从数字城市到智慧城市的理论与实践

王恒续

中煤科工集团重庆设计研究院有限公司 重庆 400000

引言

现阶段，数字城市已经被普遍应用到安全管理、基础资源管理、社会综合信息管理等多个方面，可以为科学决策的制定提供重要辅助信息，简化和完善服务流程，提升办事水平，充分彰显地理信息在社会发展和经济建设中的积极作用。智慧城市是知识经济发展和信息技术变革的重要产物，是城市化与信息化的深度融合，是在数字城市建设基础上形成的，也是智慧化发展的重要趋势。

1 数字城市的发展以及成就

数字城市是有效结合城市地理信息和其他城市信息的、存储在计算机网络上的、可以连接城市内外的虚拟空间，是数字地球的重要内容[1]。数字城市为城市安全应急响应、网络化服务等创造了优越的条件，是信息时代下城市健康稳定发展的重要方式。数字城市发展至今有很多成就，其主要体现在以下几个方面：

1.1 实现了二维城市向三维城市的转变

在地理信息研究、传输和表达中，地图是重要载体，而数字城市的出现改变了这一传统观念，使人类在分析地表空间事物信息方面取得二维到三维的飞跃性发展。在城市规划中，三维城市模型是重要手段，现阶段其被广泛应用到无线电信号传播、军事研究等多个领域。

1.2 形成新一代城市数字规划平台

数字城市主要应用于城市设计和城市规划中，数字规划平台是为数字城市服务的空间数据基础设施。它形成了新一代城市规划信息共享平台，其中包括房地产销售平台、城市应急响应平台、物流配送平台等等。

1.3 城市网格化管理与服务

网格化管理主要是指利用网格技术，以单元网络为基础，将城市行政区域划分为多个网格状单元，单元网格明确城市管理责任人[2]。城市管理监督员要全方位监控管理网格单元实施全时段，从而全区域、分级、分层管理城市。城市网格化管理与服务系统利用相关技术，实现城市管理公正化、客观化、精细化和人性化以及科学化。

1.4 基于数字城市的空间信息共享与服务

数字城市是城市空间信息集成的重要平台，基于数字城市的空间信息共享包括对空间信息资源提供在线服务。有效组合各种服务资源，可以提取和加工更高级的信息，提供更加高水平、智能化的服务。

2 从数字城市到智慧城市

数字地球有效联系了网络技术、遥感技术、地球信息系统等，为全球信息化的实现提供了基本框架。有效结合数字地球与物联网，可以构建智慧地球。

2.1 智慧城市的产生

智慧地球是智慧城市产生的源头，2008年11月智慧地球这一理念被提出。智慧地球是指在各行各业充分发挥新一代IT技术的优势，在全球各个角落融入感应器，普遍连接电网、隧道、公路、铁路等，进而形成物联网。随后利用互联网有效整合物联网，使人们以动态化、精细化的方式管理生产生活，使全球处于智慧状态。智慧城市是智慧地球的重要组成部分，它是与民生密切相关的内容。智慧城市是物联网与数字城市结合的重要产物，主要包括智慧安全网、智慧控制网等多项内容。智慧城市理念是将传感器设置到城市的各个物体中，最终形成物联网，并利用云计算、超级计算机等有效整合物联网，进而有效整合数字城市与城市系统。通过智慧城市可以实现城市智慧化服务与管理。总之，智慧城市是物联网与互联网结合的产物。

2.2 智能传感网络

现代信息技术主要包括计算机技术、传感器技术、通信技术，它们负责完成采集、传输和处理信息工作。与计算机网络相比，传感器网络对环境适应能力更强，具有十分明显的实时性和容错性。随着传感技术、网络通信技术的发展和进步，未来传感器将组成智能化传感器网络。智能传感网络中，传感器是一个可存取的节点，在该网络上需要在线编程功能。传感网是一个全新的技术范围，它有效互联了物与物，因此被称为物联网。在广义上，空间信息网格主要是指在网格技术的支持下，空间数据从获取、处理、存储等到实际应用的全新空间信息系统。在传感器技术快速发展的时代，每天都会使用各种传感器接受大量丰富的数据源，这为遥感网络化、产业化、实用化以及利用城市各种资源实施动态监测与管理提供了重要保障。

2.3 全IP网络架构的物联网

IP明确规定计算机在因特网上开展通信时，要严格遵守相关规则，任何类型的计算机系统只要遵守IP协议便可以互联网互通因特网[3]。未来的网络将全部都是IP网络，它可以无缝连接各种方式，在IP层中有效集成移动因特网、宽带和无线系统，通过利用一种网络基础设施提供通信服务，为运营商带来诸多好处，例如降低成本支出，提升网络的灵活性和扩展性，提高网络运行水平，创造更多收入机会。智能传感器是物联网数据采集和监督事务系统，它通过利用各种仪器自动识别移动或者静止的物体，并开展数据交换。信息网络系统由全球互联网和本地网络构成，是进行信息管理和流通的重要功能模块。全IP网络架构的物联网有效结合了智能安全网、智能传感网、智能控制网的特征，真正做到了管理、跟踪、定位等的智能化。

3 智慧城市基础理论

智慧城市是在城市全面数字化基础上建立的，可视、可量测的智能化运营和管理，其主要包括综合决策支撑平台、城市信息管理平台等。在智慧城市应用和实践中，智慧城市理论是重要基础。

3.1 智慧城市基本特征

第一，智慧城市是以物联网为基础的智能城市[4]。物联网的核心是互联网，是互联网的扩展和延伸，它将网络用户端延伸到了物品间，实现的信息的通讯和交换。一方面，物联网通过有效融合互联网和各种电信网络，准确、实时的传递物体信息；另一方面，利用云计算等智能计算技术，分析处理海量的信息和数据，从而智能化控制物体。

第二，智慧城市面向应用与服务。无线传感网络有效结合了数据网络和无线网络，与传统的计算机网络相比，以数据为核心。由微型传感器节点组成的无线传感网络是为了满足某一特定需求而设计的，与传统网络不同，无线传感网络是某一特定的应用，是一种以无线网络为基础的应用，可以实时监测各个节点的协作情况，采集和感知网络分布区域内监测对象的信息，并开展科学的数据处理工作，从而获得可靠的信息，将这些信息及时传递给用户。

第三，智慧城市可以实现自主维护和自主组网。单一无线传感器网络中包含很多传感器节点，这些节点通过使用随机撒播等方式进行安置。因此对于传感网络来说，手工配置是不可能的，需要使用网络自动配置[5]。同时受到环境改变等原因的影响，单个节点或者局部几个节点会失效，网络拓扑也会随着时间的变化而发生变化。为此，网络应该具备强大的动态路由维护功能，从而避免网络因为节点问题而发生故障。

第四，智慧城市与物理城市融为一体。在无线传感器网络中，各个节点内会设置不同形式的传感器，利用传感器测量地震波信号、红外、声呐等，探测土壤成分、湿度、温度、压力等人们感兴趣的物质现象。传统的计算机网络以人为核心，而无线传感器网络则以数据为核心。

3.2 智慧城市的组成

智慧城市是指利用智慧方法，通过使用云计算、物联网等信息技术改变人们、政府、企业等方面的交往方式，智能、快速响应城市服务、公共安全、民生等需求，从而提升城市运行质量，为居民创造更加稳定、美好的城市生活[6]。站在功能的角度来看，智慧城市架构主要包括物联网设备层、基础网络支撑层等层次。

3.3 智慧城市模型

在城市中，公众、政府、企业是必不可少的主体，他们通过智能服务形成良好的互动，进而降低行政成本支出，提升综合经济利益[7]。在智慧城市模型中，强调公众、政府和企业间的有效协作，利用物联网的智能服务形成良好的互动和交流。例如，某城市智能模型是一种全时段、全要素、全覆盖的智能化城市管理和谐模式，它利用智能化手段，以优质高效服务为核心，实现政府、企业、市民间的有效互动，有效衔接城市管理智能化与行业管理网络化，真正实现条块资源的有效整合与科学联动，建立政府部门有效监督协调、企业规范运营、市场积极参与的联动制度。

4 智慧城市典型设计与应用

智慧城市通过利用IP地址将相关资源整合，真正实现城市运转智能化。智慧城市为城市各行各业发展带来的全新的契机。第一，智慧城市有利于更加有效的开展城市网格化管理，提供相关服务。比如，重庆市有210万个部件设备，850万人，每年发生几十万的事情，可以利用智能数据采集、智能分析等，为人口、事件、部件设施等提供高质量管理和服务。第二，以智慧城市为载体的智能交通。智能交通系统通过变革传统的交通系统，实现交通系统的智能化、网络化、集成化。智能化采集天气、温度、流量等，为人、车、路与环境的有效交流提供重要保障，从而增强交通系统的经济性、安全性和机动性。比如某市利用车载移动传感器，采集全市范围内几万个兴趣点，并开展公众服务，为游客与居民的衣食住行提供便利。第三，以智慧城市为基础的数字家庭应用。数字家庭通过利用网络技术和计算机技术，使用不同的互联方式将各种不同的家电连接到一起，真正实现家用电器和其他家庭用品间的互联和互通。无论是在室内，还是在户外，都可以利用物联网接入终端，让每一个家庭享受智慧地球的信息化成果。第四，智慧城市下的城市公共安全服务[8]。在智慧城市应用中，城市公共安全服务是典型代表。智慧城市下的城市公共安全服务可以安防监控住宅小区、校园、城市工地等。第五，智慧城市在其他方面的应用。智慧城市在其他方面的应用主要体现在智慧城市下的户外流媒体服务以及应急联动响应系统等等。在未来智慧城市将会为群众提供更加便捷的服务，也会在一定程度上缩小城乡差距，提升政府工作质量和效率，促进国家长治久安，提升经济发展水平。

5 结束语

综上所述，数字城市为城市安全应急、网格化管理等创造了优越的条件，是信息时代下城市和谐发展的重要手段和方法。数字城市有效融合物联网将实现智慧城市，而智慧城市可以为人与机器、人与人、机器与机器的沟通提供高质量服务，并提供IP灵性服务，从数字城市到智慧城市，是城市发展必然趋势，也是为人们提供高质量服务的重要途径，有利于推动国家长治久安目标的实现。