生态新区智慧化顶层设计及智慧应用场景规划的实施研究

曲 慧 娟

中国建筑上海设计研究院有限公司,上海 200333

0 引言

新区当地市委市政府提出建设江苏东部综合交通枢纽,长三角北翼产业高地,全省创新驱动发展示范地区,宜居宜业幸福之城的战略定位,并提出将5G建设融入智慧城市建设大局,持续推进大数据、物联网、云计算、智能制造等产业的创新应用,深入开展智慧城市惠企、惠民系列活动.以5G、区块链、人工智能、大数据、云计算等新一代信息技术,赋能市县建设和经济增长,重塑市县核心竞争力,打造愈加科学化、精细化、智能化、智慧化的市县综合治理和服务水平,加快打造智慧城市的建设步伐.

本次建设的智慧新区位于城市西北部,设计过程中需充分考虑承接南部中心城区的生活外溢,并为东侧产业区域提供配套功能.新区规划面积约8 km2,具有生态廊道、文化园、禅寺、书院等旅游资源,亦可打响江海文明起源、教育之乡、长寿之乡等文化品牌.可培育发展生态休闲、文教、康养等文旅产业.综上,新建具有良好的自然基底和文化资源,可作为生态智慧新区建设试点.

1 基本设计原则

顶层设计原则:以构建大数据平台和服务能力平台为顶层架构,要求所有新建系统必须与新区管理大脑平台实现数据和能力的对接互通,并积极推动在此过程中的标准制定[1].

应用导向原则:以创新发展为驱动,生态宜居为导向,以新区管理大脑为智能决策支撑,达到智慧应用的效果.

试点优先原则:先试点后推广,遴选支撑厂家,为了将顶层设计方案更好实施,选取绿廊区作为试点,待绿廊区内试运行各智慧应用,并建设智慧管理中心作为智慧新区的分控中心.验证应用效果后,在先行先试的基础上进行可升级拓展.

加速推广原则:有成效试点方案推广,树立标杆,形成影响力.

2 新区现状及建设愿景

数字化不彻底,缺少基础感知设备.需构建高效可靠的感知基础设施,保障新区各业态建筑群及市政区域物联网即时响应,及时应对.

分散化管理、交通、旅游、公安、环保等各部门均独立系统.顶层规划阶段需优化城市治理的多维资源配置[2]:基于一网统管系统打通交通、公共安全、生态、社区、旅游、商业等体系,充分挖掘数据价值,实现生态新区全域交通态势和人群集聚状态的实时感知.

管理系统各系统独立,信息孤岛化[3],管理人员管理复杂.创新城市智慧管理模式:在数字孪生新区的基础上加上新区管理大脑智能中枢的技术,以安全高效便捷的5G网络建设为基础,打造无人机巡航,无人公交运输,无人车清扫等多种智能应用示范场景,实现新区管理由被动变为主动,定性变为定量,静态变为动态,单一变为综合,滞后变为实时,最终实现科学、精细、智能、智慧的管理.

3 顶层设计及场景规划

整体采用1+1+N的架构如图1所示,即建设1网,1脑的底座平台,实现N个业务场景板块.

图1 智慧新区总体架构Fig.1 Overall architecture of smart new area

1网:即全域感知网,建设3类感知基础设施,构建覆盖智慧新区的全域感知网,基于5G将智能视频/物联网神经元/无人执勤纳入一网管理,并进行统一运维.

1脑:即新区管理大脑,构建基于3DGIS+BIM+IBMS的数字孪生底座,以及包含全量分析的城市级数据中台和统一计算、统一交互的智能中台，支撑新区管理大脑[4];

N个智慧应用:包括新区全域安全板块,智慧交通管理板块,智慧生态监控板块,智慧旅游服务板块,智慧商业综合管理板块(系统对接),智慧社区综合管理板块(系统对接),智慧医疗服务管理板块(系统对接),智慧教育服务管理板块(系统对接)等应用.

3.1 全域感知网设计

在网络设计中,充分分析新区各区域对网络的具体要求,如市政采用5G+光缆进行通讯;智慧社区采用NB-IOT/Lora+光缆进行通讯,网络拓扑如图2所示.

图2 网络拓扑图Fig.2 Network topology

针对3大类感知终端,采取了不同的接入处理方式.

视频类数据通过前端接入边缘计算节点,将结构化数据接入公有云,便于新区管理大脑后续智能分析,对外统一提供服务.同时敷设光缆,保障有线传输条件.

神经元终端,包括智能垃圾箱/智能井盖/智能路灯/环境传感/水质传感/水位传感等各类传感器设备,通过NB-IOT/Lora网关与基站通信,然后接入公有云应用服务器[5].同时敷设光缆,保障有线传输条件.

无人机及其他无人终端系统,基于5G的高速通道,低时延等特点,统一采用5G无线通信接入.

秉着政府对智慧化新区、智能化管理为需求出发点[6],结合5G网络的低时延、高宽带、高可靠的通信网络特性,对新区的网络进行了综合整体规划,并对该规划城区的广福路生态廊道的5G网络布置做了详细规划.力求实现该区域内的5G全覆盖,采用宏站基为主,小基站为深度覆盖,针对重点党政机关/医院及城区分控中心采用室内分布为主,实现室分5G网格的良好覆盖.

3.2 新区管理大脑设计

构建全面实时动态数字孪生底座:数字孪生底座[7]可以将现实的新区完全数字化,便于更直观地对新区各智能化模块进行管控.

数字孪生新区的核心应用是云侧的具备智能操控能力的城市大脑,端侧全域感知能力,网侧的智能交互能力都属于物理城市的基础设施,通过端/网实现两个城市的互联与映射.通过数字规划、数字建设、数字运营搭建起来的城市时空大数据平台，是支撑数字孪生新区的基础设施,相当于数字城市的操作系统.

数字孪生新区的操作系统——新区空间大数据平台是依托GIS(地理信息系统)+BIM(建筑信息模型)+IOT+AI等技术[8].智慧管理大脑架构如图3所示.

在规划阶段,在智慧大脑模型中将各项规划数据(如市政/通信/交通等)导入,统一规划避免后期出现管路碰撞,重复施工等现象.

在建设阶段,以智慧大脑模型为基础,对新区建设从扩初设计,施工阶段到后期竣工验收全过程管控.

在运管阶段,基于智慧大脑模型,可实现对新区市政基础设施、地下管网、各大型绿地生态环境、新区内道路交通等运行状况的实时监控,并可进行统一呈现.

图3 智慧大脑架构Fig.3 Management brain architecture

3.3 智慧应用场景规划

3.3.1 智慧交通

智能灯杆系统:为新能源车辆提供充电桩,太阳能供电LED照明,集成智能监控,信息发布,WiFi基站和环境检测等功能[9].包含绿廊/景区照明及市政道路照明.可以远程控制各种道路照明灯/景观灯/建筑泛光灯,具备开关/调光/监测/报警等单灯控制/回路控制以及场景照明控制功能,实现了景观照明节能化、网络化、智慧化.

智能信号灯:打造路口信号灯实现100 %网联控制的智能信号灯,利用传感网络与多角度信息发布,智能调节信号灯,实现行人/车辆/信号灯/斑马线联动的交通系统,提高通行效率.

通过智能信号灯系统的建设,提供流量排队长度检测,实时分析车流量确定红绿灯时长,信号灯故障检测,交通违法行为抓拍,行为事件检测并推送,全天候调度响应等多种功能.以绿廊试点区道路为例进行设计如图4所示.

图4 示范区丹凤路智能点位图Fig.4 Intelligent point map of Danfeng road in demonstration area

智能公交站牌:紧密结合新区公共交通的具体实际情况,新区以生态园区及社区为主,公共交通利用率较高,为了提高市民舒适感,打造集候车/信息查询/广告宣传/背景音乐广播/高清视频监控/WIFI/移动充电等多功能于一体的太阳能供电的智能公交站台,可即时在公交站台及手机查看各路公交车的线路信息/到站时间/车内人员密度等信息,使公共交通更加舒适,更加人性化,有利于倡导新区居民绿色出行,打造生态新区.

无人驾驶摆渡车:针对社区、绿廊公园、景区等热门站点,打造车路协同的无人驾驶道路,开展5G无人驾驶公交示范.构建路网综合运行监测与预警系统,打造人-车-路协同的综合感知体系全程交通流监测.在一期绿廊示范区设置3条无人驾驶摆渡车观光路线,分别为绿廊外部市政路环线 (共设置6个站点)详见图5;绿廊3区内部环线;绿廊5～6区内部环线.游客可通过手机对无人驾驶摆渡车进行预约,外部环线仅可于站点上下车,内部环线可根据实时定位上车.手机可以看到预计到达时间以及车内空位情况.

无人驾驶摆渡车内部AI控制系统,可与乘客进行实时对话,乘客可通过语音对车内背景音乐/空调等设备进行控制.

智能交通诱导:针对规划区域内停车诱导系统全部实现三级诱导[5].道路信息实时更新,全角度LED显示交通状况、气象等信息,给途经车辆推送交通信息及限速提醒.

图5 示范区无人驾驶摆渡车路线规划Fig.5 Route planning of driverless ferry vehicles in demonstration area

3.3.2 智慧生态

新区将物联网技术与环境信息化相结合,针对大气污染源/水体污染源和土壤污染源等对人类生活影响最大的三类污染源[8],打造智慧生态系统.

环境监测:针对新区的河道/绿廊及其他大型绿地/空气/水/土壤等生态环境,建设智能环境监测及生态灌溉,河道环境监测系统;通过无人机河道自动巡检技术,实现对河道水质污染/空气质量/垃圾/违建的智能识别;开展无人清扫车示范,实现自主定时清扫,打造全局生态管理系统,形成统一的指挥应急体系,实时掌控区域内空气、水体、重点区域等生态变化.

水位监测:达到预警水位时,绿廊沿河区域需报警,提醒游客谨慎通行;达到危险水位时,警示禁止在沿河景观区逗留.发生告警时系统将警情上传至管理大脑提醒相关人员做出应对,可直接降低出现淹没车辆致人死亡的事件发生.

生态灌溉:智能病虫害检测,智能灌溉.智能病虫害监测系统对生态绿廊、市政绿地等区域的植物进行病虫害监控,有利于园林技术人员及时掌握各大型绿地的病虫害情况.智能灌溉可实现生态区绿植护理过程智慧化,养护信息通过实时采集的空气温度及土壤湿度信息,通过模糊运算控制器[10],智能输出合适的灌水量,同时可通过手机等智能终端实现远程控制,达到精准,及时灌溉.

3.3.3 其他智慧应用场景接口要求

采用统一的数据交换标准,即XML格式.采用面向服务的架构,以保障业务数据[11],预计数据等需要向第三方系统传送需要的数据,且于第三方系统的格式规范相匹配.数据转换的规则可灵活配置，可进行二次开发,自由扩充以最大程度满足管理需求.

4 结语

在对新区顶层设计及场景应用规划时,充分考虑与城市现有智慧城市平台对接,充分利用现有资源及数据库,做到资源利用最大化.充分利用新信息技术,赋能完善新区应用场景,彻底颠覆传统管理,实现预防为先与动态治理的紧密结合,以生态宜居为特色目标,完善和优化园林绿化的日常养护,监控分析,虫害预警,古树保护,智能灌溉等工作,加强对新区所涉及到的人/车/物/事进行全过程实时智能监控[11],提高管理水平,提高宜居竞争力,出行便利度,社会安全性，打造生态宜居,数据融合的智慧示范生态新区.