從數字城市到智慧城市技術發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)

從數字城市到智慧城市技術發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)從數字城市到智慧城市技術發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)/從數字城市到智慧城市技術發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)從數字城市到智慧城市的技術發(fā)展機遇及挑戰(zhàn)文：總工程師梁軍

1998年1月，在加利福尼亞科學中心開幕典禮上，時任美國副總統(tǒng)的戈爾發(fā)表了題為“數字地球——理解21世紀我們的星球”的演說，提出了“數字地球”的概念，數字地球是“一種關于地球的可以嵌入海量地理數據的、多分辨率和三維的表示”。此概念被引伸到城市，使“數字城市”成為城市信息化的熱點。到2011年末，由國家測繪局推動的數字城市地理空間框架建設已在全國29個省、自治區(qū)、直轄市的220個城市展開，其中地級市約180個，占我國全部地級市的60%。雖然地理空間框架只是數字城市的基礎部分，但也說明了數字城市建設已成為國內城市信息化的著力點。圖1

城市系統(tǒng)的組成結構

2008年11月6日，在紐約召開的美國對外關系委員會上，IBM總裁兼首席執(zhí)行官彭明盛發(fā)表了題為“智慧地球——下一個領導人議程”的演講，提出了“智慧地球”的概念，“大量的計算資源都能以一種規(guī)模小、數量多、成本低的方式嵌入各類非電腦的物品中”，通過在地球內各種有需要的物體（things）上嵌入傳感器或智能芯片，使這些物體成為具有智能的信息采集或可控制裝置，通過物及物的網絡相聯(lián)形成的物聯(lián)網（Internet

of

Things）匯集數據和反饋指令，實現地球內各子系統(tǒng)的智能化調控，構建人類生活和工作的智能環(huán)境（intelligent

environments）或周邊智能（ambient

intelligence）?！爸腔鄣厍颉钡母拍?，同樣被引伸到城市，繼“數字城市”之后，“智慧城市”（Smart

City）也開始成為城市信息化的熱詞。

從數字城市到智慧城市發(fā)展反映了城市信息化的及時俱進，同時也需要我們更深入的思考數字城市及智慧城市的關系，應對智慧城市帶來的技術發(fā)展機遇及挑戰(zhàn)。

數字城市、智慧城市及城市系統(tǒng)的關系圖2

現實城市及數字城市和智慧城市的概略系統(tǒng)分析

分析城市及數字城市、智慧城市之間關系有利于理解和認識數字城市及智慧城市發(fā)展目標和發(fā)展方向的因果關系本原。

1.

城市信息化是數字化、網絡化和智能化的互動過程

城市是以非農業(yè)人口和非農業(yè)活動為主的人類聚居地。它是以人為主體，以空間利用為特點，以集聚效益為目的集約人口、集約經濟、集約科學文化的空間地域系統(tǒng)，是一定區(qū)域范圍內政治、經濟、文化和信息的中心，城市是一種復雜、開放的混合系統(tǒng)（hybrid

system），包括了自然和人工系統(tǒng)。城市在中國現階段的工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、市場化和國際化高速發(fā)展的進程中，發(fā)揮著核心的作用，而城市信息化則在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、市場化和國際化進程發(fā)揮著穿針引線的作用。

城市信息化是指城市社會經濟結構從以物質及能量為重心，向以信息及知識為重心轉變的一種發(fā)展過程1

，是在城市經濟、政治、社會、文化等領域運用信息技術和信息基礎設施改變其運行方式及增強城市功能的過程2。城市信息化涉及城市的數字化、網絡化和智能化交互的過程，數字化是指城市的各種信息以數字化形式采集、存貯、處理和使用的過程；網絡化是城市數字化信息通過網絡流動及分發(fā)的過程；智能化是信息采集及系統(tǒng)調控的自動化過程，三者之間是相互作用的，數字化是城市信息化的基礎，網絡化是保障，智能化是終極目標。

信息化將從多個層面和方位改變城市系統(tǒng)的結構、行為和功能，城市的行為將更加智能。

2.

城市及數字城市的關系

數字城市建設是以城市的數字化和網絡化為重點的城市信息化過程。數字城市是在城市的網絡基礎設施之上，通過城市系統(tǒng)各組成要素及其關系的數字化，構建的由數據和軟件組成的實體城市的數字模型，是現實城市在信息空間的影射。它不僅要反映城市系統(tǒng)組成要素及其結構的靜態(tài)特征，而且要反映其動態(tài)變化過程，其本質是建模城（modeling

our

city）。

城市系統(tǒng)的構成如下圖所示，體現為一個基礎框架、三大主體和三大子系統(tǒng)。數字城市基于城市空間地域系統(tǒng)特征，以城市地理空間的數字化所構建的地理空間信息框架為基礎，嵌入或集成城市的自然資源及自然環(huán)境、基礎設施、經濟及社會乃至歷史和文化信息，形成數字形式的虛擬城市。圖1

城市系統(tǒng)的組成結構

基于地理空間信息框架的城市信息嵌入或集成是數字城市的本質特征，其核心在于將各種信息所隱含的空間屬性及地理空間實體（如地址、道路、房屋、水體、區(qū)劃單元等）關聯(lián)或落實到地理空間的具體坐標上，按地理空間框架加以組織、索引和分析，以二、三維及多分辨率地圖或場景的形式可視化表達。地理信息系統(tǒng)在城市地理空間框架的構建中發(fā)揮著核心的作用，成為數字城市的核心組成部分。

城市的三大主體——政府、企業(yè)和公眾通過數字城市的人機交互界面獲取城市系統(tǒng)的各種信息或視圖（view），實現基于網絡基礎設施和各種智能終端的信息互動，進而對三大主體自身行為和城市系統(tǒng)的子系統(tǒng)或相關要素進行調控，如汽車導航、交通和電力系統(tǒng)的控制等，使城市系統(tǒng)規(guī)劃、建設及運行管理更有序，經濟發(fā)展更高效，市民生活更美好，應對突發(fā)事件的響應更敏捷，最終達到城市可持續(xù)發(fā)展的終極目標。

3.

智慧城市及數字城市的關系

城市的數字化和網絡化是手段，城市的可持續(xù)發(fā)展是終極目標。從系統(tǒng)的角度，可持續(xù)發(fā)展的關鍵在于城市系統(tǒng)的宏觀和微觀的高效和科學的調控。由于現階段數字城市的信息獲取以人機信息交互的方式為主，即基于人機交互的桌面模式（the

model

of

human-computer

interaction）。信息的種類、數量、內容及時效性遠遠不能滿足城市系統(tǒng)宏觀和微觀調控的要求，如經濟結構的宏觀調控、日用品供應的計劃制定及物流配送、某一路燈的控制以及冰箱根據帶電子標簽的存儲物的自動適應等，從閉環(huán)控制系統(tǒng)角度，數字城市的信號正向通路和反饋通路有不完善之處。

隨著傳感器網絡（Sensor

Web）或物聯(lián)網的發(fā)展，城市系統(tǒng)的組成物體（包括人）的狀態(tài)或者物流、能流和信息流的信息可以通過電子標簽（RFID）、傳感器或其它智能芯片獲取，并通過網絡匯集，為數字城市信息采集提供新的技術手段，并使這些物體的遠程控制成為可能。物聯(lián)網及數字城市的結合，促進了智慧城市的發(fā)展，使城市信息化進入智能化為主的階段。在人機交互方面，隨著多點觸摸、MS

Kinect和SIRI等自然用戶界面（Natural

User

Interface）技術發(fā)展，進入了人機交互的后桌面模式（the

post

model

of

human-computer

interaction）時代。智慧城市=數字城市+物聯(lián)網

如果將人及城市類比，智慧城市是人的神經系統(tǒng)，數字城市是人的大腦或中樞神經系統(tǒng)，物聯(lián)網則是人的神經末梢或周圍神經系統(tǒng)，城市的中樞及周圍神經系統(tǒng)的發(fā)展使城市信息化進入了智能化時代。智慧城市將是現代城市的不可或缺的組成部分，如同神經系統(tǒng)是人體的有機組成部分。數字城市負責城市各組成要素的數據的處理、存貯、分析和表達，甚至包括對城市組成部分或要素的控制指令下達；而物聯(lián)網負責各組成要素（物體）的信息采集和控制指令的傳輸和執(zhí)行。由數字城市及物聯(lián)網組成的智慧城市構成了一個動態(tài)信息采集（信號正向通路）、處理及分析以及反饋及控制（反饋通路）的閉環(huán)控制系統(tǒng)，促進了城市的數字神經網絡系統(tǒng)的發(fā)展。

4.

城市及數字城市、智慧城市的系統(tǒng)分析

將城市及數字城市分別作為一個整體來看，數字城市是實體城市通過數字化而構建的數字模型，此模型由數據和軟件構成。按照面向對象技術的觀點，軟件由對象構成，數字城市中的軟件對象主要是城市系統(tǒng)組成要素及其行為和要素間相互關系的影射，而數據是這些對象及關系狀態(tài)（或屬性）的持久化。這種影射關系由城市內相關領域的領域模型以及系統(tǒng)設計及實現方法所決定，軟件對象及其關系的規(guī)則（規(guī)律）通過領域知識模型反映，知識模型是對城市系統(tǒng)進行模擬、預測和控制的基礎，也是城市智能化的核心。領域模型及知識模型是建模城市的元模型或基因。

城市及數字城市、智慧城市的關系如下圖所示：圖2

現實城市及數字城市和智慧城市的概略系統(tǒng)分析

智慧城市建設的目標是通過數字化和對城市系統(tǒng)運行狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測（也是一種數字化手段）驅動動態(tài)數字模型，實現到城市系統(tǒng)的調控，這種調控可以通過對城市主體的行為的調控，或城市組成要素的控制實現，涉及宏觀、中觀和微觀層面的調控，也涉及城市的規(guī)劃、設計、建設、運行管理和服務過程的調控。

由于城市發(fā)展，涉及規(guī)劃或設計以及實施或建設過程，規(guī)劃或設計可以實際系統(tǒng)的數字模型為輸入，產出設計階段系統(tǒng)的數字模型，用于指導實施和建設。建設成果可通過動態(tài)監(jiān)測驅動的實際系統(tǒng)數字模型反映，用于實施和建設過程控制，并及設計階段的數字模型進行比對、跟蹤和評估。因此，設計階段系統(tǒng)的數字模型也將成為數字或智慧城市的一個組成部分。

建筑設計方面，以Autodesk公司為代表的CAD軟件廠商，已突破了傳統(tǒng)CAD制圖的概念，提出了建筑信息模型（Building

Information

Model）或建筑信息建模（Building

Information

Modeling）的概念，從設計階段開始信息化，直接形成建筑物及附屬設施（如管線）或設施的三維模型，并用于建設項目全過程管理，體現了計算機輔助設計從機助制圖到信息建模（現實或設計實體的軟件對象化）的發(fā)展過程，促進了建筑物及設施的規(guī)劃、設計、建設、監(jiān)理和運維的信息全生命周期業(yè)務協(xié)同應用模式的發(fā)展。英國政府2011年6月的時候宣布了一項5年計劃

，到2016年底前對所有公建項目完成BIM的普及，要求參及建筑項目的各方從2016年起使用BIM工具和技術，并以兼容的信息格式提供模型信息，并可擴展到設施管理（FM）。BIM將為智慧城市的建設提供數據源，也是智慧城市的一個組成部分，BIM將使城市建筑乃至內部結構的三維建模成為可能，也為GIS及BIM的集成帶來了挑戰(zhàn)。

圍繞智慧城市建設，Esri總裁Jack

Dangermond提出的“建模我們的世界”（Modeling

our

World）和“地理設計（GeoDesign）”，超圖軟件董事長鐘耳順研究員提出“地理控制”（GeoControl），Autodesk和Trimble公司提出了數字建設（Digital

Construction）等概念，都可以在智慧城市中應用。

從數字城市到智慧城市的發(fā)展是建模我們的世界（Modeling

Our

World）、地理設計（GeoDesing）、地理監(jiān)測（GeoMonitoring）和地理控制（GeoControl）等理念在城市信息化中的實現，反映了城市信息化及時俱進的過程。從數字城市到智慧城市的技術發(fā)展機遇及挑戰(zhàn)

從數字城市到智慧城市的演進是人類對城市信息化認知和技術發(fā)展的必然結果，及智慧城市建設相關的技術主要包括網絡通信技術、物聯(lián)網、大數據（Big

Data）及NoSQL、SOA及ESB、云計算、地理信息技術及BIM、社會計算（Social

Computing）及其它相關技術等，這些技術為智慧城市的建設奠定了基礎，同時也將面臨新的挑戰(zhàn)。

1.

網絡通信技術及移動計算

網絡通信技術從有線網絡向無線網絡和移動無線網絡發(fā)展，特別是移動無線網絡從2.5G的GPRS到3G的WCDMA、CDMA和TDSCDMA的普及，以及4G的發(fā)展，使無時和無處不在的信息通信能力大大增強，為物聯(lián)網和泛在計算（Ubiquitous

computing）提供了網絡基礎設施。

智能移動終端（智能手機、平板電腦等）的發(fā)展使移動計算（Mobile

Computing）發(fā)展迅猛，潛力無限。智能移動終端中集成GPS、攝像頭及其它傳感器使其成為信息采集終端，大大增強了移動信息采集能力，進一步推動了社交網絡服務（Social

Network

Service

,簡稱SNS）的發(fā)展，改變了政府、企業(yè)和公眾的信息互動方式。

通信技術的核心對象是消息（message），消息是信息的容器，可以包括內容和指令。從面向對象的技術角度，消息是發(fā)送給對象的，并發(fā)出一個活動請求。消息可以由事件觸發(fā)，網絡通信技術的發(fā)展將促進IT架構向事件或消息驅動模式遷移，為數字或智慧城市的數字模型的動態(tài)驅動或消息（事件）驅動機制奠定基礎。支持異構環(huán)境、高效的統(tǒng)一消息系統(tǒng)將成為數字或智慧城市的關鍵技術。

2.

物聯(lián)網

從數字城市向智慧城市發(fā)展其最明顯的特征是物聯(lián)網的引入。物聯(lián)網最早主要是以標識物體（或對象）的電子標簽（RFID）的應用為核心的，隨著技術發(fā)展，傳感器和其它智能芯片嵌入物體構成的物及物相聯(lián)網絡，也成為物聯(lián)網的一個部分。從物聯(lián)網數據獲取功能的角度也可將對地觀測技術或遙感技術也納入物聯(lián)網的范疇。

物聯(lián)網的應用改變了數字城市以人機信息交互為主的信息互動模式，進入到傳感器和智能芯片無處不在、信息多源實時獲取和智能控制的泛在計算階段，使智能環(huán)境和周邊計算得到發(fā)展。

對地觀測技術的發(fā)展，特別是高分辨衛(wèi)星影像、無人機遙感、激光雷達（LIDAR）和CORS系統(tǒng)（連續(xù)運行參考站系統(tǒng)），以及最近出現的光場相機（Light

Field

Camera）技術，將使城市地理空間數據（含三維空間數據）的采集更高效和更快捷，為數字城市地理空間框架的建設和各領域提供了更多的數據來源。

物聯(lián)網的發(fā)展從根本上提高了從宏觀到微觀的城市信息采集能力，也將促進城市宏觀及微觀的調控能力，促進以人為中心的周邊環(huán)境智能化。

3.

SOA及ESB

數字或智慧城市涉及復雜的異構應用集成問題。SOA（Service

Oriented

Architecture）作為面向服務的架構，可以通過Web

Service的方式有效的實現異構應用的集成，可以更好地解決數字城市或智慧城市中各種異構應用的集成問題，而企業(yè)服務總線（ESB）則使SOA落到了實處，以消息總線為核心，集成了事件處理、協(xié)議轉換（如HTTP,

FTP,

REST,

SOAP,

JSON,

DCOM,

CORBA,

SAP

RFC等協(xié)議）、數據映射（數據表形式的數據轉換）、數據轉換（基于規(guī)則的數據轉換）和消息隊列及數據緩存等共性功能，使異構應用的集成更為便捷。

ESB較好地解決了消息和事件驅動問題，因此，可以較好地實現及物聯(lián)網和移動計算應用的集成，是一個比較適合于數字或智慧城市IT技術。

4.

大數據及NoSQL

物聯(lián)網發(fā)展和互聯(lián)網應用帶來了多源海量數據的存貯、管理、處理、融合、整合和挖掘分析問題，傳統(tǒng)的關系數據庫管理系統(tǒng)（SQL數據庫管理系統(tǒng)）已不能完全適應這些海量數據的管理及計算要求，NoSQL數據庫管理系統(tǒng)應運而生。NoSQL數據庫主要有鍵-值存貯（key-value

stores）、

BigTable、文件存貯數據庫（document

store

databases）和圖形數據庫（graph

databases）等類型，相關的數據庫軟件主要memcached,

Redis,

MongoDB,

CouchDB,

Apache

Cassandra和HBase等等，都是開源的。

NoSQL數據庫及傳統(tǒng)的關系數據庫管理系統(tǒng)相結合，為智慧城市數據管理提供整體解決方案，應用NoSQL并不是全盤否定SQL數據庫，而應該是NoJustSQL依賴于SQL。

5.

云計算

隨著數字或智慧城市的發(fā)展，多源海量數據存貯、管理以有分析處理、共享、整合和應用問題對計算資源提出了巨大的挑戰(zhàn)，云計算將為這一挑戰(zhàn)提供解決方案。

云計算技術以虛擬技術為核心技術，以規(guī)模經濟為驅動，以互聯(lián)網為載體，以由大量的計算資源組成的IT資源池為支撐，按照用戶需求動態(tài)地提供虛擬化的、可伸縮的IT服務。云計算的核心技術涉及虛擬化、SOA、自主計算（Autonomic

Computing）和設施計算（Utility

Computing）。虛擬化技術解決了服務器物理集中條件下的應用邏輯分隔問題，為計算資源的共享、動態(tài)調度和按需服務奠定了基礎；SOA解決網絡環(huán)境尤其是異構環(huán)境下的應用集成問題，促進了網絡環(huán)境下應用接口的組件化和標準化，從而解決了云計算的易用性問題；而自主計算和設施計算主要解決云計算環(huán)境的管理及運維問題，促進IT資源的基礎設施化。

云計算為用戶提供了IT資源物理集中、應用邏輯分隔的集約化模式，通過以數據中心為載體的IT資源池的構建，實現計算資源（包括IT技術人材資源）的集約化和規(guī)?；龠MIT資源的公共化、共享化以及從業(yè)人員分工的專業(yè)化，提供基礎設施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）和軟件即服務（SaaS）等不同層次的IT資源服務，從而達到IT應用的低成本、高可靠性、可擴展性及業(yè)務敏捷的目標。

云計算可以集成SOA、移動計算、物聯(lián)網等眾多技術，將成為智慧城市未來發(fā)展的方向。同時，也將帶來計算資源的集中管理及基礎設施化問題，使數字或智慧城市真正成為城市基礎設施的一個部分，并也為管理體制和模式帶來挑戰(zhàn)。

6.

地理信息技術及BIM

地理信息技術是數字或智慧城市的核心支撐技術，它使城市系統(tǒng)基于地理空間框架的建模成為可能。隨著智慧城市的發(fā)展，它將面臨更嚴峻的挑戰(zhàn)。對SOA及ESB的高效集成是其中之一，要求GIS的SOA化，并針對ESB的特性進行優(yōu)化；支持云計算及移動計算則是其二，需要支持NoSQL管理海量數據，提供并行計算能力，并針對云計算環(huán)境進行優(yōu)化，支持目前和未來主流的智能移動終端操作系統(tǒng)，如Android和iOS等，提供及PC機桌面應用相當的GIS功能。

由于智慧城市的發(fā)展，基于物聯(lián)網的動態(tài)信息采集及智能調控使GIS應用要解決宏觀和微觀三維數據及動態(tài)信息建模問題，對三維GIS的要求提出了更高的要求，不僅要解決城市宏觀大場景室外三維建模問題，還有解決建筑物內部及內部設施的三維建模問題；針對動態(tài)信息建模，需要在基礎平臺層支持消息（事件）驅動機制，使GIS對象能動態(tài)響應狀態(tài)相關消息，并通過規(guī)則觸發(fā)GIS對象間的聯(lián)動，實現基于消息或事件驅動的協(xié)同應用。這將使GIS從靜態(tài)GIS向動態(tài)多維GIS發(fā)展。

BIM有兩個層面的涵義，一是建筑信息建模，強調過程；一是建筑信息模型，強調結果。作為在CAD基礎上發(fā)展的建筑信息建模技術，解決了建筑和設施的全生命周期的信息管理及問題，其應用將可以促進現實城市及數字或智慧城市的同步建設，可將物聯(lián)網的建設納入設計中，同時實現設計、建設及運管的全過程管理。BIM將為GIS提供三維數據，GIS及BIM的集成，將成為GIS面臨的挑戰(zhàn)。

7.社會計算

社會計算（SocialComputing）是社會行為及計算系統(tǒng)相結合的產物，通過計算系統(tǒng)支持各種社會行為，基于軟件及技術構建或重建社會規(guī)約及社會環(huán)境。它是以人或群體（組織）為中心信息互動模式，其應用主要體現為博客（blogs）、電子郵件（email）、即時通信（instantmessaging）、社交網絡服務（socialnetworkservices）、維基百科（wikis）、社會書簽（socialbookmarking）等應用，如Facebook、Twitter以及國內的新浪博客、微博和騰訊QQ等。社會計算帶來了協(xié)同過濾（collaborativefiltering）、在線拍賣（onlineauctions）、預測市場（predictionmarkets）、信譽系統(tǒng)（reputationsystems）、計算社會選擇（computationalsocialchoice）、分類標簽（tagging）和驗證游戲（verificationgames）等多種應用，影響經濟及社會系統(tǒng)的行為。