小编：城市的本质是信息在时空之中的聚集与交流，并不断孕育出新的智慧文明。随着新一代信息化技术的发展，信息聚集与交流的方式正在发生变化，逐步改变城市空间形态的构成逻辑，那么城市中智慧化的空间应该如何设计并建构？今天为大家推荐文章《城市智慧空间的设计与建构》，作者：杨滔、秦凌、黄奇晴、李梦垚、王维。本文内容来自《未来城市设计与运营》2022年第1期。
文章认为：这涉及到信息基础设施作为城市关键要素之一的空间布局设计、智慧化社会经济交流模式下的场景功能设计、以及数字化空间的算法机制设计等三方面的内容，其中人们获取信息的界面与场景设计变得尤为重要。以北京南中轴智慧空间设计为例，本文将城市智慧空间视为城市时空信息操作系统，探讨其系统搭建、场景营造、界面交互、后台支撑等方面，试图明确其框架体系与发展路径。
TheDesigning and Building of Smart Spaces in Cities
新一代信息化技术的出现与发展，如云计算、5G、边缘计算、人工智能、区块链等，正在影响着智慧城市的空间营建，且渗透到规划、设计、建设、运营的众多环节之中[1]。然而，在智慧城市的专项规划与设计之中又出现一些困惑：一方面，智慧化或信息化的专项影响到空间本身的规划设计、市政、交通、绿化、城市管理等方方面面，涉及到城市系统性的方面，甚至在某种程度上基于数字化平台（如“一张图”系统或城市信息模型平台）有可能扮演统筹作用；另一方面，智慧化的内容又以片段的方式，出现在控规本身的规划设计以及各种专项之中，且常常以信息化技术的语言表达，而难以被理解。在实践之中，这导致了智慧城市专项定位不清楚。某些时候它成为了城市空间系统化设计的“万金油”，而某些时刻它又成为某种“装饰或噱头”，仅仅表明规划设计方案的智慧化，而并不对其产生任何实质的影响。于是，这带来一个研究问题：城市空间的智慧化应该如何设计，才能真正推进规划设计方案的智慧化？
回顾城市的发展历程，城市空间的定量化一直是城市形态设计与建设的重点之一。这是由于几何学就是城市形态设计的基础之一，根据自然、地理、礼仪、习俗等确定长、宽、高等尺寸都是设计的必要组成部分，而从人口、经济、交通、水利等角度去定量地预判城市的运行也是设计的重要组成部分[2]。当代的信息化技术加速了定量化的发展，也就必然会影响到城市空间的数字化内容。
从城市产生的本质而言，城市的聚集动力在很大程度上源于人们对信息聚集和交易的需求，如市场、驿站、斗兽场、体育馆、图书馆等在不同时期都满足了如此需求，支持着城市文明的孕育和繁荣[3]。与之同时，历史上信息的载体，如文字、雕塑、火把、服饰、图画、音符、胶片等，也如同数字化的电流、磁盘、光纤等，支撑着城市社会的信息交流与聚集。当电话、互联网等出现之初，城市分散化或甚至消失的观点一度成为热点，而事实上更为庞大的城市空间或城市连绵带空间涌现出来，信息在城市空间之中聚集性的交流和交易变得更为频繁[4]。这在于“虚拟化”的技术，如神话、故事、思想、梦境等，都是人类协同社会化“面对面交流”的方法之一，而数字化或信息化技术加速了“虚拟化”交流，从而也提升了社会化“面对面交流”需求频率，进而强化了物质实体流通的聚集程度。
正如多伦多Sidewalk案例，基于物质空间层面，如基础设施、公共领域、交通和建筑等，科技数据层面得以建立，其目标不是取代物质实体世界，而是辅助市民更好地获取社区福利、出行模式、房地产交易、社会服务等。基于全覆盖高速互联网网络，市民对于城市空间感知、地图、模型、乃至账号信用等，都能获得完全不同的体验以及新型的规划设计模式[5]。虽然该案例由于其经济模式而夭折，但是它给予了城市空间的智慧化设计和建构的新路径。
一般而言，科技数据层面的建立依赖于信息化基础设施，小到个体“人机互动”移动界面，大到全球通讯基础设施。这可类比电网、水网以及街道网等，在很大程度上将影响到城市空间的选址与聚集，最终直接改变城市物质性的形态布局与行为模式。同时，数字城市虚拟服务则是科技数据层的真实应用，如数字身份、数字货币、智慧政务、远程医疗、全息投影等，小到日常购物，大到数字化的国家治理。这在很大程度上直接影响了人们的交流方式，进而改变了城镇化的发展动力模式。
本文认为：以人为主体作为出发点，其周边存在三种环境（图1左），即物质环境（Physical Environment）、交互环境（InteractiveEnvironment）以及虚拟环境（Virtual Environment）。以城市为例，物质环境指城市的建成物质环境，既包括物质实体，如建筑物或市政管线，也包括物质空间，如广场或房间；交互环境指城市中各种互动交流的环境，构成了社会经济文化等人造且动态的环境，大到“社会”这种无定形的人造环境，或者“语言”环境，小到手机屏幕的交互界面环境；虚拟环境指城市中各种思想、规则、制度等意识环境，这是城市规建管运的软性能力，以信息的方式存在于人脑、电脑、规章等之内部，需要通过交互环境或物质环境才能显示出来。
图1：三种环境（左）、三种模式（中）以及三种设计（右）
对应于三种环境，存在三种模式（图1中），即行为模式（Doing Pattern）、感知模式（Perceiving Pattern）、思考模式（Thinking Pattern）。行为模式指人们在物质环境之中行为举止过程、以及改造物质环境的行动过程，这体现为对建成环境本身的物质性适应以及建造过程。感知模式指人们在交互环境之中获取、编辑、发布信息的过程，既包括个人的感知，也包括集体的感知。思考模式指人们在虚拟环境之中理解、加工、创造信息的生成式过程。行为模式与感知模式是彼此反射的关系，其中往往是无意识的互动；感知模式与思考模式是彼此学习的关系，常常是自主性的互动；而思考模式与行为模式是彼此策划的关系，存在更多有意识的互动。
城市智慧空间在很大程度上涵括物质环境、交互环境以及虚拟环境，其设计将关注三方面的重点，体现为三种设计（图1右），即布局设计、场景设计以及算法设计。布局设计指对智慧空间的物质性布局设计，建构相关智慧设施彼此复杂性关联，实现智慧空间的一体化建设。场景设计指智慧空间的功能情景建构，基于业务链条将不同智慧性功能有机关联起来，实现智慧空间的一体化运营。算法设计指智慧空间内在机制的数字化，基于功能所涉及到的要素和关联，搭建定量化的逻辑与计算模式，实现智慧空间的一体化协同。布局设计与场景设计在一定程度上是彼此化身的关系，场景性的功能常常会体现在物质空间的布局之中，反之亦然；场景设计与算法设计是彼此映射的关系，场景功能的运行依赖于算法的实现，而算法的运行则依赖于场景的组织；布局设计与算法设计是彼此作用的关系，规则化的算法将推动物质空间布局的自动化生成，而物质空间的布局规律也或多或少地决定了算法本身的生成。
基于上述理论性探讨，以北京南中轴智慧城市专项项目为例，从城市时空操作系统的角度对城市智慧空间的设计与建构方式进行进一步的思辨。首先，基于城市信息模型（CIM），城市智慧空间本身将贯穿在规划编制、规划实施、体检评估、反馈调整的全过程之中，推动整个规建管运的智慧化转型升级[6,7]（图2）。在这个全周期的闭环之中，城市智慧空间的物质布局设计、场景功能设计、算法机制设计不断得以迭代，而这需要基于城市信息模型本身的数据智能化驱动。因此，在这个顶层架构之中，智慧城市专项规划与城市总体规划、分区规划、控制性详细规划、规划综合实施方案、以及其他专项规划之中需要建立起数字化的链条，明晰这种关联的业务规律、指标体系、计算规则等，整合为不同规划设计体系之间的互动系统。
图2：智慧城市专项规划与其他规划的全周期系统性关系
其次，结合新型基础设施建设的要求，城市智慧空间的设计和建构范式将迁徙到系统化层面上，整合物质空间、场景应用、数字系统以及相应的保障机制等，形成“城市时空操作系统模式”（图3）。新型基础设施的建设本质上是基于信息化逻辑对物质化建成环境的重塑。融合基础设施是对现有基础设施，如市政设施、交通设施、生态设施、管理设施以及服务设施等，进行数字化、智能化、智慧化的全面升级，让已有的设施互联成网，以较低成本提供更为精准而高效的服务。信息基础设施包括通信网络（含物联网）、算力设施、数据引擎、平台中枢等，共同推动新一轮的信息汇聚与交易。这将为建立数字孪生城市夯实基础，也有可能未来城镇化发展的核心动力支撑[8,9]。
创新基础设施聚焦于系统创新与产业创新：前者力图以新的技术来建构市政、交通、生态、管理以及服务系统，而非改造升级；后者探索新的商业模式，如数字化商务办公、数字化演艺博览、数字化服饰文创等，推动基础设施在经济上的可持续发展。所有这些新型基础设施本身也包含了信息化的算法架构与开发，在这种意义上物质形态环境的重塑与创新也与虚拟环境的建设深度融合，将会智慧化地改变南中轴地区的未来城市形态。在此基础之上，搭建智慧社区、智慧街道、智慧公园等场景应用，并通过管理、资金、制度、人才等方面的数字化进行保障，推动整个智慧空间系统的建立。
再次，基于规划设计与管理运营的合二为一，城市智慧空间的设计与建构将以场景为导向重构城市感知系统，使得交互系统与界面更为智能化。以南中轴地区的智慧社区场景为例，建构了市政环境、交通出行、社区安全、便民服务四大分场景，对应于一系列智能设施，如智能灯杆、智能充电桩、智能门禁、智能物流终端等（图4）。从全方位感知城市运营的“脉搏”角度，这些设施被规划设计到三维空间之中，与线性工程相互连接（图5），尽可能全面地实时刻画社区的能源、噪音、交通、应急、消费等过程，加速社区中社会经济的交流与交易，从而有可能改变其生活方式，乃至社区本身的构成。
这些带有感知能力的智慧设施也与传统的物质形态紧密结合，具备数字化赋能的作用[10]。例如，市政、交通、生态、服务、管理等不同类型的智慧设施根据其布局的位置和方式，也进一步分为单独建设、与灯杆/信号灯合建、与管线管网合建、随场景与其他附属设施合建、以及与建筑合建等（图6）。在这种意义上，设计本身与建设场景进一步衔接，有利于分部实施。与之同时，不同的智慧设施又组合在一起，构成更大范围的复合型智慧场景。例如，无人微公交站作为一种小型的智慧空间，由无人微公交专用道、智能灯杆、智慧站牌、智能横道线等共同组成，其中智能横道线具备过街语音安全提示、LED道灯夜间横道线提示、无人微公交联动停车提示等功能（图7）。这种小型的智慧空间通过智慧化的道路又彼此联系起来，建构更为广泛的智慧公交系统。
上述的城市智慧空间在其物质化建设之前，都可以在虚拟空间之中进行模拟，并以交互界面的方式与人进行互动，从而得以不断地优化。那么，城市信息模型（CIM）基础平台的初步探索也是北京南中轴项目的重要议题之一（图8）。该平台通过构建数据资源体系，搭建体检评估指标，创建辅助决策模型，建设功能应用系统，建立配套管理制度，打造全区时空“一张图”，成果管理“一条链”、体检评估“一本账”，模型决策“一张网”，数字管理“一盘棋”，实现业务应用与辅助决策的智能提速和场景升维，形成规建管理闭环，擘画数字孪生轴线。一方面，着眼当前，落实区级国土空间规划要求，构建起规划-实施-评估的数字化智能管理闭环，实现规划的定期评估、及时预警、有效监督、动态反馈，优化营商环境，提升城市治理水平和治理能力。另一方面，展望未来，南中轴将成为北京古今历史文化的交汇线。一体化平台的建设加快落实了建设智慧南中轴的战略目标，通过构建新型数字交互界面，实现实体空间与数字空间镜像孪生、永续生长的中轴线文化遗产传承。
该平台打通规划、建设、管理数据壁垒，基于覆盖全域、内容丰富、标准统一、准确权威的数据资源体系，形成贯通规建管全生命周期的一张图，积累形成丰台区全生命周期数据资产。规划一张图应用模块提供规建管全流程数据的查询浏览、统计分析、专题图制作等功能，有利于改变传统模式下不同阶段不同部门信息脱节状况，通过统一时空数据底座可以有效提升各部门业务协同能力。
该平台构建规划成果审查管理的一条链，其中成果审查管理模块串联成果上传、成果质检、辅助审查等功能，满足对各阶段各层级规划编制成果统一管理的需求，实现分屏比对多版本规划数据、同屏展示矢量和图文数据、一屏纵览多成果核心指标的效果。支持全套规划成果包括矢量数据、成果图纸、规划文档、规划表格、元数据、汇报文件、审查文件等的批量上传，支持依据分区规划、街区指引、街区控规等规划成果数据标准制定质检细则对提交成果进行在线统一质量检查，支持对规划成果从图数一致、指标符合、空间一致等方面进行辅助审查，落实规划传导机制。
该平台通过构建体检评估体系，打造精准把脉城市发展的一本账。一体化平台以图文并茂、图数互联的方式将实施评估、城市体检等指标结果以最直观方式展现，支持对各指标体系计算结果进行综述展示，基于指标达标情况形成全局指标概览。通过地图视窗，展示指标关联的空间数据；通过卡片列表，展示指标达标情况及变化态势。推动体检评估工作动态化、常态化、可视化，助力丰台区国土空间规划体检评估实现过程监测、及时预警、动态反馈、通盘决策的新面貌。
该平台编织三维智能辅助决策的一张网，面向南中轴地区街区控规深化、城市设计以及规划实施等工作，提供公服覆盖范围分析、地块可达性分析、辅助项目选址、多方案对比分析等功能，助力南中轴地区规划分析与决策智能化水平的提升。公共服务设施覆盖范围分析，计算教育、医疗卫生、文化、体育、社会福利等公服设施的覆盖范围及区域覆盖度；基于项目管控条件选址，从项目类型、区位要求、选址范围、容积率等用户选址需求池中提取条件进行地块筛选，通过合规性检验规则库、合理性评估模型库提升选址智能化水平。多方案分析对比，实现现状数据、规划数据与三维方案设计模型的叠加展示，支持二三维方案的切换以及关键方案指标的对比查询，实现全方位动态多维可视化展示。
该平台建立界面式数字化管理的一盘棋，以界面式数字化方式进行运维管理是一体化平台运转的支撑，方便业务运维人员对指标、数据、用户、权限等进行灵活配置、动态调整、更新维护。指标管理，支持指标及体系间自定义关联、指标计算方法的定制化、对指标值计算评估和趋势分析。数据管理，对数据资源进行可视化配置，支持对数据资源目录的增删改查，连通前后端，控制空间数据在前端地图中的显示/隐藏以及调整数据最新显示版本。
北京南中轴项目提供了一个实验场所，以信息基础设施以及被信息技术所赋能的其他基础设施重新建构了城市未来的建成环境基底，并结合信息基础设施及其衍生出来的数字产业，协同发展了各种智慧空间场景及其重点项目（图9）。这构成了智慧城市专项规划的建设内容，而其协同则依赖于基于城市信息模型（CIM）基础平台的感知体系与信息思考中枢，推动规建管运从不同类别、等级、时序去落地实施。因此，这构成了物质环境与交互环境之间的深度融合。与之同时，智慧空间的管控体系则基于各自系统运行的规律，提取更多规则或要素，体现为更为动态的算法，形成了跨专业、跨行业、跨部门的综合化虚拟环境，成为CIM的后台，影响着交互环境与物质环境的融通能力。
在很大程度上，新一代信息技术加速城市中物质环境、交互环境以及虚拟环境的彼此交融，正在带来城市智慧空间的设计与建构的范式变迁：物质环境由于“物体”本身具备感知和思考能力，而发生基于人行为模式的形态变化；交互环境由于“界面”本身扩大感知范围和维度，而导致信息更为频繁地流动与汇聚，推动着社会经济文化场景的重构；虚拟环境由于“算力”本身加速跨行业的规则链接与迭代，激发更为多元的创新想法，而影响着未来城市空间的智慧化路径。
[1] 辜胜阻, 杨建武, 刘江日, 等. 当前我国智慧城市建设中的问题与对策[J]. 中国软科学, 2013, 1: 6-12.
[2] Batty, M. & Marshall,S. The evolution of cities: Geddes, Abercrombie and the New Physicalism[J],Town Planning Review, 2009(80),551-74.
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[5] Goodman E. P., Powles J. Urbanism Under Google: Lessons fromSidewalk Toronto, 88 Fordham L. Rev. 2019(88), 457-498..
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[7] 杨滔,杨保军,鲍巧玲,张晔珵,罗维桢.数字孪生城市与城市信息模型（CIM）思辨——以雄安新区规划建设BIM管理平台项目为例[J].城乡建设,2021(02):34-37.
[8] Grieves, M., Vickers, J., 2016. Digital Twin: MitigatingUnpredictable, Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems, inTrans-Disciplinary Perspectives on System Complexity[M], F.-J. Kahlen, S.Flumerfelt, and A. Alves, Editors. Springer: Switzerland. p. 85-114.
[9] 陶飞,刘蔚然, 刘检华, 等. 数字孪生及其应用探索. 计算机集成制造系统, 2018, 24(1): 1-18.
[10] Batty, M. The New Science of Cities[M]. Massachusetts: The MIT Press, 2013..
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杨滔，清华大学建筑学院
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秦凌，中规院（北京）规划设计有限公司
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黄奇晴，中规院（北京）规划设计有限公司
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李梦垚，中规院（北京）规划设计有限公司
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王维，中规院（北京）规划设计有限公司
▌文章内容来源：《未来城市设计与运营》2022年第1期
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原文始发于微信公众号（国匠城）：城市智慧空间的设计与建构
规划问道
