智慧城市纵横谈

文｜ 中国科学院自动化研究所 陈 龙

智慧城市和物联网是当前国内信息化建设的两个最大热点，出现了“物联网智慧城市”这样的提法及口号。

1 智慧城市的概念

智慧城市的概念其实非常简单，即一种高于数字化城市、智能化城市，让市民依托信息化基础建设的完善，充分享受城市信息化带来的智慧化城市生活。

智慧城市的定义有多种多样，争论不少，但笔者以为智慧城市应具有下列五项的特征：

（1）基础是互联网、物联网、广电网、无线移动通信网等各类网络。

（2）有效载体是数量众多功能齐全的高级终端。

（3）目标是能方便城市生活的各个方面，如智能小区、智能交通、智能化学校、智能电网、智能物流、应急指挥、智慧政府办公系统等。

（4）其效益是使城市更加安全、便捷、高效、绿色健康。

（5）注重点还包括应大幅度提高处理突发事件的应变能力、节约能量及环境保护的可持续性。

智慧城市应有的特征是全面物联、实时传送、智能处理、协同运作。智慧城市的建设过程，笔者认为从建设阶段上可以划分为平安城市、数字城市、智慧城市三步曲，它们各自的应用功能不仅是一层层拓宽的，在出现的时间上也会显示出前因后果的关系。当前，无论是基于联网视频监控的平安城市，基于3S技术的数字城市，还是基于物联网技术的智慧城市，都已被列入信息产业和城市基础设施发展战略重点，受到了从中央到地方政府的高度重视。

2 平安城市是智慧城市的初级形态

（1）平安城市的核心是视频联网监控系统，它由分布于城市各处的前端摄像机单元、视频图像网络传输系统、视频图像存储系统、视频监控系统管理平台软件、图像智能分析应用软件、网络安全保障等六大单元组成，如图1所示。

图1 平安城市内容的基本系统架构

这其中的管理核心是城市综合管理信息公共服务平台，包括城市内视频监控系统、数字化城市管理系统、道路交通管理系统等，并利用市区级数据交换平台来实现资源的共享。视频管理平台产品的先进性和可靠性是平安城市系统长久稳定运行的最大保障，而反过来，平安城市也成为平台化思路在城市信息化建设中应用得最为成功的领域之一。

（2）平安城市作为数字城市和智慧城市的先行者，其所积累的经验和教训会给今后数字城市、智慧城市建设带来很多有益的启示。由于平安城市建设和运营所需的资金非常庞大，建设和维护异常复杂，这就造成了各种商务模式在平安城市中都得到了一定程度的使用。平安城市建设的商务模式包括BT（建设－转让）、BOT（建设一经营一转让）、BLT（建设－租赁－转让）、BTO（建设一转让一经营）、BOOT（建设－经营－拥有－转让）等模式。

也正因为平安城市的建设和运营对企业在资金、技术、管理和运营方面的能力提出了非常高的要求。这也就是为何目前大量的平安城市项目都落到电信运营商、从事IT或通信项目的大型IT企业手中的缘故。

（3）从2005年的“3111试点工程”算起，我国平安城市建设项目已经走过了6个年头，在国内引起了相当大的重视和反响，并积累了一定的建设经验，现在正在向二三线城市和广大农村地区推广与普及，仍然有着很强的市场空间。

但反思平安城市建设中存在的问题，主要是图像的清晰度不够高，当时采用的模拟摄像机大多数不能满足监控环境的应用需求，造成大多的视频监控图像只能“看得见”、但目标“看不清楚”的实际效果，使监控效率和实用性下降了不少，一旦发生紧急事件起不到提供重要线索的作用。究其原因，还是受到当时摄像机选型因技术和价格上的制约而只能选用中等分辨率的模拟摄像机所致。

而现今高清摄像机以其优越的性能及可接受的价格已经开始并将会逐步取代标清摄像机；能够大幅提高视频的分辨率，性能优势显著，高清摄像机相比于40万像素（D1分辨率）的标清摄像机，其最大优势是高分辨率的辨识效益以及更大的覆盖范围与画质。在监控范围相同条件下，一台高清摄像机可替代两三台标清摄像机，甚至更多，目前一部720P的IP摄像机可替代两部D1标清摄像机，并可增加33%的视野。

为了解决现有平安城市监控系统中存在的问题，使视频安保系统由“看得见”全面转向“看得清楚”，高清监控是发展的必然趋势，特别经过2010年的上海世博会的应用，行业普及可能性得到了充分的证明。与此同时，物联网将在此过程中不断发挥出越来越重要及跨行业的作用。同时，随着智慧城市的热起，平安城市也会显示出其基础性和多元化的特性。

（4）实现高清监控当前最热门的是采用IPC网络摄像机和HD-SDI高清摄像机两种方案，其对比如表1所示。Intersil公司的SLOC（Security Link Over Coax）混合视频监控方案是一种创新，它通过一条同轴电缆能同时传输模拟CVBS视频和高清数字IP视频，这就使得百万象素IP摄像机能在现有的CCTV同轴基础设施上运行，最大监控距离可达300m。Sony公司将于2012年3月份正式推出基于SLOC的产品。网络摄像机的普及率在欧美等发达国家已有50%的规模，而中国的IP监控还只在10%左右，增长空间巨大。

表1 HD-SDI和IPC高清摄像机对比表

3 数字化城市是智慧城市的中级形态

在实现智能化住宅和智能化小区后，城市的智能化程度将被进一步强化，出现面貌一新以信息化为特征的数字化城市，有时也将其称为智能化城市。

数字化城市的特征笔者以为可述如下：

一是有城市级的3S（GIS、GPS、RS）系统，实现城市基础设施的数字化。3S技术提供了与空间地理相关的基础数据库，使得城市交通、物流、医疗、教育、城管等领域的智能化应用得以逐步实现。

二是通信的高度发达，力争三网融合与资源共享，实现城市光纤到路边FTTC（Fiber To The Curb）、光纤到大楼FTTB（Fiber To The Building）、光纤到小区FTTZ（Fiber To The Zone），甚至是光纤到家庭FTTH（Fiber To The Home）。

三是计算机的普及和城际网络化，电子商务和电子政务成为人们生存的时尚，出现多种多样的城市数字化应用，计算机网络终端将主宰人们的工作、学习、办公、购物、炒股、休闲等几乎所有领域。

四是城市管理平台化以及办公作业的无纸化和远程化。透过计算机网络，将有助于避免城市人口的过度集中，可以协助解决城市功能负荷过重等难题，还能够有效地预防及控制城市灾害的发生。

4 智慧城市是城市信息化建设期盼达到的主要目标

（1）智能化家居和住宅是智慧城市最有可能的喷发点。智能化住宅是人们理想生活的目标，也是社会关注的热点，传统的智能家居核心是智能家居控制系统和家庭网关。

①智能家居系统包括中央控制主系统、防盗安全子系统、家电控制子系统、窗帘控制子系统、照明触控子系统、环境监测子系统、健康监护子系统、能源管理子系统、影音娱乐子系统、远程控制子系统等。有了它，即使远在天涯，也可让你和你的家依然近在咫尺。

②家庭网关是家庭智能的标志。家庭网关能使有不同网络协定的设备互相沟通，家庭网关具备两个主要功能：一是作为外部接入网连接到家庭内部，同时将家庭内部网络连接到外部的一种物理接口；二是使住宅内用户可以获得各种家庭服务的平台。

但物联网的触角已伸入到家居智能化领域，极大地提升了智能家居的水平，出现了新型的物联网智能家居。此时的智能家居已成为物联网应用中的基础应用之一。智能家居迟早会像电视、冰箱、空调、手机、电脑一样进入千家万户，成为老百姓生活的必需品，物联网型智能家居产品要求安装简单，使用方便，维护不用操心，扩展随心所欲，能够自己组装。

（2）智能化小区是智慧城市建设最基本的单元。智能化小区的基本智能定义为“居家生活信息化、小区物业管理智能化、IC卡通用化”，智能小区的建筑物除满足基本生活功能外，还要考虑安全、健康、节能、便利、舒适五大要素，以创造出各种环境（绿色环境、回归自然的环境、多媒体信息共享环境、优秀的人文环境等），从而标志小区智能化有着不同的等级。当然，小区智能化有一个过程，它将伴随着智能化技术的发展及人们需求的不断增长和完善，这表明了可持续发展性应是小区智能化的重要特性。

（3）智能交通、应急指挥、智能电网、智慧园区、智能物流、数字校园、数字城管、数字环保、食品安全、平安家居、安全监管等，这些方面的实现以及建立智慧型的政府办公系统是智慧城市的标志性体现。但概括而言，可划分为智慧政府、智慧民生、智慧产业三大领域。

这其中，视频监控领域至关重要的核心业务是未来将会变得越来越成熟的智能分析技术。传统的视频监控中存在很多不足，如多数视频与显示装置不够对称的矛盾、值班人员注意力难以集中、只能事后追溯而无法进行事前预警、海量视频信息难以有效利用，而智能视频分析系统则能在效率、成本、安全性、个性化需求等方面对传统视频监控加以改进。使之能帮助实现视频监控由被动防御向主动防御的变革，逐步改变只能是“事后诸葛”而缺乏预防特征的现状。它也能让监控人员从繁琐的操作和海量的信息中解脱出来，以帮助他们更高效、更精确的管理监控目标，因此视频智能将成为智慧城市建设的生力军。

个性化的智能数字监控解决方案包含三个重要概念：一是如何从瀚如烟海的数据中挖掘出对各行业有用的新知；二是保证基础架构及设备与设备间的数据流动；三是降低数据对于来自于不同用户或者不同系统的访问障碍。智能分析技术对视频监控的将会有着非常深远的影响。如图2所示。

智能分析的意义主要体现在三个方面：一是智能分析将被动监控变为主动监控，从而将会提升安防产品的附加值；二是智能分析提高了行业门槛，只有拥有充足技术和规模优势的龙头企业才有资格参与这场竞争；三是智能分析带来运营模式的改变，从传统的设备制造转向运营服务，智能分析系统由于在“云计算”的模式运行下更有效率、效果更好，因此也将加速设备厂商向运营服务商的转型。

图2 智能视频分析技术

智能视频分析系统现已实现的功能主要是从视频中提取各类信息并进行分析检测，检测种类包括：跨线检测、进入区域检测、离开区域检测、区域内出现目标、违章停车检测、物品放置拿取检测、目标徘徊检测、人员聚集检测、快速移动检测、人数统计等，但还远未发挥出其应有的实用作用。

5 撑起智慧城市建设的主要技术支持

5.1 物联网（The Internet of things）

物联网是实现物与物之间互联的网络，使得它们能通过云计算中心而进行交换和运行，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等诸多功能。物联网的内涵包括两个方面：第一，物联网的基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间，使其进行信息交换和通信。物联网具有整合感知识别、传输互联和计算处理等功能，是对新一代信息技术的高度集成和综合运用。物联网将人与人之间的信息交互沟通向人与物、物与物扩展延伸，它的应用为优化资源配置、加强科学管理、缓解资源能源约束提供了可能，拓宽了道路。但物联网的关键应用是视频，物联网的核心价值是智能，物联网的发展前提是标准。

物联网已成为当前世界新一轮经济和科技发展的战略制高点之一，我国《物联网“十二五”发展规划》（以下简称规划）已于2012年2月14日正式出台，作为战略性新兴产业的重要组成部分，物联网对加快转变我国经济发展方式将起到重要的作用，对于促进经济发展和社会进步也具有重要的现实意义。《规划》圈定了重点发展的九大应用，包括智能工业、智能农业、智能物流、智能交通、智能电网、智能环保、智能安防、智能医疗和智能家居。

5.2 云计算技术和云服务

云计算是构建智慧城市的资源池和综合平台基础。云计算将驱动智慧城市发展，让城市飘起智慧云。

云计算作为一种基于互联网的计算新方式，通过互联网上异构、自治的服务为个人和企业用户提供按需即取的计算，云计算基地可能是云集上百万台服务器的数据开发和处理中心。以云计算和物联网为代表的通信技术不仅将深刻影响和改变整个城市的经济模式，也将给城市的发展注入全新的活力和动力，并深远地影响每个人的生活

云计算整个产业分成基础构架式服务IaaS（Infrastructure as a Service）、平台式服务PaaS（Platform as a Service）、软件式服务SaaS（Software as a Service）三个领域。云计算是技术、运营和商业模式的协同，关键技术是基础，商业模式是要点，运营能力是核心。

云是一种服务，它无时不在，无处不有。随着生活品质的进一步提高，人们的健康监测、食品安全、安保防护等信息将成为家庭生活中重要且不可丢失的数据，这些数据不仅要求及时响应，而且还要求可被随时随地溯源，离开了云，这些都将变得非常困难，云或许将会成为不可或缺的基础服务，信息云也将成为人们最关注的重点。

5.3 节能减排和低碳生态绿色技术

智慧城市的特征和追求的目标是实现人与建筑和环境的共生共荣，构筑“资源节约型、环境友好型”的人与自然和谐相处的城市。

数据显示，城市面积仅占地球面积的2%，但容纳了70%的人口，产生了80%的温室气体。在全球气候变化的大背景下，城市节能减排、走低碳发展之路成为协调经济社会平稳发展与环境保护之间的必然选择。建筑节能是绿色建筑中的主要成份，“以人为本”的节能才真正是绿色建筑的本意。

智慧城市要求实现城市是绿色的和低碳的。低碳经济是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式，所谓“低碳”不仅是要减少二氧化碳的排放量，更重要的是如何把握地球资源的消耗总量和利用效率，保证子孙后代的可持续发展。低碳经济的实质是能源高效利用、清洁能源开发、追求绿色GDP的问题，核心是能源技术和减排技术的创新、产业结构和制度的创新以及人类生存发展观念的根本性转变，“低碳”将是一个长期实用的生活形态，任何节能和低碳措施都必须考虑实际的效益。

据住房和城乡建设部的最新统计数据表明，中国的城镇化率，已由2010年的不到47%增加到2011年底的51.27%，增长势头非常迅猛。同时根据联合国发布的报告，全球超过50万人口的城市中有1/4是在中国，故对中国而言，节能减排和生态环保更是中国的当务之急。