数字工程 | 麻省理工：智慧城市与感知基建的进展及潜在风险

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Advancements and potential pitfalls for smart cities and sentient infrastructures

Xudong Fan ^a, Yishuo Jiang ^b, Ray Y. Zhong ^c, Fabio Duarte ^d, Waishan Qiu ^e, Jürgen Hackl ^f, Miroslaw J. Skibniewski ^g

a Department of Civil, Structural and Environmental Engineering, University at Buffalo, Buffalo, USA

b Department of Systems Engineering, Cornell University, Ithaca, USA

c Department of Data and Systems Engineering, The University of Hong Kong, Hong Kong, PR China

d Senseable City Lab, Department of Urban Studies and Planning, MIT, Boston, USA

e Department of Urban Planning and Design, The University of Hong Kong, Hong Kong, PR China

f Department of Civil and Environmental Engineering, Princeton University, New Jersey, USA

g Department of Civil and Environmental Engineering, University of Maryland, College Park, USA

译文：

随着城市地区在应对人口增长、气候变化、建成环境以及公共福祉等方面日益严峻的挑战，智慧城市的概念作为一种变革性的解决方案应运而生。智慧城市指的是将先进的信息与通信技术（ICT）与现有的城市基础设施无缝融合，以提高效率、增强可持续性并提升生活质量，从而重塑城市生活的未来 [2]。这一理念起源于 21 世纪初，初期侧重于 “自上而下” 的技术部署 [9]。随着宽带网络、智能传感器和开放数据平台等数字基础设施的迅速发展，其应用也不断演进，这使得城市成为能够促进实时决策和社区参与的动态环境 [6]。

当代智慧城市举措越来越认识到 “自下而上” 创新的重要性，居民在其中积极为城市服务的设计与改进贡献力量 [17]。这种演变反映了一种转变，即更加注重互联互通、公民参与以及以更以人为本的方式应对城市挑战。这种协作式的 “生活实验室” 模式将公民定位为变革的推动者，使城市能够更好地适应并回应不断变化的需求。尽管取得了这些进展，但智慧城市的发展仍面临诸多挑战。除了技术部署之外，隐私、数据安全以及技术的公平获取等伦理问题是必须解决的关键障碍 [1]。此外，管理相互关联的城市系统的复杂性不断增加，这就需要创新的治理框架，以确保互操作性，同时在技术进步与包容性和可持续性之间实现平衡。最终，智慧城市的成功将取决于能否创建具有韧性、以数据为驱动的社区，赋予居民权力，并将人类福祉和环境管理置于优先地位。

聚焦于智慧城市的内部组成部分，复杂的基础设施系统起着关键作用。由于相互连接的组件和并行子系统带来的日益增长的复杂性，这些系统在城市管理中变得愈发重要。它们的特点是不断演变的相互依赖关系和时空限制，并作为 “系统之系统”（SoS）进行整合 [8,11,13]。丰富多样的数据、跨学科的功能需求以及复杂的操作流程，进一步加剧了这种复杂性 [15]。大规模基础设施系统会根据最新事件或不确定性进行动态重新配置，在此过程中，不同并行子系统中的多种资源和操作必须及时同步 [4,14]。城市基础设施系统由多个功能、技术和形式各异的异构组件组成，这些组件会频繁更新实时状态，并调整各个并行子系统的控制参数 [10]。这些系统的大规模和并行特性，进一步增加了组合解决方案空间和最优解搜索方案中的复杂性和不确定性 [7]。

例如，城市供水系统因基础设施老化而面临重大挑战，在美国的一些城市尤为如此，部分管道的历史可追溯至 19 世纪 [5]。几乎所有管道都埋于地下，系统状况难以检查，许多小泄漏不易察觉。因此，用于高效配水管理的可用信息有限。诸如数字孪生等前沿概念已被探索用于改善供水系统 [3]，进而形成了感知基础设施。感知基础设施指的是下一代基础设施系统，它嵌入了先进的传感器、人工智能以及实时数据处理能力，使其能够动态地 “感知”、“思考” 并 “响应” 环境条件和用户需求。城市供水系统中的数字组件通常基于水力模拟，对包括管道、泵、阀门和处理站在内的物理配水系统起到补充作用 [16]。物理组件则由配水系统构成，包括管道、泵、阀门和处理站。物理组件与数字组件之间的联系在很大程度上依赖于实时传感和 SCADA（数据采集与监视控制系统）。然而，并非所有组件，如阀门状态和管道状况，都已集成到 SCADA 系统中 [12]。开发和维护一个具有感知能力和智能的基础设施系统，必须考虑到数字孪生系统的所有变化。需要适当的协议来创建和管理数据流。在配水系统中部署数字技术用于诸如泄漏检测、泵站设计、管道状况评估、压力管理和泵运行优化等应用，具有广阔的前景 [18]。

总而言之，智能技术将继续影响我们规划和设计城市的方式、管理城市基础设施的方式以及让民众参与决策过程的方式。但这一过程也值得我们进行批判性反思：智慧城市是否是一个思维陷阱？

第一个陷阱是实时陷阱：在某些情况下，我们确实需要自动做出实时决策（例如交通改道、检测气体泄漏）；但在其他情况下，我们并不需要 —— 而且也不应该这样做。具有长期影响的决策不应实时做出，不应自动化，也不应通过数字投票来审议。这些决策需要时间让想法和意见成熟，由社区进行塑造。

第二个陷阱是将大数据视为唯一可接受的数据：有些现象并不会产生任何数据。例如，城市中的电子垃圾出口会造成重大环境后果；由于这大多属于犯罪活动，不会留下痕迹，更不会产生大数据。难道因为没有大数据来训练我们的人工智能模型，我们就该忽视这个问题吗？

第三个陷阱是隐藏的隐私泄露：当社交媒体私人帖子、个人电子邮件或信用卡交易数据被曝光时，这会成为重大媒体丑闻和严重的隐私侵犯。然而，我们智能手机的 GPS 轨迹、智能设备测量的能源消耗以及家庭用水量，也能揭示我们的生活方式、大致的社会经济状况以及我们在城市中访问的地点。所有这些对于智慧城市的优化至关重要；但它们也可能近乎泄露个人身份信息。现在正是探讨智能技术能为我们的城市和城市系统带来什么之间的权衡的最佳时机，在当下使它们更高效、更宜居，同时确保我们的 “实时” 决策包含多代人的视角，关注产生少量数据或不产生数据的现象和社会行为，并在个人隐私和社会效益之间保持健康的平衡。

综上所述，智慧城市及内部感知基础设施的概念，通过先进技术的整合、动态的数据驱动决策以及赋予公民作为其环境共同创造者的权力，具备重塑城市生活的巨大潜力。然而，这些进步伴随着一项紧迫任务，即批判性地评估其实施的影响和伦理责任。

智慧城市的成功实现不仅取决于技术的复杂性，还依赖于一种深思熟虑的方法，这种方法要考虑到长期的社会、环境和个人影响。通过促进透明度、确保公平获取，并在实时效率和审慎审议之间取得平衡，我们能够利用智慧城市的变革力量，同时保障隐私、包容性和人类福祉等价值。这种对创新和伦理反思的双重关注，对于建设不仅智能而且具有韧性、适应性和人性化的城市环境至关重要，最终打造出真正满足当代和未来需求的城市。

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