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化繁為簡(jiǎn)之道

隨著城市的規(guī)模和密度不斷加大，電力、供水、交通網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)張，我們需要更多的電腦幫助我們了解和管理這個(gè)世界。要做到這一點(diǎn)，并且保證讓人類掌控一切，的方式就是化繁為簡(jiǎn)。

大布賴滕巴赫是德國(guó)圖林根森林地區(qū)一座風(fēng)景如畫的旅游小鎮(zhèn)。它還是如今革命性、最復(fù)雜的能源工程的一部分。但當(dāng)?shù)?700個(gè)居民卻不這么認(rèn)為。對(duì)他們來(lái)說(shuō)，大布賴滕巴赫稱得上聲名顯赫的一點(diǎn)，就是培育了德國(guó)冬季運(yùn)動(dòng)的傳奇人物曼努埃拉和亨克爾，兩人均曾在各自的項(xiàng)目上獲得奧運(yùn)會(huì)和世錦賽。

上圖：大城市中，供水、能源和物流等基礎(chǔ)設(shè)施相互交織。

但是，一段時(shí)間以來(lái)，大布賴滕巴赫一直“陰云密布”。究其原因，是聯(lián)邦政府決定逐步讓可再生能源發(fā)電取代現(xiàn)有的發(fā)電系統(tǒng)。隨著德國(guó)最后一座核電站于2022年退役，德國(guó)綠色電能的占比將在2020年達(dá)到35%，2050年更是要達(dá)到80%。“這將導(dǎo)致電力行業(yè)的重大調(diào)整，其復(fù)雜度也。”德國(guó)能源聯(lián)邦署主席Stephan Kohler說(shuō)道。使這項(xiàng)宏偉計(jì)劃如此復(fù)雜的原因是，它需要大量的可再生能源、新的電網(wǎng)技術(shù)、新的蓄能系統(tǒng)。

對(duì)于這個(gè)小鎮(zhèn)上的居民來(lái)說(shuō)，這就意味著同意在自家門口架設(shè)一條輸電干線。這條線路將把德國(guó)北部風(fēng)電場(chǎng)的電能傳送給南部的電力用戶。如今，本地居民的反對(duì)浪潮高漲，還成立了行動(dòng)小組。但是，從更廣泛的范圍來(lái)看，國(guó)家能源鏈的每個(gè)環(huán)節(jié)——從北海的海上風(fēng)電場(chǎng)，到圖林根小鎮(zhèn)，再到打造綠色未來(lái)的愿景——都是息息相關(guān)的。“正因?yàn)槿绱?，所有這一切才變得這么復(fù)雜。”Kohler指出。

對(duì)于自身在德國(guó)能源改革中應(yīng)發(fā)揮的作用，大布賴滕巴赫的居民可能有一種偏見，但是400公里以外南部民眾的積極性卻異常高漲。比如，在巴伐利亞Allgau地區(qū)的Wildpoldsried村，2500名居民建立了讓其他小鎮(zhèn)羨慕的可再生能源經(jīng)濟(jì)模式。借助光伏電池板、生物質(zhì)分解器和風(fēng)電場(chǎng)，Wildpoldsried能夠產(chǎn)出兩倍于自身需求的電能。這一系統(tǒng)的不足在于，能源盈余給當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)造成了很大壓力。根據(jù)陽(yáng)光強(qiáng)度和風(fēng)力大小，該地區(qū)30分鐘內(nèi)的電能輸出波動(dòng)可達(dá)40兆瓦。

為了提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，Wildpoldsried最近的電力公司——Allgauer Uberlandwerk正與西門子合作對(duì)新技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。他們研究的主要課題是，在可再生能源并網(wǎng)發(fā)電后，如何利用智能電網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)電網(wǎng)內(nèi)部的復(fù)雜過(guò)程。他們正在對(duì)軟件代理支持的自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行測(cè)試，以便管理電力流動(dòng)并實(shí)現(xiàn)電力供需平衡。下一階段，該項(xiàng)目還將納入32輛電動(dòng)汽車供Wildpoldsried居民租用。車輛的電池可暫時(shí)存儲(chǔ)盈余的電能。

現(xiàn)代生活的其他方面同樣面臨著復(fù)雜度不斷提高的挑戰(zhàn)。例如，在城市中，不同的基礎(chǔ)設(shè)施相互交織，組成了一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。隨著使用這些網(wǎng)絡(luò)的人數(shù)越來(lái)越多，具體化地描繪并預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行越來(lái)越難。到2015年，全球各地至少有25個(gè)人口過(guò)千萬(wàn)的特大城市。最大的蟻巢有200萬(wàn)只螞蟻，但其復(fù)雜程度和人類城市相比也不過(guò)如此。在這種復(fù)雜的系統(tǒng)中，即便是輕微的變化也會(huì)產(chǎn)生重大的影響。比如，修建一條地鐵線可能對(duì)周邊的電力、燃?xì)?、飲用水供?yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響——更不用說(shuō)對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦挠绊懥?。迄今為止已被證實(shí)的一點(diǎn)是：預(yù)測(cè)這種互動(dòng)及其影響的難度極大。這也令很多城市規(guī)劃者感到遺憾。

模擬城市。西門子中央研究院（CT）的工程師們正試圖揭示這些復(fù)雜的相互依存關(guān)系。為此，他們已經(jīng)開發(fā)出一種軟件平臺(tái)，可以創(chuàng)建一個(gè)完整的虛擬大都市，這樣工程師就可以規(guī)劃并模擬基礎(chǔ)設(shè)施的變化調(diào)整。只需輕點(diǎn)鼠標(biāo)，科學(xué)家們就能創(chuàng)建大街小巷。軟件可以顯示出新的建筑工程會(huì)對(duì)周邊街區(qū)產(chǎn)生怎樣的影響，包括可能發(fā)生的交通擁堵，以及對(duì)地區(qū)能源平衡的影響等。研究人員還使用該軟件來(lái)推斷社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的變化，如就業(yè)率、人均經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值等。西門子的研究人員還計(jì)劃將本地建筑規(guī)范以及能效要求納入模擬，另外還會(huì)考慮諸如氣候和人口變化等長(zhǎng)期因素，這都會(huì)對(duì)建設(shè)方案產(chǎn)生影響。

從地表上看，城市已經(jīng)夠復(fù)雜了，但是真正的挑戰(zhàn)往往潛藏在地表以下，因?yàn)樵谶@里，眾多水管交錯(cuò)形成的迷宮像巨大的蜘蛛網(wǎng)一樣綿延不絕。隨著城市不斷擴(kuò)張，它的管道迷宮也在不斷擴(kuò)張——由于滲漏造成的問(wèn)題也會(huì)日益嚴(yán)重。例如，倫敦的供水管網(wǎng)長(zhǎng)達(dá)三萬(wàn)公里。即便是富裕的城市也深受管網(wǎng)漏水的困擾。倫敦供水管網(wǎng)滲漏量降低百分之一，節(jié)省的水就夠22.4萬(wàn)人使用。

在發(fā)展中國(guó)家，情況就嚴(yán)重多了。世界銀行的統(tǒng)計(jì)表明，每天由于管道滲漏造成的漏水量高達(dá)4500萬(wàn)立方米。除這種浪費(fèi)外，還有水質(zhì)下降問(wèn)題，因?yàn)槲廴疚锟赏ㄟ^(guò)管道的裂口污染飲用水。要想準(zhǔn)確查明滲漏位置，難度很大，而且代價(jià)不菲，主要是因?yàn)榱髁坑?jì)和類似檢測(cè)設(shè)備的數(shù)量不足。

西門子工程師已開發(fā)出一套系統(tǒng)，能夠自動(dòng)檢測(cè)到大型管道網(wǎng)絡(luò)中最為細(xì)小的裂縫。該系統(tǒng)對(duì)不同的網(wǎng)段在用水量最低的時(shí)段進(jìn)行檢測(cè)，比如夜間，這樣就可以得出各自的參考值。如果這種用水量突然猛增，就說(shuō)明存在滲漏現(xiàn)象，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警報(bào)。

智能技術(shù)不僅能用于監(jiān)測(cè)飲用水的供應(yīng)，也可用來(lái)緩解交通壓力。在某些地段，車輛的數(shù)量劇增，有可能阻塞街道。比如，印尼首都雅加達(dá)的街頭就有將近700萬(wàn)輛車，每天還有1100多輛新轎車或摩托車加入這個(gè)車輛大軍。雅加達(dá)為交通擁堵付出了沉重的代價(jià)。根據(jù)印尼大學(xué)環(huán)境專家Firdaus Ali所做的一項(xiàng)調(diào)查，堵車給這座城市帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)每年30億美元左右——根源在于由此造成的生產(chǎn)率損失，此外惡劣的空氣質(zhì)量還導(dǎo)致醫(yī)療成本不斷攀升。

盡管如此，我們依然看到希望的曙光。比如，對(duì)于中國(guó)武漢的850萬(wàn)名居民來(lái)說(shuō)，道路交通最近有所改善，原因之一是引進(jìn)了西門子精密的交通管理系統(tǒng)。全市共有420個(gè)十字路口、岔道口和轉(zhuǎn)彎處安裝了攝像頭，用于監(jiān)控車流量。它們采集的數(shù)據(jù)被傳輸至控制中心，電腦據(jù)此計(jì)算出紅綠燈的轉(zhuǎn)換時(shí)間，從而盡可能避免形成交通擁堵和其他道路交通障礙。

柏林也在使用西門子的數(shù)字化技術(shù)控制交通流量。德國(guó)這座最大的城市于2005年就開始應(yīng)用世界上*的交通管理系統(tǒng)。它能夠根據(jù)當(dāng)前的交通數(shù)據(jù)和不同時(shí)段，自動(dòng)控制全市1700多個(gè)紅綠燈以及300個(gè)交通流量指示牌。

力求簡(jiǎn)單。道路、飲用水以及電力網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和復(fù)雜度都在不斷加大，因此更需要能夠評(píng)估當(dāng)前條件并相應(yīng)優(yōu)化其功能的傳感器和計(jì)算機(jī)。就廣義的機(jī)器對(duì)機(jī)器通信而言，市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)IDC的分析師預(yù)測(cè)，到2015年將會(huì)有150億個(gè)智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，而到2020年這一數(shù)字預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)至500億。這種潮流也提出了一些新挑戰(zhàn)，比如，如何盡量使這些設(shè)備簡(jiǎn)單直觀且易于操作，同時(shí)還要確保它們不易被襲擊。全面滿足所有這些需求是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。對(duì)此，西門子中央研究院實(shí)用性實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了幾種辦法，可以使復(fù)雜體系簡(jiǎn)便易用。他們開展的研究項(xiàng)目大到CT掃描儀，小到簡(jiǎn)化電動(dòng)車充電過(guò)程的新應(yīng)用。

盡管如此，要實(shí)施諸如大布賴滕巴赫附近的架空輸電線路這樣的大型項(xiàng)目，所需要的可不僅僅是簡(jiǎn)單。瑞士人用行動(dòng)說(shuō)明，不管多么南轅北轍的觀點(diǎn)都有可能得以調(diào)和。Aargau州建立一個(gè)廢品回收中心的計(jì)劃，最初遭到當(dāng)?shù)鼐用竦膹?qiáng)烈抵制。但是在咨詢程序結(jié)束時(shí)，連受影響最大的社區(qū)都贊成這個(gè)項(xiàng)目。當(dāng)局使用的“計(jì)謀”就是讓居民自己做決定。