智慧城市 | 贯通地理空间编码和感知单元编码，高质量推进北京新型智慧城市感知体系建设

作者：荣毅龙、张晓东、喻文承、孙道胜、叶雅飞、翁亚妮

作者单位：北京市城市规划设计研究院

随着信息化技术的发展，中国社会正致力于打造数字经济，通过数字化、互联网、物联网等技术的落地，实现数字孪生城市建设的构想。受益于国家对智慧城市的大力推进，北京市出台了多项支持智慧城市建设发展的政策。根据《北京市“十四五”时期智慧城市发展行动纲要》，到2025年，北京将建设成为全球新型智慧城市的标杆城市。为此，北京市将夯实新型基础设施，充分发挥智慧城市建设对政府变革、民生服务、科技创新的带动潜能，统筹推进“民、企、政”融合协调发展的智慧城市建设。然而随着智慧城市建设的推进，传统的以技术为导向的智慧城市建设面临着设备杂乱、条块分割、数据烟囱等问题，本文希望在已有研究的基础上，探究通过地理空间编码和感知单元编码技术标准贯通的方式，实现高质量推进北京新型智慧城市感知体系建设的具体路径。

01

新型基础设施建设

是实现智慧城市的关键

智慧城市是基于信息通信技术，全面感知、传输、分析、推演和处理城市运行过程中的各类数据信息，将各系统互联互通，最终实现及时对城市运营管理的各类需求进行智慧化响应和决策支持的闭环过程。2018年12月，中央经济会议首次提出了“新型基础设施”这一概念，2020年3月，中央政治局会议再次强调加快推进5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度，“新基建”成为数字经济和智慧城市发展的一个重要抓手。新基建的核心是创新技术，内涵是以人为本和可持续发展，“新基建”与智慧城市建设相辅相成。在一定程度上，智慧城市会成为最先享受“新基建”红利的一个发展方向。

新型基础设施建设将在智慧城市规划建设运行过程中起到关键作用：

①新型基础设施是智慧城市数字化驱动的基础。电力保障网、通信支撑网、物联感知网和分布式数据中心节点构成了智慧城市新型基础设施的“三网多节点”架构：电力网是各项智慧设施运行的保障，通信网是城市数据流转的基础媒介，感知网是城市数据获取的神经末梢，城市各类运行数据可以通过新型基础设施进行采集、传输，并存储汇集到分布式数据中心，从而构建起数字化的虚拟城市。

②新型基础设施是串联真实城市和虚拟城市的媒介。虚拟城市本质上是一种信息化城市，虚拟城市是综合运用GIS、遥感、遥测、网络、多媒体及虚拟仿真等技术，对城市内的基础设施、功能机制进行自动采集、动态监测管理和辅助决策的数字化城市。以新型基础设施为依托，建立一个与真实城市呼应的信息城市，从而在信息维度上形成虚实结合，数字共生的城市格局：一方面，虚拟城市需要通过新型基础设施进行构建，另一方面，虚拟城市又需要通过新型基础设施来对真实城市进行指导和决策。智慧城市新型基础设施串联真实城市与虚拟城市，为智慧城市数字孪生愿景的实现创造了基础。

图1 新型基础设施建设背景下的智慧城市数字孪生实现路径

（作者自绘）

02

智慧城市感知体系

是新型基础设施建设的重要环节

智慧城市感知体系是实现城市管理“自动感知、快速反应、科学决策”的关键基础设施，在智慧城市建设中具有重要作用。物联感知设备作为城市的感知神经末梢，是智慧城市数据获取的最小单元，也是智慧城市新型基础设施“三网多节点”中最为重要的一个环节。通过在城市中布设各类感知设备，可以实现对城市范围内水环境、声环境、风环境、空气、土壤、能耗、人群、车辆等各项关键信息的识别、采集、检测和控制。在数字孪生理念的基础上，将物质世界数据化，从而对城市中人与空间进行全面感知，动态监测并实时掌握城市运行状态。

城市感知体系以物联网技术为核心，通过身份感知、位置感知、图像感知、环境感知、设施感知和安全感知等手段提供对智慧城市的基础设施、环境、设备、人员等方面的识别、信息采集、监测和控制，使智慧城市的各个感知单元具有信息感知和指令执行的能力。智慧城市感知设备空间布局方案需针对不同的应用场景，结合实际使用需求与信息采集方式，构建全域覆盖、动静结合、三维立体的智能化设施和感知体系。空间维度上，可将感知载体和设施体系分为地上、地面和地下三种类型。

图2 智慧城市感知单元空间分类图

（作者自绘）

在数据采集新要求，万物互联新场景下，万物皆可感知，智慧城市各要素之间会形成万物互联的新生态系统，如何统筹感知设备的空间布局，摸清感知终端建设底数正成为智慧城市建设面临的重要问题。

03

感知单元的地理编码

是串联真实空间和数字空间的关键技术

在《北京市2021年政府工作报告》中，“大力发展数字经济，构筑高质量发展新优势”被列入到2021年重点任务，其中明确提到：北京将全面推进智慧城市建设，构建标准化的城市基础信息编码体系，推进泛在有序的城市感知体系建设。地理编码以地理空间位置信息为纽带，在城市各专业部门的信息资源之间建立有机的联系。地理编码是对物理对象进行空间位置标识、计算和处理的过程。地理实体通过地理编码，可以实现在统一时空框架中将来源广泛的城市规划信息资源进行融合和关联，形成各种空间信息和非空间信息资源之间进行组织和关联的模型和机制。

智慧城市应用场景、智慧城市感知体系和智慧城市管理平台是构成智慧城市运营管理的三大组成部分。通过智慧城市感知体系中的感知单元，可以将在真实空间中获取到的数据传输到数字空间中的数字孪生系统中，通过对数字空间中的各项数据进行汇总、处理、分析和推演，以智慧决策的方式改善真实空间中的人的各项需求，最终实现城市规划管理的智慧化闭环运行。

感知单元的真实空间位置与数字空间位置是需要一一对应的，对感知终端设备的智慧化管理和控制，必须建立在真实空间与数字空间对准的基础之上，地理编码是串联感知单元真实空间和数字空间的关键技术：

① 地理编码是感知单元真实空间与数字空间位置匹配的唯一标识。地理实体可以通过唯一的地理编码进行标识，通过此标识连接和承载感知设备的位置和运行信息。城市的各类非空间信息资源都有具体的地理实体与之相对应，地理编码是实现非空间信息与空间信息发生联系的关键，也是实现感知单元空间统筹管理的关键。

② 地理编码是确保感知单元实时监测、维护和控制的重要抓手。感知设备不仅具有采集数据的功能，对于城市问题的处理也需要通过发布指令的方式，利用感知设备这一神经末梢进行干预；随着技术的更新迭代，当感知单元需要更换或维护时，地理编码将在确定其空间位置时，起到重要作用。

图3 感知单元地理编码串联真实空间与数字空间

（作者自绘）

将地理编码与感知终端设备码结合，实现了感知终端在拥有唯一的设备编码的同时，也拥有唯一的地理空间位置，以此构建的标准化城市基础信息编码体系，可以推进泛在有序的城市感知体系建设，最终实现城市感知数据的“一网统管”。随着NB-IoT等窄带物联网技术的普及，感知终端设备的网络化和智能化和已经十分普遍，一物一码已经基本实现。通过感知终端设备码可以贯穿设备建设、运营、维护和更新等各个环节，进行全生命周期管理。

图4 感知设备空间布局与地理编码的关系

（作者自绘）

地理编码是实现感知设备空间管控的重要手段，利用地理编码对智慧城市感知设备进行空间管控具有四个重要作用：一是统一标准，一直以来城市管理部门对终端设备的建设存在底数不清、标准不一和覆盖不全的问题，标准的统一是构建万物互联感知体系的基础；二是数据整合，当前城市在感知业务领域，处于各自为政、条块分割、信息孤岛的状态，通过地理编码，可以将数据进行统一采集汇聚，实现城市动态感知数据的整合；三是资源共享，通过具有统一地理编码的智能网关和边缘计算节点，可以实现将传感器收集的数据统一汇聚处理后上传城市管理平台，构建全市感知终端的一套底账，打破部门垄断，实现数据的共享共用；四是统筹管理，依托全市统一地理空间编码，确定感知终端地理位置信息，以此作为感知终端设备空间管控的抓手，实现感知设备在城市空间上的集约建设。

04

感知单元的空间统筹

是智慧城市规划的核心

真实空间与数字空间的融合是智慧城市发展的一个重要落脚点，数字空间是现实空间的扩展，是对人、物、环境等城市要素的数字化呈现，以传感设备为主的感知单元是智慧城市感知神经网络的末梢，作为数字空间与现实空间的媒介，对其进行真实空间的严格空间统筹和管控的需求愈发突出。

传统的城市道路空间内的各类设备规划设计不同步，各部门相互独立，互不沟通，造成道路内杆体、箱体、管线建设重复、杂乱无章，严重浪费道路地上地下的空间资源。大量单独布置的各类杆体，造成了道路空间的杂乱和无序，影响了街道空间品质。

图5 北京某路口杆体、箱体和管线的杂乱无序

（作者自摄）

地理编码体系下的“多杆合一”成为了解决上述问题的有效途径，通过统一的地理编码，一根智慧综合杆上的各类设备均对应同一个地理编码，不仅可使道路杆件、箱体、管线共建共享、集约化利用城市有限的空间资源，也可实现感知数据的统筹运营管理。

图6 多杆合一建设示意图

来源：中国通信学会，《中国智慧杆塔白皮书（ 2019年）》

针对智慧城市感知设备的地下空间管控，多伦多Sidewalk项目提出了国际前沿的方法和思路，可以为北京的智慧城市感知设备的地下空间规划建设提供有效借鉴。Sidewalk规划方案计划以数据感知的方式将整个社区进行串联，收集周边环境的实时数据，便于人们分析、理解和改善社区。项目在城市公共区域的地下，为电力、通信、供水、供热等城市基础设施提供了共享可达的管廊通道空间，这样的空间布局不仅减少了检查与维修的成本和对城市正常运行的影响，还为日后技术或系统升级预留了空间，不再需要再次开挖道路就可以安装或修复管道；维修工人可以更加便捷和频繁的检查设备，实现了道路空间美观、舒适、安全的设计目的。

图7 多伦多Sidewalk项目智慧基础设施的地下专属空间示意

来源：https://mp.weixin.qq.com/s/XhRAbxo7Q48G2_IjaSgpoA

感知单元的空间统筹是智慧城市规划的核心。随着物联感知通信技术和的飞速发展，我国智慧感知设备的布设呈现爆发式增长，越来越多的城市正意识到感知单元的空间管控对于智慧城市规划的重要性。例如北京市海淀区巨山路道路新建工程在工程建设开始之前便统筹考虑，采用智慧综合杆和综合管廊的方式，将地上地下智慧道路传感设备按照多杆合一、多箱并集以及手孔、管线集约共享设计的原则进行布设，提前规划布局各类传感设备的空间位置，预留充足管孔、划定合杆点位，确保智慧道路各项设施的有序落地。

为统筹推进北京智慧城市建设，城市规划管理部门需要在国土空间规划体系下谋划地理编码与智慧城市感知体系的融合建设，在城市开发和城市更新的过程中，做好各类城市感知设备的空间统筹和管控。以北京市国土空间规划五级“抽屉”式规划单元划分方法为参考，推进地理编码空间单元划分，以市域为总边界逐级纵向延伸分化、严格分级分区、有序传导。“抽屉”式规划单元共分为五个层级，包括市级、区级、乡镇（街道）级、村庄（街区）级、项目（综合实施方案）级，五级抽屉以市域为总边界逐级延伸分化、严密镶嵌套合。对于城市感知设备的空间管控，可以参照“抽屉”式规划单元的划分方式，确保分级分区的管理和维护。

图8 北京市国土空间规划五级“抽屉”式规划单元

（作者自绘）

参照北京市《城市地理编码——道路、道路交叉口和空间单元代码》地方标准，通过对地理实体进行编码的方式，统筹北京市智慧城市感知体系的规划建设。2007年，北京市政府组织修订了《北京市地理编码——道路、 道路交叉口和基本空间单元代码》地方标准，并于2010年1月1日开始实施。北京市地理编码利用北京以环路和放射状道路构成城市基本空间结构的特点，将编码空间范围覆盖到全市域，选择环路和若干呈放射状的高速公路在全市域范围形成由环区和方位区组成的地理空间间接参考系，然后基于该间接参考系对地理实体进行编码。

图9 北京市地理编码定位区划分

（作者自绘）

北京城市地理编码在北京城乡地域范围内，通过对不同等级的道路进行筛选处理，结合铁路、水系等自然要素及行政区域界线围合形成无缝覆盖市域的空间单元，在城市规划和管理等领域实现城市空间信息与非空间信息的整合，使各类地理实体能够在全市域范围内得到惟一的空间位置标识。

图10 北京市地理编码空间单元及其与其他空间范围关系

（作者自绘）

在北京市贯通城市地理编码和智慧城市感知体系建设有利于在全市形成关于空间信息共享的基础性统一技术标准，利用北京城市地理编码工作统筹各类城市感知单元的空间位置信息、数据流转和运行维护全过程，将在推进新型智慧城市感知体系建设方面起到巨大的推动作用，为北京实现2025年全球新型智慧城市的标杆城市的建设目标，奠定夯实的数字底座。