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张雪原、许景权、高国力:我国基础设施系统集成的机制构建、突出问题与优化思路

来源:城市中国网 发布时间:2024-05-10 点击次数:2288

摘要 : 当前,我国基础设施呈现越来越强的融合和关联复杂化趋势。基础设施的系统集成化虽然大幅提升了运行效率、取得了巨大综合效益,但也给基础设施扩展升级和安全防范带来不小挑战。目前,我国基础设施系统集成存在信息化程度不高制约系统集成优化,布局不合理导致连接节点存在间断,基础设施间连接界面柔性不足和应急状态相互支持不够,共建共享不足导致空间资源浪费和相互干扰,基础设施新技术演变不同步形成相互制约,管理体制独立性强、缺乏统筹制约各类设施间相互协作,不同基础设施之间标准不衔接、协议不互认、协调技术落后等问题。应面向正常、应急、升级三种状态,规划、建设、管理三个环节,区域、城市、乡村三类尺度完善基础设施系统集成优化思路。通过大力提升基础设施数字化、智能化水平,打通断点,促进基础设施跨领域融合发展,提高基础设施跨领域、跨行业的韧性水平,推动基础设施枢纽、通道和站点共建共享,强化政府和企业管理的跨领域统筹与合作,以支撑我国现代化基础设施体系建设重大战略任务的实施。

作者:张雪原,许景权,高国力

文章来源:《经济纵横》杂志2024年第3期

一、引言

当前,在数字化加快推进的背景下,交通、能源、水利、信息等各类基础设施已经很难被看作独立运转的系统,各类基础设施通过各种方式高度关联,呈现越来越强的融合趋势和关联复杂化趋势。[1]如,多式联运、电力源网荷储一体化和多能互补发展、三网融合等已成为交通、能源、信息基础设施领域重要的改革方向,在提升运行效率、支撑国家战略上的作用不可忽视。但也要看到,高度关联带来了较多负面影响,如大幅增加了基础设施体系的复杂性,单一设施状态的改变会使整个基础设施体系“牵一发而动全身”,给基础设施的扩展升级和安全防范带来较大挑战。这种转变不仅改变了基础设施体系的建设运行方式,更深刻影响了经济社会的发展模式和人们的生活方式。这要求我们不能再独立看待各类基础设施,而应建立更具整体性的研究和实践框架。

党的二十大报告提出要“优化基础设施布局、结构、功能和系统集成,构建现代化基础设施体系”[2],基础设施系统集成在国家政策层面上升到一个前所未有的高度,也越来越受到各方关注。目前,对于基础设施系统集成的探讨主要集中在细分行业展开的系统集成研究,如高铁的系统集成技术、科技基础设施的系统概念模型、多能源互补分布式能源系统集成。对于多种基础设施的融合发展,也有一些理论探索,如能源—交通—信息三网融合发展[3],但融合并不等于系统集成。另一个重要的研究视角是基于脆弱性的基础设施相互依赖关系研究。Rinaldi等[4]将基础设施作为一个复杂适应系统来认识,并对关键基础设施的相互依赖关系从关系类型、环境、耦合响应行为、故障类型等方面进行系统解析。之后,基于复杂网络的关键基础设施脆弱性成为一个新研究领域,学者们对基础设施系统关联性进行解释和分类[5],并通过各类系统建模方法对其脆弱性进行分析评价[6]。这一视角为基础设施系统集成提供了非常宝贵的理论基础,但其主要针对相互依赖关系研究脆弱性,仍然难以涵盖基础设施系统集成的内涵。总而言之,尽管基础设施系统集成的重要性已经得到广泛认识,但关于其机制及优化方向等方面的理论研究和实践探索仍处于初级阶段,这无疑限制了基础设施系统集成的深入发展和广泛应用。

基础设施体系可被认为是一个由多个子系统组合而成的复杂系统。基础设施系统集成的内涵可以理解为通过各种集成技术将各类基础设施组合成为具有复杂系统特征的基础设施体系的过程,涉及多学科、多领域,极具挑战性。本文将深入探讨基础设施系统集成的机制,并将其运用到我国基础设施系统集成问题分析上,在此基础上提出优化目标和对策建议,以期为我国基础设施系统集成的优化提供理论支持和实践指导。鉴于国内外对基础设施的定义和分类纷繁,为方便理解和分析,选择交通、能源、水利、信息四类重大基础设施作为主要研究对象。

二、基础设施系统集成的机制构建

(一)基础设施体系的相互作用关系

系统论认为系统是各组成部分及其相互作用关系的集合,[7]各类基础设施之间存在大量的相互作用关系,通过多种机制在多个节点连接,由物质、能量、信息的输入和输出形成,作用关系的类型可以分为物理上、信息上的直接作用关系,以及地理上、逻辑上通过环境传导发生的间接作用关系[4,8]。以交通、能源、水利、信息等四类重大基础设施为对象,进行两两组合,就形成了六对两两相互作用关系。将六对两两相互作用关系进行叠加,形成基础设施体系总体的相互作用关系结构。如图 1所示,实线箭头代表直接作用关系,虚线箭头代表间接作用关系,“+”代表的是加强作用,“-”代表的是削弱作用。单次作用关系可通过多次传导、反馈,形成复杂回路,使整个体系产生非线性行为,极大地增加了体系内部互动关系的复杂性。

(二)基础设施系统集成的宏观形态分析维度

基础设施系统集成的宏观形态既是观测问题的视角,也是解决问题的操作平台。在同样的集成目的下,处于不同的宏观形态,需要解决的问题不同,要达成的目标不同,采用的技术和管理手段也不同。从宏观上看,基础设施系统集成形态可以分为三个维度:运行状态维度、生命周期维度、空间尺度维度。三个维度形成一个虚拟的坐标体系,以便精准地识别问题,找准对策。

1.运行状态维度。在正常运行、应急运行(包括超负荷运转和故障状态)、升级扩展三种状态下,各类基础设施之间的相互作用不同,必须在系统集成时分别对待。正常运行状态下,主要是完成物质、能量、信息的运转和传递。应急运行状态下,既包括基础设施安全保障的设施间协作,也包括应急维修时设施间的相互支持。升级扩展状态下,各类基础设施新旧技术的共存要求必须整体推进技术变革。

2.生命周期维度,也可以认为是时间维度。基础设施体系全生命周期包括规划设计、投资建设、运营管理三大环节,系统集成应贯穿三大环节,这样才能保障集成产生最佳效率。在规划设计阶段,如果在图纸上没有统筹安排,后期建设运营将很难实现有效衔接。在投资建设阶段,如果不能实现各系统的同频共振,规划则成为空谈。而只重视规划建设阶段的系统集成,后期运营依然是各自为政,则无法发挥系统集成的整体效益。

3.空间尺度维度。由于基础设施体系各部分在地理上广泛分布,可以划分为区域尺度、城市尺度、乡村尺度,不同尺度基础设施体系也有较大不同。在区域尺度,基础设施在整个广域上呈分布式,基础设施大型化且相对独立布局,如大的能源、交通通道及大的枢纽,集成度居中。在城市尺度,由于人口、经济高度密集,城市建设密度高,空间有限,各类基础设施在地理空间上高度相关,集成度相对较高,设施间存在密集的相互作用。在乡村尺度,密度相对较小,功能更加简单,因此集成度也较低。

(三)基础设施系统集成的关键控制变量

基础设施系统集成过程中存在若干变量,这些变量状态的改变驱动并控制着整个系统集成的结果,也影响着基础设施体系功能的发挥。在这些变量中,最关键的是节点界面性质、级联响应类型、集成模式、外部环境变化四个变量。将这四个关键变量提取出来并加以分析和调整,是优化基础设施系统集成的重要抓手。

1.节点界面性质。按照耦合的关系,基础设施集成的节点界面可分为刚性界面、柔性界面和隐性界面。刚性界面指高度相互依赖、联系紧密的节点,相互作用能够高效、即时地发生,但干扰和故障的联动也会更加密切,几乎没有弹性空间。如,电力设施与电气化机车是刚性界面,一旦供电中断,电力机车就无法行驶。柔性界面指基础设施之间相对独立,彼此之间虽有可见的相互作用,但两者状态的变化有弱相关性,结合相对松散。如,城市无轨电车因为有柴油发动机,因此与电力网的界面也是柔性界面。隐性界面代表可能存在的相互作用,在紧急状态和外部环境发生变化时才会出现并转为显性界面。如,通信设施的正常运行并不依托于公路,但在通信中断的紧急情况下,应急通信车依托公路形成新的通信网,这就是隐性界面转为显性界面的实例。

2.级联响应类型。级联响应指在一系列连续事件中前面一种事件能激发后面一种事件的反应,根据被驱动对象的响应效果和方向,可以分为传导响应和反馈响应。传导响应指一个基础设施状态的改变导致另一个基础设施状态的改变。这种传导响应可通过多个基础设施之间的相互作用链进一步进行传递,如电力供应中断导致电力机车停止运行,电力机车停止运行导致煤炭供应受到影响。反馈响应指一个基础设施状态的改变经过向其他基础设施传导,反过来影响到自己。反馈分为负反馈和正反馈。负反馈是被驱动设施对驱动设施状态变化的修正,通常表现为对基础设施正常运行的控制行为,如通过信息系统对基础设施偏离正常运行状态的调节和故障的发现与检修。正反馈则是被驱动设施对驱动设施状态变化的强化,这种情况一般将使基础设施系统偏离正常运行状态,导致故障的加剧,但在升级扩展时,又可以推动基础设施向新技术应用加快演化。

3. 集成模式。各基础设施单元按照一定的组合方式形成一定的拓扑结构,可以分为点对点模式、集成器模式和共享平台模式。点对点模式指基础设施单元直连,关系平等,对环境的响应呈分布式。在此集成方式中,决策负荷均衡,单节点对系统运行影响较小,只需将各单元接口两两连接。但当集成单元较多时,由于接口增多,协调起来较为复杂。集成器模式指通过中央集成单元集合基础设施单元,环境回应由中央单元负责,集成商是此类模式的典型。此结构降低了接口数量和协调难度,如需更改,只需改变中央单元,难度较低。共享平台模式指为需要衔接的各类基础设施搭建多主体共享的平台,不同主体可以在同一平台或环境中进行交互式衔接,各类主体的决策和状态能够及时同步,并被其他主体看到。这一模式既不需要分散地点对点对接,也不需要由第三方进行统一协调,大大减少了协调次数,但需要统一的沟通规则才能实现。

4.外部环境变化。一是技术进步。技术进步对基础设施系统集成的影响极为明显。如,信息技术的发明和广泛应用导致信息基础设施成为当前基础设施体系不可或缺的组成部分,并不断对传统基础设施进行改进。二是经济变化。基础设施体系服务于经济发展,经济的变化自然对于基础设施系统集成有着重要影响。如,电子商务的普及推动了信息基础设施与高速公路、货运机场等形成快递物流的新型集成方式。三是社会需求。社会因素如人的看法、人的需求对基础设施系统集成会产生影响。如,日本福岛核事故之后,欧洲民众对核电的看法发生极大转变,德国关闭所有核电,导致能源组织集成方式产生较大变化。四是政策法规。政策对于基础设施集成具有非常明显的导向作用。如,“双碳”政策的制定极大地改变了能源系统的集成方式,促进多能互补的高度集成化发展。五是气候变化。越来越多的极端天气事件也在逐步改变基础设施的集成方式。

三、我国基础设施系统集成存在的突出问题

(一)信息化程度不高制约系统集成优化

在现代的基础设施系统集成中,信息的收集和传递起着极为重要的作用,可以说是信息化的快速发展催生了基础设施的大规模集成。如,5G技术为多能互补、智能交通、智慧水务等提供高效低延时的信息传递支持;通过数据分析,优化设施运行过程,为新能源大规模入网后提供更加智能化的能源调度方案。然而当前仍存在两方面问题。一是传统基础设施的信息化程度不高。以水利设施为例,即使是在经济相对发达的江苏省,智慧水利和数字孪生水网建设仍然处于初级阶段,智能感知体系不健全,信息资源潜力发挥不够,业务系统虽多,但未形成有效合力。如多式联运中,“一单制”“一箱制”同样受单证电子化水平低的制约。二是数据共享不充分。目前,“不愿、不敢、不能”的问题普遍存在——许多机构将数据视为战略资源,主观上不愿共享;部分数据涉及敏感信息,可能存在法律风险,客观上阻碍共享;由于数据结构不统一,各机构数据难以互通,进一步阻碍了数据共享。这导致大量数据分散在各个行业和机构中,形成了许多“数据孤岛”,妨碍不同系统之间的统筹规划、联合调度、协同发展。如,在交通运输领域中,港口、铁路、海关等单位业务系统难开放、信息共享不完善问题突出,再加上我国数字交换、数据安全、大数据产品交易等方面的法规制度尚不完善,各种运输手段及运输公司之间的信息系统未能实现顺畅衔接和信息互通,信息交换过程中存在延迟和不精确的问题,导致在货物的各个运输阶段,信息无法得到快速传递和有效协同,增加了货物流转的不确定性和出现延误的可能性。

(二)布局不合理导致连接节点存在间断

如果在布局上不能有效统筹,硬件上的衔接就会受阻,基础设施间的物质、能量、信息的传递效率就会降低。一是布局上缺乏足够的接触界面。如,相比直接输煤而言,在煤炭生产基地就地建设燃煤电厂,将煤炭转化为电力,通过电网向能源消费中心输送,在经济性、能源保障、生态环境影响等方面均更优。但由于远距离电力输送通道布局不足,导致煤炭能源只能选择成本更高的铁路运输,运送到能源消费中心再进行发电,不仅导致煤电供应紧张的局面反复出现,也使经济、生态成本偏高。又如,公共交通方面,城市中存在不少站点覆盖不足的地区,由于缺乏足够的接驳交通,导致最后的步行距离过长,换乘极不方便。二是虽然布局了接触界面,但缺乏有效衔接,存在“连而不畅”“邻而不接”问题。典型如交通运输方面的“最后一公里”问题,港口集疏运不畅通,货物需要多次转运,降低了运输效率,这是导致“公转铁”发展缓慢的重要原因;由于各类客运交通衔接不畅,导致城际实际通勤时间远远大于城际铁路运行时间。又如,伴随着内河船舶大型化发展,内河航道的净空要求不断提高,一些既有的跨河跨江桥梁不能满足航道等级要求,存在瓶颈约束问题。

(三)基础设施间连接界面柔性不足和应急状态相互支持不够

一是连接过于刚性,缺乏柔性和冗余度,导致故障灾害传递过快,尤其是容易通过多重级联响应爆发巨灾。如,电力中断可能会影响水供应、交通和通信系统,从而引发更广泛的社会和经济问题。在2008年的南方冰雪灾害中,成千上万的电力杆塔不堪重负而倒塌,导致数以万计的高压和超高压输电线路出现中断,造成电力供应的大面积瘫痪,这一连锁反应迅速加剧灾情。灾害影响了电气化铁路的主干线,导致数百万旅客滞留。同时,输油泵站和管线的停运阻碍了煤炭和救灾物资的运输,通信线路也遭到破坏,进一步加剧了灾情的严重性[9]。铁路运输与煤炭系统的连接过于刚性导致在需求增长时期铁路运输能力不足,特别在恶劣天气和客运高峰时常常引发煤炭供应紧张。又如,随着互联网与经济社会各领域的深度融合,从工业控制系统、重要信息系统到基础信息网络等关键基础设施,均直接或间接与互联网相连,缺乏足够的安全缓冲,病毒、木马、黑客入侵等网络安全威胁日益突出。二是应急状态下的相互支持不足,导致长时间的运行中断。如果一个基础设施系统出现问题,其他系统可能无法提供足够的支持,导致恢复时间延长。如,2023年京津冀洪水灾害中,北京门头沟部分村庄长时间信号中断,处于失联状态,主要由于交通系统对于信息基础设施维修的支持不够。

(四)共建共享不足导致空间资源浪费和相互干扰

一是空间资源的浪费。尤其是在城市、跨河、基本农田、生态红线区等空间资源紧张地带,这个问题尤其明显。土地资源是稀缺资源,所有的土地占用行为都会挤压其他功能的土地资源供给,共建共享不足大幅增加对土地资源的占用。根据第三次全国国土调查结果,2019年底,仅交通运输用地(不包含城市内部道路交通设施用地)就高达955.31万公顷,占城镇村及工矿用地的四分之一,相比第二次全国国土调查增长了20%,其规模之大及增速之快不容忽视。不仅是土地,过江通道、岸线也是宝贵的空间资源,而部分单功能通道毗邻修建,造成资源的浪费。二是对空间的过分切割。基础设施由数量庞大的线性廊道(轨道、公路、高压线、管道、调水工程、光缆等)构成,往往对人、车的自由穿越有所限制,缺乏共建共享的廊道,将土地切割破碎,对要素的跨越和流动造成阻碍。三是空间上的相互干扰。最为典型的就是城市里的各类市政管线均集中在城市道路沿线布局,共建共享不足,导致任一管线维护都要挖开道路进行维修,对交通和其他市政管线的正常运行造成干扰,形成“拉链马路”问题。

(五)基础设施新技术演变不同步形成相互制约

新技术变革虽然往往起源于一个系统,或以一个系统为主体,但会引致其与其他基础设施系统的连接发生变化,甚至重构其连接方式,进而带来整个基础设施体系的变化,因此实为系统集成问题。能源、交通、信息、水利等基础设施经过几十年甚至上百年的发展,已形成了多个相对独立的系统,并遵循相对独立的设计原则和运行规则,改变人们长期的使用习惯需要耗费较大人力物力,各系统既有运行方式惯性很大,技术变革如果不能同步进行,就会互相掣肘,导致演变难度变大。如,受制于石化传统能源利益格局,导致清洁能源革命推进较慢;电力系统无法满足清洁能源大规模并网需求,导致“弃风弃光”严重;电力和交通是二氧化碳排放量最大的两个部门,但目前能源的清洁化生产和交通基础设施的电气化发展仍然配合不够。又如,5G通信基站的能源消耗约是4G基站的三倍,因此5G技术的广泛应用受到巨大电力需求和高昂电费的限制。类似地,大型数据中心也有极高的能耗,一个数据中心的年电量消耗可能达1亿千瓦时。为了更好地适配数字化变革,需要加速发展清洁能源、能量存储和智能电网等技术,提高电网的输电能力、智能化水平、安全可靠性、经济效益和韧性。

(六)管理体制独立性强、缺乏统筹制约各类设施间相互协作

管理分为行政端和市场端,分别对应行政管理部门和企业等各类市场主体。在行政端,各类基础设施通常归不同政府部门管理,各部门之间的政策制定和执行普遍缺乏充分的横向协调,职权分化交错,形成体制壁垒。在市场端,各类基础设施往往由不同的市场主体来投资运营,既互相缺乏了解,也缺乏价值转换媒介和机制,存在市场壁垒。具体表现在如下方面:一是在规划阶段,各类基础设施专项规划基本由相应的行业主管部门独立编制,实施阶段也基本相对独立,造成衔接统筹的“先天不足”,有时甚至会出现新建不久的设施因各类设施间的相互冲突而改造或重建的现象。如,水网本为一个整体,但水利设施规划由水利部门编制并实施,航道网规划则由交通部门编制并实施,而水电规划则由能源部门编制并实施,统筹存在较高成本,甚至出现部分水利设施没有修建船闸,导致航运难以通行的情况。二是在建设阶段,即使规划中有过衔接,但由于各类基础设施往往由不同建设主体分头建设,采用不同的资金来源,建设周期也不一样,导致投资建设难以协同。在一些地方调研发现,部分水网工程施工往往由于穿插的交通项目不能同步施工,导致施工进度难以控制,出现工期延误的情况。三是在运营阶段,不同运营主体或业主间在相关数据信息交换、利益分配、跨领域管理主体上均缺乏协调机制,导致开展多目标协同和将各自的支持系统与运作模式融合难度较大。如,铁路、公路、水路和航空等不同运输方式存在较大的管理体系差异,且不同部门和企业之间的衔接与协调不够,一次性托运、统一计费和一票到底难以落地,导致多式联运成本过高、效率不佳,多式联运的优势不能体现出来。同时,在全程运输的安全保障方面也存在难题,目前的运输保险仍是按段投保,各段各自负责,缺乏全程统一的责任设计,也在一定程度上限制了多式联运的推广。

(七)不同基础设施之间标准不衔接、协议不互认、协调技术落后

一是行业标准未衔接。目前,各行业的标准组织仍未建立完善的行业合作接口标准体系,有时甚至会出现行业标准之间矛盾冲突的情况,不利于跨行业统筹规划、联合运营、综合调度[10]。如,在多式联运中,核心在于标准化运载单元,以便它们能在不同的运输模式之间高效地流动和转换。但我国各种运输模式在自主发展中均已经建立了自己的供应系统,且集装箱的普及率总体上还不高,这使得在不同运输方式之间实现无缝“一箱到底”的物流模式变得困难,大大增加了物流成本和货物运输时间。二是协议不互认。如,多式联运中,“一单制”“一箱制”受到单证互认流转难制约,多式联运单据使用范围有限,存在格式和功能不一致问题,尤其是单据的财权不清晰,不易于单据流转和满足融资需求。三是协调技术落后。如,不同种类的能源有不同的特点,想在能源的生产、运输和使用过程中实现不同能源类型之间的有效配合和协同,技术上存在很大挑战,尤其是在清洁能源与传统化石燃料之间实现技术互补和协调十分困难。[11]又如,信息基础设施中的云网和算网融合虽然已经成为实践热点,但在很多方面还存在大量技术空白,如跨域数据计算、存储和网络资源实时监测技术等均不成熟。

以上问题主要会产生三方面影响,一是正常运行状态效率不高、成本偏高,典型的例子是由于各类交通方式衔接不畅导致城际实际通勤时间远远大于城际铁路运行时间,能源运输由于衔接不畅造成动力损失,信息传递不足导致道路拥堵;二是应急状态的韧性不足,尤其是容易通过多重级联响应引发巨灾,使基础设施长时间处于瘫痪状态,对经济社会运行造成巨大冲击;三是新技术变革和常规扩展推进缓慢,如清洁低碳变革、智能化变革被各系统掣肘,新的设施由于资金、土地及与其他系统配合不足等问题难以落地,受限于基础设施发展水平,自动驾驶等新业态新模式应用推广缓慢。

四、优化基础设施系统集成的目标、重点与方向

(一)正常、应急、升级三种状态的优化目标

优化基础设施系统集成的总目标应为更好地发挥基础设施体系整体表现出的功能,即更好地支撑经济社会发展,既包括支撑经济社会的日常运行,也包括支撑新产业、新业态、新商业模式发展。基础设施的运行状态分为正常运行、应急运行、升级扩展三种状态,显然每种状态下基础设施体系需要发挥的功能是不一样的,需要分三种状态分别提出具体集成目标。一是正常运行状态的目标是效率更高、成本更低。效率更高代表物质、能量、信息的传输效率更高,运行效率更高,如货物能够更快速地在交通系统内流通,水能可以最大化地从水利设施向电网传递。成本更低既代表对于能源资源的消耗降低、用能的更加集约,也代表用户学习成本和操作成本更低、更加友好,用户与基础设施的互动不需要长时间的专业培训,人人都能“无门槛”地获得优质公共服务。如,交通网的用户接口界面从人工驾驶升级到智能辅助驾驶,再发展到无人驾驶。二是应急运行状态的目标是更加安全可靠。首先,基于先进信息技术,网络型基础设施的故障排除能力增强,基础设施的运维向状态实时监控、风险提前预警、故障自动排除的方向发展。其次,基础设施关键链路和核心节点通过分配一定的系统冗余度,保障某一基础设施在故障时不会快速传导到其他基础设施系统。再次,在基础设施处于超负荷和故障状态时,其他基础设施能够为其快速恢复运行提供足够的支持。三是升级扩展状态的目标是协同性更强。基础设施体系在进行新技术变革或扩展时能更好地协同演化,系统更加迅速地完成状态转变,受到的阻碍更小。通过协同演化能够更好地支持新业态新模式,衍生出更加丰富的增值服务类型,进而带动技术、模式和产业创新,加快产业规模化、集约化发展,产生巨大的联动效应和综合价值。

(二)规划、建设、管理三个环节的优化重点

优化基础设施系统集成的行为应贯穿基础设施全生命周期。在规划设计阶段,应打破能源、交通、水利、信息等领域分别制定专项规划、缺乏统筹的局面,创新规划方法,加强规划衔接。重点统筹好各类基础设施的空间布局,对响应链路做好总体安排,设计好总体与局部的集成模式,优化各类设施间的连接节点设计,对应急情况下的相互支持进行预先谋划。强化传统基础设施和新型基础设施的融合引导,对可以共享空间资源并能相互支持的枢纽、通道、站点进行联合选址。在投资建设阶段,做好各类基础设施项目可行性研究、评审、招投标、政府采购等前期准备工作的协同,做好各类来源资金的衔接搭配,对政策上为各行业部门下达的财政资金和专项债等资金进行统筹。为合建项目创造便利条件,统筹安排各个专业的进场建设工期,加强各方协同。建立统筹推进的跨部门推进机制,如建立项目开发合作平台,防止原本设计好的集成任务无法实施。在运营管理阶段,建立各部门、各市场主体的协同运行规则,推动各类单据电子化,加强运行数据资源的实时共享,实现各类基础设施运行管理标准的互认。培养能够有效统筹各类市场主体的平台企业,加强重大事件的统筹调度,制定跨领域的应急预案。

(三)区域、城市、乡村三类尺度的优化方向

基础设施体系在不同的空间尺度上服务的对象不同、地理分布特征不同,系统集成的优化方向也会不同。在区域尺度上,基础设施体系服务于大区域的经济社会运行,应优化各类基础设施间相互作用关系的宏观组织,消除衔接断点,提高连接点的冗余度设计,对数字化改造、清洁能源替代等技术升级演化进行总体谋划和协同推进。加强大型枢纽的布局,并依托大型枢纽加强对各类基础设施的衔接,对线性走廊、过江通道、穿越生态红线区进行统筹布局。在城市尺度上,由于人口、经济高度密集,土地资源宝贵,各类基础设施布局错综复杂,相互干扰情况较多,且易通过多重级联响应形成巨灾,应积极推进各类基础设施共建共享,大力推动智慧城市建设,建立基础设施数字化管理系统,推广综合管廊建设,探索各类设施站点合并选址建设。在乡村尺度上,由于人口相对稀疏,土地价值也相对较低,基础设施体系主要的功能为服务农业、农村、农民,应加强关键基础设施应急状态下的相互支持作用,并通过与城市枢纽的连接实现各类基础设施的更好集成。

五、优化基础设施系统集成的对策

(一)大力提升基础设施数字化、智能化水平

数字技术的进步为基础设施大规模集成提供了底层技术上的支撑,既可以实现更加安全可靠的故障预警、监测、诊断,又为各类设施协同调度提供了更为精准的信息基础。一是加快信息基础设施与传统基础设施的融合,推动利用信息技术加快传统基础设施的信息化改造,建设智能电网、数字流域、智慧交通等,实施智能化市政基础设施改造,推动基础设施运营中产生的各类单证无纸化、电子化。二是建立各领域的数字孪生模型,实时反映基础设施的运行状态,在虚拟环境中模拟和预测基础设施可能出现的问题,从而提前采取措施,避免实际运行中的故障,通过监测模拟优化多目标、多系统、协同性的联合调度。三是加快云计算、大数据、人工智能等先进数字技术在基础设施集成中的应用。云计算和大数据技术使大规模的数据处理成为可能,能够协助管理主体更好地监测和优化基础设施的运行。人工智能则通过自动化处理大量的数据和任务,提高基础设施运行效率。如,特高压密集通道往往布局在山区等复杂地形,各类灾害等风险较高,一旦发生事故,将危及东部沿海电网安全。通过建立电力5G专网,推行5G智慧巡检,通过5G无人机、高精度定位、智能AI等技术,可大幅提升感知诊断能力,显著增强能源通道安全保障能力。

(二)打通断点,促进基础设施跨领域融合发展

各类基础设施跨领域融合发展,既面临硬件衔接上的“硬”断点,也面临软件上的“软”断点。应着力打通这些断点,让各类基础设施衔接更加畅通。一是推动跨领域设施的整体布局。在基础设施建设的初期阶段,应进行全面的规划布局衔接,加强对各类设施间衔接节点的设计,以实现各个基础设施之间的顺畅对接。如,在规划电力基础设施时,应关注计算资源的地理分布和密度变动对电网的影响,并确保对大型和超大型计算中心提供稳定的长期电力供应,为边缘计算的实施提供必要的电力升级支持。二是推动跨行业衔接流程中涉及的技术规范和管理规定标准化,设置标准化的互认机制,打通跨越行业的法律认证、金融服务等配套服务。如,通过推动各类交通运输方式的集装箱应用力度,加强针对集装箱的标准和服务体系建设,实现运输标准化,进而促进多式联运发展。三是破除数据开放共享的制度障碍,完善数据共享的法律法规体系,明确权益,统一数据共享规范,制定激励措施,主动公开政府信息。如,不同的基础设施运行所需的软件系统不同,需要制定统一的数据交换格式,以便于数据的共享和交换;确定一个统一的通信协议,使所有基础设施都能够通过这个协议进行通信;清楚定义每个基础设施的接口,包括接口功能、输入参数、输出结果等。四是加强对基础设施跨领域协调技术创新的支持。如,在能源领域,要利用技术创新,依据不同能源的物理属性识别它们之间的互补和替代关系;研发新的能源转换和储存技术,以提升能源的开发与使用效率,克服现有的多能互补技术障碍。

(三)提高基础设施跨领域、跨行业的韧性水平

通过系统集成的方式强化基础设施韧性,既要防止灾害通过设施间的相互依赖关系进行级联传导,又要加强应急时的救援协同,确保一些临时性的救援措施能够及时启用。一是建立多元化的连接方式,保证当某一种连接方式出现故障时,其他的连接方式可以立即启动。如,信息连接可以使用有线、无线乃至卫星通信等多种方式进行连接,还可以尽可能地保留传统的不依赖大规模集中网络的通信设备,这样就可以在电力中断而导致通信基站故障的情况下保证通讯系统正常运行,既防止了灾害扩大,又为应急抢修和救援争取更大的便利条件。二是引入冗余设计,即在设施间连接节点设置中留足余地,增加“缓冲”,以便其他设施出现故障时,短时间内仍能保证系统的正常运行,延后灾害在基础设施间的传播,并在及时抢修下遏制灾害的蔓延。如,增加火电厂的煤炭储备,可有效应对煤炭运输系统的不稳定;在信息系统中加入不间断电源,当出现停电事故时,仍可保持信息系统的正常运行,并防止软、硬件损坏。三是提高灾害的阻断设计。对于跨设施传递来的灾害,在连接节点设置阻断机制,有效过滤灾害因子。如,加强各类基础设施的网络安全防护,防止病毒通过信息系统恶意攻击电力、交通等基础设施;通过综合管廊的建设,将不同管线和城市道路之间的空间干扰进行分隔,在一类设施损坏和维修时,不会对另一类设施的正常运行造成太大影响。四是建立快速恢复的跨领域支持机制,为基础设施故障处置建立跨领域支持的应急预案,将原本存在的隐性界面迅速转换为显性界面。如,在通信设施故障时,通过事前制定的应急预案和相应的设施建设,通过陆地、空中等多种交通方式快速投放维修人员及设备进行抢修,同时部署应急通信车进行临时的信号接通,进而快速恢复正常通信。

(四)推动基础设施枢纽、通道和站点共建共享

推动基础设施的物理实体在空间上共建共享,能够大幅减少各类设施在空间资源上的竞争,也可通过协同设计来降低相互之间的干扰,还有助于将有互相支持作用的基础设施有效衔接起来。一是推动枢纽共建。各类基础设施都有大量的枢纽,如客货运枢纽、水利枢纽、变电站、数据中心等,推动这些枢纽的共建可以充分利用土地和空间资源、降低建设成本,同时还可方便各类设施在枢纽的衔接和配合。如,将多种交通方式汇集形成综合性交通枢纽、立体的空间开发模式,能够大幅减少空间资源的消耗,也便于乘客进行换乘,还有助于形成枢纽经济,带动城市发展。二是推动通道共用。交通、能源、信息等线性基础设施往往都是用较短的距离连接人口和经济密集的负荷中心,本身就有共用通道的基础。推动各类线性基础设施合并通道,对跨江、穿山通道进行统筹,以减少土地占用和对国土的切割,还可大幅减少工程投资和对生态环境的破坏。如,在高速公路、铁路等建设中,在进行城市街道、快速干道和铁道等基础设施的规划与建设时,可以预先规划并留出空间以满足光纤网络、移动通信基站等通信设施的需求,并确保有足够的电源供应。三是推动站点共享。通过设备的集成和共享,可以提高设备利用效率,推动设备信息共享,提高系统运行效率。如, “共享铁塔”通过在输电线路杆塔上加装通信基站,使同一座铁塔同时服务于电力传输和通信基站,不仅能够重新利用现有的电力杆塔资源,避免投资和建设的重复,从而节约大量的资金和物力,还能通过通信技术来监控电网并推进智能电网的发展;由于减少了对新土地的需求,也有助于节约土地资源并保护自然生态环境。

(五)强化政府和企业管理的跨领域统筹与合作

基础设施管理不论是在行政端,还是在市场端,均面临多主体协调问题,只有在不同的行政部门与不同行业的投资运营企业之间建立有效的协同机制,系统集成才能够充分实现。一是强化发展规划和国土空间规划的统筹作用。规划可以为基础设施建设提供全局视角和长远视角,要做好统筹布局,将各类设施纳入一本规划、“一张图”,避免重复建设和资源浪费。如,提前谋划好港口和铁路的布局,保证海运和铁运有效衔接;提前规划好基础设施廊道,推动各类线性基础设施并线布局。二是建立跨部门重大任务领导机制和重大项目协调推进机制。建立专门的组织机构,或构建联席会议机制,必要时可以设立由相关部门领导组成的领导小组,并保持定期的沟通。如,基础设施的绿色低碳化演进须由统一领导机构或机制进行协调推进,以确保各部门能够同步,防止因为步调不一致导致的相互掣肘。三是推动市场模式的创新,形成一套统一的市场价值评估标准和价值交换介质,探索跨行业的基础设施联运利益分配机制,通过商业模式创新重构多种利益群体的交易结构。同时,鼓励市场主体主动参与基础设施的系统集成商业活动,培养跨领域基础设施经营人才。如,在交通运输领域,要充分利用领军企业资本雄厚、网络广泛、货运组织高效、安全管理严格及较强的抗风险能力的优势,支持这些企业整合铁路、船运公司、码头港口等多种资源,通过实现信息共享和业务协同,进行跨模式的运营和运输链的重组,向客户提供“一次委托、一单到底、一次收费”服务。


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作者简介:

张雪原,中国城市和小城镇改革发展中心高级工程师;

许景权,中国城市和小城镇改革发展中心教授级高级城市规划师;

高国力,中国城市和小城镇改革发展中心研究员。

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