《IEEE Transactions on Technology and Society》：Special Issue Editorial: Imagining Tomorrow’s Infrastructure
编辑推荐：
本特刊探讨在全球剧变背景下，基础设施系统所面临的转型挑战与未来构想。研究者们针对当前基础设施在定义演化、规划张力、新兴脆弱性及社会需求变化等方面的问题，开展了关于“构想明日基础设施”的前瞻性研究。文章集合了多位学者在技术韧性、可持续ICT、可再生能源电网、6G网络、数字孪生及基础设施美学等主题的成果，旨在激发更广泛的对话，探讨未来基础设施的形态及如何实现平稳过渡。其意义在于为应对基础设施的长期性、高成本与必要性所带来的高风险变革，提供了多角度的社会技术分析与路径思考。
我们脚下的道路、家中的电网、手中的手机信号，这些支撑现代社会运转的基础设施，正处在一个十字路口。世界在飞速变化，旧有的方式不断被颠覆。有人主张小修小补，在不再适用的系统上做渐进式调整；也有人怀抱宏大愿景，热衷于讨论颠覆性变革的可能性，哪怕其可行性存疑。科技界那句著名的“快速行动，打破陈规”口号，更是在实践中催生出诸多意想不到的后果。然而，基础设施领域恰恰是推行变革最为棘手的地带——它寿命长、造价高昂、不可或缺，任何改变都伴随着巨大风险。那么，我们能否实现平稳、优雅的基础设施转型？这正是《IEEE Transactions on Technology and Society》本期特刊“构想未来的基础设施”试图回应的核心命题。
什么是基础设施？其定义本身就在不断演化。从拉丁词源看，它指的是支撑动态人类社会的基础结构。经济学家视其为保障经济良好运行所需的系列结构性要素，并指出其中许多必须由公共部门提供。军事规划者（这个词汇的起源）则将其视为支持军事行动的固定设施，如空军基地和港口。尽管视角不同，但共识在于，基础设施是支撑人类持续活动的基石系统，且常需公共部门的提供或鼓励。从1825年的道路、桥梁、港口，到1925年新增的铁路、电信、电力、供水网络和机场，再到2025年涵盖的互联网、全球定位系统(GPS)和云计算，基础设施的范畴随着社会、经济和军事图景的演变而持续扩展。如今，美国的“关键基础设施”定义甚至囊括了化工、通信、金融、医疗保健、信息技术等十多个行业，几乎覆盖了社会正常运转的所有命脉。
这种定义的延展性带来了规划上的根本性张力。许多基础设施的建设周期漫长，难以精准匹配未来需求。追求系统高性能可靠的工程师倾向于超前建设，而注重成本控制的金融家或经济学家则建议根据已证实的需求来建设。这种在成本效益与高质量性能之间的固有矛盾，抬高了基础设施规划的赌注。与此同时，现有基础设施虽然服务了全球数十亿人，实现了规模经济，但其建设基于持续增长与社会经济稳定的假设，如今也暴露出诸多脆弱性，需要防范被利用的风险。一个悖论是，在满足基本物质需求的基础设施空前完善的时代，一些地区的心理健康状况却在恶化；在通讯手段几乎无处不在的时代，“孤独疫情”却在蔓延。此外，人口流动性增强（无论是自愿移民还是难民）、去中心化趋势、残障人士保障需求以及远程工作模式的兴起，都在以出人意料的方式冲击着传统的基础设施规划思路，带来了接入不平等、需求时序差异和互操作性需求等新挑战。过去由家庭成员和本地社交网络非正式满足的许多需求，如友谊、育儿、医疗和养老，如今越来越多地由市场或基础设施提供商来承接。这要求未来基础设施必须具备更强的适应性，以更好地满足真实的人类需求。
为了应对上述挑战，构想和支持彻底转型所需的技术与社会变革，本期特刊收录了多篇研究文章，它们共同构成了一幅审视未来基础设施挑战的多维图景。研究人员探讨了哪些基础设施投资能在远程医疗、本地能源存储、本地食品与药物合成等颠覆性技术成熟时依然保有价值，并思考基础设施系统如何能优雅地过渡到未来的范畴与形态。
研究涉及了几个关键的技术方法方向。首先是对系统韧性的再思考，强调可修复性作为抵御故障的核心能力。其次，关注信息与通信技术(ICT)的用户行为动态，分析其如何影响环境可持续性。第三，聚焦向100%可再生能源电力系统转型的社会技术复杂性。第四，前瞻未来第六代移动通信技术(6G)网络所需协调的技术与社会监管框架。第五，利用数字孪生(Digital Twins)和信息物理系统(Cyber-Physical Systems)推动能源系统的数字化。最后，引入生成式人工智能(Generative AI)工具，以创新方式让公众参与讨论基础设施的美学设计。
研究结果揭示了多方面的发现与结论：
- •
技术韧性解构：Lindsay Robertson在《Technological Resilience Deconstructed》中指出，修复失效子系统的能力是基础设施韧性的一个关键但研究不足的要素。仅仅预防故障不够，快速恢复的能力同样重要。
- •
用户行为对环境可持续ICT的影响：Stefan Roth和Aydin Sezgin在《A Structural Analysis of the User Behavior Dynamics for Environmentally Sustainable ICT》中论证，用户行为可以使信息与通信技术(ICT)成为环境可持续性的净贡献者，也可能适得其反。技术本身的能效提升可能被用户因便利性增加而激增的使用量所抵消，即“回弹效应”。
- •
向100%可再生能源电网过渡：Ashish Shrestha等人在《Transitioning to a 100% Renewable Power Grid: Key Challenges and Opportunities》中提出，创建一个更清洁的电力系统，不仅是技术转型，同样也是社会和政治转型。他们分析了高比例可再生能源整合带来的技术挑战（如间歇性、储能）以及相应的市场、政策和监管机遇。
- •
未来6G网络的技术社会与监管挑战：V. Sridhar等人在《Analysis of Techno-Social and Regulatory Challenges in Future 6G Networks and Services》中认为，设想的第六代(6G)移动网络和服务需要遵循特定的技术和监管准则，才能在未来十年内既被需要又准备就绪。这包括对频谱管理、数据隐私、安全标准和全球互操作性的新思考。
- •
绘制6G蜂窝网络发展图景：Ekram Hossain和Angelo Vera-Rivera在《6G Cellular Networks: Mapping the Landscape for the IMT-2030 Framework》中声称，实现6G愿景的关键在于制定明确从5G到6G过渡路径的标准。他们为国际移动通信2030(IMT-2030)框架下的6G发展描绘了技术路线图。
- •
电力能源系统的数字孪生与信息物理系统：Le Nam Hai Pham等人在《Digital Twins and Cyber-Physical Systems Towards the Digitalization of Power and Energy Systems》中论证，电力和能源系统的数字化转型需要“数字孪生”进行“假设”模拟，同时需要“信息物理系统”进行智能运行控制，两者结合以实现更高效、可靠和灵活的电网管理。
- •
生成式AI激活基础设施美学：Jan Przybyszewski等人在《Shock Treatment: Can Generative Artificial Intelligence Defibrillate the Dead Aesthetics of Electricity Infrastructure?》中提出，基于生成式人工智能的可视化工具可以趣味性地引导公众参与讨论那些平常但高度可见的基础设施元素（如电线杆、变电站）的美学问题，从而弥合基础设施功能性与公共接受度之间的审美差距。
结论与讨论部分强调， 构想未来的基础设施远非纯粹的技术蓝图绘制，而是一个深刻的社会技术进程。本期特刊的文章共同指出，基础设施的演进在提升功能的同时，几乎不可避免地会催生新的脆弱性，随着我们对通信等能力依赖的加深，威胁也变得前所未有的紧迫。因此，任何新兴技术的应用都必须考虑如何实现故障下的“优雅降级”，并维持基本功能的运行。研究也提醒我们，基础设施服务于社会需求，这其中包括了对视觉美感的需求，以及对可持续性维度的根本关注。从增强物理基础设施的传感器与自主智能，到重新审视基础设施所服务的“基本需求”定义，再到协调公共与私人角色的供给模式，成功的转型需要跨学科、多利益相关方的广泛对话。这些研究的意义在于，它们没有孤立地看待技术可行性，而是将技术变革置于更广阔的经济条件、网络效应、环境变化及文化变迁的背景下进行审视，为如何从当今功能尚可但问题丛生的系统，过渡到一个更坚韧、包容、可持续且悦目的未来，提供了宝贵的多角度三角测量与思想碰撞。
