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智能基础设施:智慧城市的肢体与感官

道路、管?#36182;?#22478;市基础设施的主要功能就是输送城市里的各种“流?#20445;?#24418;成各种管网系统。“流”分为几个层次,物质流包括水(自?#27492;?#38632;水、污水、中水)、燃气、供热、垃圾,道路也可归为此类;能量流主要是电网(供热燃气虽然本质上是传递能量,但实际的逻辑还是运送物质载体);信息流是广义电信网络(有线、无线,包括有线电视等)。可以说,基础设施的运?#26032;?#36753;决定了城市运营管理的基本模式和水平。

近年来,互联网公?#31350;?#22987;进入城市智能化改造领域,并纷纷提出?#36873;?#20113;”和“城市大脑”作为城市新的基础设施。但我国城市目前的问题是只有?#25353;?#33041;?#20445;?#32930;体”和“感官”都?#20849;?#20581;全,这种状态无法实现真正的智能。所以,传统基础设施的智能化改造应该是城市智能化改造的关键所在。

未来的基础设施运?#26032;?#36753;离不开CPS(信息物理系统)。CPS是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统,通过3C(通信技术、计算机技术和控制技术)技术的有机融合与深度协作,实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS可以实现计算、通信与物理系统的一体化设计,可使系统更加可靠、高效、实时协同。数字孪生技术只是CPS的数字化前提,并不只是建立三维模型、实现感知到控制的闭环才是目标。城市领域最关注的规划、建设、管理业务,其实不可能变成CPS驱动的工程逻辑闭环,所以其并非数字孪生的最典型应用。而城市工程性基础设施系统作为一种工业化工程,其转型的大逻辑则必然是?#37038;?#23383;孪生到CPS的过程。

在前面说的几种基础设施流中,信息流具有天然的信息化属性,也基本上是完全意义上的数据驱动运行。除此之外,作为能量流的电网,信息化程度也非常之高,在分布式能源和新能源汽车等各?#20013;?#22411;智能化设备的新需求推动下,发电、输变电、配电、用电和调度各环节已经基本实现了智能化,这一点从末端的智能电表普及?#31034;?#21487;以有所感受。随着能源互联网、泛在电力物联网等概念的陆续提出,电网系统?#37038;?#25454;采集到传输和控制经过了几轮技术升级,提出了?#26377;?#29255;、终端、网络、平台到AI的全面方案,即通过全感知、全连接,实现基于全网实时数据的毫秒级预测响应和调度能力。

电网的改造方向和路径基?#31350;?#20197;作为基础设施改造的一个蓝本,其数十亿规模的物联网和边缘计算节点、毫秒级的时延要求、变压器断路器储能设备等生态链的升级,即造就了一个全国规模的基础设施实体网络,也造就了一个巨大的新兴市场。而与之相似的城市路网作为特殊的基础设施网络,也很早就开始了智能化改造,基本实现了分布式的流量和事件监测,并开始用微观感知数据调控红绿?#24179;?#34892;全网诱导调控的尝试。轨道交通网作为相对简单和封闭的系统,更是很早就开始讨论CPS化的完全数据驱动控制。

物质流管网虽然各自有其物理特征和拓扑结构,亦有压力和重力之?#37073;?#20294;基本逻辑的共同点很多,只是由于分属不同的管理部门甚至不同学科专业,因此很少?#29615;?#22312;一起探讨。压力管网无论是?#32439;础?#26525;?#30784;?#25918;射状或是混合结构,在关键的干管节点都有各种压力、流量、流速等指标的传感器。这些传感器通过数学模型一方面可以借助源头调压、沿途闸阀等手段进行全网的需求平衡和调节,另一方面可以通过指标的异常发现大型的事故和?#25910;希?#22914;爆管、漏损、堵塞等。至于重力管则是大?#23402;?#21453;的逻辑,分散的源头,集中的末端处理或者排放,同样靠中间的传感器和闸泵以及调蓄节点来平衡网络负荷。虽然各种设备大都实现了联网和PLC控制,但大多数设备的控制时延都是分钟级乃?#21015;?#26102;级,因此只能在事故级事件时触发响应,日常问题只能大致定位,通过经验推断,再配合人工手段进行排查。

在CPS的逻辑下,在通过CIM(城市信息模型)平台维护完整的管线拓扑结构的前提下,大量无线小型分布式传感器和边缘计算节点将整个基础设施网络变成一套新的ICT(信息和通信技术)基础设施。?#30001;?#23454;时无线远传的末端计量仪表,配合新型管内巡线工具,理论上可以实现一个全息的数字孪生系统。而基于人工智能建模的全网动态平衡调度算法,可?#38498;?#31186;级控制各种设备进行调节;对各种管道损伤和内部异常,可以精?#32423;?#20301;?#22270;笆备?#39044;。

这套逻辑并不复杂,但比起电力和交通等系统,埋在地下的管网复杂程度极高,各种管线内部压力、腐?#30784;?#27745;染等情况各不相同,土层和多种管壁材质令通信和传感领域的大多数常规方法都无能为力。可以说,管网领域的绝大多数需求尚无成熟的产品响应,这也是智慧城市领域最大的潜在市场。

就道路桥梁而言,结构安全(应变、裂缝、位移、挠度、倾角、?#29575;?#24230;、沉降)、车辆荷载(车型、车速、车重、轴重、?#20826;ぃ?#31561;关键参数都可以通过各种传感器和低功耗物联网进行实时在线监测。地下管网、建筑结构等基础设施的运行状态,包括泄露、开?#36873;?#24418;变、工程破坏等也都可?#22278;?#29992;类似的方法,识别微小的事故隐患,并及?#22791;?#39044;。一座上百米的桥梁只需要上百个各类传感器,数万元成本就可以实现完整的状态监测。

除此之外,分布式光纤传感技术利用光纤自身既能作为信号传输介质又能作为传感单元的特点,通过连续获取光纤沿线振动、应变以及温度等物理量的分布情况,从而实?#22336;?#24067;式长距离测量。分布式光纤传感技术主要包括基于干涉原理的分布式传感技术和基于瑞利、布里渊以及拉曼等散射机制的分布式传感技术,这些技术的单独或结合使用不仅能实现高精度和高空间分辨率传感,而?#19968;?#33021;实现多物理参数的同时测量,从结构形变、交通流量、车辆类型,到管道渗漏、施工震动等各种监测,几乎无所不能,近年来开始广?#27827;?#29992;于基础设施的监测领域。由于可以复用现有城市光纤通信网络,因此只需要在电信运营商机房增加一些设备,就能以?#31995;?#25104;本形成一张覆盖整个城市的新感知网络。

此外,完全自动控制的城市生命线是运营商网络很难保障的,因此需要真正意义上的基础设施物联专网。但是除了国家电网,其他基础设施运营公司大都只运营城市规模的系统,很少有实力建设大?#27573;?#30340;专用网络,因此负责基础设施建设标准的相关部委应该尽早介入基础设施物联专网的建设,在未来的基础设施领域真正发?#35825;?#24220;的指导和引领作用,为城市的安全和可?#20013;?#21457;展提供智慧保障。

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