感知智慧城市概论：智慧城市学习体会

文｜ 南京工业大学 陆伟良 江苏省建筑设计研究院 周海新 无锡广播电视集团 陆 侃

1 引言

城市是社会生产力发展和科技进步的结果，是承载了多项功能的一个综合体，随着社会的发展，城市的内涵在不断发生变化，影响城市发展的因素也在不断增多。所以，城市化的过程就是一个人类生产生活方式、社会结构不断发展完善的动态过程。

智慧城市是城市化的高级阶段，以物联网技术为基础，通过更深入的智慧化、更全面的互联互通、更有效的交换共享、更协作的关联应用，最终成为一个高效安全、学习创新、和谐友好、智慧开放的类生命体。因此，发展成熟的智慧城市具有像生命体一样的特征，如具有较为完善的行为意识和调控能力、智能感知、情境感知与认知能力、成熟的信息知识智能转换机制及决策能力、一定的自我学习、自我成长和自我创新能力。显然，智慧城市的成长将经历一个长期的建设发展、学习创新、自我完善的过程，也将遵循城市化发展的基本规律，经历起步、发展、成熟三个不同阶段。

目前，全球许多城市都在进行智慧城市的试点，中国已有近50个城市或地区提出了建设智慧城市的目标，智慧城市相关的市场规模超过1500亿元人民币。大量新城区的建设以及城市企业信息化发展的各类新趋势驱动了智慧城市市场。一般来说，老城市改建成智慧城市要比新建城市困难得多。也有人提出建设城区设想，如智慧南京鼓楼区也不失为一个切合实际的设想。

我们认为，推动智慧城市发展的原因主要有以下三个方面：

（1）调整经济结构，转变增长方式：实现企业转型，创建智慧的业务机制，降低成本，规避风险，实现整合，提升领导力建设。

（2）传统产业升级：助力传统企业升级转型并走向世界，石油、天然气、钢铁、化工及其他制造业（如智能电网、智能交通、新能源服务等）。

（3）新兴产业培育：支持现代化服务业发展（如物流、外包、银行核心业务、旅游等新型产业）。

2 智慧城市概念

智慧城市是指在城市发展过程中，在城市基础设施、资源环境、社会民生、经济产业、市政管理领域中，充分利用物联网、互联网、云计算、高性能计算、智能科学等新兴信息技术手段，对城市居民生活工作、企业经营发展和政府行使职能过程中的相关活动与需求，进行智慧感知、互联、处理和协调，使城市构建成为一个由新技术支持的涵盖市民、企业和政府的新城市生态系统，为市民提供一个美好的生活和工作环境，为企业创造一个可持续发展的商业环境，为政府构建一个高效的城市运营管理环境。

从技术手段上而言，智慧城市主要借助物联网、互联网以及无线通信网以及IT支撑等基础设施，充分发挥信息通信技术（ICT）的集成能力，构建产业的智慧化发展环境，形成基于海量信息和智能过滤处理的新的生活、产业发展、社会管理等模式，构建全新的智慧化应用环境，实现协同、高效、安全以及低成本的城市环境。

互联网数据中心（IDC）预测：到2020年，全球的数据规模将会达到35.2ZB（ZB=1000EB=106PB），未来将面临大数据量的挑战，具体的如存储能力如何提供？计算能力如何提供？支撑面向大数据的服务的体系如何构建等问题，均需要好的技术架构来支撑。

我们认为智慧城市发展具有以下三个特点：

（1）信息全面感知

通过网络把各种终端、传感器和网络，在运行、服务中捕获到的多种信息元数据，包括行业运行数据、上下文感知数据、服务过程数据和用户特征数据。

（2）海量数据处理

①具备P级的多部门、多行业异构数据的存储。

②实现海量数据并行计算与分布式处理。

③构建基于人工智能的数据分析和知识管理的智能应用。

（3）智能信息化管理

形成支撑智慧城市的行业智能应用。建立面向服务的智慧城市综合应用的统一公共管理平台。通过网络提供普适、智能的应用与服务。

3 智慧城市的八大关键支撑技术

城市的发展经过了数字化、无线化、移动化的发展过程(如图1所示)，目前随着物联网技术及模式的不断发展和成熟，城市的发展以及经营正在向物联网方向迈进。

图1 智慧城市的发展过程

物联网的城市发展面临的主要问题是：全面感知，有效获取，海量数据的存储、管理、控制，信息的智能处理及智慧化应用支撑。

目前，信息化技术的发展主要针对以上四大挑战，解决途径分别是：物联网，物联网+通信网+互联网，云计算+普适计算，云计算+人工智能。

同时，为了保证城市的可持续化发展，需要不断建设和完善面向城市智慧化经营的服务体系架构。整个技术与服务体系的互相促进，实现智慧化城市的发展。因此，支撑智慧城市的具体技术有物联网技术、云计算技术、高性能计算技术、建模仿真技术、智能科学技术、系统工程技术、标准与安全共性技术及应用技术。

归纳起来，智慧城市具有以下八大关键技术：

（1）物联网技术

物联网是通过识别、感知的技术与设备获取物体/环境的静/动态属性信息，再由网络传输通信技术与设备进行信息/知识交换和通信，并最终经智能信息/知识处理技术与设备实现人—机—物世界的智能化管理与控制的一种“人物互联、物物互联、人人互联”的高效能、智能化网络。

物联网的核心技术包括传感与RFID融合技术、识别与环境感知技术、物联网节点及网关技术、物联网通信与频管技术、物联网接入与组网技术、物联网软件与算法、物联网交互与控制和物联网计算与服务。

物联网的典型架构如图2所示，主要分为感知层，网络层以及应用层三层结构。

（2）云计算技术

云计算是一种基于网络的、面向服务的计算新模式。它融合与发展了虚拟化、网络、面向服务、高效计算和智能科学等新兴信息技术，将各类计算资源虚拟化、服务化，构成虚拟化计算资源的服务云池，并进行统一的、集中的高效管理和经营，使用户通过云端就能随时按需获取计算资源服务，完成高效、低耗、低成本的计算活动。

云计算技术包含：资源的虚拟化/服务化、资源感知、云服务环境的管理/构建/运行/评估、云服务安全、人机交互、云计算应用技术及商业模式等技术。

（3）高性能计算技术

高性能计算技术是指一类具有超高计算能力、存储能力、交互能力的计算技术（目前，计算能力已达千万亿次/秒，正研制万万亿次 /秒）。

高性能计算技术研究内容：高性能处理器；并行高效计算机系统；开发相关系统软件及研究并行算法；开发相关领域大型并行应用软件。

高性能计算技术为智慧城市中求解复杂问题和开展海量信息处理提供了高计算能力使能技术。

（4）建模仿真技术

建模仿真技术是以相似理论、模型理论、系统技术、信息技术以及建模与仿真应用领域的有关专业技术为基础，根据对系统仿真的目标，建立并利用模型，对系统（已有的或设想的）进行研究、分析、试验、运行和评估（系统全生命周期活动）的一门综合性、交叉性技术。

建模仿真技术由仿真建模技术、仿真系统与支撑技术以及仿真应用工程技术等三类技术构成。

图2 物联网典型架构

建模仿真技术对智慧城市各功能领域和运营活动进行建模仿真分析，支持智慧城市论证、设计、分析、试验、运行和评估等全生命周期活动；建模仿真系统可以成为智慧城市智能处理系统的组成部分，参与城市实时运行中的各类处理分析与决策等。

（5）智能科学技术

智能科学是一门交叉学科，主要有脑科学、认知科学、人工智能等学科，共同研究智能行为的基本理论和实现技术。

脑科学从分子水平、细胞水平、行为水平研究自然智能机理，建立脑模型，解释人脑的本质。认知科学是研究人类感知、学习、记忆、思维、意识等人脑心智活动过程的科学。人工智能研究用人工的方法和技术，模仿、延伸和扩展人的智能，实现机器智能。

智能科学为智慧城市提供智慧的技术基础，支持对智慧城市中海量信息的智能识别、融合、运算、监控和处理等功能。

（6）系统工程技术

系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的方法。

系统工程的共性基础技术科学有运筹学、控制论、信息论、计算科学和计算技术。

系统工程技术解决智慧城市（复杂系统）的体系结构，支撑平台，系统集成和实施方法等，支持智慧城市的构建、集成和运营。

（7）标准与安全共性技术

标准为在一定的范围内获得最佳秩序，经协商一致制定并由公认机构批准，共同使用和重复使用的一种规范性文件。

智慧城市的标准体系可分为共性技术基础标准和应用子集标准两个层次。贯穿于智慧城市架构的各个层次，并覆盖应用的各个领域。

安全技术为智慧城市的构建、运行和领域应用提供处理安全问题的解决方案。

（8）应用技术

在支撑平台基础上，集成感知与识别技术、智能信息处理与决策技术以及标准和安全共性技术，围绕“智慧平安城市”、“智慧电力”、“智慧医疗”、“智慧水源”、“智慧交通”、“智慧政务”等领域，针对专业领域的特殊需求，提出应用领域的解决方案或技术，并在智慧城市的管理模式、组织机构、协调机制、服务保障等方面开展研究。

4 智慧城市整体架构

智慧城市包括智慧城市服务数据中心、应用及服务平台、网络以及终端四类重要元素，以数据中心为核心、以物联网终端为触角，以Wi-Fi，3G无线全覆盖、宽带通信为高速信息通道，以信息处理提供应用支撑能力，以异地备份提供数据保障，信用透明度评估能力保障信用安全，从而形成一个闭环式的服务体系，构成融合无线通信、宽带通信、物联网和云计算的整体集成解决方案。如图3所示。

图3 智慧城市的概念架构

作为城市智慧化服务的核心，数据是最重要的基础。如图4所示，智慧城市的重点在于建设城市级数据系统（CDS）。具体的城市级数据系统包括基础设施数据子系统、城市人数据子系统以及行业数据子系统。其中，基础设施数据子系统主要用于收集、存储、处理支撑智慧城市的基础设施，如网络、传感器、平台等的数据，进行基础设施能力的智能化配置；城市人的数据子系统，主要对人员使用服务的行为数据进行特征分析和挖掘，建立相应的策略特征库，从而面向城市人提供个性化，智能化的人性服务。CDS是一个基于云计算分布式数据库和分布式文件系统、专家系统、机器学习和自动规划等，构成的网人工智能系统，即城市的“大脑”，使城市的管理、服务具有智能特性。

图4 智慧城市的城市数据子系统

智慧城市的运营，需要建立面向城市管理、控制与服务的体系架构（如图5所示），统一集中各行业数据与信息资源，建立跨部门、跨行业建立协同平台。通过物联网，将行业应用的数据进行集中，构建CDS，同时由跨部门、跨行业的协同处理平台，进行协同处理和智能控制，通过智能网络，实现面向城市人或物的普适化智能服务。

图5 智慧城市的运营架构

智慧城市的平台架构如图6所示，建立以CDS为中心，基于IaaS云平台管理下的集中资源，通过资源的智能适配，承载和建设开放的业务引擎，包括业务控制引擎，事务处理引擎，数据分析引擎以及上下文感知协同引擎等。与各种终端协同，形成面向智慧城市服务的统一化平台。

智慧城市的网络架构如图7所示，以城市大规模数据中心为核心，进行资源集中，基于数据中心，构建三种基础设施能力，包括计算、存储以及网络的能力，同时提供四种引擎，面向城市提供多样化的服务。

5 智慧城市的规划建设

智慧城市的建设包括了六种基本的内容，具体包括云计算数据中心、基础通信、终端、应用系统、物联网以及业务支撑平台。如图8所示。

（1）云计算数据中心。是承载智慧化应用，构成各种支撑能力的核心基础设施。一方面承载各种物联网、三网融合等的数据，更重要的是承载用户行为数据，构成智慧化应用的核心能力。

（2）基础通信网络。包括宽带接入、承载以及传输等有线宽带网络，3G蜂窝通信网络以及无线Wi-Fi全覆盖。

（3）终端。包括各种终端（如PC、电视、电话、各种瘦终端、物联网终端等）。

（4）业务支撑平台。支撑各种智慧化应用的业务，包括订单管理、用户管理、服务管理以及各种基本能力支撑，如数据库、基本的管理应用系统等。

（5）物联网。物联网传输、汇聚以及物联网信息采集、存储、预处理等系统。

（6）典型应用系统。主要是包括各种应用系统（如管理应用、一卡通应用、智能物流、监控应用、三网融合应用等）。

智慧城市的建设目标如图9所示，可以概括为以云计算数据中心为核心，以物联网为触角，以Wi-Fi、3G无线全覆盖、宽带通信为高速信息通道，构建智慧城区。

智慧城市中基础设施的集成主要分为基础设施层、感知层、网络层、平台层以及具体应用层。如图10所示。

（1）把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被泛在连接，形成“物联网”。

图6 智慧城市的平台架构

图7 智慧城市的网络架构

图8 智慧城市的建设内容

图9 智慧城市的建设目标

（2）通过感知层，将不同环境下的感应器收集到感知层。

（3）通过网络支撑层，将不同的感知层通过不同的网络进行汇集。

（4）通过超级计算机和云计算将“物联网”整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。

（5）把新一代IT技术面向用户，面向产业，充分运用在各行各业之中，更加精细和动态的方式管理生产和生活，从而达到“智慧”状态。

智慧城市的信息处理集成架构依托公众通信网络，以数据心为核心，通过多接入终端实现泛在接入，面向服务的端到端体系架构。

6 智慧城市建设展望

智慧城市是战略性的复杂系统工程，目前尚处于初级阶段。

（1）传统信息服务业智慧化

智慧城市是多个垂直行业智能系统联动，从而形成的一个智慧的大系统。因此，智慧城市将推动各个纵向行业解决方案的发展，推动以服务金融、电信、企业、政府、公共事业如教育、卫生等行业为目标客户的传统信息服务业的发展和提升。随着云计算等技术的创新发展和应用，底层技术不再是门槛，基于客户体验的应用创新将成为发展的核心驱动力，以客户为核心的应用软件也将成为下一轮软件企业竞争的制高点。

图10 智慧城市的基础设施集成架构

（2）智慧新兴产业融合发展

智慧城市，不仅可以极大地提升城市管理水平，应对高速城市化过程中的挑战，还可以为城市打造新兴战略产业。

以市民卡应用为例，它不仅解决了民生和城市管理的问题，同时也创造了一个新的、以个人信息服务为特征、以云计算为支撑的，融合服务民生和城市管理为一体的现代服务业。特别是以IaaS、Paas、SaaS为特征的云计算，在城市化的进程中，通过融合创新，必将孕育出多种战略性新兴业态。

（3）新型智慧城市产业链

智慧城市的建设和运营涉及到城市各项主体和各个领域，将构建完善的上下游产业链形成协同效应。例如，供应链为智慧城市提供高效便捷的物流体系，金融为智慧城市项目提供租赁和创投等资金服务，产业园开发为智慧城市产业提供支撑环境。在智慧城市的基础建设过程中，还会推动传统意义上的信息技术企业与电信运营商、互联网、有线电视系统等多方的紧密合作，在无线宽带、三网融合、云计算中心、IPV6等技术领域，共同为城市通信与信息基础设施建设提供服务，形成互相融合的产业链和生态圈。

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