智慧生态城市：内涵、架构与运行机理

摘 要:“智慧城市”必然、也只能是“生态城市”，这样才得以“可持续”，才得以提升“韧性”。“智慧生态城市”就是以人为本的城市，是创新型城市，是与自然融合的城市，是生态可持续的城市，是以新一代信息技术为支撑的“智慧生态城市大脑”。通过四大智慧平台，“智慧生态城市大脑”对城市建设提出智慧管理最佳方案，并针对城市应对突然灾害、生态修复、资源管理、生态安全制定应急措施和应对方案。

关键词:智慧生态城市 智慧城市 生态城市

【中图分类号】C916 【文献标识码】A

什么是“智慧城市（Smart City）”？简单来说，“智慧城市”即是把新一代信息技术充分运用到城市发展和管理的各行各业之中。“智慧城市”必然、也只能是“生态城市”，这样才得以“可持续”，才得以提升“韧性”。一座城市最大的“韧性”和“可持续性”来自于城市发展与自然的和谐共生。那么什么是“生态城市（Eco-City）”？世界银行将“生态城市”定义为“通过综合城市规划和管理，及利用生态系统提供服务的资产，提高公民和社会福祉的城市”。 具体可阐述为：一是生态健康城。它保证了生态系统健康(包括生物多样性)、社区健康、经济发展健康、城市空间发展健康。二是环境良好型城市。它力求城市产生的废物不超过它可以吸收或回收用于新用途，并且不会对城市生态系统和自然资源产生毒性。三是绿色低碳城市。生态城市是一个生态系统，它需要能量来促进增长，因此，生态城市应该是一个低碳城市、碳中和城市。四是资源节约型城市。生态城市的可持续发展，取决于对资源的节约利用和保护。五是可持续发展城市。即城市发展不超过生态承载力，其消耗的可再生资源不超过替代的资源。

智慧生态城市之智慧生态健康城市

智慧健康医疗网络

这个智慧健康医疗网络应包括三个要素，连通性、数据和政府。 使用设备收集和交换数据的政府可以制定计划并快速做出保护公民健康的决定，尤其是在重大全球危机期间。智慧生态健康城市需要都市与农村地区不同的解决方案。例如，在一项检查COVID-19的研究中，有84%的病例来自都市地区。使用互联网、云数据技术解决城市医疗危机从未如此重要。智慧生态健康城市利用大数据增强公共卫生的五种方式：应对边远地区和突发公共事件的管控、加快给感染者和密接者的信息预警、患者的及时治疗和最佳方案的选择、增强对医疗大数据的研究、使用人工智能网络安全保护患者健康记录。智能健康医疗网络的安全，可以通过区块链技术来实现。它是一种点对点（人对人）的去中心化分布式账本技术（数据输入输出），它使任何数字资产的记录透明且不可更改，并且在不涉及任何第三方中介的情况下运行（储存）。

一个智慧生态健康城市同时专注于智慧保健、智慧医疗、智慧公共卫生、智慧政府服务。数字和移动技术的使用正在为居住在城市中心的人们创建智慧医疗保健解决方案。统一的医疗保健系统、数据的收集和共享、分析和研究实践将开创解决现代健康问题的新纪元。不断增长的人口和城市生活方式需要智慧医疗网络，以更快、更有效的方式服务于患者和保障公众健康。智慧医疗涉及最新的数字和移动设备，它们是医疗保健中的物联网 (IOT)，通过传感器工作并远程收集患者的数据。医生、研究人员和医疗保健专业人员可以存储和分析这些数据，以提供更好的诊断和解决方案。这些数字记录为患者和医院节省了成本和时间，因为它们不仅提供个性化的治疗和药物，还通过实时数据收集提供预防措施。另外，对于智慧保健的未来，许多公司正在投资物联网医疗保健和可穿戴设备，这些设备收集数据并将其构建为结构化形式。它们还使用人工智能 (AI) 来评估这些数据和可能的结果，以便迅速解决问题。很多时候，当专科医生在别处时，也需要智慧机器人的帮助来与患者进行沟通、诊断和治疗。

智慧海绵城市

所谓智慧海绵城市，就是借用新技术处理好社区、城市、流域这三个不同生态尺度上雨水管理的生态关系，只有这样，才有可能避免“城市看海”。

从社区的生态尺度来看，就是要通过GIS地形分析，做好绿地的空间布局，让雨水就地下渗、减少地表径流，使雨水尽可能进入绿地，而不是进入管道，减少冲刷和水土流失，雨水通过绿地下渗、净化污染。因此，绿地面积和绿地空间格局很重要。

而在城市区域的生态尺度上，智慧雨水管理采用智慧最佳管理决策模型和云数据，预测降雨强度和频度对城市地表径流的影响，关注地表径流与城市湿地、城市公园、城市雨水管理设施、城市临水而居等要素的空间布局和生态关系。为了避免“城市看海”，就应该在尊重地形地貌、植被、土壤、水系的基础上，把城市建设在该城市区域的安全高程之上，应该避免占用水面，应该“围城”而不是“围水”。

从流域的生态尺度上，智慧雨水管理强调保护水系的自然水文形态，保护河流的弯曲度，保护河漫滩和湿地，更重要的是要保护水系水岸植被，需要加大力度恢复湿地和水面的面积。需要建立流域水动力模型，通过气象大数据、水文数据、流域地形、植被空间格局、湿地和水系空间格局模拟水系动态，为智慧城市雨水管理和“城市看海”做出预测，应对各种可能性的决策。应该说，“城市看海”是在流域的生态尺度上产生的问题，也只能在流域的尺度上解决问题，这是生态学的基本常识，即一切生态关系是以生态尺度为基础的生态系统关系。

智慧生态基础设施建设

最重要的智慧生态基础设施建设就是智慧流域生态系统的管理、修复和建设。由于流域是各种生态系统（森林、湿地、水系）与农业、环境、城市和经济共同发展的基本单位，因此在流域范围内实施智慧管理和生态基础设施建设至关重要。从这个意义上说，流域规模的智慧管理是将新信息和通信技术 (ICT) 的连通性引入流域管理实践中，以便在更好的决策制定或更有效的开发运营和管理中提供附加值。通过这种方式，不同的 ICT 解决方案，如精密设备、物联网 (IOT)、传感器、地理信息系统、大数据、卫星遥感、无人机和机器人技术，需要通过流域景观空间模型和动态决策模型，提供给智慧流域生态基础设施建设的决策者、政策制定者、管理者和公众，对于具体决策和实施提供智慧方案。

智慧流域生态基础设施管理包括智慧水资源管理、智慧供水管理、智慧雨水管理、智慧水质管理、智慧流域生态系统管理，以及智慧农业、智慧城市发展等所有原则和概念。通过比较常规技术，选择合适的智能技术和新技术至关重要。总而言之，这些决策需要技术评估和评估工具以及健全的流域生态系统信息和景观空间信息。然而，流域正确实施智能技术必将方便我们的生活并保护我们宝贵的资源，而智慧流域生态基础设施管理可以提供显著的环境效益和经济效益。

智慧生态城市之智慧环保城市

智能废物管理解决方案

使用放置在固废箱中的传感器来测量固废填充水平，并在固废箱需要清空时通知城市收集服务。传感器收集的历史数据可用于识别填充模式、优化驾驶员路线和时间表并降低运营成本。相关数据显示，2020年我国城市固废量达310.9百万吨，同比增长1.5%。 预计2022年我国城市固废处理量将达到349.3百万吨。当前的收集方法是定时、高度资源密集型的收集系统，该系统造成了半满的固废箱被清空，同时消耗大量的运输燃料，浪费城市资源。在物联网和各种超声波传感器的帮助下，智能垃圾管理使用放置在垃圾容器中的传感器来测量固废填充水平，并在固废箱需要清空时通知城市固废管理者，并优化驾驶员路线和时间表、降低运营成本。智能固废管理可以将垃圾收集成本降低至少 40%，并将城市固废运输的碳排放量降低 60%。

智慧流域水质管理

智慧污水管理系统的核心是一个革命性的智能传感器，标准配备 WiFi 和高分辨率智能传感器网络。智慧污水管理系统可以让城市更智慧。出于对城市宜居环境的追求，智慧污水管理系统正在兴起。使用物联网的智慧污水管理系统包括容量和重量传感器，以及将数据传输到云端的通信系统。

智慧环境监测系统

智慧环境监测系统属于智能环境范畴，是物联网的具体实现，旨在让人们的生活更加安全、舒适、环保、高效。智慧环境监测系统监测的重点是空气、土壤和水。例如，在空气监测中，传感器网络和地理信息系统 (GIS) 监测污染、地形和气象数据以分析空气污染物。在水监测中，分析水样以根据人口统计数据测量化学、放射学和生物数据。在土壤监测中，监测土壤的盐度、污染和酸度，以分析农业中的土壤质量，并预测侵蚀、洪水和对环境生物多样性威胁的可能性。智慧环境监测系统监测的另一个应用是空气质量。

智慧生态城市之智慧绿色低碳城市

智慧分布式能源系统

未来的能源系统，即是智慧分布式能源系统，它是先进的数字仪表、配电自动化、通信系统和分布式能源资源的集成系统。国家能源局综合司下发的《关于报送整县（市、区）屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》要求：整县（市、区）实施分布式光伏开发试点场景。建立保障性并网、市场化并网等并网多元保障机制，在确保安全的前提下，鼓励有条件的场景用光伏项目配备储能。风能、太阳能完全可以取代化石能源，实现碳中和目标。

智慧新能源汽车

碳中和事关国家能源安全，是蓝天白云、是清新空气、是百姓健康、是GDP、是无价的财富。显然，国家碳中和战略包括了新能源汽车的发展。相关数据显示，2020年中国汽车保有量达2.81亿辆。截至2020年底，全国新能源汽车保有量达492万辆，占汽车总量的1.75%，比2019年增加111万辆，增长29.18%。其中，纯电动汽车保有量400万辆，占新能源汽车总量的81.32%。新能源汽车增量连续三年超过100万辆，呈持续高速增长趋势。另据国家有关规划和预测，到2025年，全国新能源汽车新车保有量将超过2500万辆；到2030年将达8000万辆。

创新型城市建设

智慧绿色低碳城市与信息技术（IT）的交集将需要来自多个学科的专业知识和工具的复杂整合——从建筑设计和房地产开发，到交通和供水系统、信息技术（IT）硬件和软件，以及能源供应商等等。智慧绿色低碳城市需要创新绿色硬基础设施，但更多地需要“软”成果的实际使用。在智慧绿色低碳城市，信息技术 (IT) 和清洁能源交叉领域的创新是政府管理者的首要任务。智慧绿色低碳城市还追求流程、服务、模型和平台的创新。采取行动的范围从单个产品到建筑和交通系统，再到智慧生态城市等整个城市综合体。

智慧生态城市之资源节约型城市

智慧都市农业

全球的农业景观差异很大，且世界大部分地区高度依赖天气条件，并且缺乏适当的基础设施。实施智慧都市农业系统可能正是解决问题的方法。相关数据显示，城市容纳了全球54%的人口，而到2050年这个数字大概会上升到在70%—80%左右。从这些数字来看，城市农业比以往任何时候都更有意义。

事实上，都市智慧农业降低了食品运输成本和相关的环境影响。但是，城市在哪里可以找到大量的种植空间呢？垂直农业是城市中一种新的农业方法，通过在室内和室外垂直堆叠的区域种植，解决了城市房地产稀缺问题。尽管占用的空间有限，但这种方法允许农民通过各种新技术控制生产的大部分要素：植物接收光的类型和数量、它们生长环境的温度、它们获得的水和养分的量。单从产量来说，垂直农业就要比传统农业的生产力高7—8倍。智慧都市农业完全融入智慧城市生态系统，还可以有利于解决都市人口密度大和城市农业污染问题。由此可见，智慧都市农业关乎农业安全、食品安全、粮食安全、种子安全、城市安全。而越来越多的都市农业是智能的、数据驱动的。同时，智慧都市农业通过“精准农业”，传感技术被用来收集与生产过程相关的各种数据，这些数据的分析可以实现更优化、定制化、自动化、智能化的农业生产。

智慧特色小镇

智慧特色小镇利用各种信息技术或创新意念，集成城市的组成系统和服务，以提升资源运用效率，优化城市管理和服务，以及改善市民生活质量。智慧资源节约型城市把新一代信息技术充分运用到城市的各行各业之中，是创新的城市信息化，实现信息化、工业化与城镇化深度融合，有助于节约资源，提高资源利用效率和城镇化质量，构建用户创新、开放创新、大众创新、协同创新为特征的城市可持续创新生态。按照这一理念，青岛市李哥庄帽饰产业小镇以三大传统产业的价值吸引力，聚合相关资源，形成小总部经济的特色小镇。在建筑中融合智慧交通、智慧销售、物联网的设计，塑造出时尚、现代、简洁大方的艺术氛围。

智慧水生态系统管理

智慧水生态系统管理的目标在于节约水资源、提高水资源利用效率，以保证水生态安全。而其关键在于流域生态系统的健康。智慧流域管理涵盖了智慧水务管理、智慧农业、智慧城市发展等所有新技术及流域生态系统管理原则和概念。随着智能流域网络管理新技术的实施，降低了各种天气的不良影响，并得益于实时控制功能，城市和流域更加安全，洪水和财产损失风险也降低了。流域生态系统管理原则和概念阐明，水系污染和水生态系统的破坏都直接来自于陆地，来自于人类社会活动对流域生态系统健康的严重影响。水生态安全不能仅盯着水系，它依赖于流域生态系统的健康。具体措施包括：在全国推动实现从消灭黑臭水体——到水生态系统修复——再到流域生态系统治理的提升；在全国建立起各等级流域的划分，将“河长制”改为“流域长制”；治水先治坡、修复水生态系统关键在修复陆地生态系统（森林生态系统、湿地生态系统）；正确定义湿地，完整的湿地定义必须同时满足三条标准：一是干湿交替的水文，二是能生长的湿生植被（挺水植物、沉水植物、浮水植物）、三是具有湿地的厌氧土壤；把流域生态系统修复与治理提高到生态基础设施建设的高度，提高到落实 “绿水青山就是金山银山”理念的高度。

智慧生态城市之可持续发展城市

可持续性的维度

智慧生态城市建设已成为应对快速城市化带来的可持续性问题的可能解决方案。它们被认为是可持续未来的必要条件。尽管其最近很受欢迎，但由于现有定义过多，文献显示智慧生态城市一词在概念上缺乏清晰度。这些定义是根据各自考虑的可持续性维度（环境、经济或社会）以及他们赋予可持续性概念的优先级进行评估的。这些各自考虑的可持续性维度揭示了对“智能生态城市”定义的共同和不同特征，并存在一定的局限性。这种局限性似乎与各自的信息可及性、虚假陈述和现有城市结构的特殊性有关。

可持续性的要素

智慧生态城市是一个旨在使自己变得更智慧、更可持续、更高效、更公平和更宜居的城市。许多关于智慧生态城市的定义是多种多样的。它们的多样性包括一个城市需要包含哪些元素才能被视为智慧生态城市、需要使用哪些资源、需要呈现哪些特征，以及智慧生态城市的目标、目的和范围等。虽然“智慧生态城市”这一术语越来越多地被运用，但智慧生态城市界定的模糊使城市政策制定者感到困惑，他们致力于制定公共政策以实现向智慧生态城市的过渡。这种转变被决策者视为必不可少的，并反映在第11个联合国可持续发展目标 (SDG) 的制定中，旨在使城市具有包容性、安全性、弹性和可持续性。随着智慧生态城市重要性的不断凸显，其定义的混乱越来越令人担忧，这将对公共利益和价值的创造产生影响。因此，联合国根据可持续发展目标第11个可持续发展目标与智慧生态城市之间的相关性，明确了智慧生态城市定义中涉及的可持续性扩展范围。这种概念清晰度不仅对学术和实践的进步至关重要，而且更重要的是在公共政策制定者的决策过程中具有参考价值。

城市生态系统治理

作为生态可持续的智慧生态城市必须应对全球气候变化对城市生态系统产生的前所未有的影响。这个影响不在于全球气温升高1度还是2度，这个影响是“突发的”“极端的”“不可预测的”。比如，河北省赞皇县属暖温带大陆性季风气候，年平均降雨量570mm。而2016年7月19日凌晨4点开始，短短28小时内，赞皇县平均降雨量达419.2毫米，嶂石岩乡最大降雨量达721毫米，全县24个雨量监测点全部达到特大暴雨级。 赞皇县64座水库中有48座水库出现溢洪或漫坝，白草坪水库入库流量洪峰达到1249立方米/秒。这样的极端降雨和突发性的自然灾害，要求每个城市生态系统的治理都必须建立起完整的应对措施，以降低其灾害程度。要实现这一点，就必须把城市生态系统的生态基础设施建设提高到新的高度，着眼于应对突发的、极端的、频繁的气候灾害。

而应对气候变化涉及两种可能的方法：减少和稳定大气中吸热温室气体的水平（“缓解”）和适应已经在进行中的气候变化（“适应”）。智慧生态城市之全球气候变化应对策略就是向全球提供气候数据，包括公众、政策制定者和决策者以及科学和规划机构。这些应对策略包括：生命财产安全、创造就业机会、农业粮食安全、清洁能源安全、GDP快速增长，以及减少污染排放。

智慧生态城市大脑及其运作机理

总而言之，智慧生态城市就是以人为本的城市，是创新型城市、生态可持续城市，是以新一代信息技术为支撑的可持续“智慧生态城市大脑”。“智慧生态城市大脑”的实施可以通过以下措施来推进：一是打造四大智慧平台。即：流域生态系统智慧平台、流域生态环境智慧平台、城市生态基础设施智慧平台、城市绿色低碳智慧平台。二是通过建立四大智慧平台建立对应的四大模型。即：流域生态系统模拟模型、流域生态环境模拟模型、城市生态基础设施模拟模型、城市绿色低碳模拟模型。三是实施智慧监测监控系统。运用大气在线监测、水质在线监测、（红外）传感器、网联仪器、网联监控设备、一物一芯片、一物一码、无人机等智慧监测监控手段达到实时监测、动态跟踪的要求。四是用GIS软件来满足四大智慧平台空间数据及生态空间模拟模型要求。应用DEM制作数字地形图、数字地表模型（DSM）用于景观建模，城市建模和可视化应用程序，以及土地利用需要建立的数字地形模型（DTM）。五是通过对卫星图片、遥感图片、航拍图片的解析、解读、数字化信息分析，建立智慧生态云数据库，云数据服务平台包括数据评估、风险评估、数据安全。通过四大智慧平台，“智慧生态城市大脑”对城市建设提出智慧管理最佳方案，并针对城市应对突然灾害、生态修复、资源管理、生态安全制定应急措施和应对方案。

【本文作者 李百炼，美国加利福尼亚大学生态学教授、美国人类生态科学院院士、俄罗斯科学院外籍院士；伍业钢，美国伊科集团首席生态学家】

责任编辑：

文章来源：https://www.jicengzhizhi.com/2023/0222/4230.shtml