一、日本智慧城市建設概況

(一)日本智慧城市建設的宗旨

日本從自身自然資源貧乏和自然災害頻發的國情出發,制定了相應的計劃和政策來支持智慧城市的研究與建設。

2011年3月日本東部大地震后,日本國內對原有的智慧防災設施提出了更高的要求。與此同時,伴隨著基礎設施老化、稅收與資源不足等問題,社會各界期待用智慧城市建設的方式來更新城市基礎設施,因此日本的智慧城市更多地著重于實現節省能源的“3E”(Energy Security,Environment,Efficiency)標準和“低碳可持續”發展的智慧化。

對日本的智慧城市建設而言,其宗旨在于更新傳統的城市基礎設施,實現高效能、省能源的低碳城市目標。智慧城市是以電力、煤氣、水道等基礎建設和能源供給為基礎,通過信息技術統合建筑、道路、交通和物流的智慧管理,以及行政、醫療和教育等智慧的公共服務,實現高效節能的智慧城市功能(圖1)。

基于“低碳可持續”和“3E”這兩個目標,日本在智慧城市建設過程中將智慧城市的構建細致地劃分為 5 個層面:

(1) 通過調查能源需求和分析能源制約條件,合理地確定城市的理想狀態、預測未來的需求,并在此基礎上制定城市發展計劃,結合相對應的不動產開發和設施建設進行智慧城市的建設。

(2) 根據各個城市的需求和制約條件,采用整體優化的形式建設完善的道路系統、上下水道系統、能源系統和通訊系統等,力求實現完備的電力與燃氣供給系統、給排水系統、通訊網絡和高速公路網的智慧化。

(3) 在傳統的基礎設施功能上增加信息通訊和傳感功能,進行智慧設施建設,提高信息的接收和處理能力,并通過建設整合各種系統平臺,實現高效的智慧城市管理服務,如在供需穩定化解決方案中進行地域能源管控系統及兆瓦級太陽能發電設備建設等。

(4) 在完成智慧基礎設施建設的基礎上,創造出全新的、高質量的生活服務,諸如留守老人服務、智慧路燈服務及智慧購物服務等。

(5) 在提高生活質量的同時,創造新的生活方式、普及新的文化藝術等,這主要體現在交通、電力、燃氣和通訊等設施的智慧、高效化上(表1)。

當然,日本智慧城市未來的建設目標不僅是實現低碳、可持續的城市發展和高效的資源利用,還在于提供更多的與生活息息相關的城市用水、交通、固體廢棄物的智慧處理服務及提高智慧城市整體的社會服務水平。此外,日本雖在 2009 年才提出智慧城市建設,但其在防災預警系統建設、鐵道交通的信息化、電子商業的發展及綠色建筑等方面已經有幾十年的建設基礎與豐富的管理運營經驗。

(二)日本推進智慧城市的建設過程與特點

2009 年以來,日本的智慧城市建設在原有的城市建設基礎上,更為注重自然能源的開發與能源消費的管理。總體而言,日本的智慧城市建設實踐也經歷了一個較長的過程,在日本環境公害事件后,日本政府更加關注城市環境的治理和能源的有效利用。

20 世紀 70 年代,日本就已經開始著手研究節能設備,90年代開始大力推廣GIS技術在城市建設和城市管理中的應用。2003 年,由總務府引導規劃、交通及防災等各部門共同建立了統合型GIS平臺,希望通過建立完備的國土基礎設施檢測、環境監測及災害監測等系統,收集各種傳感器數據并實現空間數據的共享。此后在 2005 年的愛知世博會上,日本首次提出了新時代社會系統的嘗試,成立了 NEDO 協會,并建設100%電能自給的自然能源政府博物館,這被視為日本智慧城市的雛形。2009年之后,“未來城市”的建設成了日本城市發展的一個新趨勢。2011 年日本東部大地震之后,因為核發電站的事故帶來的巨大災害,日本對自然能源利用與智慧城市建設的需求更為迫切。日本正在進行的智慧城市實證項目集中在多個應用領域,如信息與通訊技術、能源的開發與利用、高效交通和便捷的生活服務等(表2)。同時,日本政府也在國際上積極宣傳其智慧城市的研究與實證項目,以爭取國際智慧城市的行業市場。

日本的智慧城市建設具有以下3個鮮明的特點:

(1) 智慧城市建設的出發點在于節約能源資源和保障能源安全。

“3·11”地震后,日本政府關停了核電站,減少能源消耗成為了日本智慧城市建設和研究的重點,而在智慧城市建設和研究中除強調利用可再生能源與技術手段加強能源管理、減少能源消耗和降低能源供應峰值外,還突出強調了單棟建筑的能源安全,以應付突發情況下的能源應急需求,保障能源供給。

(2) 將智慧基礎設施作為城市建設的主要推進方向。

日本在城市層面推進智慧基礎設施建設,選擇了北九州市、豐田市、京阪奈學研城和橫濱市作為智慧城市的實證試點地區,并按照不同的模式進行試驗,試驗的重點在于辦公建筑、工場與住家的能源消費的管理及節約利用。

(3) 以企業為主體,強化多企業和社會團體的參與合作。

二、日本智慧城市建設的具體實踐

實際上,日本的智慧城市建設在大力推進能源管理系統之前,已經在基礎設施、公共服務設施的建設上做了大量的基礎工作,其智慧城市建設主要基于不動產開發、基礎設施、智慧基礎設施、生活服務、生活方式與文化藝術5個層面進行推進,下文同樣從這5個層面介紹日本智慧城市建設的實踐案例。

(一)不動產開發層面

2008 年 3 月,千葉縣、柏市、東京大學和千葉大學共同提出了“柏之葉國際校園城區構想”,并以此為契機集合各方力量在千葉縣、柏市成立了“一般社團法人未來設計中心(FDC)”和“城市設計中心(UDCK)”,同時開展了 “先進模式”的環境整備戰略合作項目,力圖實現地區內的先進技術和人才、政府、企業與居民的聯合共創。

2014年建成的“柏之葉智慧城市”擁有大約273hm2的土地,旨在將其建設成為官民學攜手合作、任何人皆可參與的城市建設試點項目(圖2)。這個項目提出了“環境共生城市”“健康長壽城市”“新產業創造城市”三大主題,并細化出地域能源一元化管理、低碳型交通體系、地區醫療養護網絡、創造個體價值的社會參與及開發個人創業空間等九大具體應用主題,充分體現了政府、企業和社區對環保與公共安全方面的關注,以及居民在個人健康和創業方面的利益訴求、學術研究機構對研發空間的需求,為開發企業建造有吸引力的城區提供了非常大的幫助,使得智能城市的概念從低碳、降低能源消耗轉向更多的社區服務內容。2011 年 12 月試點區域被內閣府選定為“綜合特區”“環境未來城市”。

(二)基礎設施與智慧基礎設施層面

1.能源管理方面

日本智慧電網的建設特點在于統合地方電力、煤氣等能源供給系統,實現能源利用的高效化,并最大限度地利用家庭太陽能等可再生能源。

智慧電網建立的第一步是建設以太陽能、風能等可再生能源為主的新型能源配送網。基于新型能源配送網絡,結合用電建筑的節能設備,形成社區能源管理系統 (CEMS),并與家庭能源管理系統(HEMS)和商業辦公建筑能源管理系統 (BEMS) 形成聯動,同時利用可視化終端設備鼓勵用戶自覺節電,可以有效調配不同時段內家庭、商業、工業和其他民用建筑的用電需求,實現動態可變的智慧電網監管目標(圖3)。

智慧電網建設的第二步是普及電動車以減少自然能源的使用,因為將來智慧電網發展的方向是與其他的智慧設施融合,共同作為智慧城市的構成要素,這對智慧城市建設中的基礎建設、智慧設施將產生深遠影響。

日本智慧電網的發展是以新型能源的開發與利用為起點的。太陽能發電、蓄電設備已經在日本得到了一定程度的普及,私人住宅、集體住宅、工業建筑及商業建筑等都能利用PV板和CES系統存儲電能,而這些設施的建設旨在盡量使用自然能源,通過智慧電網的動態能源消費管理,提高能源使用的效率,建設環境友好的城市。對于智能電表在

智慧電網中的利用,日本的企業也進行了相關的分析和研究。例如,日本富士通公司結合GIS平臺,對利用智能電表檢查網絡的過程進行實時監控,在網絡地圖上實現智能電表和通信器械配置信息及網絡構成的可視化,進而為故障原因的排查及故障發生的預兆監視提供決策支持。

2.水管理方面

日本在二戰之后面臨過嚴重的水污染問題,為了保證國民的飲用水安全,創造美好的生活環境,日本一直很關注水資源的利用和管理。因為日本并不是一個缺水的國家,其更多關心的是水污染的防治問題,所以日本智慧水務所關注的重點是水資源的合理獲取、分配以及污水的治理與排放。

智慧水務的特點在于將水處理的監測與管理系統相結合,實現水循環的整體最優化。在水源監測與取水方面,通過信息通信技術對危機管理、規劃制定及設施營運的支持,對水源、河川、地下水的水質進行檢測、評價與預測。例如,通過對河流下游水況的模擬來應對水源事故,推算出污染物質到達下游時的濃度及時間,以此判斷是否需要采取應對措施,停止取水 (圖4)。

在城市供水設施建設方面,構筑ICT供水控制系統。通過 GIS及水質遠程監控器對水道供水量、水壓分布進行在線實時控制,實現水壓分布平均化、水質優化和對能源利用的削減。此外,日本智慧交通、智慧防災設施、災后市政系統修復及緊急救援系統建設在國際上也處于領先地位,如精確到分鐘的鐵道交通運營時間。

(三)生活服務、生活方式與文化藝術層面

1.交通出行服務方面

眾所周知,日本的鐵道運輸及公共交通的運營時間管理是非常嚴格的,且早就實現了信息化管理。日本利用公交卡等統計分析公共交通的使用狀況及民眾的出行習慣、出行范圍、出行時間和交通擁堵情況,從而推算并規劃合適的公交站點、合理的發車數量,同時提供便利的車站等服務；根據GPS數據分析,監控并解析路面交通情況,對于擁擠的道路,交通管理系統會向車內的GPS設備發出相應的路況信息,引導車主使用其他道路,避免高峰期的擁堵；此外,日本還借助先進的虛擬現實技術模擬道路上機動車和行人的行為,以此來分析預測交通事故,并根據分析結果作出合理的交通設計決策；日本的汽車行業也在積極推進自動駕駛汽車技術,研究自動駕駛汽車上路的各種自動控制技術問題。

日本不僅發展了交通大數據分析、預測技術,還充分發揮自身在汽車工業上的技術優勢,積極推動國內交通基礎設施的智慧化建設。比如,為了降低對化石燃料的依賴、提高太陽能使用的效率,日本大力推進電動車的普及事業,通過電動車與社區能源管理系統的結合,擴大了太陽能利用的領域 (圖5)。

2.家庭能源使用管理方面

(1)豐田市。

作為一個EV、PHV和 ITS實證實驗示范城市,豐田市正在致力于導入新一代汽車及智慧交通系統,努力建設成為一個低碳的世界模范城市。豐田市設想了 10 年后的家庭生活環境:一方面,可再生能源得到充分利用,各種節能 /蓄能設備得到普及,同時使用家庭能源管理系統(HEMS)對包括新一代汽車在內的能源使用進行綜合控制,使居民過著“沒有浪費、方便、輕松、快樂”的低碳生活。另一方面,通過導入新一代移動設施、完善公共交通基礎設施、提倡新型交通使用模式,實現“世界第一人車和諧城市”的建設目標。消費者可以通過身邊終端的“可視化”“行動支援”“控制”等功能,輕松地選擇對整體城市環境有利的低碳生活方式,并享受自己的低碳行動所帶來的各種獎勵與實惠。

綜上所述,豐田市著眼于家庭部門(家庭 交通)設想了10年后的家庭生活方式,認為太陽能發電 (PV) 將得到普及、社會將實現用電平價等,并對電動車(EV)的普及、引導居民環境意識、推進住宅里建設 EV 充電站、教育居民將來災害時可利用 EV 的蓄電供應緊急家庭用電等中期技術課題作一些新的嘗試探索。

(2)北九州市。

目前北九州市正在推進“北九州智慧社區創造事業”地區能源的高效使用與管理,試驗區的面積約為 120hm2,主要向鄰近的煉鋼廠和地區內的一般住宅及辦公大樓供應電力。從2012年起,這里引進了日本第一個“動態定價”的收費系統,系統能根據氣象信息等在前一天預測第二天的電力供求,然后決定收費價格。實施這種收費方式的目的是促進消費者節省用電和消減用電峰值,有效進行發電的總量控制。一般家庭的電費,1 千瓦 / 小時大約是 25 日元,該地區用電量較少的時間段是晚上和凌晨,在此時間段1千瓦/小時的電費可以設置在 6 ～ 15 日元之間,以促進這個時間段的用電。夏季用電量峰值時間段集中在下午一點到五點之間,以此為標準將電費分成五階段,最便宜的是第一階段 (1 千瓦 / 小時是 15 日元 ),最高的是第五階段 (1 千瓦 / 小時是 150日元),二者的收費差距達10倍之多。根據預測,如采用這種收費系統,家庭和辦公大樓的用電量將減少20%。

北九州市設置了“地區節電站”,掌握整個地區所有的電力供需信息,供應電力的一方能夠根據家庭和事業單位每小時的用電量需求制定發電計劃。然而,在發電設備中有的是依靠自然能源發電的,因此要先預測發電量中自然能源的發電量需求,在減去這部分發電量后再制定能滿足用電供需的發電計劃。當供需不能保持平衡時,可提高需求較多的時間段的電費,以此減少用電的人數,以降低需求。如果在需求較低的時間段降低電費,用電需求量就會增加。北九州市采用這種動態電費制度的目的就是改變需求狀態,從而減少對發電設備和燃料的消耗。除此以外,北九州市還積極引進可再生能源等,如太陽能,這樣就能更細致地管理區域內的電力。

三、從中國智慧城市建設的需求來看日本經驗

(一)日本經驗的總結

在近 30 年的建設過程中,日本作為發達國家,其智慧城市建設從整體來說是為了提高市民的生活質量,追求的是以高效節能為中心的新未來城市,同時也是活化企事業經濟活動的一個新階段。因此,智慧城市通過政府和企業向市民提供新的設施、服務及商品,促進市民的積極參與,描繪城市未來形象。同時,積極采用ICT技術,通過尋求新的高效節能的解決方案,在改變城市設施的同時促進市民對智慧生活方式的適應。

1.政府與企業協作

日本智慧城市的建設表明了各建設主體在智慧城市建設過程中相互協同的重要性。智慧城市項目具有全方位、多元化的特征,從實施層面來說,中央政府和企業、地方政府、社會團體均扮演了不可或缺的角色。

日本智慧城市項目是由政府與企業共同推行,地方政府通過公開募集能源供給公司或與能源供給相關產業公司( 如橫濱市的日產汽車和東芝公司、豐田市的豐田汽車公司等當地規模較大的企業 ) 形成智慧城市建設的主體,并與企業以成立合資公司的形式合作,在實際的項目執行過程中,以公司為管理實施主體,各個分公司企業承擔部分生產和服務職能。

企業及學術研究機構是智慧城市建設技術的設想者和開發者。政府通過知識、科技導向的生產方式構筑高性能、低成本的社會基礎設施,并負責項目的營運以及后期的調整、維護工作。在此過程中也離不開各城市設施建設相關研究單位的共同協作。

2.自下而上、落實底層、全面多元的基礎設施建設

日本是踏踏實實的從基礎設施的智能化做起,通過政府的政策支持及企業的資金投入,將現代化通訊技術、傳感技術等應用于城市設施的更新,并通過這種以“底層建設”為先導的方式推動智慧城市設施的更新,發展互聯網產業,提高社會服務。例如,日本為了實現智慧城市水管理,嚴格實行分區分質供水,并在供水和排水系統中安裝了傳感設備,監控并分析用戶的給排水需求量。日本的智慧電網、防災體系和智慧交通等也是按照由小及大、自下而上、全面多元的角度進行建設的。

3.創建統合數據,實現數據共享與智慧化的城市管理

為了更好地實現信息基礎設施的建設,日本政府融合了交通、規劃建設、防災、稅收和水管理等各部門的政府數據,從政府內部實現數據共享,而后拓展到各部門之間的數據共通,最后構建一個統合型空間數據庫。作為智慧城市管理的數據庫,統合型空間數據庫不僅便于發現建設過程中的問題、展示建設效果,還便于進行進一步的學術研究。這種基礎建設、建設完成后的運營數據獲取與分析、各類別數據的共享與應用又會作用于新一輪的設施建設,同時通過設施建設的良性循環,形成智慧城市運作機制。此外,日本也十分重視因數據涉及到的用戶隱私安全等問題,頒發了《個人情報保護法》等法律保障數據資源的有效與合法應用。

總體而言,日本智慧城市建設取得的成果多集中于小區域、小范圍的試驗區,其智慧城市建設無論是從硬性的基礎建設還是軟性的法律支持上,都有值得學習和借鑒之處。

(二)對中國智慧城市建設的啟示

因為各國智慧城市建設側重的內容、方針不同,所以在實現智慧產品的空間整合和構建相關空間規劃設計與建設的模式上并沒有標準化的模式。對于中國而言,在不同尺度推動智慧城市的建設需要考慮的內容更為豐富和全面,需要構建的體系更為復雜。基于日本智慧城市建設案例的經驗總結,結合中國智慧城市建設的需求看,日本智慧城市建設有以下幾點值得重視與參考:

1.推進智慧城市項目的企業參與

隨著智慧城市建設在公共服務和基礎設施領域的不斷擴大,中國需要不斷探索和實踐創新性的實施體制。例如,知識型、科技型的企業在提供公共智慧產品的基礎上,通過高效現代的運營模式,以合作的形式獲得政府的支持以保證營利性項目的實施。為保護公共利益和實現公共服務產品的提供,政府需要主導、監管并全程參與實施和運營過程,通過國家補助與企業經營的模式使得社會共享智慧城市建設的成果。而合作模式需要根據不同項目和不同地方來明確參與的主體、形式、范圍和程度。

同時,智慧城市的建設并不能單靠政府的概念性規劃愿景來實現,為了讓城市建設實現真正的智慧化,需要各個部門協同合作,統一規劃與指導,嚴格制定實施標準,密切結合企業的力量,促進智慧城市產業鏈的形成,推進智慧城市建設的自主性、長遠性發展。

2.扎實進行智慧基礎設施全面與多元的建設

智慧城市的建設,不應該完全依賴于上層的推動,而應從大處著眼、從小處著手,從市政、交通、公共服務、醫療、電力和水利等基礎設施的智能化做起,通過統籌規劃、統一標準,自下而上地逐步實現全國范圍內各種基礎體系的智能化更新與演進,并在此基礎上實現政府各部門、社會各團體間的數據收集、整理與分析研究。

3.積極應對智慧城市建設的市場需求與挑戰

建設智慧城市首先需要理清中國城市發展的市場需求,弄明白城市發展面臨的挑戰,因地制宜地設立建設目標,確定發展方向、制定發展方針和原則,扎實地、循序漸進地推動智慧城市的建設。因此,應該重視智慧城市建設技術及相關的基礎研究,逐步實現智慧城市的建設。在全球智慧城市建設的浪潮中,開辟一條適合中國國情的、能切實解決中國城市問題的智慧城市建設路徑,這是中國城鎮化進程中必須面對的挑戰,也是中國新型城市建設事業在全球化進程中不可多得的機遇。