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规划科技进步奖三等奖 | 基于城市人居空间刻画、诊断与推演的智慧规划关键技术

2023-11-30 11:28 来源:中国城市规划网

导读

中国城市规划学会科技奖是规划领域首个专享的社会科技奖,专门奖励规划领域的科学技术成果和规划科技人才,是学会的最高科技奖励。2022年度中国城市规划学会科技进步奖授奖项目共31项,其中一等奖4项,二等奖9项,三等奖18项。“中国城市规划”微信公众号将陆续介绍授奖项目。

北京清华同衡规划设计研究院有限公司的郑筱津团队凭借“供需匹配微画像-问题矛盾精诊断-情景模拟智推演”的智慧规划创新关键技术集成体系(包括“数据融合—认知提取—需求画像”三层次人居供需刻画技术、“关键要素耦合诊断--问题时空诊断--问题因果解析”三链条人居空间问题诊断关键技术、多要素系统匹配下的人居空间多情景推演模拟技术)获得2022年度中国城市规划学会科技进步奖三等奖。

项目名称:基于城市人居空间刻画、诊断与推演的智慧规划关键技术集成及应用

主要完成人:郑筱津,林文棋,卢庆强,汪淳,李颖,孙小明,余婷,张险峰,欧阳鹏,陈会宴,谢盼,刘丽,杨钦宇,李洋,刘雨晴

主要完成单位:北京清华同衡规划设计研究院有限公司

一、技术研发背景

随着我国城镇化进入中后期,城市发展面临的矛盾和问题趋于复杂化,人居空间环境面临的风险挑战日益加剧。针对错综复杂的人居空间环境问题和高质量发展要求,规划和空间治理要遵循整体思维和系统观,深入推进更加智能化、精细化、集成化的技术方法体系创新和实践探索,提高应对人居空间环境复杂问题的能力和水平。

然而当前实际规划工作过程中仍然普遍存在着人居空间问题识别碎片化、处理粗放式和响应滞后性等情况。本项目针对城市人居空间复杂问题,注重系统治理、综合施策,建立从人居空间“需求识别-问题诊断-智能推演”的规划关键创新技术集成体系,强化科学技术体系的系统化支撑,提升规划治理的综合效能,具有重要的现实价值和示范意义。本项目重点解决两大核心问题:

一是建立人的需求与人居空间需求的传导转译技术手段,更好的识别与解决作为规划对象的“人-空间-时间”系统的需求匹配与问题诊断的技术难点。针对人居供需匹配关系刻画,突破对人居需求、空间供给和供需关系的高精度、高时效、全时相、多尺度、多维度画像技术集成创新。针对人居系统问题诊断,构建“关键要素耦合诊断--问题时空诊断--问题因果解析”技术体系,为人居空间问题精准化诊断和针对性规划策略制定提供科学依据。

二是基于需求匹配与未来趋势预测的基础,构建“多情景需求-多规划方案供给”的人居空间供需动态模拟技术,突破多影响因素和多目标协同下的规划方案编制和综合效益评估,为规划方案的选择与决策提供扎实科学基础。

二、主要科学技术内容和科技创新点

(一)主要科学技术内容

(1)建构“供需匹配微画像-问题矛盾精诊断-情景模拟智推演”的规划创新关键技术集成体系

项目以人居环境科学理论为指导,从“人-空间-时间”系统演化规律入手,针对城市规划中供需匹配关系刻画不实、问题诊断归因不清、多情景方案推演支撑不足等问题,按照“供需匹配微画像-问题矛盾精诊断-情景模拟智推演”进行技术集成创新。经过持续研发,融合多源数据,利用人工智能、特征工程、系统动力学等算法,构建3大环节18个关键技术模块,在多领域、多地区、多层次的项目中应用,有力提升了规划和空间治理的科学化、高效化、精准化和智能化水平。

(2)构建“数据融合—认知提取—需求画像”三层次人居供需刻画技术

针对人居空间供需缺乏系统识别、应对粗放问题,融合多源数据,开展真实应用场景导向的特征提取和精准画像,通过“数据融合-认知提取-需求画像”的总体路线,构建了基于手机信令的人居需求精准微画像技术、基于动态数据的人居空间供给精准画像技术和基于特征工程的人居空间供需关系画像技术,实现高精度、高时效、全时相、多尺度、多维度的人口、空间和供需匹配画像,为人居需求和空间供给的精准研判及空间精细化配置提供有力支撑。

在基于手机信令的人居需求精准微画像技术方面,研发了高精度、高时效、多维度的人口画像技术,为全时相、多尺度人居需求精准研判提供支撑。在基于动态数据的人居空间供给精准画像技术方面,融合POI等空间数据和互联网LBS、手机信令、企业工商注册等主体动态数据,实现对人居空间功能、品质、绩效更细尺度、更高动态的特征画像。在基于特征工程的人居空间供需关系画像技术方面,拓展了相关技术在空间功能优化、业态布局提升、住房与公共服务配置等领域应用场景。

(3)突破“关键要素耦合诊断--问题时空诊断--问题因果解析”三链条人居空间问题诊断关键技术

针对人居空间问题诊断中要素耦合难量化、因果机制难解析等挑战,突破了要素耦合关系研判、问题时空特征、因果关系诊断技术,拓展了相关技术在空间布局优化及城市治理等领域应用。基于场域解析的人居空间关键要素耦合诊断技术,利用机器学习、知识图谱方法,从产业、人口、功能、成本、获得感等维度量化分析城市人产空间耦合关系、协调度及不协调因素,为空间布局优化提供支撑。基于贝叶斯模型的人居空间问题时空诊断技术,精准识别问题严重区域。结合互联网和12345热线反映的市民关注度,建立“治理优先地图”,支撑治理措施精准部署。基于结构方程模型的人居空间问题因果解析技术,从硬件建设、社会管理、人群活动三个维度构建影响因子,利用结构方程模型开展归因分析,为规划针对性措施提供科学依据。

(4)研发多要素系统匹配下的人居空间多情景推演模拟技术

针对空间规划方案传统评估方法的现实局限性,研发多要素系统、多目标匹配的人居空间多情景推演模拟技术,拓展了在建设空间精明增长、空间环境品质优化提升、重大项目选址等领域的量化决策支撑应用。基于CA等量化模型的空间规划方案多情景模拟技术梳理建设用地增长影响要素,形成影响因素库。利用CA逻辑回归、神经网络等算法对不同类型城市开展多情景模拟,探究不同因素影响机制,大幅提升模拟应用有效性。基于CFD模型的风环境模拟技术研究设计方案风场特征,提出风环境优化策略,增强城市风舒适性。基于遥感热力反演模型的热环境影响模拟技术利用热红外遥感影像反演城市地表温度,支撑制定城市热岛减缓策略。基于人工智能算法的重大项目选址决策模拟技术利用决策树、遗传算法等方法,构建城市空间模拟模型,支撑多目标框架下的量化决策。

(二)科技创新点

(1)创建了由“供需匹配微画像-问题矛盾精诊断-情景模拟智推演”构成的智慧规划关键技术方法体系,为新时代人本需求导向下的精细化和智慧化规划提升提供了科学指导。构建了“数据融合—认知提取—需求画像”三层次人居需求刻画模型,高精度、高时效、多维度刻画不同人群需求特征、不同类型空间的供给特征和人居空间供需关系特征。建立了“关键要素耦合诊断-问题时空诊断-问题因果解析”三链条人居空间问题诊断关键技术体系,从耦合关系、时空特征、关键因素影响机制等角度全面开展问题剖析,并形成措施与问题精准匹配的规划方法。应用CA、AI等技术构建多要素、多情景规划推演模型,为规划方案比选、重点项目选址提供量化模拟决策工具。

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图1 高斯预测过程模型人口规模按月预测结果

(2)突破了“多源数据时空融合——人口分布和活动特征分析——人居空间供需分析评估”关键技术,支撑高时空精度的“人居需求-空间供给-供需关系”三大画像技术集成,为“以人民为中心”的多尺度多层级规划编制和空间治理提供了技术支撑。基于“规模+时序+空间”综合算法研发数据清洗与样本纠偏模型,突破性解决手机信令数据样本有偏问题,显著提升数据可靠性。突破城市多终端数据源融合分析技术,提出时空范围一致性处理与汇聚单元的标准与方法,融合手机信令、POI等数据资源,分析人居需求、空间供给和供需关系特征,并在全国143个城市中广泛应用。

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图2 城镇住房均衡指数空间分布

(3)突破了“人居空间要素耦合-问题诊断-因果解析-多情景模拟”关键技术集成,为规划方案推演决策、环境品质优化提升、重大项目落地等多环节空间规划和治理服务提供科学支撑。基于场域解析、贝叶斯模型、结构方程模型等方法研发人居空间关键要素耦合、问题时空诊断和因果解析技术,并拓展CA模型、人工智能算法在规划领域的应用,建立了空间规划方案多情景模拟技术和重大项目选址决策模拟技术等,在10余个国土空间总体规划、20余个城市发展研究中进行集成应用,提升了规划成果科学性。

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图 3:城镇建设用地增长多情景模拟示意图

三、与国内外同类技术比较

项目相关成果总体达到国内外先进水平,经过国家一级科技查新单位出具的专业科技查新报告,认定本项目技术在所查的国内外文献中,未见其它相同文献和报道,本项目具有新颖性。

本项目建立了由“供需匹配微画像-问题矛盾精诊断-情景模拟智推演”构成的智慧规划关键技术体系。项目技术成果通过支撑全国不同地区、不同尺度空间规划编制和管理实践,实现“政策模拟-科学规划编制-精准规划实施-完备监测评估”全流程闭环技术应用支撑。

四、推广应用情况和应用前景

(1)推广应用情况:成果构建的“数据融合—认知提取—需求画像”三层次人居供需刻画技术广泛应用于城市体检评估、人口监测、城市研究等项目,实践遍及北京朝阳、海南三亚、江苏南京等143个城市;三链条人居空间问题诊断关键技术广泛应用于城市体检评估、总体规划、城市管理咨询等项目,实践遍及北京亦庄、西城、朝阳、福建福州等地;人居空间多情景推演模拟技术广泛应用于国土空间规划、城市设计、建设项目审查管理系统等研究和平台建设中,实践遍及河南省黄河流域、重庆、上海、福建南平等10余个城市或区域。本技术成果在省域、城市、区县等不同层次的140多个城市规划和国土空间规划中实现集成应用与示范,融合多源数据和算法模型,量化支撑城镇化、产业提升、空间优化等规划板块。本技术成果有力支撑了城市体检评估规程制定等国家技术标准制定工作,也服务于地方自然资源、住建、统计、发改、城管等部门管理决策,科学支撑了规划编制和空间治理相关工作。

(2)应用前景:本成果融合多源数据,利用人工智能、特征工程、系统动力学等算法,构建了3大环节18个关键技术模块,可广泛应用于城市体检评估、国土空间规划编制、城市设计、监测预警、建设项目审查、“一张图”信息化管理等多元化应用场景,可以广泛服务于城市各部门科学管理决策,有力提升规划和空间治理的科学化、高效化、精准化和智能化水平。

五、经济社会效益

(一)经济效益

(1)直接经济效益。本项目研发的相关技术成果在143个项目中进行推广应用,直接经济效益显著。应用本项目技术的产品和服务质量明显提高,极大地提升了规划咨询的科学性和效率,并得到政府部门的高度认可。

(2)间接经济效益和环境效益。本项目研发的科技成果为10余个国土空间规划项目进行了用地布局优化模拟,有效提升土地利用效率,节约土地资源。基于人居空间供需关系精准画像的空间分析,提升居住空间、商业空间、产业空间的利用效率,提升空间绩效,创造更广泛的经济收益。基于特征工程算法的职住平衡分析技术应用,量化支撑优化城市就业空间、居住空间布局,减少通勤距离,降低出行成本,节约交通能源消耗。利用风热环境模拟等空间品质提升技术,有助于城市人居环境提升和城市热岛减缓等规划策略制定,减少建筑能耗,促进城市绿色低碳发展。

(二)社会效益

(1)引领规划行业智慧化技术应用进步。一方面依据规划应用需求研发大数据清洗和样本纠偏、识别规则与匹配等基础算法,并将相关技术标准化推广,提升大数据支撑规划编制分析的数据质量和精准度,推动相关技术更广泛地应用和发挥效益;另一方面,将人工智能、特征工程等模型算法引入到规划行业中,研发城市问题诊断和系统推演技术,引领规划行业智慧化决策和科学化进步。

(2)推动人居环境科学理论在规划领域的深入应用。在以人民为中心的城市发展新时代,规划编制过程中,进一步强调人居环境科学理论的指导和应用,以人居需求为导向,应用系统性分析技术和方法,提升规划对人居需求的精细化满足和引导提升。作为成员单位,以相关技术方法支撑自然资源部智慧人居环境与空间规划治理工程技术创新中心的建设。

(3)推动优化以人民为中心的空间规划治理体系。在需求分析、问题诊断、规划方案比选、重点项目选址等诸多环节中,均不断推动对人居空间环境需求的考量和响应,推动建立以人民为中心的规划建设管理体系,从规划到建设全周期保障,通过技术赋能提高空间规划治理效能,改善人民物质文化生活水平和群众获得感。

六、知识产权情况及他人评价

项目相关成果总体达到国内外先进水平,相关技术成果已获1项发明专利授权、1项实用性新型专利、28项软件著作权,支撑4项新技术应用标准规范制定,发表相关论文成果50多篇。相关技术方法为多层级、多维度的规划咨询和空间治理提供技术支撑,实现了城市、区县、街区等不同尺度的应用实践,获省部级及以上奖32项,科学支撑规划编制和人居空间治理相关工作。

在项目或课题评审中,专家认为相关技术在北京、重庆、福州、南京等城市中应用效果显著,研究方法先进、科学,论证充分,针对性强,对政策制定具有可操作性的指导意义。此外,专家认定区域和街乡人口数据研究模型具有开创性,基于遥感AI的城市空间变化监测模型算法精度和模型运算效率世界领先,模型分析结果具有较大参考价值,可以作为市、区、街乡管理决策的有力依据,具有全国推广价值。

供稿人:欧阳鹏,北京清华同衡规划设计研究院有限公司总体研究中心总工;汪淳北京清华同衡规划设计研究院有限公司院副总规划师、总体研究中心副主任;李颖,北京清华同衡规划设计研究院有限公司技术创新中心数字治理所副所长

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