落地智慧城市，推動科技創新

文｜范秦寅

預測城市發展規律是目前的短板

中國近幾十年的發展，尤其是城市的發展，不可不說是世界史上罕見的奇跡。

目前智慧城市建設主要集中在數據收集、城市現狀掌控，管理等方面，科學預測城市發展規律，實現持續發展性規劃是目前的短板。

城市仿真技術基于大數據的發展和整合，基于各種學科的基礎理論，探索和預測城市在人口、經濟、交通、環境等各方面的發展規律，包括預測城市人口的變化以及人口在城市中的分布，預測城市交通流量的變化和新規及交通設施的使用效果，預測各種災害和意外突發事件并提出應急預案。最后，通過各種可視化技術將融合后的成果直觀展現，實現城市發展的科學預測，達到城市持續發展的目的。

圖1 某小區設計方案（左）和周圍風速分布預測結果（右）（中國建科院提供）

結合今后城市、城市群的發展，以基于大數據的城市仿真為主題，聚焦城市仿真研究成果，推進城市大數據的發展和整合，預測城市發展規律，建立城市仿真系統。實現環境、人口、經濟、交通、醫療、旅游等的科學預測，是智慧城市發展的一項重要工作。

為了明晰自己管理的城市的發展趨勢和規律，城市領導必須重視抓緊這方面的工作。否則，城市群的發展會遇到更多難以預料的問題。

智慧城市實施需要遵循的幾個原則

從政策法規上來看，《中華人民共和國城鄉規劃法》明確要求“城市總體規劃、鎮總體規劃的規劃期限為二十年。城市總體規劃還應對城市更長遠的發展做出預測性安排”。“環境保護、自然與歷史文化遺產保護以及防災減災等內容，應當作為城市總體規劃、鎮總體規劃的強制性內容”。就是說，為了保證持續發展，國家法律明確規定，城市規劃至少20年不允許出問題。

2015年底，中共中央、國務院第37號文件又提出了“構建城市虛擬仿真系統”。基于大數據與科學理論的城市虛擬仿真系統的發展已箭在弦上。預測了城市的將來，就能夠科學地規劃城市。

磨刀不誤砍柴功，城市發展建設需要認真規劃，智慧城市的規劃需要科學的檢驗，仿真則是現實而又可行的手段之一。

最后，能否考慮基于以上原則進行城市規劃后，由當地政府各有關部門提出，通過地方人民代表大會和政協的審議和認可，從制度上為城市的持續發展提供保障。

智慧城市是科技創新的機遇

智慧城市的科學發展，將推動傳統學科以及產業的發展和創新。

具體來說，智慧城市需要基于各傳統學科的基礎理論，探索和預測城市在環境、人口、經濟、交通等各方面的發展規律，并推動傳統城市規劃不斷吸收新興學科的理念，包括和計算流體力學、人口學、交通理論、經濟學、人工智能等學科的深入融合，從而進一步發展。中國的城市數量最多、規模最大，為傳統城市規劃的創新發展提供了無限的機會

智慧城市的應用和需要，還可以推動以下有關應用學科自身的發展，諸如：計算流體力學、人口學、交通理論、經濟學，并促進這些傳統學科的互補。

于是，就會有智慧城市專業的發展。建立智慧城市專業，適應城市發展需求，捕捉研究和解決智慧城市的科學和技術重點，推進各學科的融合創新，推動城市的發展。

以計算流體力學（CFD Computational Fluid Dynamics）為例，它應用于綠色建筑和城市環境仿真的過程中，城市需求在推動著它的發展。

在綠色建筑方面（或者說是BIM系統中），以中國建設科學研究院的PKPM和清華大學綠建斯維爾的建筑通風VENT導入的CFD為代表，結合中國國家以及各省市地區的綠色建筑標準，提供的PKPM-CFD平臺，把建筑設計及綠色建筑標準和基于CFD的綠建檢測評價集合于一體，可以說是一種大膽的創新（圖1）。

在城市仿真方面，首先，城市規模的計算，硬件容量必須足夠大，微分離散網格規模必須是億的數量級。也就是說，算法速度要快是一方面，同時還需要相應的硬件配合，常規硬件的結構還需要改進才能滿足需要。

為了提高計算速度，算法程序的改進、硬件GPU、并行處理等的應用都會遇到新的課題。

城市地理、建筑、道路、河流、氣象等的數據采取制作后，如何迅速讀入仿真平臺應用起來，種種細節的處理，也有各種課題要解決（圖 2）。

圖2 北京順義區局部航空掃描三維結果展示（東方道爾提供）

圖3 北京順義區局部環境仿真結果之風速分布（數字仿真研究院提供）

巨大規模的計算結果數據，需要能夠迅速轉換為清晰易懂的可視化圖像、三維動畫，VR視頻等等。支撐城市決策的種種需求，都需要基于具體數據給予確實可信的答復（圖3）。

今后，將地球仿真、城市仿真、綠色建筑仿真無縫連接起來，使之成為自然的一體，這將是不遠的夢想。

通過計算流體力學，我們可以看到，綜合其他所有有關學科的運用，實施城市各方面仿真，全面預測城市的發展，傳統水文學、城市規劃等每個學科也都遇到了同樣的創新發展機會。