【学科发展报告】智慧城市

2019 年 1 月 14 日 中国自动化学会

一、引言

近年来,智慧城市已成为当前社会发展面临的全新研究课题。智慧城市是基于数字城市、物联网和云计算建立的现实世界与数字世界的融合,以实现对人和物的感知、控制和智能服务[1]。智慧城市的核心是通过利用物联网、云计算等新一代信息技术来改变政府、企业和人们相互交往的方式,对各种需求做出快速、智能的响应,提高城市运行效率,为居民创造更美好的城市生活。作为城市发展的一种新形态和新兴模式,智慧城市具有感知化、互联化和智能化的特征,其本质在于信息化与城市化的高度融合。智慧城市不仅为人类认识城市和发展城市开辟了新的视角,也为城市转型发展提供了一种全新的思路和模式,因此在全球范围内引发了学者的广泛关注。

二、我国的发展现状

近年来,随着互联网、移动互联网、物联网的广泛普及,以及云计算、大数据等新一代新兴技术的迅速发展,全球范围内掀起了智慧城市的研究浪潮[2-4]。自2013年以来,围绕智慧城市的发展,我国学者从智慧城市的起源与发展历程、体系结构设计、关键技术、标准化与评价体系、典型案例等多个方面展开了广泛的研究,主要进展如下。

(一)起源与发展历程

“智慧城市”的概念,最早起源于“智慧的地球”这一愿景。智慧城市是城市信息化发展的高级阶段,是数字城市发展到一定阶段的必然产物[5,6]。

数字城市存在于网络空间中,是现实生活的物理城市在网络世界中的一个数字再现[1,7],其核心理念是利用信息与通信技术整合城市信息资源、在实体的城市之上构筑一个“虚拟城市”,从而“创建一个新的城市维度,使得人、关系与服务虚拟化地共享和整合形成更灵敏的社区7。数字城市为城市规划、智能化交通、城市安全应急响应等创造了条件,是信息时代城市和谐发展的重要手段1]

智慧城市存在于赛博- 物理- 社会三元空间中,是数字城市在新一代信息与通信技术条件下的进一步发展,实现了赛博空间和实际物理空间的贯通。智慧城市建设的核心是实现城市更透彻的感知、更全面的互联和更深入的智能[8]。总体来说,“智慧城市是在城市全面数字化基础之上建立的可视、可量测、可感知、可分析、可控制的智能化城市管理与运营机制,包括城市的网络、传感器、计算资源等基础设施,以及在此基础上通过对实时信息和数据的分析而建立的城市信息管理与综合决策支撑等平台”[9,10]。

综上所述,智慧城市是整合了数字城市、知识城市、生态城市、创造城市的城市功能并凌驾于之上的综合体,形成一种金字塔 - 星状结构[11]。

(二)体系结构设计

智慧城市是物联网、云计算、移动网络、大数据等为代表的信息技术与城市化发展相结合的产物。如何有效地实现对智慧城市中海量、异构、多源数据的数据共享和融合是智慧城市必须要解决的核心问题[12-15]。

在智慧城市的体系结构设计方面,参考文献[11]提出了一个适用于中国国情的三层四柱架构模型。参考文献[1]从功能角度对智慧城市的架构进行了研究,并指出智慧城市的架构应包含物联网设备层、基础网络支撑层、基础设施网络层和应用层四个层次。参考文献[16] 提出了智慧城市的框架体系。参考文献[12]提出了一个解决数据共享和融合问题的智慧城市数据互联框架。参考文献[17]从信息、物理、功能三个方面给出了智慧城市的体系结构。

(三)关键技术集合

智慧城市建设主要依靠大数据、物联网、云计算等关键技术[18,19]。

1. 大数据

随着物联网、云计算、移动网络、大数据等相关技术的发展,智慧城市中数据容量和类型的急剧增长,如何有效地管理、分析和整合这些大数据,从数据中提取出有用的信息并将信息转化为价值,成为众多互联网企业和学术界的研究重点和热点,因此大数据技术已成为智慧城市的核心关键技术[20-22]。如何将智慧城市中多源数据有机整合,从而实现不同数据源的数据共享和融合是智慧城市中亟待解决的核心问题[12]。参考文献[1]针对智慧城市中的大数据提出了基于时空信息云平台基础框架的智慧城市解决方案。参考文献[12] 提出了一个智慧城市数据互联框架来解决智慧城市数据共享和融合问题。

2. 物联网技术

物联网可以为智慧城市实现全面感知、“人-物-环境”三元融合提供最重要的技术支撑。按照采集、控制和安全防护的功能区分,物联网可以分为智慧传感网、智慧控制网和智慧安全网。智慧传感网负责搜集各类传感器采集到的数据和信息,并发送到数据中心。智慧控制网对各类物联设施进行远程控制,智慧安全网负责整个物联网中传感信息和控制信息的安全连接23]。参考文献[9]提出一种全 IP 网络架构的物联网,实现了识别、定位、跟踪、监控、管理的智能化。

3. 云计算技术

云计算是一种基于互联网模式的计算,是分布式计算和网格计算的进一步延伸和发展,是随着互联网资源配置的变迁逐渐形成的。云计算促进了软件之间的资源聚合、信息共享和协同工作,形成面向服务的计算。云计算能够将全球的海量数据快速处理,并同时向上千万的用户提供服务。云计算根据其提供的虚拟化服务的层次不同,可以分为以下三个层次的服务:基础设施作为服务(IaaS)、平台作为服务(PaaS)、软件作为服务(SaaS)[10]。

4. 智联网技术

智慧城市,作为一个社会复杂系统,其管理与控制需要超过人脑信息处理带宽和速度,而整个社会正在涌现海量的、各种层次上的大数据和智能体 . 尽管这些智能体在数据和信息的层面上实现了互相连通,但是由于缺乏智能联结机制,它们在知识层面上并未做到直接连通。 智联网,正是实现借助机器智能的联结来协同人类社会中各种纷杂智能体的核心科技。 而只有在实现社会化的智能体知识互联之后,人工智能技术才能够形成真正的社会化生态系统。智联网是 以互联网、物联网技术为前序基础科技,在此之上以知识自动化系统为核心系统,以知识计算为核心技术,以获取知识、表达知识、交换知识、关联知识为关键任务,进而建立包含人机在内的智能实体之间语义层次的联结、实现各智能体所拥有的知识之间的互联互通;智联网的最终目的是支撑和完成需要大规模社会化协作的、特别是在复杂系统中需要的知识功能和知识服务。在技术层面上,智联网并非空中楼阁,智联网是建立在互联网(数据信息互联)和物联网(感知控制互联)基础上的,目标是“知识智能互联”的系统,最终的目标是实现海量智能体在知识层面的直接连通,达成智能体群体之间的“协同知识自动化”和“协同认知智能”,即以某种协同的方式进行从原始经验数据的主动采集、获取知识、交换知识、关联知识,到知识功能,如推理、策略、决策、规划、管控等的全自动化过程。 因此智联网的实质是一种全新的、直接面向智能的复杂协同知识自动化系统。海量的智能实体,组成由知识联结的复杂系统,依据一定的运行规则和机制,如同人类社会一样,形成社会化的自组织、自运行、自优化、自适应、自协作的网络组织 . 我们期待基于智联网所实现的协同智能够创造出新的人工智能科技和应用的范式转移,使人类社会的智能水平能够跃升到全新的高度。

(四)标准化与评价体系

智慧城市的标准化工作对智慧城市的发展起着重要的作用[24]。在智慧城市标准化方面,参考文献[25]提出了基于层次化和线性化的标准体系;参考文献[26]则将智慧城市的标准分为指导类标准、工具类标准、应用类标准等三类。国家标准化委员会联合多部委,从国家层面规划智慧城市标准战略、标准体系,整体协调各相关标准组织的工作27]。截止到目前,已经从“引导性指标、技术标准规范、评价体系”等几个方面构建了国家级智慧城市技术与标准体系28],其中已正式立项的智慧城市国家标准包括《智慧城市SOA 标准应用指南》《智慧城市技术参考模型》《智慧城市评价模型及基础评价指标体系》等, 这些成果为我国智慧城市的标准化工作奠定了重要的基础。

为了科学地评估智慧城市的发展水平及效果,从而帮助国内智慧城市规划及建设政策的制定,提升对智慧城市建设效果的监督引导、规范并约束智慧城市的发展方向,建立科学的评价体系至关重要。总体来说,目前国内对智慧城市评价指标体系的研究可归为三类:第一类将评价指标体系分为“智慧城市”基础设施领域、城市智慧产业领域、城市智慧服务领域和城市智慧人文领域四大部分。第二类建立金字塔式的评价模型。第三类从应用水平、信息通信基础水平和实际应用效果方面来评价智慧城市的建设。

(五)典型案例

智慧城市可以使城市的运转更加智能化,从而给城市的各行各业都带来了更有意义的、崭新的发展契机。目前,智慧城市的主要应用领域包括智慧社区、智慧能源、智慧交通等。

1. 智慧社区

智慧社区是智慧城市最典型的应用[29,30]。智慧社区充分借助物联网、传感器网络等 通信技术,把安防、物业管理等系统集成在一起,形成基于大规模信息智能处理的一种新的管理形态社区。智慧社区包含智能家居系统、安全防范系统和物业管理系统三个层次, 极大地提高了社区的集成程度,使得社区信息和资源得到更充分的共享,从而提高社区的服务能力[31]。

2. 智慧能源

智慧能源是智慧城市的又一典型应用,是充分开发人类的智力和能力,通过不断技术创新和制度变革,在能源开发利用、生产消费的全过程和各环节,建立和完善符合生态文明和可持续发展要求的能源技术和能源制度体系,从而呈现出的一种全新能源形式。智慧能源拥有人类大脑功能,能够满足系统、安全、清洁和经济要求。智慧能源的出现可以改变当前集中的能源供给方式,通过分布式系统为人们的生产、生活提供清洁且无污染的便捷能源[32]。

3. 智慧交通

智慧交通系统通过对传统交通系统的变革,提升交通系统的信息化、智能化、集成化和网络化,从而保障人、车、路与环境之间的相互交流[33-37]。智慧交通依靠城市交通基础设施中的传感器,可以实现人与车、路、环境之间的信息交互,并通过云计算中心动态地计算出最优的交通指挥方案和车行路线,进而提高交通系统的效率10]

三、国内外发展比较

纵观国内外近年来智慧城市的研究情况,可以发现国内与国外的智慧城市研究呈现出不同的特色。

国外学者对智慧城市的研究主要集中在构成要素方面,主要包括目标型、动力型和应用型[38,39]。目标型要素反映智慧城市的目标,主要包括智慧经济、智慧人口、智慧治理、智慧流动、智慧环境、智慧生活。动力型要素关注智慧城市的推动力,主要包括“大学 - 产业- 政府”三螺旋结构、“大学- 产业- 政府- 学习- 市场- 知识”六螺旋结构和“政府- 企业 - 大学 - 市民 - 社会”五螺旋结构。应用型要素指明信息通信技术的未来应用领域, 主要包括交通、通信、能源等方面。

与国外智慧城市研究不同,国内学者对智慧城市的研究可以归纳为三个视角。第一个视角是从信息与通信技术(Information and Communication Technologies,ICT)的角度出发来研究智慧城市[15,40],其实质是把智慧城市建设的根本着眼点定位于城市信息技术基础设施与信息处理平台的构筑,即利用云计算、物联网等技术构筑城市硬件、软件和数据基础设施,提升城市政府管理、交通、能源等各个子系统的灵敏性和智能性;第二个视角是着眼于城市的“智慧成长”,其主要内容是发展“可持续城市”、“生态城市”及“宜居城市”等,从而实现人和自然的和谐以及资源与生态意义下的城市可持续发展;第三个视角是知识经济与创造力经济,着眼于城市创造与创新能力的发展,其核心理念是“知识城市”与“创造力城市”,其目标是实现以人为本的可持续创新,实现城市与区域可持续发展[41]。

四、我国发展趋势与对策 

近年来,互联网的迅猛发展及其与物理世界的深度耦合与强力反馈,已经根本性地改变了现代社会的生产、生活与管理决策模式,形成了现实物理世界虚拟网络空间紧密耦合、虚实互动和协同演化的平行社会空间。随着网络化应用的加深,特别是互联网 +、大数据、云计算、物联网等技术的发展,信息和物理系统被进一步融会贯通,网络与人类社会无缝联合,形成了更为复杂的融人、机器、信息于一体的系统,即社会物理信息系统(Cyber-physical-social system,CPSS)[42]。CPSS 是在 CPS(Cyber-Physical-Systems)的基础上,进一步纳入社会信息、虚拟空间的人工系统信息,将研究范围扩展到社会网络系统,通过智能化的人机交互方式实现人员组织和物理实体系统的有机结合,使得人员组织通过网络化空间以可靠的、实时的、安全的、协作的方式操控物理实体。CPSS 把人及其组织纳入系统之中,利用软件定义的虚拟人工系统,实现了实际系统与虚拟人工系统的虚实互动、闭环反馈与平行执行。

随着科技的进步及社会的发展,城市系统愈加复杂;同时涉及工程复杂性、系统复杂性和社会复杂性,并呈现出高度动态化、开放化和交互化等特征,各种新兴移动服务的发展及移动终端设备的普及已使“人”成为最为敏感的“社会传感器”。通过 CPSS 资源的深度开发和充分利用,社会微观个体的协同创新,人工智能、先进制造、机器学习等技术的广泛使用,虚实平行互动、实时反馈、移动可视化的城市管理体系的切实应用,都将成为未来城市发展的“智慧之源”。在此情境下,CPSS 将成为实现未来智慧城市体系的基础,成为在联通的复杂世界中整合各种资源和价值的有效手段,成为迈向平行化、透明化、扁平化的平行智慧城市的切实途径。基于 CPSS,以“互联网 ”为途径,以平行为方法,深度开发虚拟空间并充分利用其数据资源,是中国城市走向“平行智慧城市” 的必由之路[43]。

未来社会的发展趋势则必将从物理 + 网络(CPS)的实际城市走向精神层面的人工城市,形成物理 + 网络 + 人工的人 - 机 - 物一体化的三元耦合系统,即基于 CPSS 的平行智慧城市,其核心和本质特征是虚实互动与平行演化。相信在不久的未来,一个城市的竞争力和实力,很大程度上可能不取决于其外在规模与资产的大小,而是由其伴生的人工系统,即软件定义的城市之规模和深度所决定的;智能化和信息化深度融合必将是平行智慧城市的应用与普及,CPSS 的运行模式必将引领人类进入平行智慧城市时代。

五、结束语

智慧城市已成为当前社会发展的重要课题。本专题主要从我国智慧城市的发展现状、国内外发展比较、我国发展趋势与对策等方面对我国智慧城市的发展状况进行分析,并针对我国智慧城市发展过程中存在的问题,对未来我国智慧城市的发展方向和发展趋势提出可行的建议和对策。

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内容节选自《控制科学与工程学科发展报告》

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