發展背景篇

1 緒論 -----------------------------------------02

1.1 城市的發展 -------------------------------------------------02

1.1.1 城市產生和發展的動力來源 ---------------------------02

1.1.2 世界城市發展的基本走向 -----------------------------03

1.1.3 我國城市的發展 --------------------------------------03

1.2 技術的發展為城市發展提供新手段 --------------------------04

1.2.1 信息技術進入泛在智能融合階段 -----------------------04

1.2.2 信息技術對人、社會的變革影響 -----------------------05

1.2.3 信息技術提升智慧決策能力 ---------------------------06

1.3 城市發展的新理念 ------------------------------------------08

1.3.1 城市發展階段 -----------------------------------------08

1.3.2 創新型城市 -------------------------------------------11

1.3.3 數字城市 ---------------------------------------------13

1.3.4 智慧城市 ---------------------------------------------15

1.3.5 可持續發展城市 ---------------------------------------16

1.4 城市發展面臨的問題 ----------------------------------------17

1.4.1 自然環境破壞引發的問題 ------------------------------18

1.4.2 城市發展中的“城市病”------------------------------19

1.4.3 城市發展的理念誤區 ----------------------------------20

1.5 新時代背景下城市發展要求 ---------------------------------20

1.5.1 新型城鎮化的提出 ------------------------------------22

1.5.2 新型城鎮化內涵、本質與核心 -------------------------24

1.6 小結 --------------------------------------------------------24

2 城市治理與城市仿真 -----------------------------26

2.1 城市內涵 ---------------------------------------------------26

2.1.1 城市釋義與解讀 ----------------------------------------26

2.1.2 城市的構成 --------------------------------------------26

2.1.3 城市的特征 --------------------------------------------27

2.2 城市治理 ---------------------------------------------------28

2.2.1 城市治理問題 ------------------------------------------28

2.2.2 城市治理的頂層設計 -----------------------------------29

2.2.3 城市治理的現實需求 -----------------------------------30

2.2.4 現代化城市治理的內容 ---------------------------------32

2.3 城市仿真 ---------------------------------------------------32

理論探索篇

3 “計算式”城市仿真理論框架---------------------------36

3.1 武漢在城市治理方面的探索---------------------------------------36

3.1.1 城市仿真實驗室的定位---------------------------------------36

3.1.2 城市仿真實驗室的內容---------------------------------------37

3.2 “計算式”城市仿真構想 -------------------------------------------38

3.2.1 關於城市計算的理想 -----------------------------------------38

3.2.2 武漢多年來信息化基礎---------------------------------------39

3.2.3 技術的快速進步 ---------------------------------------------44

3.2.4 城市整體感知和觀測基礎 ------------------------------------48

3.3 總體架構---------------------------------------------------------49

3.4 框架設計---------------------------------------------------------50

3.4.1 框架設計思路 -----------------------------------------------50

3.4.2 框架構成 ---------------------------------------------------52

3.5 技術支撐體繫 ----------------------------------------------------54

3.5.1 移動互聯網 -------------------------------------------------54

3.5.2 物聯網 -----------------------------------------------------55

3.5.3 雲計算 -----------------------------------------------------57

3.5.4 大數據 -----------------------------------------------------59

3.5.5 人工智能 ---------------------------------------------------60

3.5.6 3S技術-----------------------------------------------------63

3.5.7 區塊鏈 -----------------------------------------------------63

3.5.8 增強現實技術 -----------------------------------------------66

建設實踐篇

4 數據湖 --------------------------------------------70

4.1 數據湖概念解讀 --------------------------------------------------70

4.1.1 數據與信息 -------------------------------------------------70

4.1.2 數據庫、數據倉庫與數據湖 -----------------------------------71

4.1.3 數據湖在“計算式”城市仿真中的作用 ------------------------73

4.2 數據湖框架 ------------------------------------------------------74

4.2.1 數據湖的建設思路與建設原則 -------------------------------74

4.2.2 數據湖框架內容 --------------------------------------------75

4.2.3 數據資源梳理 ----------------------------------------------78

4.2.4 數據治理體繫構建 ------------------------------------------88

4.2.5 數據庫建設要求 --------------------------------------------89

4.3 國土規劃數據湖建設 ---------------------------------------------96

4.3.1 現狀底圖 ----------------------------------------------96

4.3.2 規劃藍圖 ----------------------------------------------99

4.3.3 實施動圖 ----------------------------------------------99

4.3.4 數據庫建設及實例 ------------------------------------106

4.4 可視化實踐------------------------------------------------115

4.4.1 單項數據可視化 --------------------------------------115

4.4.2 面向數據治理的數據專題 ------------------------------115

4.5 數據應用 --------------------------------------------------125

4.5.1 信息穿透 --------------------------------------------125

4.5.2 融合分析 ---------------------------------------------125

4.5.3 空間數據查詢 ----------------------------------------125

4.5.4 空間數據展示 ----------------------------------------125

4.5.5 要素專題展示 ----------------------------------------127

4.6 小結 ------------------------------------------------------128

5 儀表盤 ---------------------------------------130

5.1 儀表盤概念解讀 -------------------------------------------130

5.1.1 儀表盤含義 -------------------------------------------130

5.1.2 儀表盤作用 -------------------------------------------131

5.1.3 儀表盤在“計算式”城市仿真中的作用 -------------------131

5.2 指標體繫建設 ---------------------------------------------133

5.2.1 現行指標梳理 ----------------------------------------133

5.2.2 仿真實驗室指標體繫構建 ------------------------------147

5.3 儀表盤建設------------------------------------------------161

5.3.1 監測評估預警架構 ------------------------------------161

5.3.2 儀表盤功能作用 --------------------------------------162

6 仿真模擬 -------------------------------------168

6.1 仿真模擬解讀 ---------------------------------------------168

6.1.1 仿真模擬的含義 -------------------------------------168

6.1.2 仿真模擬的意義 --------------------------------------168

6.1.3 仿真模擬發展的歷程 ----------------------------------169

6.1.4 仿真模擬在“計算式”城市仿真中的作用 -----------------171

6.2 仿真模擬體繫建設 -----------------------------------------172

6.2.1 “計算式”城市仿真模運用存在的問題 -------------------172

6.2.2 仿真模擬體繫建設技術思路 ----------------------------173

6.2.3 “計算式”城市仿真模型分類 ----------------------------173

6.3 仿真模擬建設內容 ------------------------------------180

6.3.1 主干模型 ---------------------------------------------180

6.3.2 專項模型 ---------------------------------------------181

6.3.3 綜合模型 ---------------------------------------------182

6.4 未來預演室建設內容----------------------------------182

6.4.1 模型總覽 ---------------------------------------------183

6.4.2 模型管理 ---------------------------------------------186

6.4.3 公共配套服務設施模型 --------------------------------187

6.4.4 街道空間品質模型 ------------------------------------199

6.4.5 碳排放模塊 ------------------------------------------203

6.4.6 用地功能與就業產出模型 ------------------------------211

6.4.7 生態足跡模塊 ----------------------------------------214

6.5 小結 ------------------------------------------------------223

7 智慧決策 -------------------------------------224

7.1 智慧決策內容解讀 -----------------------------------------224

7.1.1 城市規劃建設決策 ------------------------------------224

7.1.2 城市綜合發展決策 ------------------------------------224

7.1.3 城市智慧決策 ----------------------------------------224

7.2 面 向 智 慧 決 策 的 邏 輯 體 繫 -----------------------------225

7.2.1 智慧決策模型應用 ------------------------------------225

7.2.2 智慧決策清單構建 ------------------------------------226

7.2.3 智慧決策應用場景構建 --------------------------------233

7.3 “智慧大腦”建設 ------------------------------------------240

7.3.1 國土空間規劃“機審”工具------------------------------240

7.3.2 建築規劃方案智能“圖審”工具--------------------------242

7.3.3 規劃設計條件自動提取工具 ----------------------------246

7.4 小結 ------------------------------------------------------249

8 結語 -----------------------------------------251

8.1 結束語 ----------------------------------------------------251

8.2 未來展望 --------------------------------------------------252

參考文獻 ---------------------------------------254

序1黨的十八屆三中全會以來，以習近平同志為核心的黨中央高瞻遠矚、放眼未來、順應大勢，明確將“推進國家治理體繫和治理能力現代化”作為中國“第五個現代化”，意義巨大，影響深遠。推進國家治理體繫和治理能力現代化，正是“智慧城市”治理的重中之重，是與時俱進的重要指向。對於智慧城市治理，國家制定戰略，城市謀求建設，人民希冀安康。作為城市治理的一級部門，理應胸懷新時代的大局，把握新時期的大勢，緊抓新發展階段的要求，找準工作的切入點和著力點，以信息化促進智慧化，以智慧化推動社會治理現代化，實現治理能力現代化。推進城市治理現代化建設意義重大，影響深遠，是新時期黨和國家的戰略決策。在信息技術浪潮的推動下，大數據、雲計算、人工智能等新興技術的東風吹進了城市治理領域，依靠互聯網技術推動智慧城市建設，給城市量化計算提供了技術方向，也給城市治理現代化帶來了新思路、新可能、新變化。武漢市自然資源和規劃局在國土規劃繫統開展精準化、快速化工作機制，實現各項工作提質增效；結合國土規劃繫統自身變革需要，謀劃開展城市治理的頂層設計工作，對城市規劃建設進行繫統認識，通過數據科學和高新技術讓城市規劃、建設和管理智能化、智慧化。當前，在智慧城市治理、建設方面，開展了一繫列前沿方法研究和業務實踐，提煉和總結了大量寶貴的經驗探索並形成“計算式”城市仿真框架。為實現城市現代化治理，持續在以下幾個方面花更多精力，實現城市治理現代化建設。（1）加強挖掘數據資源的價值，促進繫統且全面地認知城市。通過數據科學和量化方法全方位解讀城市，深挖數據價值，驅動業務創新，解決城市問題，實現城市治理的精細化和智能化。（2）以“新興技術 規劃 ”為核心，推進規劃業務的應用轉型。運用大數據、人工智能等新興技術，促進社會、人口、經濟等多領域與規劃融合，加大在城市指令領域的創新業務，推動技術創新與治理融合，為城市現代化治理打下牢牢的技術基礎。（3）建立城市級的智慧決策平臺，提升治理能力。對於超大型城市治理，從規劃源頭出發，對城市運行狀態、動態精準感知；從管理角度出發，及時預判城市可能發生的風險，預警管理應對，提升現代化的空間治理能力。士不可以不弘毅，任重而道遠。智慧城市治理須一步一腳印，以信息化促進智能化、以智能化推動智慧化，以智慧化邁向 “現代化”。改革創新謀發展，科技創新期未來，緊緊遵循發展規律，把握時代特征，邁向新起點，打造符合規劃實際的亮點。序2十九屆四中全會提出“堅持和完善中國特色社會主義制度、推進國家治理體繫和治理能力現代化”的新時代目標，現代化的治理體繫與治理能力，成為當前城市規劃與建設、管理與發展的重要命題。城市治理現代化是向精致城市方向邁進的重要舉措，是推進政府管理和社會治理模式的創新之路。武漢作為數字城市、智慧城市的先鋒軍，在城市治理方面積累了大量寶貴經驗。武漢市自然資源和規劃局探索符合國土空間規劃的城市治理頂層設計，利用雲計算、大數據和人工智能等高新科技，探索和實踐符合自身變革需求的城市治理現代化建設之路。隨著智慧城市逐步發展，城市仿真計算日益受到國內外行業領域的廣泛關注，但是目前在城市建設與管理方面尚未有繫統性、實踐性的城市計算方面的書籍，在城市治理、智慧規劃與城市計算方面缺少實踐型的相關書籍。武漢城市仿真實驗室經過多年城市計算方面的探索與實踐，得到了武漢市自然資源和規劃局的支持；在城市問題剖析、規劃痛點、城市計算的數據湖、儀表盤、仿真模擬和智慧決策等方面做了大量創新型實踐探索，形成了一批研究與實踐成果，繫統性地提出了符合武漢規劃實際的“計算式”城市仿真體繫，構建了面向超大城市治理的城市仿真工作框架，並在業務工作中對探索過程進行了驗證。《“計算式”城市仿真探索與實踐》繫統地闡述了團隊在武漢規劃方面的*新研究成果和實踐經驗，是全國部關於城市規劃仿真的繫統性專著，具有重要的現實意義和參考價值。本書繫統地闡述了智慧城市治理、智慧規劃實踐方面涉及的核心方法與創新研究成果，具有明顯的先進性、創造性和實用性。先進性在於該書內容描述的是在城市規劃、建設和管理中的關鍵核心技術與前沿問題，為武漢智慧城市治理、智慧規劃奠定了現實基礎；創造性在於該書源於團隊近些年的潛心研究和業務工作實際的提煉總結，提出了“計算式”城市仿真方法，實現了在國土規劃業務實際中、城市建設管理中數據自動彙集、集成和融合；實用性體現在該書結合了城市規劃、建設和管理工作實際，提出了一繫列仿真模型和智慧決策工具，如街道空間品質模型、設計條件自動提取和“圖審”工具等，對智慧城市治理具有重要的指導作用。本書將會在智慧城市治理與建設管理等方面發揮重要的作用，以期進一步提升城市治理智慧化水平，為國土空間規劃、城市建設等領域提供武漢的實踐樣本。

土地是人類生存與發展根本的物質基礎，是人類生產生活的重要空間載體。人類社會發展的歷程在土地上直觀的體現就是對土地的利用與改造，從農業社會、工業社會到信息化社會，不同時期人類對土地的要求、發展都不一樣，如農業社會以傳統種植為主，工業社會對土地上的各種能源資源進行開采，信息化社會的城市呈多樣化發展，包括從地上空間到地下空間的利用。對土地的改造與利用深刻反映了城市的工業化與城鎮化進程。自改革開放以來，我國一直處於高速的城鎮化發展階段，發展速度快、規模大，促進了我國進入工業化時代。1978—2021 年，我國城市數量由 193 座增加到 727 座，城鎮人口從 1.72 億增加到 9.019 億，人口城鎮化率從 17.92% 提升到 63.89%。科學是生產力，為我國工業化發展提供了強勁的動力，促進了城市經濟的發展，改善了人們的生活水平。然而，在高速發展的同時，工業化與城鎮化也帶來了一繫列的問題，人類活動的加劇，城市不合理的開發與擴展方式，土地資源的過度開發，資源環境保護，糧食安全和居住環境等問題層出不窮，這為土地資源的集約節約利用、城市的可持續發展帶來了巨大的阻撓。由於“城市病”愈演愈烈，相關事件頻發，這嚴重制約了城市的健康發展、社會經濟的可持續發展，為社會帶來了一繫列問題，也嚴重威脅到人類的生存環境。如我國大多數城市都飽受霧霾的困擾，空氣污染問題嚴重；在北方，每逢鼕季都會面臨沙塵暴的威脅；在南方，每逢夏天，城市內澇問題嚴重。以往重經濟、“攤大餅”的粗放式經濟增長模式破壞了土地生態，影響了生態環境和人類的生存空間，制約著人類社會的可持續發展。



面對日益嚴峻的生態環境形勢，維護生態安全、建設生態文明也受到了國家的高度重視，多項國家政策也相繼出臺。2012 年，黨的十八大報告將生態文明建設提到了前所未有的戰略高度，提出把生態文明建設放在突出地位，並對生態文明建設做了總部署，將其與經濟建設、政治建設、文化建設、社會建設一並納入中國特色社會主義事業現代化“五位一體”的總體布局。2014 年 3 月，《國家新型城鎮化規劃（2014—2020 年）》正式發布，提出了“以人為核心”的新型城鎮化道路，明確強調生態文明，著力推進綠色發展、低碳發展、循環發展，創建安全、生態和高效的城市生活環境，切實推進生態文明建設，維護生態安全。2015 年 9 月，《生態文明體制改革總體方案》發布，該方案是從國家戰略的高度對生態文明建設進行的頂層設計，從生態文明體制改革的目標、制度建設、制度保障多個層面進行了全方位部署，從保障國家生態安全、改善環境質量的角度出發，以解決生態環境領域突出問題為導向，完善資源的節約利用和保護管理制度，建立節約集約用地激勵和約束機制，樹立發展和保護相統一和空間均衡理念，推動人口、經濟、資源、環境的平衡發展，維護生態平衡，形成人與自然和諧發展的現代化建設新格局。



《國家新型城鎮化規劃（2014—2020 年）》提出了以城市群為主體形態，各等級規模城市協調發展的指導思想，為我國廣大城市走新型城鎮化道路指明了方向。建設生態文明、維護生態安全已成為我國全面建成小康社會階段的一個重要戰略，也進一步反映了生態保護在城鎮化進程中的重要程度，為開展新型城鎮化背景下生態環境保護、維護區域生態安全，提供了指導性依據。