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从5G出发,探索未来城市规划和空间设计丨城市数据派

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2019-12-24

       本文为智慧城市与智能空间前言研究系列第四篇的下篇,中规院学术信息中心(创新中心)与中规院(北京)规划设计公司新技术中心及科技公司将持续推出系列前瞻研究,敬请关注。 

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图片来源:全景网 


1、5G 正在到来

在了解5G技术的应用对规划设计行业有何影响之前,应先对5G的主要技术特征进行了解,这部分对5G的核心突破和应用情况进行简单阐述。 


(1)5G发展的技术特点


5G是指第五代移动通信技术,是4G系统后的延伸。5G与2G、3G、4G是一脉相承的技术。


而通信技术,可以分为有线和无线两种,也就是说信号要么是在线缆中传播(光缆等)或空气中传播,前者——有限传播自从光纤的广泛应用后,极限速度已经高达26Tbps,这个速度已经完全可以满足现阶段网络应用的需求,但由于有线传播的介质限制,在设备数量最为广泛的移动终端上有着诸多不便,因此现代通信技术的瓶颈就是无线通信。


我们可以看到从模拟通信(1G)到数字通信时代(2G-4G)的移动通信技术发展基本代表现代信息产业的发展,而且从2G开始数字通信在经济生产领域开始大范围应用,对生产力和经济运行效率有极大的提升,在这个过程中,经济生产生活行为的改变也受到了较大影响,行为的影响对城市空间也衍生出了新的需求,过去城市空间规划设计主要是被动对变化做出反应,在从4G到5G的变迁中,将从智能终端到智能化社会进行跃迁,城市规划师应主动对5G带来的变化进行响应,确保城市设计是面向未来、保持先进的。

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通信技术变迁历程——从1G到5G


图源:《5G为人工智能与智能制造赋能》王喜文

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通信技术变迁历程——从互联网到人工智能

图源:《5G为人工智能与智能制造赋能》王喜文


作为非通信领域从业者,对于5G性能的了解只需要熟悉最常见的三个特征即可——eMBB、mMTC、URLLC(也是分析5G应用最常用的三个英文词汇)。 

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图源: 《5G新时代,引领智慧社区新未来》朱常波 

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5G与4G关键参数对比 

图源:《5G新时代,引领智慧社区新未来》朱常波 


eMBB——超大带宽第一个特征很好理解,就是快,我们可以看到5G的峰值速率将比4G提升20倍。快是普通用户最能直观感受的特点,虽然快并不是5G的所有,但快确实为5G的应用带来了很多想象空间,例如高清视屏播放、VR会议系统等。值得注意的是,很多应用需要超大带宽作为支撑,例如远程手术、自动驾驶需要超大带宽传送大量数据信息,但这类应用于人们生活息息相关,不能有丝毫误差,所以对其要求是既要快也要稳,所以远程手术、自动驾驶之所以会在5G时代有长远发展是因为其既依赖超大带宽的特性,也需要URLLC超可靠低时延保证信息传递的可靠性、及时性。


URLLC——超可靠、低时延正如上文所说,除了超高速的特点,5G对比其他无线通信技术的性能跃升就是可靠性、延迟时间。有许多论点认为,4G及之前的数字通信技术都是信息流的革命,5G将是智能化社会改造的契机,而一旦从虚拟世界转换到物理世界,可靠性就是我们必须考虑的特征,因为网络应用例如在线聊天,有几秒哪怕几十秒的延迟也就是损害用户体验的损失,但对于物理世界的应用,无论是智能交通、智能化生产还是智能医疗,哪怕0.1秒钟的延迟也会造成不可挽回的损失。因此在技术能做到百分之百接近百分之百安全可靠之前,政府监管机构对很多应用都不会放开监管,5G带来的超可靠、低时延特征正是许多应用落地所急需的特征,即使5G的部署不能马上使这些应用落地,也为这些应用落地前的测试、尝试提供了可能性。


mMTC——大连接,低功耗在未来很长一段时间内,智能化设备将继续与人类社会一起继续“城市化进程”。在有限的城市空间内,需要连接的设备数量将会大大增加,大家国庆佳节出去旅游应该都经历过人流过于密集网络不好的情况,这就是因为4G网络系统连接密度仅为5G的1/10的原因。而且现在连接需求人均1台或1.5台的移动终端,还包括了大量的智能化基础设施需要联网,在智慧城市发展的过程中,大量设施设备联网,构建孪生城市是必经的一步。5G的部署支撑大量基础设施的联网使我们能对物理世界精准感知,从而做到精确控制,真正实现智慧城市的愿景。


另外5G还有一项出镜较少的核心特征就是高速移动性,我国4G应用了部分5G技术,使移动性能达到350公里每小时,这也是为什么我们在高铁上依然能顺畅上网的原因,而5G的正式发布将使这个速度达到500公里每小时。


eMBB、mMTC、URLLC之中每项单项技术都会产生大量应用场景,如今5G使三项突破同时应用成为可能,事实上,这些5G特征同时应用才能发挥其最大的价值,你可以以10Gbps的数据传输速率支持数万用户(数万人在一栋楼内同时使用VR电影进行交互),也可以保证数万用户使用延迟为毫秒级的网络系统(几万学生在不同地域同时采用全息投影接受一个老师的培训)、同样可以使数万终端享受10Gbps的数据传输速率、毫秒级的延迟(数万辆无人驾驶汽车自动运转)。


同样地,虽然5G的部署不一定能马上帮助这些应用落地,但如同4G一样,基础设施完善将帮助、激励市场上广大技术创新主体(包括政府、个人、企业)创造新场景、新应用,从而改变我们的行为方式,对空间产生新的需求。


(2)5G应用的情况


在2019年,全球多个国家和地区的众多运营商正在积极推进5G商用部署。运营商to C业务主要以eMBB超大带宽服务为主,对智慧医疗、无人交通等to B场景则推出URLLC服务,而由于NB-IoT及LoRa包括LTE网络尚能满足现阶段物联网及智慧城市的需求,mMTC的应用还比较少。


美国在2018年9月推出“5G加速发展计划”,在频谱、基础设施政策和面向市场的网络监管方面为5G发展铺平道路。目前,其5G网络覆盖将达到19个城市,主流运营商均将陆续推出5G商用服务。韩国三家主要运营商于2019年推出了5G商用计划。随之韩国政府举行“5G+战略”发布会,宣布将推进国家层面的5G战略,志在打造世界一流的5G生态圈。而日本运营商计划在2020年商用5G,科技省对5G应用做出了明确规划。以瑞士和英国为代表的的欧洲国家均在2019年推出了商用的5G,瑞士电信计划2019年底即对全境进行全覆盖,而英国则计划2020在英国中部南部全域覆盖5G覆盖网络。


总体来说,称2019年为5G元年是比较贴切的,对于发展5G,各国均将其置于国家战略的高度,特别是在全球经济下行风险上升的2019年下半年,5G应用已经超出了商业范畴上升到了国家高度,在5G市场和技术领域占领话语权是各大经济体必争的要地。因此,从2019年下半年开始的一系列围绕通信技术、人工智能技术的国际间争端也愈加引人注目,5G技术的快速应用对我国和其他竞争者均至关重要,关于由此展开的市场竞争、技术发展、标准制定趋势则在此不过多赘述。


2019年6月,中国工业和信息化部向三大运营商发放了5G商用牌照,首批5G城市名单正式出炉,中国移动、中国电信、中国联通宣布在今年至少 40 个城市覆盖5G网络。其中移动和联通均统一发布40个城市,除此之外电信在鹰潭和琼海进行单独部署。5G网络商用在我国踏出了第一步,需要普适应用还需要多样化应用的出现,各类场景的开发等,现阶段的主要任务是不断优化网络覆盖,积极培育行业创新应用。

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第一批5G试点城市(2019年6月 工信部)

 


2、5G推动新一代智能化发展

和4G一样,5G本质上就是信息和数据的通道,其核心还是提升信息和数据的传输效率,为应用提供类似能源供给一样的支持。因此5G真正的潜力是赋能其他技术,通过创新组合产生新的应用从而创造价值。同样地,5G的推出也可能面临和4G一样的困局——在4G刚推出时曾被质疑过没有应用场景,但接下来4G与智能手机互相成就了彼此。移动互联网行业得到迅猛发展。与PC互联网不同,移动互联网最大的特性就是其可移动性,移动互联网快速切入生产生活的各个角落,深刻的改变了的绝大多数人的行为习惯。 


从这个角度来看,出现一款5G时代划时代的终端产品将会是5G应用水平的分水岭。终端产品背后的逻辑是交互体系,交互体系需要通信技术的支撑,也需要数据的处理、存储技术突破等,是软件与硬件结合的产物。正如之前所说,5G的应用中,超大带宽eMBB仅是其一个特点,因此5G时代衍生出的划时代的终端产品也将会更加复杂,也需要与人工智能、大数据、云计算、边缘计算、物联网、区块链等技术进行耦合,从而孵化出更多应用场景。


5G作为通信技术是底层的基础技术之一,其与有线连接、卫星通信等方式共同组成了现代智能化城市信息的通道,伴随5G发展的是智慧城市“万物互联,感知可控”的愿景,在通信技术的的基础上,云计算、边缘计算、大数据技术使得海量的数据能根据不同场景需求进行实时处理,而控制技术、传感技术、精密制造等技术使信息能转换为物理世界的指令完成相应的任务。通过基础技术的支撑,AR、VR、计算机视觉等通用功能组合成了不同应用,从而赋能智慧城市各方面的发展。

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5G与人工智能、云计算、物联网等技术结合推动智慧城市发展 

图源:《5G新时代,引领智慧社区新未来》朱常波


5G及其他通信技术与云计算、边缘计算物联网等基础技术都进一步增加了信息流转的效率,优化了信息流转的方式,也使得更多的终端、事件、人能被连接,控制技术及精密机械使得虚实的边界逐步融合。以上技术都是信息流效率提升及资源配置的优化,在这些技术突破的基础上,人工智能是进一步改变人类生产生活方式的一项突破,也是5G发展将会带来的重大突破点,新一代的人工智能既是5G普及的结果,也将成为推动5G更大范围应用及创造更多价值的核心驱动力。

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5G与人工智能、云计算、物联网等技术结合推动智慧城市发展 

图源:《5G为人工智能与智能制造赋能》王喜文


根据智能制造专家王文喜博士的定义,广义的人工智能包括计算、数据资源、人工智能算法、计算研究、应用构建的产业。人工智能有两个层面的重要意义:第一个层面是类人的能力,例如像人一样运动、一样思考、一样的观察、一样的嗅觉,也就是突破劳动人口这个现代生产体系中重要组成部分的限制,势必带来超越工业化的影响,甚至可以称之为最后一次工业革命,因为这个工业革命之后,大量劳动力廉价化将会为人类带来指数级增长的生产能力,势必改变社会组织形式的改变;而第二个层面则是超人类的能力,只要像素充足,人工智能可以在图像中识别成千上万的人脸,也可以从上千万份财务报告中寻找规律从而做出决策,这些都是人类不具备的能力,这方面计算机的能力已经逐渐显现,5G的部署将使这类能力的应用更加泛在化,并且在5G及其他技术的支撑下,对物理世界和组织形式带来巨大的改变。 


以新一代人工智能代表的全面智能化将在网络基础设施、大数据基础设施、高效能计算基础设施全面智能化并且效能达到一定的效率时才能实现,而5G的逐步部署对以上技术突破都具有积极的作用,即使短期没有实现全面智能化的新一代人工智能,5G也将为推动全面智能化落地创造积极的条件,对世界产生即工业革命、信息革命以来的又一次全面变革。


回顾西方工业革命对城市形态的改变,甚至可以说工业化发展塑造了现代城市的形态,许多城市理论都伴随工业革命的发展而逐渐成熟。现代城市是工业化的产物,在工业革命的起源地英国,工业化将传统的农业社会转变为现代的工业社会,将田园牧歌的乡村社会改变成繁华的城市社会。从圈地运动开始土地规模经营、乡村呢绒手工业的发展以及随后的工业革命,建立新型的工厂制度,为人们提供了更好的生存机会,从而催生了新型的人口中心——现代城市。接下来的20世纪,以美国为代表的国家发展出大都市区的概念。与传统的城市体系相比,大都市区的经济活动在地理上,更有利于促成新兴工业得长生、加速信息的传播、推动科技发明、增加产业门类和产品数量,从而催生信息化=革命,使得大都市区成为推动美国经济增长和提高其全球竞争力的主导力量。


与工业革命与信息革命相比,新一代人工智能将会使资源的配置更为有效,也会创造更大量的社会价值,甚至可以可达到超需求的生产力,但是其带来的挑战及对现有秩序的破坏也将更加明显。尤其是在5G推动人工智能发展赋能新一代人工智能发展的前提下,城市化的新需求、新特征应该被城市学者更早感知,以主动应对将要到来的巨大变革。 



3、总结与展望

综上所述,5G的试点商用虽然已经被各方广泛关注,但其巨大的应用价值将待其赋能到人工智能、物联网、智能智造等各个领域后,才可能会被能被公众全面认识到。通过对其在各个城市领域的应用进行分析可以看出,5G的发展将通过改变人们出行、工作、生活的行为习惯,进而影响人与城市空间的交互关系。而我们的基本判断是5G带来的影响将会在3G、4G的基础上指数级扩大,将会影响到城市方方面面。而长期以来,针对城市空间的规划与设计,在技术发展趋势面前往往是被动相应。面对下一代通信技术带来的变化,本文提出,应积极探讨其对于城市空间的深刻影响,引导城市规划主动应对变革中的城市空间。希望本文能起到抛砖引玉作用,能够持续与各界同仁一起更加深入研讨这一话题。 

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