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案例4：電動交通

過去四年來，西門子中央研究院的“eCar”燈塔項目為電動交通的發(fā)展做出了重大貢獻。西門子最近的一項研發(fā)成果是混合電動飛機，已于2011年夏季完成首航。它實質上是一架滑翔機，由西門子生產的電機驅動。飛機的電池由一個始終保持最佳運行狀態(tài)的小型內燃機供電，這使得飛機的油耗和排放較之傳統(tǒng)飛機減少25%左右。

研究。西門子中央研究院的專家與汽車制造商Ruf合作，以保時捷911為基礎開發(fā)出一款電動跑車。利用一種特有的試驗臺，專家可以對電機正常運行時的性能進行分析和改進。今年春季，專家們首開先河，在一款名為Roding的跑車中安裝了高性能的大扭矩輪轂電機。這些“智能車輪”可發(fā)揮驅動和制動系統(tǒng)的雙重功能，它由電機、電力電子元件和控制系統(tǒng)組成。附加的制動電路提高了安全性。兩個電機的應用使系統(tǒng)可以獨立驅動每個車輪。另外，研究人員目前還在開發(fā)一種應用于汽車的全新通信架構。無論配備何種硬件，都能以軟件形勢實現(xiàn)新的信息娛樂和駕駛輔助功能。在與寶馬的合作中，西門子中央研究院的專家們開發(fā)出一種充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用磁感應原理，通過放置在地面上的金屬盤為寶馬ActiveE充電，車體與金屬盤之間無需任何接觸。這種無線充電的能效與有線充電相差無幾，但是更為便捷。換言之，它可以提高人們對電動汽車的接受度。

開發(fā)。為確保感應充電的操作便利性，這個系統(tǒng)必須能夠幫助駕駛員將車輛停在合適的位置，并且“知道”何時可以開始充電。為實現(xiàn)上述功能，西門子中央研究院的專家開發(fā)出眾多無線傳輸組件，由他們來完成多種任務。例如，它們可以“喚醒”充電系統(tǒng)；微調車輛位置；傳輸數(shù)據(jù)；以及在充電過程中監(jiān)控空氣間隙——這個間隙有若干厘米寬。研究人員還開發(fā)出具有極高功率密度的動力系。這個動力系由轉換器、電機和控制系統(tǒng)組成，已經(jīng)在多類車輛中得到應用。在加速期間，原型電機在30秒內就能產生125千瓦的電能，最高扭矩可達230牛頓米。電機的持續(xù)發(fā)電能力為60千瓦。在該系統(tǒng)的設計過程中，研究人員利用各類工具來模擬相關電磁場之間復雜的交互作用、熱力學過程和機械結構強度。用于驅動車輛的電力電子元件同時也負責為其充電。專家們還運用新的概念使電動機的功率密度提高了兩倍，而能源專家們則在開發(fā)充電硬件。截至目前，專家們已經(jīng)成功改進了轉換器的能效，簡化了電力電子元件的生產。與此同時，蓄能專家已開發(fā)出一種可用來預測鋰離子電池運行性能的模擬模型。為使用戶能夠隨時判斷電池的潛在性能，該模型還預測電池在多種情景下的熱行為。另外，西門子中央研究院的研究人員目前正在開發(fā)只需要少量甚至不需要使用稀土金屬的新磁體材料。專家們還希望通過回收技術來實現(xiàn)這些寶貴材料的再利用。西門子中央研究院的產品生命周期管理（PLM）專家正在優(yōu)化制造工藝，以使電動機達到汽車行業(yè)的要求。

制造。占電動汽車成本比例最高的是電池。要顯著降低這一成本，唯一的方法就是提高功率密度和實現(xiàn)電池的批量生產。西門子向電池生產商提供生產此類電池所需的工業(yè)自動化專業(yè)技術。除提出相應的自動化概念外，他們還開發(fā)出一套質量和工藝控制系統(tǒng)。該過程涵蓋諸多功能，其中就包括以最小的容差，噴涂極薄且?guī)捉诰鶆虻耐繉印＿@一程序需要針對每家制造商單獨優(yōu)化。

試驗。西門子中央研究院的專家目前正在開展多個項目，以了解人們在日常生活中如何使用和評價電動車輛。為實現(xiàn)這一目標，他們還組建了西門子自己的試驗車隊。2010年秋季，公司向員工借出20輛小型電動汽車，租車員工一直在試驗這些車輛。2011年秋季以來，西門子還在柏林運營著一支拼車車隊，以研究駕駛人員對電動車輛的接受度及其他問題。

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城市的數(shù)碼縮影

不論是交通運輸系統(tǒng)、能源系統(tǒng)，還是建筑物、城市基礎設施之間總有著千絲萬縷的聯(lián)系，可謂牽一發(fā)而動全身。借助西門子打造的一個軟件平臺，可以更加輕松地掌控城市規(guī)劃的復雜性。

Bernd Wachmann博士是西門子中央研究院（CT）開展的“可持續(xù)發(fā)展的城市”項目的負責人，他在屏幕上打開了一幅衛(wèi)星地圖，找到新澤西州普林斯頓近郊的一片草地。輕點鼠標，他在圖中插入了兩棟寫字樓。然后，他繪制了建筑平面圖，并添加了停車場和出入道路——在這個虛擬世界里，一座建筑綜合體便初具雛形。在Wachmann執(zhí)行這些操作的過程中，圖像下方的條形圖顯示了諸如這些建筑物在不同時期不同時段的能耗、光伏系統(tǒng)將如何改善其電力均衡、可以容納多少人在里面上班、這些人的活動會對交通流和電網(wǎng)產生什么影響、他們將產生多少垃圾和空氣污染以及預計運行成本等數(shù)據(jù)。Wachmann解釋道，“這些數(shù)據(jù)不過是我們模擬的眾多參數(shù)中的一小部分，我們模擬的參數(shù)還包括諸如步行適宜性、電動汽車對建筑項目的電力均衡乃至人們生活質量的影響等。所有這些方面都可以被量化，從而被納入建模范疇?！?/P>

在此過程中，Wachmann使用的軟件平臺是西門子中央研究院的科學家們開發(fā)的“城市生活管理（CLM）”項目的一部分。CLM平臺是西門子美國研究院與西門子中央研究院的合作研發(fā)成果，城市數(shù)據(jù)評估則在柏林和維也納進行，西門子中央研究院負責提供基礎設施方面的專業(yè)知識。該項目開發(fā)并提供了用于全景式審視城市、模擬轉變造成的長期影響以及制定適當對策的解決方案。CLM為城市規(guī)劃者提供了一個預知其決策的潛在后果的簡便方法。借助該平臺，還可以輕松模擬“如果…那么…”式替代場景，譬如，將雙向道改為單行道、增加建筑物的高度，或者利用光伏設施來改善某個社區(qū)的電力均衡等。這個平臺為通過簡單、直觀的途徑解決錯綜復雜的城市規(guī)劃問題開辟了新的可能。

城市的經(jīng)濟、環(huán)境與社會發(fā)展目標之間的相互關系極其復雜。例如，提倡駕駛電動汽車與擴建公共交通網(wǎng)絡，哪種做法更為明智？如果選擇前者，則不能緩解交通擁堵，但可以降低二氧化碳排放量，而這也僅當可再生能源發(fā)電并網(wǎng)向電動汽車供電時才會成為現(xiàn)實。這進而要求高性能電網(wǎng)，有時候，首先要修建高性能電網(wǎng)，并且必須設立充電站。另一方面，如果選擇擴建公共交通系統(tǒng)，則必須確保人們有充分的動機去使用公交工具。對于任何一個人，甚至對于許多城市的政府而言，這一切都太過復雜，難以評估。不過，CLM平臺可以讓這個難題迎刃而解。Wachmann說：“盡管我們的模型做出的預測并不確切，但其精確度可達80%，從而為諸如政府機關、政治家、民間機構和當?shù)鼐用竦戎贫Q策奠定堅實的基礎。”

像城市這樣復雜的實體，不能靠權宜之計來解決問題，同時，摩擦領域勢必日益擴大。新工業(yè)園或新城區(qū)的建設計劃一經(jīng)宣布，政府機關和市民就要開始解決其潛在的影響。初步計劃制定完畢之后，需要經(jīng)建筑部門、公用事業(yè)公司、經(jīng)濟和環(huán)境管理局、建筑管理局以及能源供應商等諸多機構逐一審查。通常，政府機關也可提供這些計劃供公眾查閱。諸如CLM等在線平臺能為項目規(guī)劃者省去許多麻煩，特別是在容易引起爭議的項目中。在這種情況下，適當?shù)氖忻駞⑴c能起到關鍵作用。

數(shù)字建模城市。CLM以用于產品生命周期管理（PLM）的工業(yè)解決方案為藍本，后者可用于集中管理產品開發(fā)、生產、倉儲和銷售等方面的全部數(shù)據(jù)。這種方法不僅提高了透明度，而且大大提高了整個價值創(chuàng)造過程的效率。利用這項創(chuàng)新技術，汽車行業(yè)已大幅節(jié)省了成本，縮短了開發(fā)和生產周期，提高了生產率。然而，直到最近，這項技術尚未被大量用于城市規(guī)劃應用。但是，西門子美國研究院的CLM平臺項目經(jīng)理Thomas Gruenewald堅信，專為規(guī)劃大型基礎設施項目而打造的精巧平臺，可以取得類似的成功，還可以促進城市的可持續(xù)發(fā)展。

目前，西門子中央研究院的專家正在重點研究城市基礎設施的規(guī)劃階段，這個領域存在巨大的改進空間。西門子美國研究院的高級資深專家George Lo博士指出，在具體計劃出臺之前，75%的決定建筑物生命周期成本的決策便已敲定。此外，德克薩斯大學奧斯汀分校開展的一項研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)建筑項目都因多番修改初稿而浪費了多達57%的時間。換句話說，要想滿足預算和進度要求，設計出可持續(xù)發(fā)展的城市建筑項目，就必須在初稿階段制定好決策。

CLM平臺的開發(fā)得益于西門子在規(guī)劃、樓宇、工作水、污水處理和能源供應系統(tǒng)以及交通運輸基礎設施等方面擁有多年的豐富經(jīng)驗。西門子中央研究院的建模專家Tim Schenk表示，“我們之所以能夠處理如此盤根錯節(jié)的復雜關系，是因為我們懂得如何對這些系統(tǒng)的物理行為進行數(shù)學建模。”此外，Schenk與其他人正在研究越來越多的城市提供的關于其人口結構和發(fā)展、能源消耗和交通運輸要求等的海量數(shù)據(jù)。然后，可以根據(jù)這些分析結果，在CLM上創(chuàng)建逼真的模型，讓參與者一窺現(xiàn)實主義風格的未來場景。

所有這一切促成了范式轉變，因為現(xiàn)在規(guī)劃者可以幾乎實時地看見其在一個領域做出的決策，例如，建筑物的高度，會對諸如當?shù)亟煌ɑ蛏鐓^(qū)電力均衡等產生什么樣的影響。

中國和中歐有兩個大型項目都打算率先采用這項技術，CLM工作組現(xiàn)在正在與其代表談判。

模擬生活質量。Wachmann表示，“這只是開端。目前，我們也在利用諸如能耗、交通運輸量、二氧化碳排放量等關鍵績效指標（KPI），來推算社會經(jīng)濟指標。”Wachmann提到的社會經(jīng)濟指標，可用于評估生活質量、經(jīng)濟發(fā)展等諸多方面。為此，西門子研究人員正在根據(jù)專家意見和統(tǒng)計研究結果，開發(fā)估算模型。生活質量評估嚴重依賴于諸如工資、公共安全、生活條件等因素，但文化條件也要納入考慮。

模擬中還應更加精確地考慮諸如建筑法令和能效規(guī)定等地方性因素，以及影響力超越了地方界限的因素，譬如全球氣候變化趨勢，因為未來的建筑物能源消耗必將受到氣候變化的影響。人口變化也應納入考慮。畢竟，隨著人口老齡化，諸如帶斜坡適于輪椅上下的人行道和殘疾人專用停車場等設施的需求也會隨之增長?！爸灰@些因素是可以量化的，我們就能將之建模，”Wachmann如是道。

CLM的應用潛力不只是虛擬規(guī)劃。該平臺不僅可用于為今后數(shù)十年設計新的社區(qū)和重新設計城市，而且有助于在建筑物和社區(qū)建成后對其進行管理。比如，只要輕點鼠標，規(guī)劃者和市民就能確定，如果增加一條有軌電車線路，某個社區(qū)對電動車停車場和充電設施的需求將如何變化。

Hubertus Breuer

城市基因項目勾勒城市新圖景

為開展“綠色城市指數(shù)”系列環(huán)境研究，西門子與經(jīng)濟學人智庫（/greencityindex）必須分析各種各樣的海量數(shù)據(jù)，并開展大量調查。此外，從那時起，諸如維也納、倫敦和柏林等城市運行的網(wǎng)站上發(fā)布了越來越多的信息，這些數(shù)據(jù)涵蓋了城市的方方面面，從能源和經(jīng)濟，到藝術與文化，不勝枚舉。事實上，可用的數(shù)據(jù)如此之多，亞利桑那州立大學的可持續(xù)發(fā)展專家Jonathan Fink認為，解碼“城市基因”的時機已經(jīng)到來。然而，說起來容易，做起來難。因為免費提供的關于城市的社會經(jīng)濟與環(huán)境發(fā)展的數(shù)據(jù)，繼續(xù)按照諸如交通運輸、醫(yī)療和人口結構等領域進行劃分，并且這些信息在質量、數(shù)量、粒度和徹底性等方面經(jīng)常地顯示出巨大的差異?，F(xiàn)在，作為西門子中央研究院（CT）開展的“可持續(xù)發(fā)展城市”燈塔示范項目的一部分，西門子專家正在研究可以更加快速地收集、整合和解讀這些數(shù)據(jù)的方法。目前可用的是一些基于城市發(fā)布的數(shù)據(jù)的、在許多情況下有待改進的簡單程序。這些程序允許用戶調看當前的交通狀況，或找出可以在哪里丟棄舊衣物或可回收的玻璃廢品。然而，更為重要的是，這些程序能夠快速、清晰地呈現(xiàn)城市生活概貌，包括城市的電力均衡及其人口結構或社會發(fā)展等方面。奧地利維也納的西門子中央研究院計算機科學家Axel Polleres博士表示，“要解決的挑戰(zhàn)是，利用五花八門的數(shù)據(jù)源以及多種不同的時間和空間分辨率，勾勒出協(xié)調、全面的城市圖景。隨著城市相互之間的聯(lián)系日益緊密，這項工作終將得到捆綁式報告標準的支持?！眾W地利格拉茨的西門子中央研究院的Stefan Kluckner博士正在開發(fā)的一個有用工具采用了尖端的成像處理技術，將常規(guī)數(shù)字二維圖像，轉換為整個城市行政區(qū)域的三維模型。該系統(tǒng)從重疊視角和不同時點記錄了相關場景，然后利用自動化技術，將之合成為一個三維模型。其目的是利用這些從空間和時間上編排起來的數(shù)據(jù)集，幫助未來的自動化分析程序顯示城市的當前狀態(tài)，繼而將這些描繪用作城市建模和模擬的基礎。例如，這有助于創(chuàng)建持續(xù)更新的動態(tài)“綠色城市指數(shù)”。

西門子斥資約3000萬歐元，在倫敦皇家維多利亞碼頭區(qū)修建了一個城市可持續(xù)發(fā)展知識與對話中心。該中心亦稱“水晶宮”，于2012年夏季揭幕，預計每年將吸引約10萬名參觀者。該建筑群包含一個2000平方米的交互式展示區(qū)，突出展示了城市可持續(xù)發(fā)展的方方面面，從樓宇科技和交通，到能源與供水系統(tǒng)，不一而足。一個設有270個座位的禮堂將用于做演講和開討論會。來自西門子的專家將與合作組織一道，同建筑師、城市規(guī)劃者、市政官員、學校和學生等建立并保持對話，還將為城市開發(fā)項目給予支持。在這個中心，游客將一睹未來的環(huán)保型建筑物。這座設施完全采用太陽能電池和地熱泵提供的可再生能源，通過處理雨水來獲取飲用水，廢水也將在經(jīng)凈化處理之后，用于灌溉植物。這個建筑群通過了嚴格的國際LEED和BREEAM標準認證，擁有諸多堪稱典范的特性，如附屬于西門子在倫敦運營的充電網(wǎng)絡的電動汽車充電站。

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