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智能基礎設施:智慧城市的肢體與感官

道路、管道等城市基礎設施的主要功能就是輸送城市里的各種“流”,形成各種管網系統。“流”分為幾個層次,物質流包括水(自來水、雨水、污水、中水)、燃氣、供熱、垃圾,道路也可歸為此類;能量流主要是電網(供熱燃氣雖然本質上是傳遞能量,但實際的邏輯還是運送物質載體);信息流是廣義電信網絡(有線、無線,包括有線電視等)。可以說,基礎設施的運行邏輯決定了城市運營管理的基本模式和水平。

近年來,互聯網公司開始進入城市智能化改造領域,并紛紛提出把“云”和“城市大腦”作為城市新的基礎設施。但我國城市目前的問題是只有“大腦”,“肢體”和“感官”都還不健全,這種狀態無法實現真正的智能。所以,傳統基礎設施的智能化改造應該是城市智能化改造的關鍵所在。

未來的基礎設施運行邏輯離不開CPS(信息物理系統)。CPS是一個綜合計算、網絡和物理環境的多維復雜系統,通過3C(通信技術、計算機技術和控制技術)技術的有機融合與深度協作,實現大型工程系統的實時感知、動態控制和信息服務。CPS可以實現計算、通信與物理系統的一體化設計,可使系統更加可靠、高效、實時協同。數字孿生技術只是CPS的數字化前提,并不只是建立三維模型、實現感知到控制的閉環才是目標。城市領域最關注的規劃、建設、管理業務,其實不可能變成CPS驅動的工程邏輯閉環,所以其并非數字孿生的最典型應用。而城市工程性基礎設施系統作為一種工業化工程,其轉型的大邏輯則必然是從數字孿生到CPS的過程。

在前面說的幾種基礎設施流中,信息流具有天然的信息化屬性,也基本上是完全意義上的數據驅動運行。除此之外,作為能量流的電網,信息化程度也非常之高,在分布式能源和新能源汽車等各種新型智能化設備的新需求推動下,發電、輸變電、配電、用電和調度各環節已經基本實現了智能化,這一點從末端的智能電表普及率就可以有所感受。隨著能源互聯網、泛在電力物聯網等概念的陸續提出,電網系統從數據采集到傳輸和控制經過了幾輪技術升級,提出了從芯片、終端、網絡、平臺到AI的全面方案,即通過全感知、全連接,實現基于全網實時數據的毫秒級預測響應和調度能力。

電網的改造方向和路徑基本可以作為基礎設施改造的一個藍本,其數十億規模的物聯網和邊緣計算節點、毫秒級的時延要求、變壓器斷路器儲能設備等生態鏈的升級,即造就了一個全國規模的基礎設施實體網絡,也造就了一個巨大的新興市場。而與之相似的城市路網作為特殊的基礎設施網絡,也很早就開始了智能化改造,基本實現了分布式的流量和事件監測,并開始用微觀感知數據調控紅綠燈進行全網誘導調控的嘗試。軌道交通網作為相對簡單和封閉的系統,更是很早就開始討論CPS化的完全數據驅動控制。

物質流管網雖然各自有其物理特征和拓撲結構,亦有壓力和重力之分,但基本邏輯的共同點很多,只是由于分屬不同的管理部門甚至不同學科專業,因此很少被放在一起探討。壓力管網無論是環狀、枝狀、放射狀或是混合結構,在關鍵的干管節點都有各種壓力、流量、流速等指標的傳感器。這些傳感器通過數學模型一方面可以借助源頭調壓、沿途閘閥等手段進行全網的需求平衡和調節,另一方面可以通過指標的異常發現大型的事故和故障,如爆管、漏損、堵塞等。至于重力管則是大致相反的邏輯,分散的源頭,集中的末端處理或者排放,同樣靠中間的傳感器和閘泵以及調蓄節點來平衡網絡負荷。雖然各種設備大都實現了聯網和PLC控制,但大多數設備的控制時延都是分鐘級乃至小時級,因此只能在事故級事件時觸發響應,日常問題只能大致定位,通過經驗推斷,再配合人工手段進行排查。

在CPS的邏輯下,在通過CIM(城市信息模型)平臺維護完整的管線拓撲結構的前提下,大量無線小型分布式傳感器和邊緣計算節點將整個基礎設施網絡變成一套新的ICT(信息和通信技術)基礎設施。加上實時無線遠傳的末端計量儀表,配合新型管內巡線工具,理論上可以實現一個全息的數字孿生系統。而基于人工智能建模的全網動態平衡調度算法,可以毫秒級控制各種設備進行調節;對各種管道損傷和內部異常,可以精準定位和及時干預。

這套邏輯并不復雜,但比起電力和交通等系統,埋在地下的管網復雜程度極高,各種管線內部壓力、腐蝕、污染等情況各不相同,土層和多種管壁材質令通信和傳感領域的大多數常規方法都無能為力。可以說,管網領域的絕大多數需求尚無成熟的產品響應,這也是智慧城市領域最大的潛在市場。

就道路橋梁而言,結構安全(應變、裂縫、位移、撓度、傾角、溫濕度、沉降)、車輛荷載(車型、車速、車重、軸重、車長)等關鍵參數都可以通過各種傳感器和低功耗物聯網進行實時在線監測。地下管網、建筑結構等基礎設施的運行狀態,包括泄露、開裂、形變、工程破壞等也都可以采用類似的方法,識別微小的事故隱患,并及時干預。一座上百米的橋梁只需要上百個各類傳感器,數萬元成本就可以實現完整的狀態監測。

除此之外,分布式光纖傳感技術利用光纖自身既能作為信號傳輸介質又能作為傳感單元的特點,通過連續獲取光纖沿線振動、應變以及溫度等物理量的分布情況,從而實現分布式長距離測量。分布式光纖傳感技術主要包括基于干涉原理的分布式傳感技術和基于瑞利、布里淵以及拉曼等散射機制的分布式傳感技術,這些技術的單獨或結合使用不僅能實現高精度和高空間分辨率傳感,而且還能實現多物理參數的同時測量,從結構形變、交通流量、車輛類型,到管道滲漏、施工震動等各種監測,幾乎無所不能,近年來開始廣泛應用于基礎設施的監測領域。由于可以復用現有城市光纖通信網絡,因此只需要在電信運營商機房增加一些設備,就能以較低成本形成一張覆蓋整個城市的新感知網絡。

此外,完全自動控制的城市生命線是運營商網絡很難保障的,因此需要真正意義上的基礎設施物聯專網。但是除了國家電網,其他基礎設施運營公司大都只運營城市規模的系統,很少有實力建設大范圍的專用網絡,因此負責基礎設施建設標準的相關部委應該盡早介入基礎設施物聯專網的建設,在未來的基礎設施領域真正發揮政府的指導和引領作用,為城市的安全和可持續發展提供智慧保障。

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