数字城市建设理论方案与地理空间框架建设实例Word文档下载推荐.docx
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城市正面临众多挑战，这些挑战威胁着城市的长期可持续性。
这些挑战可能影响城市的经济、商业和居民，涵盖诸如交通、水资源、能源、通信在内的核心基础设施。
城市必须全面解决这些挑战，才能建设并维护一个可持续的城市环境。
该设计方案关注了解了现今城市所面临的一些问题。
在本文件中，我们对城市和数字城市定义如下：
城市
城市也叫城市聚落，是以非农业产业和非农业人口集聚形成的较大居民点。
人口较稠密的地区称为城市，一般包括了住宅区、工业区和商业区并且具备行政管辖功能。
城市的行政管辖功能可能涉及较其本身更广泛的区域，其中有居民区、街道、医院、学校、公共绿地、写字楼、商业卖场、广场、公园，交通等先进的系统。
这种近距离关系极大促进了人与商业之间的互动，使参与其中的双方获益。
城市（ché
ngshì
）是"
城"
与"
市"
的组合词。
"
主要是为了防卫，并且用城墙等围起来的地域。
《管子·
度地》说"
内为之城，内为之阔"
。
则是指进行交易的场所，"
日中为市"
这两者都是城市最原始的形态，严格地说，都不是真正意义上的城市。
一个区域作为城市必须有质的规范性。
城市是指一起生活工作的个体集合，他们相信集体联合的产出大于个人产出的简单相加。
数字城市
“数字城市”（英文：
digital
city）以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带，运用遥感、全球定位系统、地理信息系统、遥测、仿真-虚拟等技术，对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，即利用信息技术手段把城市的过去、现状和未来的全部内容在网络上进行数字化虚拟实现。
同时数字城市属于城市的一种，可以平衡社会、商业和环境需求，同时优化可用资源。
本方案阐述的城市使命就是要提供各种流程、系统和产品，促进城市发展和可持续性，为其居民、经济以及城市赖以生存的生态大环境带来利益。
通过应用信息技术（IT）规划、设计、建造和运营城市基础设施，改善生活质量和经济福利，该项目正是通过这个方面对数字城市进行定义。
下表指出了建设数字城市的关键城市组件及其结果。
建设数字城市须整合全部关键组件
结果
信息技术
数字城市需要利用更透彻的感应和度量、更全面的互联互通和更深入的智能洞察，发展城市基础设施，为城市范围内的活动和事件提供协调优化的响应及意识。
1、提高效率；
2、降低资源消耗
城市政府
借助更透彻的感应和度量能够获取大量数据、借助更全面的互联互通能够增强城市、自然、人类和产业系统之间的透明度，而更深入的智能洞察则可以揭示其中的深刻内涵，城市通过利用这些因素能够发展、描绘、执行、监督和完善其政策。
1、更好的服务；
2、更好的政策
居民
结果会使居民和本地产业从这个生活工作的空间获益，开展自适应、协作性、高效性、个性化、安全性、支持性且可持续的商业活动。
人们更幸福
基础设施
城市可以更好地监督资源的分配和使用，如水电、排污、燃气、道路及公共交通，资源利用更加高效，同时允许制定更多明智的基础设施投资决策。
城市更环保
图一：
数字城市使用的技术整合
从数字城市使用技术整合中可以看出，城市各个领域都需要内部优化。
这些领域需要在城市层面上互联并优化，实现城市目标。
这里我们将从三种基于技术帮助城市实现此目标：
1、更透彻的感应和度量：
必须通过第三方或城市本身拥有的现有或新型基础设施，了解城市活动。
2、更全面的互联互通：
受监督活动之间构建一定程度的联系，树立全局观点。
3、更深入的智能洞察：
从原始数据入手，将其转化为信息，再经分析，创造洞察能力，实现智慧的决策。
1.2数字城市的宗旨
数字城市远不只是高度集成的技术集合。
城市要进化，就必须利用并优化其经济能力、实物资产、文化、政治意愿、科技以及商业环境。
在传统意义上，城市由各司其职的独立部门建立并管理。
要成为数字城市，必须从根本上改变这个观念。
必须将城市视为由多个互联互通的子系统构成的单一体系，而非各个独立的领域。
该文件旨在通过运用技术，优化这些独立领域，将他们实时互联，保证重大的城市活动可以通过全局方式得到管理。
从技术观点来看，数字城市有以下主要领域：
●水资源数字化
●能源数字化
●公共安全数字化
●废物处理数字化
●建筑数字化
●交通数字化
不管在传统上还是政治上，这些都是独立的领域，有各自的运作目标，如传统城市运作方式所示。
图二：
传统城市的运作模式
数字城市方法就是优化这些领域，并将信息汇集到城市指挥中心，如图三所示。
图三：
数字城市运作模式
注：
CCC为城市指挥中心
1.3数字城市的价值
1.3.1一般性城市目标
为保证城市繁荣和持续发展，必须实现下表中的九个社会、经济和环境目标。
这些目标并非各自为政，市长和机构官员们在设置长期、短期城市目标的过程中，经常需要同时应付多重问题。
这些目标更多的是定义了城市未来，使其更具可持续性，吸引最佳的人力资本和产业，并在日益全球整合的社区中更具竞争力。
城市目标
描述
展望并建设更加美好的城市
为城市设计长期规划，形成城市战略眼光，满足后代发展需求
吸引、支持和维系动态人口
积极争取人才，成为理想的安居之所，预见并满足人口迁徙，提供经济商机
为经济繁荣创造有利条件
有效争取投资，为商业创造良好的环境；
追求广泛、多产和可持续的发展。
确保出入权和移动性
保证自由进入城市，方便市内活动；
积极管理交通拥堵（如道路、航空、行人和自行车等）
保护环境
以可持续的方式运作城市；
能源生产无污染、使用高效且定价合理；
杜绝环境污染
关爱居民
确保长期及暂住居民、旅游观光者的安全；
提供文化商机
改善市政服务的质量和效率
根据指标提高市政服务业绩与可靠程度；
简化并整合获得服务的途径
维护基础设施的稳定
物质基础设施安全、可靠，不超负荷；
城市在经历灾难之后可以迅速恢复
追求善治
各方参与、一致性导向、负责制、透明性、回应迅速、效力与效率、公平和包容性2；
城市财政稳定
1.1.1数字城市的技术价值
数字城市的技术价值
1、优化公司、行业和地方政府IT基础设施方面的既定领袖
2、运用独特的文档化方式，将政府视为集功能、服务和人力为一体的组合，互联互通
1、拥有在城市组件内部及个体之间构建城市模型并整合进程的工具和能力，将政府视为集功能、服务和人力为一体的组合，互联互通
2、灵活利用城市组件，打造动态IT基础设施，创下成功的记录
1、信息战略及情报系统及时汇集数据，使系统对变化的经济环境做出快速反应
2、先进的建模分析技术将异构数据变为可以操作的信息和洞察
1、技能、框架及技术测量运输系统从多种渠道搜集实时信息，改善绩效
2、实现无缝交流与协作，全面利用技术创新，发挥整个价值链的集体智慧，从市民到供应商，覆盖所有利益相关者
1、传感器、可视化及强大的数据分析带来富有意义的洞察力、更高的绩效、质量、可靠性、灵活性及能源效率
2、引领基础设施优化，通过成本效益和动态/互动基础设施，提高能源节约，减少对环境的影响
1、广泛的集成产品，管理城市资产及IT基础设施的相关信息
2、引领基础设施优化，改善业务及IT运营效率
3、可优化改善医疗保健并降低医疗保健基础设施成本的信息系统和解决方案
1、拥有对城市组件、服务、信息、政策进行识别、优先级排序及合理化的能力和工具
2、以市民为中心的成熟服务管理平台，使服务交付满足市民需求
3、拥有整合实物及数字基础设施的能力，能够对不断变化的需求（居民、本地企业等）作出快速回应
1、在数字化电网、用水管理、数字化交通和数字化建筑方面拥有经过实践检验的解决方案
2、各类商业情报、实时功能、预测分析、信息集成和系统互联方面能力强大
3、借助实时传感器和详细的数据分析，能够更加有效地管理基
础设施
1、使城市超越选民的传统/历史看法，以动态、稳定的方式联系人们，共同协作创新2、使用社交网络技术，释放参与的力量
第2章数字城市设计
2.1概述
该方案对于数字城市解决方案的架构方式如图四所示。
图四：
数字城市设计架构
●更透彻的感应和度量
基于传感器的系统将我们的可视性扩展到现实世界的交通、公用事业、水资源和建筑，提供以前无法获得或收集成本异常昂贵的全新实时数据源。
●更全面的互联互通
事件处理软件从传感器输入的原始数据流提取业务相关事件，与此同时，集成中间件将这些事件置于所需的业务背景之下，实现对现实世界运行系统实际行为的全新洞察。
事件也可以来自专门的输入渠道，这一点在在数字化城市安防系统一节中有所论述。
●更深入的智能洞察
可视化配合业务规则及分析的运用，可以优化这些运作系统。
不管是改善交通流量，最大化使用水电公用事业，还是在这些基础城市进程中实现创新，都能用到。
架构层功能描述：
1、更透彻的感应和度量
――数据捕获与控制
●整合广泛覆盖的传感器
●智能移动数据
●执行本地命令
●运行分布式操作逻辑
――管理分布式设备基础设施
●发现设备及传感器
●远程配置
●监控
●安全
2、更全面的互联互通
――事件处理和服务
●复杂事件处理
●流处理
●各种服务，包括数据汇总、地理信息、识别与关联、条件、命令与权限、持久性
――数据建模与集成
●特定领域信息集成
●可互操作的信息框架
●整合遗留数据
●联合数据管理
――过程整合
●扩展遗留系统，实现全新业务流程
●监控业务流程
●向人们提供信息
3、更深入的智能洞察
――分析
●特定领域分析应用
●数学模型运用
●绩效仪表板及关键绩效指标（KPI）
――业务优化
●建立业务流程优化模型
●应用数学优化技术
●优化资产使用及业务流程
●改善操作逻辑和业务规则
――业务流程服务
●事件驱动的SOA过程
●感知并应对动态变化
●企业应用程序集成
●与城市战略保持一致
2.2数字城市架构
数字城市解决方案架构由三个层面组成。
1、更透彻的感应和度量层面可以与传感器直接交互，例如用SmartBay测量水质，或通过数字电网解决方案中的数据采集与监控系统（SCADA）等现有的行业系统，与传感器间接交互。
2、更全面的互联互通层面通常根据接近实时的处理约束添加事件服务，这些服务将传感器输入与业务相关事件一一对应。
此类事件可以是检测不符合规定的水质测量方式，也可以是对公用设施网络进行故障定位。
3、更深入的智能洞察层面在更广范围内处理业务相关事件，它通过基于SOA的模型与多个遗留应用程序及资产管理系统进行交互。
该层面通常还包括面向人员的各种功能，通过可视化、仪表板与工作流程编排来实现。
图五：
数字城市软件架构
图六：
数字城市应用软件架构
2.3数字化交通
有效且高效的交通体系对于一个城市的感知度、可用性及经济发展而言至关重要。
城市交通体系在城市的旅行体验和环境影响方面，对城市生活的成本和质量起到重大作用。
特别是在城市环境下，修建全新的交通基础设施是一个成本高昂且干扰民众正常生活的长期过程。
新的交通基础设施会影响旅行习惯，促使个人优化出行，引发需求和使用的转移，导致产生新的瓶颈和拥挤区域。
单纯建造基础设施并不是适当之举，不能在市内实现快速安全、划算可用的通行。
新基础设施确实需要，但必须应用明智的交通管理和使用方式，才能最好地利用现有和将来的输送能力。
必须将市内不同的交通模式及相关设施作为一个全局交通网络来处理，并将其与指挥中心相连接。
这样旨在使每个交通资源的能力实现最大化，将负荷分配到不同的交通模式，实现居民自由移动，避免对任何一种交通模式造成无法接受的使用和拥堵程度，而与此同时，其他模式却使用率不足。
解决城市交通问题在本质上有两方面；
搜集、分析和利用有关城市交通网络如何运作的信息，以及利用各种“杠杆”控制交通体系并影响旅客行为。
图七：
数字交通架构
数字化交通遵循的架构模式与数字城市的其他领域相同。
正如图七所示，其架构由三个层面组成：
传感器、操作和企业。
在传感器层，与各个离散的交通功能相关联的传感器（及促动器）被集成起来，用于收集信息，处理源自特定功能的事件。
交通功能将包含交通管制、自动化停车场、公共汽车、有轨电车、地铁和数字监控等。
如图六所示，在数字城市的数字交通的应用中，来自传感器的数据在传感器层进行适当利用，并可以在分配至操作层之前用多种方式对其进行处理，例如聚集、关联、融合或充实等。
操作层包含与特定交通能力的运作和监督相关联的那些功能：
提供公共汽车服务、管理停车场和管制交通等。
操作层（见图六）之上是企业层。
企业层汇集了与提供和管理交通服务相关的状态、业务流程、历史数据、分析、预报以及其他工具。
企业层内可能存在多个“子层”，通过交通方式（如公共汽车、火车、有轨电车、地铁、自行车或步行）或功能（如停车管理和交通管制）反映组织职责。
这些“子层”组合在一起，提供整个城市交通服务的全局视角，然后在适当情况下，呈现给公共服务部门员工、商业交通合作伙伴以及广大旅客。
整合并利用交通信息
在许多城市，不同交通体系的信息按交通方式、管理职责区域和地域界线而分开单独显示。
对现有及新数据资源进行整合并绘制涵盖整个交通网络的通用运营图是数字化交通的基础。
可以应用系统软件，利用从交通网络中收集的信息来预测交通流量和运输量、计算行程时间及具体站点的公共汽车到站时间。
并将分析结果通过手机、共用信息站、短信服务及其他工具向旅行者提供正确可信的信息形式上是一种授权，既可增加他们的满意度，也能够鼓励他们为实现个人旅行目的做出正确决策。
扩充基本的旅行规划服务使旅行者可以登记一整天的旅程，这为城市交通当局创造了实时散布更新信息及建议的机会。
例如，如果交通堵塞中断某公交线路，可向旅行者发送信息，建议其考虑其他替代服务重新规划旅程。
这种建议可以基于旅行者的预计位置或实际所在位置（如果旅行者注册了支持GPS功能的设备）。
这种方法为城市交通当局影响旅行者行为创造了机会，可以根据需求在可用的交通能力范围内更好地分配旅行者。
同时还可以间接散布信息，例如在公交站点发布公共汽车实时到达时间，利用各种路边标志提供堵车警告或预计行程时间。
整合、利用并散布城市交通网络运行状况及数字化交通功能，例如整合的交通控制系统、公共汽车或有轨电车的车载智能设备、公共运输的动态调度及智能停车等，为最大程度发挥当前城市交通基础设施的潜能提供了平台。
电子道路收费及综合收费管理等其他功能也可以加入到此解决方案中。
电子道路收费
电子道路收费（ERP）通过在一天中使用部分或全部城市道路网络，尤其是在具体时间或时间段，对过往车辆进行收费。
道路使用收费旨在实现以下两个目的：
●改变在经济上对私人和公共交通的平等对待，向公共交通倾斜
●作为额外收入来源，为城市交通网络改善提供资金
最常见的电子道路收费为道路通行费，驾驶员因使用某具体道路设施而支付费用，例如高速公路或桥梁。
这个趋势正向自由出入道路通行费发展，这样会自动检测车辆，并通过车载设备或使用视频技术识别车牌来辨别车辆。
收费标准可根据一天内的具体时间或该具体资源的使用水平而定。
综合收费管理
自动售检票系统（AFC）使旅行者无需现金购票，用提前充值的智能卡即可取代现金的使用。
更精密的系统则将智能卡与信用卡或银行账户相关联，当余额减少到某限定额度时自动按照设定金额为智能卡充值。
此类系统也为运输经营者带来好处，他们无需再处理现金交易，也有效地避免了员工欺诈行为的发生。
我们可能需要提高收入保障活动的水平，确保旅行者每次旅行都能切实使用智能卡。
AFC为个别运输方式提供了方便，而综合收费管理（IFM）方式则有可能为旅行者和城市交通当局均带来益处。
有了IFM，普通AFC系统可广泛应用于市内多种交通方式：
公共汽车、有轨电车、地铁、火车，甚至ERP和停车场。
这个解决方案使旅行者能够在市内各种交通方式中使用单一支付方式，通过至少避免了交通工具换乘中的一个障碍提供了灵活性，如综合收费管理解决方案所示。
图八：
综合收费架构
2.4数字化公用事业
电力系统电网是最后实现自动化的一项重要基础设施。
尽管基础电网的电磁技术原理并没有改变，但对电网可观测性和控制的需求却发生了变化。
该方案，从电厂到消费者的角度探讨当前电网的主要组件，包括发电、输送和分配。
数字电网产生的原因：
●数字时代的人们对可靠且优质电能的依赖性日益增加。
电压的存在仅仅是基本的电能质量，然而，在一切实现数字化的时代，谐波含量、瞬间故障、电压和频率的稳定性则成为更成熟且日益重要的电能质量评估标准。
●可再生能源的整合需要更好的电网控制能力，特别是在能源分配后。
电网是为实现集中可靠发电和电力的广泛分布而产生的。
现在，我们在分布和输送点引进了风力和太阳能。
分布式发电和供应的短暂性需要改善电网的管理。
●消费者积极介入电力能有效避免建立新发电厂，进而为气候变化作贡献。
为满足一年200小时的最高需求，公用事业部门建立了新电厂。
能够察觉电力短缺并缩减可选负载（即使有此类动机）的做法可有效减少对新发电力的需求。
数据来源
数十年来存储在公用事业中的操作数据既包括即时数据，又包括归档数据；
既涵盖了静态数据，也涵盖了动态数据。
现场技术人员对过去的系统故障不断进行根本原因分析，才生成了如此丰富的信息。
高级计量架构（又称智能电表）实施细粒度的配电传感器网络，它不断给通信聚合系统提供数据。
这些数据来源经过架构，可以为数字化电网组件的实时信息改善、支持和提供背景信息。
数据模型
获取数据之后，为了以标准格式保持它们的价值，通常会把它们存储面向XML的数据库中。
现代的数据库实施已经大幅改善了数据的性能。
在一些情况下，所采用的数据模型往往比数据的技术实施更为重要。
设计严密的数据模型不但更易于进行数据交换和调整遗留程序，还有助于数据的安全性应用和性能需求。
通常情况下，数据模型的存在与否是公用事业项目中完整监管体系的有效指标，这是因为它能通过多个应用程序促进数据的利用，并能提升未来的投资回报率。
通信
数字电网中最常需要解决的问题之一就是广域通信系统的设计。
公用事业资产遍布全国。
数据通信架构往往会影响数据速率、配电智能成本和安全漏洞的识别。
目前尚不存在一项通信技术能够适用于所有的公用事业，也没有一项通信技术能够适用某公用事业的所有操作领域。
本方案设计的数字化电网架构侧重数据的安全性和标准的接口，它能兼容新技术，允许远程配置设备，进而减少了数字化电网安装后的二次接触，它还支持面向未来的协议。
公用事业部门绝不希望在部署单一的AMI网络五年之后就又要重建通信网络。
通信架构同样还考虑到了电力故障的问题，由于数字化电网必须随时保持感应能力，即使其部分网络断电也是如此，因此需要准备后备电池，需要建立太阳能充电和其他电能供应设备。
安全性
毫无疑问，数字化电网的目的是提高网络的可靠性，而不是降低其安全性。
根据有关标准，安全性已经跃升为数字化电网建设中的首要考虑事项。
数字化电网架构的第一阶段就要解决安全性问题。
与其他数据中心的安全性工作不同，现场部署的安全性面临着新的形式和挑战。
首先要考虑变电站的安全性，要明确谁能在哪些时间在控制楼内访问哪些网络。
与此同时，要处理好专用AMI系统中电表数据的安全性，要保证只有授权的应用程序和人员才能访问该信息。
同时，只要数字化电网一搭建完成，安全前景也会随着黑客的变化不断演变，服务也会起到重要的作用。
正确的架构能够处理动态的、可信赖的虚拟安全域，它不但包括入侵防护系统，还包括异常检测系统。
如果黑客能在数据中携带病毒（如利用音频播放器的漏洞植入畸形的视频图像），那么在讨论数字化电网数据时就要考虑到类似的安全问题。
分析
虽然数字化电网能产生出更多的信息，大部分的公用事业却不会额外派工程师来解释数据。
因此，面对海量的新电网观测数据，数据分析能够支持数据的处理、解释和建立数据间的相互关联。
部分的分析由已有的程序完成，这时数据模型和整合会发挥关键作用。
而另外一部分数据分析则需要借助新的应用程序和工程师。
工程师们会使用工作台在自助服务模型中创建定制的分析仪表板。
大部分的公用事业中都会有许多电力系统工程师在后台借助电子表格工作。
数字化电网就是要让所有相关人员能够获得数据，能够使用现代工具对它们进行分析，保护电网的正常运作。
为了通过及时有效的服务支持运作状况分析，分析工作需要一个专用的数据总线，而不是通过企业服务总线（ESB）或企业SOA总线。
这是因为电网中的情况瞬息万变，只有及时的分析才是最相关的分析。
建立一个两层或三层（如果考虑到变电站的话）的总线是一种架构方法，这样便能按照速度分流数据，同时又能维护数据的相互关联性，支持整体运作。
整合
数据经过感知、安全通信、建模和分析之后，所得到的结果需要被应用到业务优化中来。
数字化电网在整个公用事业内部进行智能传播，绝不是说要替换现有的一切，而是要使一切都可提供相关信息。
数字化公用事业设计架构参见图六：
数字城市应用软件架构。
2.5水资源管理数字化
水是地球上生命最重要的元素之一。
水元素在我们的环境中储量丰富，但却是最容易被污染的资源，正因为如此，水资源管理的数字化将是我们数字城市建设的重要组成部分。
图九：
水资源管理架构图
2.6数字化建筑
不管是商品楼还是居民楼，肯定都不只是一个住所那么简单。
也许您觉得高耸入云的大楼代表着社会的进步，也许您在家里有专门的寓所供娱乐休闲，但不管怎么说，这些建筑都有两个共同点：
●它们是温室气体排放最多的一员
●它们也是能源使用效率最低的一员
建筑系统整合
数字化建筑中需要整合的系统中列出了为了优化整个建筑或建筑群而需要整合的各个系统。
当前，这些系统大都是在独立运作。
图十：
数字化建筑需要整合的系统
数字化建筑中需要整合的系统：
1、建筑内部的各种传统的系统。
它们与建筑物息息相关。
供暖和空调系统使住户更加舒适，安全和防火系统可以确保大家的安全。
总之，这些都对建筑物都至关重要。
但问题是这些系
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