物联网与下一代智慧城市

曹鹤婷

（中国联合网络通信有限公司广东省分公司，广东 广州 510627）

1 引言

随着网络互联技术的飞速发展、硬件制造成本的不断降低，越来越多的硬件产品通过加入联网模块被赋予了网络连接能力。IOT（Internet of Things，物联网）时代的到来使得互联网网络接入设备由PC、手机等传统设备不断扩展到工程监测、家居生活、健康检测等诸多领域的硬件产品中。Garter[1]评估认为2015年接入网络的硬件设备数量已经达到了50亿，并将在2020年进一步增长到250亿。物联网时代接入设备的快速增长带来的信息爆炸为信息的接收与存储、信息的智能处理分析提供了广阔的应用情景。而智慧城市的建设将是十分重要的应用场景之一。

智慧城市概念的提出是为了合理调度优化城市资源配置，减少资源浪费与环境污染。早在上世纪90年代，将公共服务资源信息通过互联网有机连接起来的城市建设方案已经有所实施，但受制于当时网络与硬件技术等诸多因素，主要仍停留在初级阶段。随着物联网技术的不断发展，智慧城市的建设也迎来了宝贵的机遇。自2008年IBM提出“智慧地球”[2]理念以来，欧盟[3]、美国、新加坡等国家及其城市不断推出智慧城市建设项目，我国也于2012年正式发布了“关于开展国家智慧城市试点工作的通知”，截至目前，国家智慧城市试点已达290个。

智慧城市的建设是一个庞大复杂的工程，而如何有效利用以物联网为代表的新兴技术，为更加智能的下一代智慧城市的建设提供支撑，无疑将是非常值得研究与实践的课题之一。

2 下一代智慧城市的发展方向

伴随着海量的硬件设备接入与网络环境的不断优化，物联网技术的深入应用将使智慧城市的发展呈现信息管理全自动化、快速响应与动态反馈、基础建设标准化与细分领域定制化等方向。

目前在智慧城市的建设过程中，尽管公共服务资源信息的联网已经能够做到一定程度上的自动化处理，但信息管理仍然需要大量的人力进行监控与维护，这种半自动半人工的信息管理方式既带来了较大的人力成本，又降低了数据管理的效率。造成这种情况的原因一方面在于目前的公共服务资源信息在接入设备这一层面上并未进行有效的处理优化，另一方面在于对资源信息的处理仍停留在简单的数据库形式存储，而城市建设过程中的决策问题仍交由给人力完成。下一代智慧城市的发展应在物联网设备上就完成对原始信息数据的处理筛选，与此同时与机器学习、人工智能等计算机技术结合，制定更丰富的能替代人力完成的决策，真正实现信息管理的全自动化。

另一方面，经济的飞速发展、人口的增长与流动性加快等时代因素加速了城市的扩张，而更复杂的公共设施建设、人口管理、环境治理等问题也随之出现。这种新形势使得城市的规划建设面临未知又多变的情况，而传统的解决方案将很难满足快速变化的城市建设新局面。下一代智慧城市将能对城市在实际运行过程中出现的种种情况进行快速响应与动态反馈。相较于传统城市建设中以人员调度为核心的响应与反馈机制，基于智能决策系统的智慧城市将真正实现24h监控、处理器级响应，极大地缩短响应时间。这将为城市交通管理、灾前预警与灾后处理等领域提供支持，减少因响应时间造成的人身与财产损失。

另外，尽管智慧城市建设案例在全球各地各有不同，但在20余年的探索过程中，也已出现了一系列成功的建设经验。相较于针对每个城市进行重新设计，移植成功的经验无疑将会减少城市建设的整体成本，同时也能避免因试错带来不必要的建设风险。下一代的智能城市建设在交通管理、城市安全、环境保护与治理等城市建设中的基础领域可建立一套智慧城市基础建设标准并据此完成实施；而城市之间情况各不相同，需要以具体城市为对象进行细分设计的领域则可以在这种基础建设标准上进行自定义的设计。这种建设模式在保证了灵活性的同时能够尽量减少建设成本。

3 物联网如何助力下一代智慧城市建设

物联网的三大关键技术分别为传感器技术、RFID标签以及嵌入式系统技术[4]。这些技术承载着信息的获取、连接以及一部分的信息处理等任务。因此，下一代智慧城市的发展方向的各个方面都离不开物联网技术的助力。

智慧城市信息管理的全自动化离不开物联网技术特别是嵌入式系统技术在连接终端上的应用。事实上，将Unix、Linux等系统嵌入式安装在终端上，并根据终端类型与作用写入可执行程序是长久以来对终端实现“智能”的基本处理方式。这种处理方式在终端内存小、数据处理能力低下的背景下能够满足信息获取的基本需求，但迫于硬件条件与软件限制，对信息进行终端层面上的处理筛选难以真正地进行。而随着硬件技术提升带来的终端内存及处理能力的大幅度提升，与以Android为代表的移动操作系统在硬件设备中的普及，这些软硬件带来的限制得到了很大缓解，更多信息处理与筛选的工作可以向下迁移至连接终端，在连接终端避免了由信息爆炸引起的海量数据压力。

另一方面，智慧城市的快速响应与动态反馈意味着对传感器数据接收能力以及网络连接速度要求的不断提高。以城市建设中的灾害管理为例，对于突发灾害的区域，处理工作需要通过分布于灾害区域的传感器获得灾害区域的人员与财产情况、交通情况、灾害区域的影响范围等多重数据，同时对这些数据进行实时更新。物联网技术中的传感器技术、数据传输协议等内容正是关键。

最后，智慧城市的基础建设标准化与细分领域定制化这种建设思想与模式在物联网上的实现拥有先天的优势。事实上，这种建设思想及模式与嵌入式系统的设计是十分类似的，以Android嵌入式系统为例，系统内部存在一些负责系统基本运行与完成基本工作的内置应用程序，而在这些内置应用程序之外用户可以通过安装个性化的应用程序来获得个性化的体验。对比来看，基础建设标准就是这些“内置应用程序”，而细分领域的定制就是“用户自安装程序”。因此，在智慧城市中的连接终端中实现这种建设思想与模式是能够直接与嵌入式系统完成匹配的。

4 物联网在下一代智慧城市中面临的挑战

智慧城市的建设涵盖了诸多领域，而作为核心领域之一的物联网领域在下一代智慧城市中面临的挑战主要来自于3个方面：数据爆炸、安全性与稳定性、封闭与开放。

（1）数据爆炸

智慧城市的建设离不开对公共资源信息的存储管理，而更为智能的城市无疑需要建立在更丰富更细粒度的信息数据基础上。互联网是物联网的组成部分之一，目前的规模也已经达到了ZB级别[5]，物联网的数据量无疑更为庞大。在这种数据爆炸背景下，数据快速接收与处理、数据存储、海量数据分析等领域都是与物联网密切相关的。物联网应对数据爆炸带来的挑战的可行之路主要包括：

1）推进传感器技术的发展，减少无关信息的采集与存储；

2）结合嵌入式系统技术在接收终端完成信息的初步处理与筛选；

3）建立分级处理机制，避免数据的汇总处理。

（2）安全性与稳定性

智慧城市的建设绕不开安全这一话题，同样一个不稳定的智慧城市也是不可靠的。物联网在建设智慧城市过程中需要考虑的安全性主要包括设备与数据安全、人身与环境安全两个部分。物联网终端设备应完善软硬件安全机制，防止人为攻击带来的设备损坏与数据泄漏，同时在物联网终端设备的部署与运行过程中也需要考虑周围的人身与环境安全，避免在运行过程中对周围环境造成损害或因设备故障引发人身安全风险。

另一方面，物联网在稳定性方面同样面临挑战。在突发事件特别是灾害情况下如何保证智慧城市的稳定运行和对突发情况的有效处理是切实关乎人身财产安全的重要问题。目前的物联网技术在电池技术、网络环境适应性、温度耐受力等诸多方面仍然有许多工作值得继续努力。

（3）封闭与开放

毫无疑问，在智慧城市的建设中出于安全考虑，应对一些关键的领域建设实行封闭式建设，但本着对下一代智慧城市建设思想与模式的理解贯彻，在细分领域进行定制同样需要实现一定的开放性。具体而言，将智慧城市建设中的物联网终端设备的一部分开发权限开放，交由更为灵活的第三方企业进行开发与维护，可以转移开发成本、增加建设活力。而如何确定封闭与开放的度，哪些领域封闭、哪些领域开放则不仅仅是政策上的考虑，也是在物联网终端设备设计过程中值得思考的问题。

[1] 孙其博,刘杰,黎羴,等. 物联网：概念、架构与关键技术研究综述[J]. 北京邮电大学学报, 2010(3): 1-9.

[2] Garter. Gartner Says 4.9 Billion Connected ‘Things’ Will Be in Use in 2015[EB/OL]. (2014-11-11)[2015-10-24]. www.gartner.com/newsroom/id/2905717.

[3] Palmisano S J. A smarter planet: the next leadership agenda[J]. IBM, 2008(6).

[4] Andrea Caragliu, Chiara Del Bo, Peter Nijkamp. Smart Cities in Europe[J]. Journal of Urban Technology, 2011,18(2): 65-82.

[5] 武琪. 国内外智慧城市对比[J]. 财经界, 2013(19): 30-31.

[6] 冯永玖,刘妙龙. 一种基于机器学习的城市发展模拟元胞模型[J]. 测绘科学, 2011(3): 216-218.

[7] 王玲. 王志良：物联网的核心是人工智能[J]. 高科技与产业化, 2013(10): 60-61.

[8] 程忠波. 浅析规划辅助决策系统在智慧城市建设中的应用——以扬州市三维城市景观决策支持系统为例[J]. 数字技术与应用, 2014(10): 62-63.

[9] 刘强,崔莉,陈海明. 物联网关键技术与应用[J]. 计算机科学, 2010(6): 1-4.

[10] 孙国峰,胡景春. 基于Android的物联网控制系统的设 计与实现[J]. 微型机与应用, 2013(1): 7-10.

[11] 安建伟. 为“大数据”打造灵活开放的数据中心网络[J]. 互联网周刊, 2013(21): 16-17. ★