智慧城市发展与低碳经济黄天航 刘瑞霖 党安荣 引言2008年11月初,在美国纽约召开的外国关系理事会上,IBM 以题为“智慧地球:下一代领导人议程”的演讲报告,提出了“智慧地球”的概念,而且将“智慧城市”作为其智慧地球战略的重要组成部分。与此同时,2008年底,IBM提出“智慧城市在中国突破”并相继与国内多省市签署“智慧城市”共建协议,为智慧城市提供了智慧的电力、智慧的医疗、智慧的交通、智慧的供应链、智慧的银行业等一系列智慧解决方案。在“智慧的城市在中国”一文中,IBM对未来智慧城市做了描绘,即能够充分运用信息和通信技术手段感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息,从而对于包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出智能的响应,让城市中的各个功能协调运作,为人类创造更美好的城市生活。并具备全面物联、充分整合、激励创新和协同运作四大特征。智慧城市中将强调高科技和创意产业在城市长远发展中的关键作用。这一因素及“软基础设施”如知识网络、志愿组织、好的社会环境与娱乐环境等是Richard Florida的研究重点。创意产业和高科技产业在知识密集型和全球化经济的环境下将成为城市发展的决定性因素。最后,智慧城市的发展一定是社会和环境的可持续发展。城市发展立足于良好自然环境和自然资源,在当今世界,环境恶化、资源匮乏,所以他们的开发必须保证自然环境的安全和资源可再生利用。以上这些观点都或多或少地概括了智慧城市的一些重要特征,但并非是个全面的定义。2009年,来自意大利和荷兰的学者结合维也纳大学评价欧洲大中型城市的6维度:智慧的经济、智慧的运输业、智慧的环境、智慧的居民、智慧的生活和智慧的管理,定义了智慧城市,给出了智慧城市的一个定义。这个定义在国际上被较广泛接受:智能城市应该是由在人力和社会资本,以及在交通和信息通讯基础设置上的投资来推动可持续经济增长和高生活质量,并且通过参与式的管理对上面的资源及自然资源进行科学的管理。智慧城市的概念包括了城市居民日常生活的方方面面,交通、环境、城市管理、教育等各方面都被包括其中。本文还将介绍除以上各方面外的智慧实践,他们或让市民体验科技进步的成果、生活更加便捷;让城市居民更好融入到自然生态环境中,享受低碳智慧生活。智慧经济继农业经济、工业经济、信息经济、知识经济后的出现的智慧经济既是依靠人类的智慧进行生产的经济,在经济上各种要素、各个领域、各个主体间的最佳结合,实现帕累托最优,和谐发展;又是集科技、信息、知识、环境、文化、伦理道德于一体的战略性经济、创新性经济。而且它也更加追求经济发展对环境保护、人类福祉深切关怀和人类自由发展的核心目标。相对于知识经济而言,智慧经济所依赖的已不仅仅是知识,而是更强调人类的智慧特别是创意人才和创意产业。所以智慧经济要在发展传统信息产业和知识产业等知识经济主导产业的基础上发展以创造性智慧产业、发现性智慧产业和规划性智慧产业等三类智慧产业(如艺术、策划、地理、新闻、司法、教育等产业),并做好经济结构调整。英国是老牌资本主义发达国家,在战后陷入了经济极度萧条的困境之中。为刺激经济发展英国采取了使用政策工具积极干预经济的发展战略:积极为市场创造良好的法制环境,调整产业结构,放松政府规制,鼓励中小企业的发展,大力使用外资。而且英国1997年在全球最早提出和发展“创意产业”,将其定义为那些从个人的创造力、技能和天分中,获取发展动力并通过对知识产权的开发,创造潜在财富和就业机会,以促进整体生活环境提升的产业。据统计,1997~2001年间英国以文化为主体的创意产业年增长率达到8%,是同期英国总体经济增长2.6% 的3倍多,成为英国发展最快的产业(图1)。而在1997~2007年的10年中,文化创意产业在英国GDP 中的比例已达到8.5%,平均年增长率为5.3%,是整个经济增长速度的2 倍;文化创意产业所创造的外贸总额达115 亿英镑,平均年增长率达到10%,占英国海外销售总额的5%;文化创意产业的就业人数近200万,已成为英国就业人数最多的产业。美国自第一次工业革命以后,先后进行了四次成功转型,农业基础 北京规划建设39
话题 ΤΗΕΜΕ | 低碳&生态:让城市生活更美好上的工业立国战略使美国由农业经济转为工业经济,工业生产总值在一战前达到世界第一。第二次工业革命中,美国积极引领新能源的开发利用,创造了先进的工业技术,走在了世界的前列,在第三次工业革命后,美国利用其在信息技术上的优势率先进入信息社会以后,随后便开始推崇智慧的经济发展模式,发展创意产业。目前美国已经是全球文化创意产业最为发达的国家,从1996 年开始,文化创意产品超过其他所有传统产业,成为美国最大宗的出口产品。到2002 年,美国文化—创意产业产值达到5351亿美元,占GDP比重达到5.24%。另据有关专家介绍,目前创意经济每天创造220 亿美元的产值,并以5% 的速度递增。这充分说明,以创意为代表的产业在推动经济发展将发挥越来越重要的作用,而创意本身属于智慧的范畴,因此,智慧的创造、消费实际上已经成为推动社会发展的原动力,成为经济快速发展新的加速器(图2)。智慧居民根据新古典理论,人力资本水平是良好经济表现的预测。城市的发展离不开高素质的劳动者,而这种高素质人力资本(或高技术人群)优势可以通过综合性教育机构(如高水平大学或高水平研究机构)来建立,也可以通过专题培训等其他方式获得,而且促成人力资本向社会财富转变也是形成智慧型城市的图1 英国创意产业产值分布(数据来源:英国文化、媒体与体育部,2001)
重要影响因素。“智慧国”新加坡是智慧城市的先驱之一,始终将教育发展和发展人力资本作为经济发展战略中的重要组成部分。自20世纪90年代开始,新加坡着手建立以信息通讯产业为主导的智慧产业链,ICT相关产业教育和教育信息化项目都在这一过程中起到关键性作用。1997年新加坡教育部颁布信息科技教育总计划(Masterplan for IT Education),图2 创意阶层占从业总人口比例图(数据来源:参考文献8、9)
在全国普及信息技术教育推广教育信息化。希望能够让所有的新加坡市民能够熟练地掌握信息技术,加强交流,形成创新性思维。在此计划的推动下,政府提供大量的资金支持为学生和教师提供笔记本电脑和技术培训,大学校园也率先进入网络化时代,2000年南洋理工大学实现全校200公顷校区的无线接入,到2002年,新加坡中小学每年电脑授课时间已经达到总授课时间的30%,四年级以上学生和教师保证网络接入。同时开展图3 新加坡信息通讯产业从业人数变化图
Singapore ONE项目为全国用户提供网络娱乐、信息查询、网络办公、远程教育、购物、在线会议等120余种服务,创造了全民信息社会的环境。IT人力资源储备方面,通过国内外邀请高等学府、电脑公司和电脑专业机构人才, 提供专业知识和咨询服务,新加坡IT专业人才以每年15%以上的速度激增。除了专业的IT教育,IT意识和IT培训也在新加坡广大公民中展开,新加坡贸易联合委员图4 新加坡信息通讯产业产值变化图
会提供的IT教练计划(IT Couch)为老年人40 北京规划建设低碳&生态:让城市生活更美好 | ΤΗΕΜΕ 话题
以及学习IT技能有困难的人提供上门的培训援助。在这些计划的推动下,新加坡积累了雄厚的IT人力资本,为其信息通信产业发展提供了强有力支持。2000年,新加坡信息技术产业总收入约占GDP的7%,人员占从业人数的5%(图3)。2008年新加坡通信行业产值达581亿新元;通信的出口产值占总产值的61%;90%以上的新加坡企业开设了自己的网站,网络使用率达100%;家庭宽带普及率也提高到了82.5%(图4)。无独有偶,日本在二战以后的快速崛起也与其人力资源战略和高等教育、职业教育、和谐发展教育战略息息相关,高等教育的发展为日本提供了优秀的管理和科技研发队伍,而富有成效的职业教育为日本的快速发展提供了高素质的劳动者和大量的中等技术人才。在此人才战略的作用下,日本在20 世纪80年代初,平均每年引进技术高达2207项,并且依靠优秀的管理团队和高素质的劳动者成就了一大批全球闻名的企业,促进了国内经济迅速腾飞。智慧环境自然环境是城市赖以发展的前提和必要条件,特别是近来突出的环境问题,和已经脆弱不堪的生态平衡问题已经越来越多被人们重视。环境的检测和预警也作为城市发展的内在要求被越来越多的国家和地区包括在建设环境友好型社会的框架中来,而传感器和新的网络传输技术恰好被合适的应用在这些方面。在爱尔兰,IBM与当地环境保护署合作,通过收集和分析大量关于水质、潮汐、天气预测和环境信息等复杂数据,保护境内的130多个海滨及河流。爱尔兰西海岸的“智慧湾”项目是一个集环境保护与公共服务为一体的示范项目。该项目在加威湾(Galway Bay)附近海域设置了7个无线传输基站和若干传感器,通过综合利用传感器技术、无线通讯技术和数据挖掘技术结合渔民信息的回馈收集加威湾(Galway Bay)海域的气温、空气质量、洋流、潮汐、海洋水质、海洋生物等多种环境数据,这些数据经过爱尔兰海洋研究所的分析除了被用于环境监测和天气预报外还被广泛用于其他方面:从事水产养殖的农民可以按照权威的洋流和海洋水质信息安全的养殖水产品,出海打渔的渔民可以根据洋流和海浪预报选择去哪一片海域捕鱼,潮汐发电厂也可以更加合理的安排生产,此外,有了这一系统加威湾的海洋旅游、港口管理和附近海域的海上航行也变得更加安全和轻松(图5)。在美国,IBM与专门研究河流和河口的灯塔研究所合作(BeaconInstitute),组建了一种河流河口监测网(River and Estuary Obser-vatory Network. 简称REON)在纽约哈得孙河流域形成以传感器科技为基础的监测和预报网络,并与美国大自然保护协会共同建立以网络为基础的流域管理工具。目前该系统已经能够对人类活动对该流域生态环境的影响做出及时的监控,并且根据流域内化学、物理及生态上的一些变化做出动态的反应。这一切对于哈得孙河流域的生态环境和自然环境改善都具有重要意义,而且对于人类今后在该流域活动也有重要的指导价值。图5 SmartBay项目框架图(数据来源:参考文献16)
智慧交通随着城市人口的增加和汽车保有量的激增,很多城市的交通量已经远远超出了城市道路交通网所能承受的范围,仅以美国为例,每年因为交通拥塞造成23亿加仑的燃油浪费和37亿小时的时间浪费,总计经济损失达780亿美元,而随着经济的发展和人民生活水的提高,这种趋势将会越来越明显,城市的交通堵塞问题已经渐渐成为各个城市政府最挠头的图6 斯德哥尔摩交通干线和收费系统安装位置图(数据来源:参考文献19)
问题,扩建道路等交通基础设施当然是必不可少的途径,但事实证明,仅仅依靠这条途径无法跟得上城市交通量增长的需求。智慧交通应运而生,从20世纪末开始已经有很多城市在智慧交通上进行一些有益的尝试。瑞典首都斯德哥尔摩以其交通指挥的解决方案闻名于世,由于交通拥堵难以忍受,斯德哥尔摩市在2006年初宣布试征“道路堵塞税”,并且与IBM合作建设了一套无需停车的路边收费系统,在不同时段的道路拥堵程度收取不等额的道路拥堵费用。该系统在斯德哥尔摩的18个出入口设置了路边控制站,运用两次激光触发技术,两次摄像头拍摄与识别,结图7 斯德哥尔摩道路拥堵收费系统原理图(数据来源:参考文献19)
合RFID技术自动根据不同的时段和其他一些用用数据计算出车辆需要缴纳的税款,并且通过车辆绑定的银行账户直接使用网上银行功能实现从 北京规划建设41
话题 ΤΗΕΜΕ | 低碳&生态:让城市生活更美好探测、识别到扣款的流水作业(图6、图7)。斯德哥尔摩道路拥堵税收费系统起到了很好的作用,以至于在试验阶段结束时,为了适应交通流量减少带来道路拥堵时间的变化,斯德哥尔摩城市交通不得不重新设计公共交通时刻表。而到2009年斯德哥尔摩已经实现交通堵塞降低25%。交通排队所需时间降低50%,出租车的收入增长10%,城市污染下降15%,城市二氧化碳排放量减少40%,并且平均每天新增4万名公共交通工具乘客。新加坡的智慧交通系统则突出了交通数据的分析和测算。在新加坡道路交通收费系统ERP中,汽车的交通拥堵路费用是通过对交通数据的分析和测算来进行的。而且,新加坡陆路交通管理局还将城市路网信息联接成网络,安装传感器、红外线设备,通过优化交通信号系统、电子扫描系统、城市快速路监控信息系统、接合式电子眼和ERP系统等提供历史交通数据和实时交通信息,对预先设定时段(10分钟、15分钟、30分钟、45分钟和60分钟)的交通流量进行预测。通过控制1700个交通信号灯,对未来一小时内各个路段情况的平均预测准确率达到85% 以上,10分钟内的预测结果准确率更是高达90%。新加坡市民可以通过手机网络、车载GPS查询未来一小时内的交通情况,并选择合适的出行时间和路线,目前新加坡道路通行量相比交通高峰时期减少了25000辆汽车,车流量却提高了20%(图8)。智慧管理欧洲70个中等城市电子政务开展的数据表明,城市开展电子政务等智慧管理项目与智慧城市的发展具有一定的正相关性,智慧管理不仅能够让市民更好的监督城市运行情况和管理情况,为市民网络参与城市管理提供机会,而且在线的提交数据、办理业务也能够减少城市的交通压力,提高城市运作效率。电子政务是智慧管理的重要组成部分。在《联合国电子政务2008调查:从电子政务到互联治理》(United Nations e-Govern-ment Survey 2008 :From e-Governmentto Connected Governance)中,比较和评估了联合国192个成员国(地区),对全球电子政务的发展状况作了较为全面的揭示。斯堪的纳维亚国家瑞典、丹麦、挪威名列三甲。三国的电子政务网站有着共同的特点,即使用基础站点集成所有的在线服务,并提供在线的海量信息。而排名全球第六的韩国政府将智慧管理建设着力点放在提高公众的参与和强化应用成效上。韩国电子政务为代表的智慧管理从20世纪80年代开始发展,经历了信息数字化,政府部门信息技术应用和政府职能整合“一站式”对外服务三个阶段。韩国政府2000年启动的“G4C”(“Government for Citizens”,即面向公民的政府)和后续开展的项目“G4B”(Government for Businesses, 即政图8 新加坡智能交通系统框架(数据来源:参考文献22)
图10 丹麦的国土与风电设施(数据来源:参考文献27)图11 新加坡樟宜污水处理厂(数据来源:参考文献22)
42 北京规划建设低碳&生态:让城市生活更美好 | ΤΗΕΜΕ 话题
府面向企业的服务)分别为公民和企业提供各类政府服务并向用户提供政府拥有的信息资源,为广大民众提供方便并帮助企业提高竞争力。目前两大系统都已被广泛应用,产生每年1000亿韩元以上的价值。进入新世纪以来,为了提供国家管理智慧程度,增强公民公共管理参与力度,加强公众与政府交互。韩国政府开发并启用了电子化参与系统,提供行政信息公开、电子投票和公民在线参与门户三大子功能并取得了良好的效果。电子投票系统于2005年11月开始在政党领导人的首次选举中使用,后在全国范围内逐步得到推广,在2008年大选中得到了全面的应用。在线公民参与门户使公民政策建议成为可能,它可以让公民提交投诉、政策建议、参与政策讨论和组建在线社区,而且集成的服务直接连通韩国政府相关的政府部门和机构。方便快捷的电子投票渠道和政策建议渠道让公民能够更好地参与政府决策的形成过程,该项目投入使用后公众国家管理参与度明显提高。协助决策是智慧城市区别于数字城市的重要特征。韩国在线决策与标准化(Online Policy Making andStandardization)系统主要是就是为政府领导更好地进行决策服务的,它通过标准化的流程和充分的信息共享,帮助决策者更好地开展科学决策(图9)。新技术的应用也使得市政服务的管理更加智能。老的城市供水系统和下水道基础设施由于服务时间长,管理复杂,经常发生爆裂泄露及污染等情况。有关数据显示,大城市的水资源供应损失高达50%。在马耳他,IBM和当地政府合作建设了第一个全国性的智慧系统负责全国水电市政服务的管理,不但实时监测水管爆裂、缓慢泄露、排水渠道堵塞、污水溢出等问题,甚至能对以上问题进行预测和预防,再加上GIS系统的支持即便是出现了问题,也能快速锁定问题发生的位置,快速解决。该类系统的使用不仅可以缓解市政服务人员的工作压力,减低了50%由于管道泄露造成的水资源浪费,而且降低输水能耗。智慧生活广义的智慧生活包括了城市居民日常生活的方方面面,以上提到的交通、环境、城市管理、教育等各方面都被包括其中。而我们在本章中希望介绍除以上各方面外的智慧实践,他们或让市民体验科技进步的成果,生活更加便捷;或让城市居民更好融入到自然生态环境中,享受低碳智慧生活。自人类进入电气时代以来,恐怕没有什么比电更能影响人们的生活了,随着智慧技术的发展,从电能的生产、到电能控制应用,人们的用电模式正在悄然发生变化。丹麦的智慧供电利用当地沿海地区和岛屿上可观的风能资源,在发展风电的基础上发展智慧电网项目。目前丹麦在全国43092平方公里的国土上已经建立了6000余所风力涡轮发电站,2007年风能发电量已经占到丹麦电能消耗的20%,局部地区的风能利用率已经超过30%(图10)。预计到2025年丹麦全国的风能利用率将达到50%以上,并建立起更加智慧的电能系统。智慧电能控制方面,澳大利亚正在悉尼附近开展第一个商用智慧电,通过使用传感器等数字设备,这个电网能够实时监控从电厂到用户的电网运行全过程,并智能地控制电能的配送。在荷兰阿姆斯特丹也有着类似的供电网络,而且当地政府与IBM、思科合作率先为500个家庭安装了特殊的显示面板,为消费者提供详细的家庭用电情况甚至是个人用电情况,帮助他们提高能源利用的有效性,享受低碳生活。预计到2011年整个阿姆斯特丹都能够做到“聪明用电”,如果进展顺利,到2025年阿姆斯特丹的二氧化碳排放量将因此减少40%。智慧城市新加坡在绿色建筑、废水处理方面都已经走在世界前列。位于新加坡维多利亚大街的国家图书馆,通过科学的设计和新技术材料的应用,充分利用了自然风能进行建筑的温控,合理自然光实现日光照明,在减低能耗的同时改善了人们的体验。此外,新加坡98% 的建筑垃圾都得到了处理,50%~60% 的建筑垃圾实现了循环利用。2009年6月启动的新加坡樟宜污水处理厂项目,占地规模仅为同类废水处理厂的三分之一,每天可以按照国际标准处理80万立方米的污水。一部分经过处理的废水再输入到新生水工厂,最终成为“新生水”(NEWWater)。目前新加坡净化新生水已被用于芯片制造、制药等需要高度纯净水的工业及建筑物冷却系统等,还有一小部分供居民饮用。满足了新加坡15%的用水量(图11)。在意大利智慧生活已深入到旅游和健康等生活的方方面面。水城威尼斯的路行者可以通过城市中设置的无线网络和传感器找到他们所在的位置,而且只需用手机拍一张照,旅行者就能获得你所拍的景致的详细文字介绍信息。在博尔扎诺,通过安装传感器,对老人的身体状况进行远程监控。而且此系统不仅将老人的身体状况数据发送给控制中心用于备份和分析,在控制中心的医护人员还能够给予用户远程的健康指导,比如为他们提供运动和出行的建议等。一方面降低了社会代价,另一方面降低老人对别人的依赖度,也让老人们生活的更加愉快。总结与展望21世纪是信息化的世纪,是一个计算机网络无所不在的信息社会,随着信息技术日新月异的发展,以前未有的速度深入到各行各业及人们的日常生活之中,在可预见的将来,大多数经济、政治和文化生活将以数字空间作为交流和传输的承载体,城市结构也将随之发生巨变。数字化的智慧城市,应当是一个以信息化、网络化为基础,低资源消耗为目标,人们的生产、生活智能化的城市。这种城市将以信息技术为承载平台,人们通过将数据加工成信息,最后到以知识辅助决策分析, 北京规划建设43
话题 ΤΗΕΜΕ | 低碳&生态:让城市生活更美好进而指导生活、生产和市政管理,达到生产高效、生活健康、城市建设可持续发展的目的。通过构建数字化的智慧城市,将是城市建设向低碳化方向发展的一个重要步骤。 19 Driving Change in Stockholm. http://www-05.ibm.com/uk/pov/stockholm/ resources.pdf. 2011年1月
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作者简介:黄天航,清华大学建筑学院城市规划专业博士研究生;刘瑞霖,清华大学计算机科学与技术系硕士研究生;党安荣,清华大学建筑学院教授,博士生导师。
责任编辑:崔健
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