一、日本智慧城市建设概况

(一)日本智慧城市建设的宗旨

日本从自身自然资源贫乏和自然灾害频发的国情出发,制定了相应的计划和政策来支持智慧城市的研究与建设。

2011年3月日本东部大地震后,日本国内对原有的智慧防灾设施提出了更高的要求。与此同时,伴随着基础设施老化、税收与资源不足等问题,社会各界期待用智慧城市建设的方式来更新城市基础设施,因此日本的智慧城市更多地着重于实现节省能源的“3E”(Energy Security,Environment,Efficiency)标准和“低碳可持续”发展的智慧化。

对日本的智慧城市建设而言,其宗旨在于更新传统的城市基础设施,实现高效能、省能源的低碳城市目标。智慧城市是以电力、煤气、水道等基础建设和能源供给为基础,通过信息技术统合建筑、道路、交通和物流的智慧管理,以及行政、医疗和教育等智慧的公共服务,实现高效节能的智慧城市功能(图1)。

基于“低碳可持续”和“3E”这两个目标,日本在智慧城市建设过程中将智慧城市的构建细致地划分为 5 个层面:

(1) 通过调查能源需求和分析能源制约条件,合理地确定城市的理想状态、预测未来的需求,并在此基础上制定城市发展计划,结合相对应的不动产开发和设施建设进行智慧城市的建设。

(2) 根据各个城市的需求和制约条件,采用整体优化的形式建设完善的道路系统、上下水道系统、能源系统和通讯系统等,力求实现完备的电力与燃气供给系统、给排水系统、通讯网络和高速公路网的智慧化。

(3) 在传统的基础设施功能上增加信息通讯和传感功能,进行智慧设施建设,提高信息的接收和处理能力,并通过建设整合各种系统平台,实现高效的智慧城市管理服务,如在供需稳定化解决方案中进行地域能源管控系统及兆瓦级太阳能发电设备建设等。

(4) 在完成智慧基础设施建设的基础上,创造出全新的、高质量的生活服务,诸如留守老人服务、智慧路灯服务及智慧购物服务等。

(5) 在提高生活质量的同时,创造新的生活方式、普及新的文化艺术等,这主要体现在交通、电力、燃气和通讯等设施的智慧、高效化上(表1)。

当然,日本智慧城市未来的建设目标不仅是实现低碳、可持续的城市发展和高效的资源利用,还在于提供更多的与生活息息相关的城市用水、交通、固体废弃物的智慧处理服务及提高智慧城市整体的社会服务水平。此外,日本虽在 2009 年才提出智慧城市建设,但其在防灾预警系统建设、铁道交通的信息化、电子商业的发展及绿色建筑等方面已经有几十年的建设基础与丰富的管理运营经验。

(二)日本推进智慧城市的建设过程与特点

2009 年以来,日本的智慧城市建设在原有的城市建设基础上,更为注重自然能源的开发与能源消费的管理。总体而言,日本的智慧城市建设实践也经历了一个较长的过程,在日本环境公害事件后,日本政府更加关注城市环境的治理和能源的有效利用。

20 世纪 70 年代,日本就已经开始着手研究节能设备,90年代开始大力推广GIS技术在城市建设和城市管理中的应用。2003 年,由总务府引导规划、交通及防灾等各部门共同建立了统合型GIS平台,希望通过建立完备的国土基础设施检测、环境监测及灾害监测等系统,收集各种传感器数据并实现空间数据的共享。此后在 2005 年的爱知世博会上,日本首次提出了新时代社会系统的尝试,成立了 NEDO 协会,并建设100%电能自给的自然能源政府博物馆,这被视为日本智慧城市的雏形。2009年之后,“未来城市”的建设成了日本城市发展的一个新趋势。2011 年日本东部大地震之后,因为核发电站的事故带来的巨大灾害,日本对自然能源利用与智慧城市建设的需求更为迫切。日本正在进行的智慧城市实证项目集中在多个应用领域,如信息与通讯技术、能源的开发与利用、高效交通和便捷的生活服务等(表2)。同时,日本政府也在国际上积极宣传其智慧城市的研究与实证项目,以争取国际智慧城市的行业市场。

日本的智慧城市建设具有以下3个鲜明的特点:

(1) 智慧城市建设的出发点在于节约能源资源和保障能源安全。

“3·11”地震后,日本政府关停了核电站,减少能源消耗成为了日本智慧城市建设和研究的重点,而在智慧城市建设和研究中除强调利用可再生能源与技术手段加强能源管理、减少能源消耗和降低能源供应峰值外,还突出强调了单栋建筑的能源安全,以应付突发情况下的能源应急需求,保障能源供给。

(2) 将智慧基础设施作为城市建设的主要推进方向。

日本在城市层面推进智慧基础设施建设,选择了北九州市、丰田市、京阪奈学研城和横滨市作为智慧城市的实证试点地区,并按照不同的模式进行试验,试验的重点在于办公建筑、工场与住家的能源消费的管理及节约利用。

(3) 以企业为主体,强化多企业和社会团体的参与合作。

二、日本智慧城市建设的具体实践

实际上,日本的智慧城市建设在大力推进能源管理系统之前,已经在基础设施、公共服务设施的建设上做了大量的基础工作,其智慧城市建设主要基于不动产开发、基础设施、智慧基础设施、生活服务、生活方式与文化艺术5个层面进行推进,下文同样从这5个层面介绍日本智慧城市建设的实践案例。

(一)不动产开发层面

2008 年 3 月,千叶县、柏市、东京大学和千叶大学共同提出了“柏之叶国际校园城区构想”,并以此为契机集合各方力量在千叶县、柏市成立了“一般社团法人未来设计中心(FDC)”和“城市设计中心(UDCK)”,同时开展了 “先进模式”的环境整备战略合作项目,力图实现地区内的先进技术和人才、政府、企业与居民的联合共创。

2014年建成的“柏之叶智慧城市”拥有大约273hm²的土地,旨在将其建设成为官民学携手合作、任何人皆可参与的城市建设试点项目(图2)。这个项目提出了“环境共生城市”“健康长寿城市”“新产业创造城市”三大主题,并细化出地域能源一元化管理、低碳型交通体系、地区医疗养护网络、创造个体价值的社会参与及开发个人创业空间等九大具体应用主题,充分体现了政府、企业和社区对环保与公共安全方面的关注,以及居民在个人健康和创业方面的利益诉求、学术研究机构对研发空间的需求,为开发企业建造有吸引力的城区提供了非常大的帮助,使得智能城市的概念从低碳、降低能源消耗转向更多的社区服务内容。2011 年 12 月试点区域被内阁府选定为“综合特区”“环境未来城市”。

(二)基础设施与智慧基础设施层面

1.能源管理方面

日本智慧电网的建设特点在于统合地方电力、煤气等能源供给系统,实现能源利用的高效化,并最大限度地利用家庭太阳能等可再生能源。

智慧电网建立的第一步是建设以太阳能、风能等可再生能源为主的新型能源配送网。基于新型能源配送网络,结合用电建筑的节能设备,形成社区能源管理系统 (CEMS),并与家庭能源管理系统(HEMS)和商业办公建筑能源管理系统 (BEMS) 形成联动,同时利用可视化终端设备鼓励用户自觉节电,可以有效调配不同时段内家庭、商业、工业和其他民用建筑的用电需求,实现动态可变的智慧电网监管目标(图3)。

智慧电网建设的第二步是普及电动车以减少自然能源的使用,因为将来智慧电网发展的方向是与其他的智慧设施融合,共同作为智慧城市的构成要素,这对智慧城市建设中的基础建设、智慧设施将产生深远影响。

日本智慧电网的发展是以新型能源的开发与利用为起点的。太阳能发电、蓄电设备已经在日本得到了一定程度的普及,私人住宅、集体住宅、工业建筑及商业建筑等都能利用PV板和CES系统存储电能,而这些设施的建设旨在尽量使用自然能源,通过智慧电网的动态能源消费管理,提高能源使用的效率,建设环境友好的城市。对于智能电表在

智慧电网中的利用,日本的企业也进行了相关的分析和研究。例如,日本富士通公司结合GIS平台,对利用智能电表检查网络的过程进行实时监控,在网络地图上实现智能电表和通信器械配置信息及网络构成的可视化,进而为故障原因的排查及故障发生的预兆监视提供决策支持。

2.水管理方面

日本在二战之后面临过严重的水污染问题,为了保证国民的饮用水安全,创造美好的生活环境,日本一直很关注水资源的利用和管理。因为日本并不是一个缺水的国家,其更多关心的是水污染的防治问题,所以日本智慧水务所关注的重点是水资源的合理获取、分配以及污水的治理与排放。

智慧水务的特点在于将水处理的监测与管理系统相结合,实现水循环的整体最优化。在水源监测与取水方面,通过信息通信技术对危机管理、规划制定及设施营运的支持,对水源、河川、地下水的水质进行检测、评价与预测。例如,通过对河流下游水况的模拟来应对水源事故,推算出污染物质到达下游时的浓度及时间,以此判断是否需要采取应对措施,停止取水 (图4)。

在城市供水设施建设方面,构筑ICT供水控制系统。通过 GIS及水质远程监控器对水道供水量、水压分布进行在线实时控制,实现水压分布平均化、水质优化和对能源利用的削减。此外,日本智慧交通、智慧防灾设施、灾后市政系统修复及紧急救援系统建设在国际上也处于领先地位,如精确到分钟的铁道交通运营时间。

(三)生活服务、生活方式与文化艺术层面

1.交通出行服务方面

众所周知,日本的铁道运输及公共交通的运营时间管理是非常严格的,且早就实现了信息化管理。日本利用公交卡等统计分析公共交通的使用状况及民众的出行习惯、出行范围、出行时间和交通拥堵情况,从而推算并规划合适的公交站点、合理的发车数量,同时提供便利的车站等服务；根据GPS数据分析,监控并解析路面交通情况,对于拥挤的道路,交通管理系统会向车内的GPS设备发出相应的路况信息,引导车主使用其他道路,避免高峰期的拥堵；此外,日本还借助先进的虚拟现实技术模拟道路上机动车和行人的行为,以此来分析预测交通事故,并根据分析结果作出合理的交通设计决策；日本的汽车行业也在积极推进自动驾驶汽车技术,研究自动驾驶汽车上路的各种自动控制技术问题。

日本不仅发展了交通大数据分析、预测技术,还充分发挥自身在汽车工业上的技术优势,积极推动国内交通基础设施的智慧化建设。比如,为了降低对化石燃料的依赖、提高太阳能使用的效率,日本大力推进电动车的普及事业,通过电动车与社区能源管理系统的结合,扩大了太阳能利用的领域 (图5)。

2.家庭能源使用管理方面

(1)丰田市。

作为一个EV、PHV和 ITS实证实验示范城市,丰田市正在致力于导入新一代汽车及智慧交通系统,努力建设成为一个低碳的世界模范城市。丰田市设想了 10 年后的家庭生活环境:一方面,可再生能源得到充分利用,各种节能 /蓄能设备得到普及,同时使用家庭能源管理系统(HEMS)对包括新一代汽车在内的能源使用进行综合控制,使居民过着“没有浪费、方便、轻松、快乐”的低碳生活。另一方面,通过导入新一代移动设施、完善公共交通基础设施、提倡新型交通使用模式,实现“世界第一人车和谐城市”的建设目标。消费者可以通过身边终端的“可视化”“行动支援”“控制”等功能,轻松地选择对整体城市环境有利的低碳生活方式,并享受自己的低碳行动所带来的各种奖励与实惠。

综上所述,丰田市着眼于家庭部门(家庭 交通)设想了10年后的家庭生活方式,认为太阳能发电 (PV) 将得到普及、社会将实现用电平价等,并对电动车(EV)的普及、引导居民环境意识、推进住宅里建设 EV 充电站、教育居民将来灾害时可利用 EV 的蓄电供应紧急家庭用电等中期技术课题作一些新的尝试探索。

(2)北九州市。

目前北九州市正在推进“北九州智慧社区创造事业”地区能源的高效使用与管理,试验区的面积约为 120hm²,主要向邻近的炼钢厂和地区内的一般住宅及办公大楼供应电力。从2012年起,这里引进了日本第一个“动态定价”的收费系统,系统能根据气象信息等在前一天预测第二天的电力供求,然后决定收费价格。实施这种收费方式的目的是促进消费者节省用电和消减用电峰值,有效进行发电的总量控制。一般家庭的电费,1 千瓦 / 小时大约是 25 日元,该地区用电量较少的时间段是晚上和凌晨,在此时间段1千瓦/小时的电费可以设置在 6 ～ 15 日元之间,以促进这个时间段的用电。夏季用电量峰值时间段集中在下午一点到五点之间,以此为标准将电费分成五阶段,最便宜的是第一阶段 (1 千瓦 / 小时是 15 日元 ),最高的是第五阶段 (1 千瓦 / 小时是 150日元),二者的收费差距达10倍之多。根据预测,如采用这种收费系统,家庭和办公大楼的用电量将减少20%。

北九州市设置了“地区节电站”,掌握整个地区所有的电力供需信息,供应电力的一方能够根据家庭和事业单位每小时的用电量需求制定发电计划。然而,在发电设备中有的是依靠自然能源发电的,因此要先预测发电量中自然能源的发电量需求,在减去这部分发电量后再制定能满足用电供需的发电计划。当供需不能保持平衡时,可提高需求较多的时间段的电费,以此减少用电的人数,以降低需求。如果在需求较低的时间段降低电费,用电需求量就会增加。北九州市采用这种动态电费制度的目的就是改变需求状态,从而减少对发电设备和燃料的消耗。除此以外,北九州市还积极引进可再生能源等,如太阳能,这样就能更细致地管理区域内的电力。

三、从中国智慧城市建设的需求来看日本经验

(一)日本经验的总结

在近 30 年的建设过程中,日本作为发达国家,其智慧城市建设从整体来说是为了提高市民的生活质量,追求的是以高效节能为中心的新未来城市,同时也是活化企事业经济活动的一个新阶段。因此,智慧城市通过政府和企业向市民提供新的设施、服务及商品,促进市民的积极参与,描绘城市未来形象。同时,积极采用ICT技术,通过寻求新的高效节能的解决方案,在改变城市设施的同时促进市民对智慧生活方式的适应。

1.政府与企业协作

日本智慧城市的建设表明了各建设主体在智慧城市建设过程中相互协同的重要性。智慧城市项目具有全方位、多元化的特征,从实施层面来说,中央政府和企业、地方政府、社会团体均扮演了不可或缺的角色。

日本智慧城市项目是由政府与企业共同推行,地方政府通过公开募集能源供给公司或与能源供给相关产业公司( 如横滨市的日产汽车和东芝公司、丰田市的丰田汽车公司等当地规模较大的企业 ) 形成智慧城市建设的主体,并与企业以成立合资公司的形式合作,在实际的项目执行过程中,以公司为管理实施主体,各个分公司企业承担部分生产和服务职能。

企业及学术研究机构是智慧城市建设技术的设想者和开发者。政府通过知识、科技导向的生产方式构筑高性能、低成本的社会基础设施,并负责项目的营运以及后期的调整、维护工作。在此过程中也离不开各城市设施建设相关研究单位的共同协作。

2.自下而上、落实底层、全面多元的基础设施建设

日本是踏踏实实的从基础设施的智能化做起,通过政府的政策支持及企业的资金投入,将现代化通讯技术、传感技术等应用于城市设施的更新,并通过这种以“底层建设”为先导的方式推动智慧城市设施的更新,发展互联网产业,提高社会服务。例如,日本为了实现智慧城市水管理,严格实行分区分质供水,并在供水和排水系统中安装了传感设备,监控并分析用户的给排水需求量。日本的智慧电网、防灾体系和智慧交通等也是按照由小及大、自下而上、全面多元的角度进行建设的。

3.创建统合数据,实现数据共享与智慧化的城市管理

为了更好地实现信息基础设施的建设,日本政府融合了交通、规划建设、防灾、税收和水管理等各部门的政府数据,从政府内部实现数据共享,而后拓展到各部门之间的数据共通,最后构建一个统合型空间数据库。作为智慧城市管理的数据库,统合型空间数据库不仅便于发现建设过程中的问题、展示建设效果,还便于进行进一步的学术研究。这种基础建设、建设完成后的运营数据获取与分析、各类别数据的共享与应用又会作用于新一轮的设施建设,同时通过设施建设的良性循环,形成智慧城市运作机制。此外,日本也十分重视因数据涉及到的用户隐私安全等问题,颁发了《个人情报保护法》等法律保障数据资源的有效与合法应用。

总体而言,日本智慧城市建设取得的成果多集中于小区域、小范围的试验区,其智慧城市建设无论是从硬性的基础建设还是软性的法律支持上,都有值得学习和借鉴之处。

(二)对中国智慧城市建设的启示

因为各国智慧城市建设侧重的内容、方针不同,所以在实现智慧产品的空间整合和构建相关空间规划设计与建设的模式上并没有标准化的模式。对于中国而言,在不同尺度推动智慧城市的建设需要考虑的内容更为丰富和全面,需要构建的体系更为复杂。基于日本智慧城市建设案例的经验总结,结合中国智慧城市建设的需求看,日本智慧城市建设有以下几点值得重视与参考:

1.推进智慧城市项目的企业参与

随着智慧城市建设在公共服务和基础设施领域的不断扩大,中国需要不断探索和实践创新性的实施体制。例如,知识型、科技型的企业在提供公共智慧产品的基础上,通过高效现代的运营模式,以合作的形式获得政府的支持以保证营利性项目的实施。为保护公共利益和实现公共服务产品的提供,政府需要主导、监管并全程参与实施和运营过程,通过国家补助与企业经营的模式使得社会共享智慧城市建设的成果。而合作模式需要根据不同项目和不同地方来明确参与的主体、形式、范围和程度。

同时,智慧城市的建设并不能单靠政府的概念性规划愿景来实现,为了让城市建设实现真正的智慧化,需要各个部门协同合作,统一规划与指导,严格制定实施标准,密切结合企业的力量,促进智慧城市产业链的形成,推进智慧城市建设的自主性、长远性发展。

2.扎实进行智慧基础设施全面与多元的建设

智慧城市的建设,不应该完全依赖于上层的推动,而应从大处着眼、从小处着手,从市政、交通、公共服务、医疗、电力和水利等基础设施的智能化做起,通过统筹规划、统一标准,自下而上地逐步实现全国范围内各种基础体系的智能化更新与演进,并在此基础上实现政府各部门、社会各团体间的数据收集、整理与分析研究。

3.积极应对智慧城市建设的市场需求与挑战

建设智慧城市首先需要理清中国城市发展的市场需求,弄明白城市发展面临的挑战,因地制宜地设立建设目标,确定发展方向、制定发展方针和原则,扎实地、循序渐进地推动智慧城市的建设。因此,应该重视智慧城市建设技术及相关的基础研究,逐步实现智慧城市的建设。在全球智慧城市建设的浪潮中,开辟一条适合中国国情的、能切实解决中国城市问题的智慧城市建设路径,这是中国城镇化进程中必须面对的挑战,也是中国新型城市建设事业在全球化进程中不可多得的机遇。