以城市虚拟映像构建智慧城市新型数据应用

■ 文 /谢 耘

谢耘，神州数码控股有限公司首席科学家，博士，入选“科技北京百名领军人才”。

虚拟映像将从根本上改变传统的信息应用的基本模式，特别是数据应用的模式。

信息技术进入21世纪第二个10年后，在超大规模集成电路技术的推动下，实现了历史性跨越。由于芯片处理能力不再成为瓶颈，信息技术的应用开始了爆炸性增长。信息技术应用不再是简单依附寄生于物理世界的信息化或数字化，而是借助互联网，在物理世界之外构建一个与物理世界有着复杂关系与作用的、相对独立的虚拟世界。这个虚拟世界正在以日新月异的速度发展膨胀。

真实与虚幻并存于世

人类在上万年的文明史上，第一次生活于双重世界之中。网络化的虚拟世界是以混乱的面目出现的。随着它的逐步进化，虚拟世界将逐步形成自己的特定结构。在这个人类自己创造出的虚拟世界中，人必然是核心的主体。但是，人不可能隐形到虚拟网络世界之中，所以人将以一种“虚拟映像”的形态存在，包括由人组成的复合体，如企业组织、城市等，都将在虚拟世界中有自己的映像。人以及由人构成的复合主体组织与城市的虚拟映像构成了虚拟世界的基础核心结构。

主体的虚拟映像，是信息/数据对主体的一种全面的描述。从信息/数据的角度来看，这三类主体的虚拟映像的结构，既有总体上相同的特点，也有具体的不同之处。这些在量级上有巨大差别的虚拟映像，都包括了相应的主体所拥有的所有信息的总和，而且是这个主体“感受”到并且活动于其中的“真实”的虚拟世界——它既包括了主体所处的外部环境，也包括了主体的自身状况。它们之间的差别主要体现在以下几个方面：

1.信息/数据量的差异。很明显，个人拥有的信息/数据量与一个城市拥有的信息/数据量是有巨大差异的。这将导致建立虚拟映像时所采用的具体处理方式有所不同。

2.主体所处的外部环境的不同。组织型主体企业的外部环境非常复杂，个人的要相对简单很多。对体量最大的城市而言，如果把城市的自然与人文环境看作城市自身的组成部分的话，它的外部环境反倒显得比较简单。

3.主体自身状况的差别。个人的自身状况是最简单的，而且很多内容并不需要投影到数字映像之中。企业的自身状况则要复杂得多，包括了人、财、物等，而且很有必要投影到数字映像中，以便有效地支撑企业的活动。显而易见，城市的自身状况是最为复杂的。

因此，个人的虚拟映像更多的是关于主体对外部的感知，城市的虚拟映像则主要是对主体自身的状态描述，企业则两者兼具。

以上不同的特点，导致不同类型的主体的虚拟映像具有不同的结构特征。同一类主体的虚拟映像具有相同的基本数学结构，可以构成基础性产品用来解决一大类问题，就像关系型数据库那样。

对于城市这样由大量各种类型的实体（包括物质的和非物质的）构成的主体，构造其虚拟映像，既有巨大的困难，也有容易之处。困难在于整个系统的高度错综复杂，容易则在于对这些实体，我们已经有比较丰富完整的、可以利用借鉴的认识。

构建城市的虚拟映像

在建立城市（或城市的一个区域）的虚拟映像的时候，主要包括以下几个主要内容：

1.相对外部其他环境，确定映像所反映的主体是谁，确定主体明确的边界。这是主体相对外部而言的。

2.确定主体内部包括哪些类别的实体及实体的粒度，确定出最基本的不在此映像中做进一步分解的实体。基本实体可以构成高层复杂实体，但基本实体不被再分解。实体的最小粒度取决于映像以后可能需要支撑的应用类型。

3.建立实体的多维度描述，即一个实体的映像，包括高层实体分解为基本实体的结构、实体的属性特征以及实体动态活动的记录等。

4.确定不同实体之间的关系。这种关系一类是站在一个实体的视角看到的映像的结构，另一类是站在整体的角度通过对实体之间关系的描述，反映主体整体的某些方面的特征。

5.对超越局部实体的那些主体的整体性特征进行描述。

6.映像的整体结构应该是站在映像之外或映像之上看到的结构，应该是多视角、多维度的。这是映像最为关键的宏观整体结构。

这种方法与软件设计中的面向对象的方法有许多类似的地方，但它们之间还是有本质差别的。面向对象的软件设计，局限于某个应用范围内做对象的抽象与描述，目的是支撑应用的实现，是微观层面的方法 ：建立主体映像，则是对一个完整独立的主体做内部实体的抽象与描述，目的是完成对主体相对准确完整的描述，是超越具体应用之上的宏观处理。

从另外一个角度来看，主体的虚拟映像是一种对信息/数据的管理方式。它不同于传统的按照应用来管理信息/数据的方式，而是按照主体来管理信息/数据。因此，它将从根本上改变传统的信息应用的基本模式，特别是数据应用的模式。

由于信息/数据按照主体建模的方式来管理，信息/数据应用出现了一些变化。首先，信息/数据不再是被不同应用割裂的孤岛，而是按照主体有机地整合在一起。其次，信息/数据按照主体的有机整合，使围绕主体构建全面服务与这个主体的融合应用成为可能。应用不再仅仅解决痛点问题，而是全面服务于对象。再次，由于信息/数据按照主体有机整合，并结合主体的自身内在结构，对信息/数据的深度挖掘使用成为可能。

基于虚拟映像建设智慧城市

以智慧城市中城市管理系统为例，让我们一同来看一看用城市虚拟映像构建应用与传统方法有什么本质的不同。

城市管理系统是由建立在物联网之上的各个不同的应用系统构成的。传统的做法是不同的应用系统通过自己的物联网实现对城市状况的实时感知，在此基础上完成对城市运行的有效管理。一个典型的应用系统基本运作过程就是，属于本系统的物联网感知到的信息/数据被实时采集后，计算机将自动对信息/数据作处理分析。按照事先设置好的各种条件，一旦发现某个条件被满足，系统就会触发后续处理程序。系统将作相应的反应，包括报警、启动预案等。

这样的系统，信息/数据与应用直接相连，信息/数据直接服务于应用。但是，如果仔细分析不难看出，不同的城市管理系统所获取的信息/数据并不是只对自己的应用系统有意义。例如，交通路况信息/数据，不仅可以用于交通管理，还可以用于追捕犯罪嫌疑人。如果把这些信息/数据整合在一起，就可以构成一个城市的（部分）虚拟映像。所以，城市管理系统可以按照一个新的思路来建设，即将各种物联网感知的信息/数据集中整合在一起，构成一个城市的（部分）虚拟映像。在这个映像之上，再构建各种城市管理的应用。

当我们以城市这个主体的虚拟映像为基础来构架城市管理系统的时候，信息/数据与应用之间形成了松耦合关系，彼此相对独立。物联网获取的信息/数据，首先被整合为一个城市的虚拟映像，反映城市自身的实际状况。各种应用建立在虚拟映像之上，并从中获取自己需要的信息/数据加以利用。信息/数据与应用之间被适当解耦，正体现了非结构化信息/数据应用的基本特征。将信息/数据与应用适当解耦，既能保证虚拟映像的稳定性，又能保证虚拟映像对应用未来发展的适应性，使得虚拟映像与应用可以相对独立地不断发展完善，信息/数据的利用更加充分，应用的开发也更加灵活。

这种做法在具体的技术层面会带来不少好处。例如，信息/数据汇集在“城市虚拟映像”层次，减少了信息/数据的冗余，有效降低了信息/数据的不一致；彻底解除了孤岛式/烟囱式应用对于信息/数据的锁定，使每个应用能够获得更加完整的信息/数据支撑，避免因信息/数据集成的需求导致应用的频繁升级；每个应用的处理结果能够反映到“城市虚拟映像”中，简化了应用集成及应用间的交互。更为重要的是，这个虚拟映像不仅可以更加有效地支撑传统的纵向应用，而且能够支撑新型的、跨行业领域的综合性信息/数据应用，如对城市运行状态与发展趋势的综合分析、模拟及预测等宏观层面的信息/数据应用。

如果我们把智慧城市中与信息/数据相关的应用综合地考虑进来，以城市虚拟映像为基础，可以构建一个更加完整的体系。该体系以不同的服务对象为中心，以平台化的、针对不同对象的全面融合服务为基本特征。整个系统的核心是一个城市比较完整的虚拟映像，包括了组成城市的不同实体和物理及虚拟环境的描述。在这个映像之上，是基于这个映像的基础共性服务，如基本的信息/数据共享交换、基础性的信息/数据分析等，它们构成了各个应用平台所谓“大数据”应用的基础。这样构造出来的体系，将从根本上改变原来应用孤岛式的建设方式，使系统成为一个以主体为基础，以服务对象为核心的有机整体。今天的IT技术已经让这样的系统建设成为可能。

随着虚拟世界自身深层结构的逐步形成，主体的虚拟映像将成为它的核心与基础，在虚拟世界中的信息/数据基本应用模式将发生深刻的变革。新的理念、新的模式、新的方法、新的技术、新的产品、新的服务将陆续出现，整个产业将发生质的变化。