面的考虑，业主可能会抵制在他们的建筑物上安装仪器.

在加州, 只有少数建筑物采用仪器进行抗震性能评估, 它们最多有15到20个传感器, 有效状态评估的数量不足(Kiremidjian等). 2011). 迪拜的哈利法塔, 2010年开业, 也许是结构健康监测仪器最好的建筑(Abdelrazak 2012). 仪器包括全球定位系统(GPS), 徕卡高精度传感器, 还有斜度计，用来监测塔的旋转和位移. 从塔中收集的数据已与SmartSync概念一起使用(Kijewski-Corea等). 2013)进行持续监控和维护决策.

鉴于所有这些挑战, 世界上许多大城市仍在努力向居民介绍智慧城市解决方案. 如上所述，纽约市已经采用了许多这样的解决方案(Lai 2022)。. 其他正在实施智能技术的美国城市包括西雅图, 旧金山, 达拉斯, 奥斯丁, 华盛顿特区, 博尔德, 及圣何塞(祥2021). 世界各地, 哥本哈根正在实施智能技术, 香港, 斯德哥尔摩, 以及韩国和中国的城市, 等.

在某些情况下，从零开始建设的城市已经实现了包括多个智慧城市方面的成功发展. 由Gale国际公司联合开发, 浦项制铁, 以及摩根士丹利房地产公司, Songdo, 韩国, 是一个私人投资的成长中的智慧城市的例子吗. And Japan is investing in the development of smart cities with funding from private 行业; 例如, 松下公司已经投资开发了几个这样的城市, 最近一次是在日本中部的水田(Hornyak 2022)。. Suita实现的功能包括太阳能电池板, 蓄电池, 以及家庭电源管理系统. 除了, 该市2000名居民可以共享自行车和滑板车, 让自行车和机器人送货. 监测睡眠模式的传感器会调节温度和气流，以增加舒适度. 许多其他智能功能正在实施，使这座城市和其他城市更具可持续性.

结论

智慧城市的前景令人兴奋. 但是，在未来几十年里，实现这些目标仍面临许多挑战. 作为城市设计师, 市政官员, IT专家, 土木工程师, 还有一些人走到一起，兑现智慧城市的承诺, 城市元结构的概念变得更加重要:它提出了一套卓越的物理和社会基础设施系统，这些系统必须相互协调建设，以增加智慧城市成功的可能性. 更聪明的, 更有弹性, 更可持续的城市环境将为全球城市居民提供更高质量的生活.

参考文献

Abdelrazaq一. 2012. 验证哈利法塔的结构行为和响应. 国际高层建筑学报，1(1):37-51.

ba伊奇Ž， Jogun T, majiki I. 2018. 智能城市集成传感器系统. [j] .中国生物医学工程学报，25(1):277-84.

Baraniewicz-Kotasiń平方公里列阵年代. 2022. 智慧城市:理解概念的四种途径. 城市研究 & 实践15 (3):397 - 420.

张G. 2021. 美国十大智慧城市. 地球.12月28日.

周丽伟，陈诚，高乐杰. 2022. 利用大涡模拟改进自然通风建筑的热模型预测. 建筑 & 环境220:109241.

Farsi M, Daneshkhah A, Hosseinian-Far A, Jahankhani H，等. 2020. 数字孪生技术与智慧城市. 施普林格.

Flaga Ł， Pistol A, Krajewski P, Flaga A. 2019. 大气边界层动力作用的模型试验——崎岖地形上通风塔的线性结构. 技术交易116(7).

哈里森C，唐纳利IA. 2011. 智慧城市理论. 第55届国际空间站年会论文集，英国赫尔.

Hornyak T. 2022. 为什么日本要从零开始建设智慧城市. 608年自然:S32-S33.

雅各布斯K. 2022. 多伦多想永远扼杀智慧城市. 麻省理工科技评论，6月29日.

凯恩MB，佩肯斯C，林奇JP. 2022. 无线传感器网络监控应用简介:原理, 设计, 和选择. 见:民用基础设施传感器技术，第1卷(第1页). 335–68), ed. 林志平，孙宏，王明良. 瑞斯出版.

郭毅，郭勇，李建军，李建军，李建军. 2013. SmartSync:高层建筑结构健康实时监测与结构识别集成系统. 土木工程学报(英文版)(10):344 - 344.

kremidjian AS, kremidjian G, Sarabandi P. 2011. 具有嵌入式损伤算法和决策支持系统的无线结构监测系统. 结构 & 基础设施工程学报(12):881-94.

张建军，张建军，张建军，等. 2018. 区域水平的旅行量季节变化:Małopolska GSM OD矩阵的案例研究. 交通系统远程信息处理档案11(1).

阿赖. 2022. 纽约的智慧城市项目是如何引领潮流的. 地球.3月9日.

Lepech米. 2017. 城市智慧向何处去:全球智慧城市发展战略. 智慧城市创新峰会，9月6日，首尔.

Lepech米. 2021. 智慧和可持续城市的愿景. 首届SCIGC国际研讨会:展望智慧城市及未来，6月4日，韩国仁川.

刘建军，李建军，李建军. 2016. 基于多物理场使用寿命模型的可持续混凝土基础设施的概率设计与管理. 论文发表于第一届建筑材料重大挑战国际会议，洛杉矶. 可在http://backend下载.轨道.导航系统.dk/ws/portalfiles/portal/ 130822022 /无题.pdf.

李毅，林毅，gertman S. 2015. 中国智慧城市的发展. 第十四届城市规划计算机国际会议论文集 & 城市管理，剑桥MA.

廖勇，Kiremidjian AS, Rajagopal R, loc - h. 2019. 基于序列变化点检测方法的损伤后特征分布未知的结构损伤检测与定位. 航空航天工程学报32(2).

Lynch J, Loh K. 2006. 用于结构健康监测的无线传感器和传感器网络综述. 冲击 & 振动文摘38(2).

潘松，于涛，Mirshekari M, Fagert J, Bonde A, Mengshoel OJ, Noh HY，张鹏. 2017. FootprintID:通过环境结构振动感知识别室内行人. ACM论文集，交互式，移动，可穿戴和无处不在的技术1(3):89.

Park E, Del Pobil AP, Kwon SJ. 2018. 物联网(IoT)在智慧城市中的作用:技术路线图导向方法. 可持续性10 (5):1388.

罗杰斯一. 2016. 欢迎来到元结构:新的交通互联网. 连线，1月4日.

Sánchez L, Elicegui I, Cuesta J, Muñoz L, Lanza J. 2013. 在未来的互联网智能城市框架中整合公用设施基础设施. 传感器11 (13):14438 - 65.

Szarata A, Nosal K, Duda-Wiertel U, Franek L. 2017. 在城市中心实施汽车限制对公共空间质量的影响. 交通运输研究进展27:752-59.

瓦苏提娜，诺莫夫V，萨拉塔A，瑞比奇S. 2022. 估算因使用货运自行车而减少的排放量:选定欧洲城市的案例研究. 能量15 (14):5264.

王Z. 2022. 能源地图集:可持续能源和城市系统的基于机器学习的制图和分析. 博士论文，斯坦福大学

 

[1]  新加坡总理办公室国家研究基金会，http://www.nrf.政府.sg /项目/ virtual-singapore

[2]  数字迪拜管理局，应用程序和服务，http://www.-digitaldubai.ae / apps-services

[3]  仁川经济自由区管理局全球中心.ifez.go.基米-雷克南/全球指数

作者简介:Anne Kiremidjian (NAE)是C.L. 派克, 1906届工程学教授Michael leech是土木与环境工程学教授, 斯坦福大学. 他也是伍兹环境研究所的高级研究员.