大数据时代下的城乡规划以及智慧生态城市模型.pdf

154摘要：当代社会是一个快速发展、技术先进、信息流通的社会，人们之间的交流更加紧密，生活更加便利，大数据就是这个高科技时代的产物。大数据的发展有力地推动了城市规划和智慧城市。通过大数据技术和物联网技术的结合，现代人的生活与网络更加紧密地结合，大大改善了人们的工作和生活。当今世界，大数据技术已经应用于城市道路交通、社会医疗和城市化管理，实现综合管理，对智慧城市的发展起到了非常重要的作用。文章通过文献法，关注大数据时代智慧城市的发展方向。结合文献的理解和中国城市的实际发展，文章提出了一种结合可再生能源的可持续智能生态城市模型，为智能生态城市的发展提供参考。Abstract：Contemporary society is a rapidly evolving,technologically advanced,information-streaming society where people communicate more closely with each other and live more conveniently,and big data is a product of this high-tech era.The development of big data has given a strong impetus to urban planning and smart cities.Through the combination of big data technology and internet of things technology,modern peoples lives are more closely integrated with the web,which has greatly improved peoples work and lives.In todays world,big data technology has been applied to urban road traffic,social healthcare and urbanization management to achieve integrated management,which plays a very important role in the development of smart cities.This study focuses on the direction of smart cities in the big data era through a literature approach.Combining literature understanding and actual development of Chinese cities,this study proposes a sustainable smart eco-city model incorporating renewable energy to provide a reference for the development of smart eco-cities.关键词：大数据；城市规划；智慧城市；生态城市；物联网；可持续发展Keywords：big data；urban planning；smart city；eco-city；Internet of Things；sustainable development文喻琰英国格拉斯哥大学社会与政治科学学院硕 士DOI：10.19875/ki.jzywh.2023.09.050引言中国目前处于不断高速发展的阶段，科学技术更加先进，资讯传递更加迅速，人民之间的交流更加紧密，日常生活也更加便利。而互联网作为这个时代的产物，在这一过程中功不可没，伴随云信息时代的来临，大数据分析也获得了更多的重视。在现今的社会，大数据分析的运用将更加突出它的优越性，其占领的研究领域也更加大，而智能城市规划正是在互联网信息时代下城乡规划的重点研发方向，把大数据分析和城乡规划融为一体，运用最先进的信息技术融合科学的城乡规划，创造更宜居、舒适的生活空间。本文的焦点在于探讨大数据分析对传统城乡规划方法的影响及其在智慧城市规划上的应用，且在此基础上，本文将提出一个合理的智慧生态城市模型，为当下的智慧城市实践提供可行思路，希望帮助政府创造更宜居的城市空间。1 大数据时代对城乡规划的影响就城市规划而言，能够在不同类型信息中探索事物之间的关系，以便在更加宽广的视野中，把更多方面的信息一起引入城市规划研究的思考，把城市规划置于更加完善的数据量化环境中进行研究。1.1 大数据对规划模式的影响大数据时代下的传统城市规划模式在时间上和空间上都有了重大变化。首先在时间上，计算机技术和大数据分析的运用使传统城市规划的长期影响范围大大缩小，现在的城市规划仅需要几天甚至几个小时，而且比以前更加有前瞻性。另一方面是空间，大数据的应用使得规划的空间更加精细也更加宽广。精细指的是大量高精度空间数据的整理提高了城市规划和管理的精度；宽广指的是地理信息系统的应用使得单项规划顾及的空间更加宽广，使城市规划更加和谐1。目前，使用得比较普遍和完善的是基于地理网络的定量分析技术，在城市规划研究和规划管理工作中普遍会借助它的巨大空间分析和信息处理能力。不少专家在研究 GIS 基础上的城市规划仿真建模，这种模式充分考虑到各种影响因素在城市规划空间上的影响，从长远的角度研究发展空间。另外，Batty 也认为，由于数字社会的来临，将使中国城市规划实现由静态城市规划向动态规划的过渡，而原有的城市规划与管理工作也将依赖于静态数据1。现代城市规划越来越依赖于大量信息资料的更新，能够更加便捷地帮助城市规划部门与管理者随时随地了解城市规划的动态变化及其中各种元素的关系流动数据，可以更准确地保证城市规划的合理性。1.2 大数据对规划管理的影响大信息时代下，规划政策主要是强调利用信息与通讯信息技术在行政治理与决策流程中的运用来提高行政效能，提高政策透明度，引导公民积极参与政策，以此推动民主执政。现代城市规划中应推进实现电子化政府，也就是加强信息网络技术在政府办公系统中的应用，增加政府管理透明度2,3。现代城市规划应突出公众参与在规划中的价值，政府应及时汇总分Urban Planning and Smart Ecological City Model based on Big Data Era大数据时代下的城乡规划以及智慧生态城市模型155234|2023|09城市设计析来自于公众的需求和建议，切实考虑公众生活，增强规划建设的实用性4,5。由于西方民权运动的出现，公共参与也逐步变成了西方城市规划中的主要形式组成部分，大数据时代背景下的公众参与分为以下四个类型5,6：（1）信息沟通。就是以互联网的形式发布计划信息、实施方案、会议纪要以及政策结果。这种模式下，公民可以被动获得。（2）反馈式沟通。这个状态下市民可采用邮件或是网上留言的方法表示自己的看法与观点，但无法控制有关单位是否回复。（3）回应式沟通。这种模式下公众有权透过互联网提出自己的要求而相关机构有义务和责任答复这些请求。（4）交互式对话。即建设单位、市民及其利益相关方在网络平台透过讨论、社会网络等形式开展互动式交流，联合提出设计对策。大数据分析应用，最鼓舞人心的地方就是对其可视化方式的研究开发。大数据分析的可视化方法是目前大部分学者都选择的研究方式，而且目前出现了很多的新可视化方法，大大降低了技术难度，也使得研究人员较易于掌握。传统模式下的参与方式主要有两种：一种就是常规的以面对面聚会为主体形式的大众参与方式，这种方式很容易因为被少部分人所主导，而不能真实地表达意见。而另一种就是选择一定的方式在某一场所中进行相关会议，但是这种方式下，不少人会因为时间的问题而不能参与。在大数据时代下，最新的网络公共组织方法尽管没有彻底解决前二种难题，不过已经为公共组织创造出更多、更灵活的组织方法，使得公共活动不再受限于一定时段和场所7。居民是城市的终极消费者和体验者，所以城市规划始终是为了市民的，而大数据分析时代的到来也会创造新一轮的市民参与趋势，而这个形势主要是两个方面的7：一方面从城市规划师的视角出发，要考虑的是利用大数据分析工具从各个方面进行对规划项目的直接可视化图形表现；而另一方面，由专业人员进行解释的城市规划，这一方面是将城市规划转化成由非专业人员即可掌握的直接可视化图形，使市民将能够较快地了解城市规划的目标和实际效果、重新评估规划利弊，继而及时回应，最后通过二次计算形成对城市规划项目的公众评价。大数据分析领先于以往研究的技术优点，就是其无分巨细的充实数据量，可以提供更多可定制的研究成果，并且通过与云计算技术的密切衔接，可以让网络交互与服务变为可能。规划师与用户之间的距离也更加缩短。而且，在规划制定后对各项数据进行整理可以形成结果评价，经过比较后能够更清楚地看出结果与以往预测的不同，并与公众评价结果相结合，也会让下一次的预测与分析更加准确。1.3 大数据对城市生态的影响最近数十年来，城市环境的不断变化促使我们开始反思，什么样的设计才能成就城市生态环境的可持续性改善，并由此产生了许多的观点。都市生态系统服务将成为联系都市的自然系统与社会体系的基础纽带。大数据分析所拥有的刻画人的社会行为与社交网络的能力，为研究现代城市生态系统服务提供了前所未有的机会。大数据在城市生态上的应用研究包含主要以下几个方面8,9：（1）生态系统服务定量分析方法。发展综合社会经营大数据分析、地理空间大数据分析、生物遥感技术数据分析和生态系统建模技术，对生态系统服务的生成与流转过程进行定量与预测的新方法，特别要重视资源调节与供应等业务的定量化分析。（2）对生态系统服务所带来的价值与福利的评价研究。利用地域空间结构信息、环保监控信息、社会经济文化信息、卫生健康信息等多源信息，结合归因模型，综合评价对生态系统服务所带来的价值与健康福利。（3）对生态系统信息的感知。运用大数据分析的纠偏分析与情感分析，通过社会网络信息，分析人们对城市生态系统价值的感知与判断。环境城市中的有关研究进展不仅传播了环境观念，而且给发展提供了良好的研究方向，在环境都市指标体系的编制中，如果把节约减碳当作基础，则根据对都市、人口行为、企业生产活动等污染来源的大数据分析，即可形成比现在更加准确的碳排放量模式；更深入地构建数据关系分析模型，高速公路覆盖率、占地率、城乡建设用地发展强度、交通运输方式、城市交通风道等的设计管理都可与碳排放量进行关联，进而为减碳制定的总体目标也可以更精准地体现在都市规划指导中；而随着环境城市化所不断推动的社区人文、经济社会发展等指标，则可利用相关关系来得到一种趋势评估，从而达到了城市规划建筑发展和社区经济发展之间的均衡。2 大数据时代下的智慧城市2.1 智慧城市的基础设施城镇化、人口的迅猛增加以及政府资金的日益减少，给已城市化的基础设施体系带来的问题也愈来愈大。不仅是在我国，很多发达国家也开始探索采用智能的方法来应对城市基础设施体系的问题，并试图用高数字化的智能，发掘城市基础设施系统的能力，进行智能城市的规划与建设，只有对基础性建设进行了充分的建设，才可以实现大数据在全城市的无死角覆盖。基础性设备搭建得好，能够提高整个的数据获取效率，并且也可以做到对各个层次用户的高速管理。对大数据分析而言，其最核心的基础设施就是网络，如果想要建立一个智慧城市，就需要在这个城市有一个准确和完整的基础设施，每个智慧城市系统通常有八大组成部分（图 1）10，本节将以智能电网为例研究智慧城市的基础设施。智慧电网是中国电力工业发展的新方向与必然趋势，智慧国家电网将运用最领先的数据通信技术、电子计算机、控制及其他先进科学技术，实现了对发电管理、电网运营、终端用电者和电力市场中各受益方的要求与功能上的配合，在尽量改善了网络系统中各图 1智能城市系统（图片来源：作者自绘）图 2疫情防控的智慧管理（图片来源：作者自绘）156组成部分的高效运转、成本和环境影响问题的同时，也尽量增加了网络系统的安全、自愈力量和稳定性11。建立智能城市基础设施重要环节之一是提高电力可靠性，一个智能电网系统需要信息与通信技术来实现连接，通过创建一个分层系统，包括各种硬件、用户应用程序和良好的通信平台，例如 WiFi 或有线连接，以达到具有以下功能的智能电网系统10：（1）与电能表通信，读取电能质量参数；（2）三个层次的分类数据：每个客户、公寓、公寓综合体；（3）SQLite数据库中的数据分析和数据归档；（4）向配电公司传输数据；（5）三个层面的能源使用比较：住宅单元之间、公寓之间和设备层面。智慧国家电网的最终目标，是建立成为覆盖了电力系统的全部工作过程，并囊括了开发、输电、变电、配送、用电管理及调节等诸多环节的大全景数字体系。而保障智慧电网安全、自愈、绿色、坚强和安全运转的基石是电网全景实时数据收集、传递与保存，包括长期积累的海量多来源的高速解析。2.2 智慧管理就目前的城市运营情况而言，许多行业都已经能够通过信息的方式进行获取与管理。而作为城市交通的关键行业，交通运输、市政服务等都是城市交通中最关键的信息资源2。而通过对这些行业信息资源的管理，就可以有效获取城市交通的实际运营数据。利用城市交通智慧管理能够全面地提高城市交通的实际运营能力，同时利用对大数据的处理，也能够通过摄像机的手段，进行对各类城市交通数据的影像资料的收集。而目前，不少城市也已能够使用智慧终端刷卡机，或者利用手持的应用软件等，也能够进行对城市市民生活相关数据的收集。另外，通过大数据分析对城市交通实施智能控制，也可以增加市民的参与性，针对城市交通的各种突发事件，能够做出有效的控制与处置，确保提高城市交通的智能管理能力。疫情管控就是智慧管理的案例之一，国家卫健委通过大数据平台与医疗机构及区域公卫疾控等机构连接，获取公民健康信息，并通过对数据的整合分析，进行疫情防控（图 2）。2.3 智慧环境人类的生存也离不开身边的自然环境，不过到目前为止，智能城市问题还并未完全被人类社会所关注。人们目前比较提倡的仍然是低碳生活，以及环境相应的低碳理念。由于人类的聚集地大多是在工业都市，而城市中机动车和建筑的数量日渐增多，使得工业城市中产生了巨大的环保问题。比较突出的城市问题主要是对城市能耗的应用，以及对环境相应能源资源的有效利用与管理。而当对环境实现智能管理的时候，就必须通过对各个用户的实际用电状况实施有效管理与监控，并获取相关的大数据做出针对性的调研与数据分析，从而完成对智能环境的有效管理12。对很多自行车和车辆而言，通过配置适当的感应器，还可以达到对城市空气质量变化状况的了解。2.4 智慧生活智能家庭与我们的日常生活联系较为密切，通过运用更加前沿的智能科技，可以促进居民日常生活能力的提高。目前，世界许多主要的城市都进行了全方位的智能生活，通过大数据分析可以获取城市智能生活的相关信息，然后再利用我们的手机软件，进行了城市网络与市民生活的相应整合，从而实现了城市智能管理。就健康与家庭生活而言，智能化也是促进市民智能生活的重要环节。智慧生活是以物联网为基础的一系列便于生活的高科技措施，与人类生活息息相关的可以分为以下三个系统13。2.4.1 智能社区智慧居民小区综合运用了计算机、通讯信息、主动控制等，智慧居民小区主要由综合通讯网络系统、综合信息业务体系和家庭生活智能管理系统、小区保安防范体系、物业管理体系等构成。当然，也涉及综合布线网络系统；保安监控系统；有线电视网络管理；电度表、水量计、氧气表等三表测量抄表控制系统；居民小区公共信息公示管理和车库诱导停放管理系统等。2.4.2 智能楼宇管理系统智能建筑的信息系统通常都是由智能化网络系统来完成：集合布线系统、智慧管理、通讯网络系统、智慧办公系统、物业系统等，能够向客户提供快捷、安全、高效的信息沟通平台。建设智能大楼，可对建筑物中的机械设施者进行集成管理工作和协同监控，使建筑内各类设施的操作、保护、维护都更趋智能，使物业变得更为科学合理。还可进行资源的科学利用与合理消费，以实现节能降耗、降低成本的目的，并能够实现更完善的数据处理功能，从而形成了大楼的舒适、安全和有效的办公条件。2.4.3 智能家居智能家居产品融计算机和网络系统、网络渠道技术和智能化系统为一身，可利用有线或无线网络，将所有家居器具组成智能家居网络，并达到智能化，同时可完成更智能的家居安全体系，并能完成对家居器具的遥控，大大提高了家居日常生活的安全性，并可给家居日常生活环境带来全面的信息通讯功能。3 智慧生态城市模型本章节将综合上述内容，尝试整合创造一个基于物联网的、综合的智慧生态城市模型，将会从基础设施、智慧生态以及智慧生活三个部分对模型进行描述。3.1 智慧城市基础设施本模型的基础设施架构主要分为以下三个方面：（1）打造高速、融合的智能城市网络基础设施。借助北京国家信息通讯枢纽优势，将建设 5G宽带网络、铺设 WiFi 覆盖网，并建立了城市大数据信息资源库。区域内，互联网使用率在 85%以上，确保流畅网速，以保证信息实时更新。确保各通讯运营商 5G 通讯网络对全区的无缝覆盖，无线局域网在重点街区及商务楼宇高密度、高流量覆盖，提高无线城市和网络融合的建设水平。（2）打造智慧精准的智能城市建管系统。进一步推动数字城市规划设计、数字城市规划管理建设，提高城市规划建设与管理的规模化、精细化、高智能水平。加速推进国家社会治安监测、灾害预警、紧急应变、安全生产等重点区域防范系统和智能安全体系建设，进一步健全重大公共安全事件的应急处理体制。进一步优化政府网上行政办事、城市公共资源的优化配置，积极推进生态城市创建和节能减排。（3）建立快捷高效的智慧城市服务系统。全国范围内，各机构和事业单位间进行资源共享与服务合作，全面推进面向社会公众的居住、教育、就业、生活文化、社会保障、用电、供水、供应气、抗灾减害等综合服务智慧应用体系构建；大力推进面向大企业的项目投资、商业信息、商品供销、品药品监督管理等政府公共信息网络平台建设工作。实现为广大市民和中小企业所获得的政府公共信息平台，提高公共服务办事效率。3.2 智慧生态根据国家统计局 20122018 年的数据（表1），中国正处于巨大的能源消耗阶段，随之而来的是大量碳排放造成的环境污染14。建筑业作为碳排放量巨大的行业之一，建立节能减排的绿色建筑体系是智慧城市的重要方向之一。华北地区一直面临严重的缺水问题（表2）15。2006 年，华北地区 63.3%的可用水资源来自地表水，35.7%来自地下水，但在这些可用水资源中，可再生水资源仅占地表水和地下水的约 36%。表 120102017 年能源消耗、碳排放（万吨标准煤）（表格来源：中国统计年鉴14）157234|2023|09城市设计参考文献：1Batty M,Axhausen K W,Giannotti F,et al.Smart cities of the futureJ.The European Physical Journal Special Topics,2012,214(01):481-518.2Papa R,Gargiulo C,Galderisi A,et al.Towards an urban planners perspective on Smart CityJ.TeMA Journal of Land Use,Mobility and Environment,2013,6(01):5-17.3Giffinger 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风能太阳能模块该模块主要是运用风力、太阳光节能环保的优点，利用风车和太阳能电池板吸取电能，再利用控制器把所吸取的电能转换为总能量，从而节约能源，而且将会在模块中添加光敏元件及红外线感应器，通过元器件之间的相互配合，使太阳能电池板随太阳转动，从而获得更多的太阳能。3.2.2 立体绿化模块该模块包括水平绿化及垂直绿化。鲜花也具有很大的吸取甲醛的功能，如仙人掌、吊兰、牛簧片、铁树、菊花等，但一般来说，较大叶子的香草一类的花朵吸取甲醛的能力相对比较强，如吊兰、虎尾兰等。甲醛是人类长年排放的有害物质，通过摆设一些能够吸收的绿色植物能够有效净化室内空气，从而大大降低了居室的甲醛浓度，还通过摆设盆栽绿色植物提高自然美感，从而提高了空气质量。绿化的设计富有层次立体感，空间使用率大，是一个实用、漂亮的新型立体花架系统，能够充分利用有限的土地和空气质量，从而大量提高了绿植面积。3.2.3 污水收集回用模块该模块主要将污水收集后，经过污水处理系统的净化，用于浇灌建筑绿化，该系统主要由污水收集系统（主要是生活废水以及雨水的收集）、蓄水系统以及污水处理系统组成。值得一提的是，该系统与市政管网相连，如果蓄水池达到最大承载量，该模块将由市政系统接管，由市政控制污水的处理方式。3.2.4 智能滴灌模块该模块跟污水收集回用模块相结合，利用经过污水处理系统的净化水，与绿化系统中的湿度感应器相互配合，从而自动确定是否对植物进行滴灌。本模块中之所以选择滴灌的模式，是因为滴灌的模式节约水资源，而且因为有湿度感应器的配合，在检测到植物需要浇水的第一时间就进行滴灌，从而也能保证水资源的节约以及植物的生长。3.3 智慧生活本模型的智慧生活主要指的是智慧社区、智慧交通以及一卡通。3.3.1 智慧社区本模型中的智慧社区指的是集成安保、通信、智能家居等一系列服务的社区模式。社区实现 WiFi 网络全覆盖，在统一网络的基础上实现智慧安防、智慧门禁、智慧家居和智慧物业管理体系。首先，智慧安防指的是将社区做到无死角全覆盖的监控体系，并将监控视频共享到社区居民的网络中，并设置一键报警系统，无论是发现危险或者是遇到危险都能及时求助，切实考虑到业主的安全。其次，智能门禁系统。智能门禁系统采用生物识别系统，可以使用面部和指纹双重加密，同时设置访客系统以及监控系统，如果业主有到访客人，可以通过业主设置临时密码，允许访客进入，如果访客没有预约，可以通过门禁的监控系统确认访客真实性，然后再由业主操作开门。第三是智慧家居系统，智慧家居系统以物联网为基础，实现语音操控、一键操控以及提前预约服务，提前预约服务指的是在业主回家之前，可以通过手机 App 远程操作家居响应，实现真正的智能化生活。最后，通过智能物业管理系统，把和市民日常生活密切相关的各种资讯以及各项信息服务接入网上，服务于市民的日常生活，给市民的衣食住行都带来了便利的功能。3.3.2 智慧交通智慧交通主要指的是智慧停车和智慧通勤服务。其中，智慧停车指的是无人值守的停车场模式，车主可以通过停车场内的快捷支付方式实现不等待、不排队的停车模式；另一方面的智慧通勤服务指的是用户通过手机 App 操作确定通勤地点，系统会根据大数据整合分析适合用户的通勤线路，一站式抵达通勤地点，并在 App 上可以实现专人专座的安心舒适通勤环境，也能节约通勤时间。3.3.3 一卡通一卡通主要指的是用一张卡就可以满足人们的日常需求，本方案设计将人们公共生活中需要的基本功能都集中于一张卡上，比如说乘坐公共交通工具、就医、日常消费等，将这些功能集成在一张卡上，不论使用怎样的公共服务，刷一下卡就可以完成并享受相应的服务。结语大数据分析的蓬勃发展，为城市管理和智能城市交通提供了巨大动能。利用大数据技术和物联网技术结合，使过去的传统行业和互联网更密切地融合到了一起，对我们的工作环境和生活方式改变颇大。而在当今，大数据技术已经应用于城市道路交通、社区医疗服务以及城镇化管理等领域，可以进行更全面的管控，对智能城市交通的发展产生着十分关键的影响。不过，在未来智能城市的构建进程中，安全问题也一定要受到关注，因为在智能城市进入我们的日常生活中以后，就意味着所有人们日常生活和工作中的大数据信息都将被储存于网络之中，于是建立一种既可以实时处理大量信息，并且又能够及时分析数据信息的网络架构体变得尤为重要，而且对智慧系统的使用者而言，数据安全及私人信息的保护是重中之重。表 22006 年中国供水和可再生水资源（表格来源：作者自绘，数据来源：Chinas water scarcity15）