从数字城市到智慧城市的技术发展机遇与挑战 -凯时体育

1998年1月,在加利福尼亚科学中心开幕典礼上,时任美国副总统的戈尔发表了题为“数字地球——理解21世纪我们的星球”的演说,提出了“数字地球”的概念,数字地球是“一种关于地球的可以嵌入海量地理数据的、多分辨率和三维的表示”。此概念被引伸到城市,使“数字城市”成为城市信息化的热点。到2011年末,由国家测绘局推动的数字城市地理空间框架建设已在全国29个省、自治区、直辖市的220个城市展开,其中地级市约180个,占我国全部地级市的60%。虽然地理空间框架只是数字城市的基础部分,但也说明了数字城市建设已成为国内城市信息化的着力点。

2008年11月6日,在纽约召开的美国对外关系委员会上,ibm总裁兼首席执行官彭明盛发表了题为“智慧地球——下一个领导人议程”的演讲,提出了“智慧地球”的概念,“大量的计算资源都能以一种规模小、数量多、成本低的方式嵌入各类非电脑的物品中”,通过在地球内各种有需要的物体(things)上嵌入传感器或智能芯片,使这些物体成为具有智能的信息采集或可控制装置,通过物与物的网络相联形成的物联网(internet of things)汇集数据和反馈指令,实现地球内各子系统的智能化调控,构建人类生活和工作的智能环境(intelligent environments)或周边智能(ambient intelligence)。“智慧地球”的概念,同样被引伸到城市,继“数字城市”之后,“智慧城市”(smart city)也开始成为城市信息化的热词。    从数字城市到智慧城市发展反映了城市信息化的与时俱进,同时也需要我们更深入的思考数字城市与智慧城市的关系,应对智慧城市带来的技术发展机遇与挑战。

数字城市、智慧城市与城市系统的关系

分析城市与数字城市、智慧城市之间关系有利于理解和认识数字城市与智慧城市发展目标和发展方向的因果关系本原。    

1. 城市信息化是数字化、网络化和智能化的互动过程        

城市是以非农业人口和非农业活动为主的人类聚居地。它是以人为主体,以空间利用为特点,以集聚效益为目的集约人口、集约经济、集约科学文化的空间地域系统,是一定区域范围内政治、经济、文化和信息的中心,城市是一种复杂、开放的混合系统(hybrid system),包括了自然和人工系统。城市在中国现阶段的工业化、信息化、城镇化、市场化和国际化高速发展的进程中,发挥着核心的作用,而城市信息化则在工业化、城镇化、市场化和国际化进程发挥着穿针引线的作用。        

城市信息化是指城市社会经济结构从以物质与能量为重心,向以信息与知识为重心转变的一种发展过程1 ,是在城市经济、政治、社会、文化等领域运用信息技术和信息基础设施改变其运行方式及增强城市功能的过程2。城市信息化涉及城市的数字化、网络化和智能化交互的过程,数字化是指城市的各种信息以数字化形式采集、存贮、处理和使用的过程;网络化是城市数字化信息通过网络流动与分发的过程;智能化是信息采集及系统调控的自动化过程,三者之间是相互作用的,数字化是城市信息化的基础,网络化是保障,智能化是终极目标。 信息化将从多个层面和方位改变城市系统的结构、行为和功能,城市的行为将更加智能。    

2. 城市与数字城市的关系       

数字城市建设是以城市的数字化和网络化为重点的城市信息化过程。数字城市是在城市的网络基础设施之上,通过城市系统各组成要素及其关系的数字化,构建的由数据和软件组成的实体城市的数字模型,是现实城市在信息空间的影射。它不仅要反映城市系统组成要素及其结构的静态特征,而且要反映其动态变化过程,其本质是建模城(modeling our city)。       

城市系统的构成如下图所示,体现为一个基础框架、三大主体和三大子系统。数字城市基于城市空间地域系统特征,以城市地理空间的数字化所构建的地理空间信息框架为基础,嵌入或集成城市的自然资源与自然环境、基础设施、经济与社会乃至历史和文化信息,形成数字形式的虚拟城市。    

基于地理空间信息框架的城市信息嵌入或集成是数字城市的本质特征,其核心在于将各种信息所隐含的空间属性与地理空间实体(如地址、道路、房屋、水体、区划单元等)关联或落实到地理空间的具体坐标上,按地理空间框架加以组织、索引和分析,以二、三维及多分辨率地图或场景的形式可视化表达。地理信息系统在城市地理空间框架的构建中发挥着核心的作用,成为数字城市的核心组成部分。         城市的三大主体——政府、企业和公众通过数字城市的人机交互界面获取城市系统的各种信息或视图(view),实现基于网络基础设施和各种智能终端的信息互动,进而对三大主体自身行为和城市系统的子系统或相关要素进行调控,如汽车导航、交通和电力系统的控制等,使城市系统规划、建设与运行管理更有序,经济发展更高效,市民生活更美好,应对突发事件的响应更敏捷,最终达到城市可持续发展的终极目标。     

3. 智慧城市与数字城市的关系

城市的数字化和网络化是手段,城市的可持续发展是终极目标。从系统的角度,可持续发展的关键在于城市系统的宏观和微观的高效和科学的调控。由于现阶段数字城市的信息获取以人机信息交互的方式为主,即基于人机交互的桌面模式(the model of human-computer interaction)。信息的种类、数量、内容及时效性远远不能满足城市系统宏观和微观调控的要求,如经济结构的宏观调控、日用品供应的计划制定与物流配送、某一路灯的控制以及冰箱根据带电子标签的存储物的自动适应等,从闭环控制系统角度,数字城市的信号正向通路和反馈通路有不完善之处。 随着传感器网络(sensor web)或物联网的发展,城市系统的组成物体(包括人)的状态或者物流、能流和信息流的信息可以通过电子标签(rfid)、传感器或其它智能芯片获取,并通过网络汇集,为数字城市信息采集提供新的技术手段,并使这些物体的远程控制成为可能。物联网与数字城市的结合,促进了智慧城市的发展,使城市信息化进入智能化为主的阶段。在人机交互方面,随着多点触摸、ms kinect和siri等自然用户界面(natural user interface)技术发展,进入了人机交互的后桌面模式(the post model of human-computer interaction)时代。

智慧城市=数字城市+物联网

如果将人与城市类比,智慧城市是人的神经系统,数字城市是人的大脑或中枢神经系统,物联网则是人的神经末梢或周围神经系统,城市的中枢与周围神经系统的发展使城市信息化进入了智能化时代。智慧城市将是现代城市的不可或缺的组成部分,如同神经系统是人体的有机组成部分。数字城市负责城市各组成要素的数据的处理、存贮、分析和表达,甚至包括对城市组成部分或要素的控制指令下达;而物联网负责各组成要素(物体)的信息采集和控制指令的传输和执行。由数字城市与物联网组成的智慧城市构成了一个动态信息采集(信号正向通路)、处理与分析以及反馈与控制(反馈通路)的闭环控制系统,促进了城市的数字神经网络系统的发展。    

4. 城市与数字城市、智慧城市的系统分析        

将城市与数字城市分别作为一个整体来看,数字城市是实体城市通过数字化而构建的数字模型,此模型由数据和软件构成。按照面向对象技术的观点,软件由对象构成,数字城市中的软件对象主要是城市系统组成要素及其行为和要素间相互关系的影射,而数据是这些对象与关系状态(或属性)的持久化。这种影射关系由城市内相关领域的领域模型以及系统设计与实现方法所决定,软件对象及其关系的规则(规律)通过领域知识模型反映,知识模型是对城市系统进行模拟、预测和控制的基础,也是城市智能化的核心。领域模型与知识模型是建模城市的元模型或基因。       

智慧城市建设的目标是通过数字化和对城市系统运行状态的动态监测(也是一种数字化手段)驱动动态数字模型,实现到城市系统的调控,这种调控可以通过对城市主体的行为的调控,或城市组成要素的控制实现,涉及宏观、中观和微观层面的调控,也涉及城市的规划、设计、建设、运行管理和服务过程的调控。    由于城市发展,涉及规划或设计以及实施或建设过程,规划或设计可以实际系统的数字模型为输入,产出设计阶段系统的数字模型,用于指导实施和建设。建设成果可通过动态监测驱动的实际系统数字模型反映,用于实施和建设过程控制,并与设计阶段的数字模型进行比对、跟踪和评估。因此,设计阶段系统的数字模型也将成为数字或智慧城市的一个组成部分。    

建筑设计方面,以autodesk公司为代表的cad软件厂商,已突破了传统cad制图的概念,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,从设计阶段开始信息化,直接形成建筑物及附属设施(如管线)或设施的三维模型,并用于建设项目全过程管理,体现了计算机辅助设计从机助制图到信息建模(现实或设计实体的软件对象化)的发展过程,促进了建筑物与设施的规划、设计、建设、监理和运维的信息全生命周期业务协同应用模式的发展。英国政府2011年6月的时候宣布了一项5年计划 ,到2016年底前对所有公建项目完成bim的普及,要求参与建筑项目的各方从2016年起使用bim工具和技术,并以兼容的信息格式提供模型信息,并可扩展到设施管理(fm)。bim将为智慧城市的建设提供数据源,也是智慧城市的一个组成部分,bim将使城市建筑乃至内部结构的三维建模成为可能,也为gis与bim的集成带来了挑战。    围绕智慧城市建设,esri总裁jack dangermond提出的“建模我们的世界”(modeling our world)和“地理设计(geodesign)”,超图软件董事长钟耳顺研究员提出“地理控制”(geocontrol),autodesk和trimble公司提出了数字建设(digital construction)等概念,都可以在智慧城市中应用。    从数字城市到智慧城市的发展是建模我们的世界(modeling our world)、地理设计(geodesing)、地理监测(geomonitoring)和地理控制(geocontrol)等理念在城市信息化中的实现,反映了城市信息化与时俱进的过程。

从数字城市到智慧城市的技术发展机遇与挑战

从数字城市到智慧城市的演进是人类对城市信息化认知和技术发展的必然结果,与智慧城市建设相关的技术主要包括网络通信技术、物联网、大数据(big data)与nosql、soa与esb、云计算、地理信息技术与bim、社会计算(social computing)及其它相关技术等,这些技术为智慧城市的建设奠定了基础,同时也将面临新的挑战。    

1. 网络通信技术与移动计算       

网络通信技术从有线网络向无线网络和移动无线网络发展,特别是移动无线网络从2.5g的gprs到3g的wcdma、cdma和tdscdma的普及,以及4g的发展,使无时和无处不在的信息通信能力大大增强,为物联网和泛在计算(ubiquitous computing)提供了网络基础设施。        

智能移动终端(智能手机、平板电脑等)的发展使移动计算(mobile computing)发展迅猛,潜力无限。智能移动终端中集成gps、摄像头及其它传感器使其成为信息采集终端,大大增强了移动信息采集能力,进一步推动了社交网络服务(social network service ,简称sns)的发展,改变了政府、企业和公众的信息互动方式。         通信技术的核心对象是消息(message),消息是信息的容器,可以包括内容和指令。从面向对象的技术角度,消息是发送给对象的,并发出一个活动请求。消息可以由事件触发,网络通信技术的发展将促进it架构向事件或消息驱动模式迁移,为数字或智慧城市的数字模型的动态驱动或消息(事件)驱动机制奠定基础。支持异构环境、高效的统一消息系统将成为数字或智慧城市的关键技术。   

2. 物联网       

从数字城市向智慧城市发展其最明显的特征是物联网的引入。物联网最早主要是以标识物体(或对象)的电子标签(rfid)的应用为核心的,随着技术发展,传感器和其它智能芯片嵌入物体构成的物与物相联网络,也成为物联网的一个部分。从物联网数据获取功能的角度也可将对地观测技术或遥感技术也纳入物联网的范畴。物联网的应用改变了数字城市以人机信息交互为主的信息互动模式,进入到传感器和智能芯片无处不在、信息多源实时获取和智能控制的泛在计算阶段,使智能环境和周边计算得到发展。       

对地观测技术的发展,特别是高分辨卫星影像、无人机遥感、激光雷达(lidar)和cors系统(连续运行参考站系统),以及最近出现的光场相机(light field camera)技术,将使城市地理空间数据(含三维空间数据)的采集更高效和更快捷,为数字城市地理空间框架的建设和各领域提供了更多的数据来源。物联网的发展从根本上提高了从宏观到微观的城市信息采集能力,也将促进城市宏观与微观的调控能力,促进以人为中心的周边环境智能化。    

3. soa与esb       

数字或智慧城市涉及复杂的异构应用集成问题。soa(service oriented architecture)作为面向服务的架构,可以通过web service的方式有效的实现异构应用的集成,可以更好地解决数字城市或智慧城市中各种异构应用的集成问题,而企业服务总线(esb)则使soa落到了实处,以消息总线为核心,集成了事件处理、协议转换(如http, ftp, rest, soap, json, dcom, corba, sap rfc等协议)、数据映射(数据表形式的数据转换)、数据转换(基于规则的数据转换)和消息队列与数据缓存等共性功能,使异构应用的集成更为便捷。        esb较好地解决了消息和事件驱动问题,因此,可以较好地实现与物联网和移动计算应用的集成,是一个比较适合于数字或智慧城市it技术。    

4. 大数据与nosql       

物联网发展和互联网应用带来了多源海量数据的存贮、管理、处理、融合、整合和挖掘分析问题,传统的关系数据库管理系统(sql数据库管理系统)已不能完全适应这些海量数据的管理与计算要求,nosql数据库管理系统应运而生。nosql数据库主要有键-值存贮(key-value stores)、 bigtable、文件存贮数据库(document store databases)和图形数据库(graph databases)等类型,相关的数据库软件主要memcached, redis, mongodb, couchdb, apache cassandra和hbase等等,都是开源的。         nosql数据库与传统的关系数据库管理系统相结合,为智慧城市数据管理提供整体凯时体育的解决方案,应用nosql并不是全盘否定sql数据库,而应该是nojustsql依赖于sql。    

5. 云计算       

随着数字或智慧城市的发展,多源海量数据存贮、管理以有分析处理、共享、整合和应用问题对计算资源提出了巨大的挑战,云计算将为这一挑战提供凯时体育的解决方案。         云计算技术以虚拟技术为核心技术,以规模经济为驱动,以互联网为载体,以由大量的计算资源组成的it资源池为支撑,按照用户需求动态地提供虚拟化的、可伸缩的it服务。云计算的核心技术涉及虚拟化、soa、自主计算(autonomic computing)和设施计算(utility computing)。虚拟化技术解决了服务器物理集中条件下的应用逻辑分隔问题,为计算资源的共享、动态调度和按需服务奠定了基础;soa解决网络环境尤其是异构环境下的应用集成问题,促进了网络环境下应用接口的组件化和标准化,从而解决了云计算的易用性问题;而自主计算和设施计算主要解决云计算环境的管理与运维问题,促进it资源的基础设施化。         

云计算为用户提供了it资源物理集中、应用逻辑分隔的集约化模式,通过以数据中心为载体的it资源池的构建,实现计算资源(包括it技术人材资源)的集约化和规模化,促进it资源的公共化、共享化以及从业人员分工的专业化,提供基础设施即服务(iaas)、平台即服务(paas)和软件即服务(saas)等不同层次的it资源服务,从而达到it应用的低成本、高可靠性、可扩展性及业务敏捷的目标。         

云计算可以集成soa、移动计算、物联网等众多技术,将成为智慧城市未来发展的方向。同时,也将带来计算资源的集中管理与基础设施化问题,使数字或智慧城市真正成为城市基础设施的一个部分,并也为管理体制和模式带来挑战。    

6. 地理信息技术与bim       

地理信息技术是数字或智慧城市的核心支撑技术,它使城市系统基于地理空间框架的建模成为可能。随着智慧城市的发展,它将面临更严峻的挑战。对soa与esb的高效集成是其中之一,要求gis的soa化,并针对esb的特性进行优化;支持云计算与移动计算则是其二,需要支持nosql管理海量数据,提供并行计算能力,并针对云计算环境进行优化,支持目前和未来主流的智能移动终端操作系统,如android和ios等,提供与pc机桌面应用相当的gis功能。       

由于智慧城市的发展,基于物联网的动态信息采集与智能调控使gis应用要解决宏观和微观三维数据及动态信息建模问题,对三维gis的要求提出了更高的要求,不仅要解决城市宏观大场景室外三维建模问题,还有解决建筑物内部及内部设施的三维建模问题;针对动态信息建模,需要在基础平台层支持消息(事件)驱动机制,使gis对象能动态响应状态相关消息,并通过规则触发gis对象间的联动,实现基于消息或事件驱动的协同应用。这将使gis从静态gis向动态多维gis发展。       

bim有两个层面的涵义,一是建筑信息建模,强调过程;一是建筑信息模型,强调结果。作为在cad基础上发展的建筑信息建模技术,解决了建筑和设施的全生命周期的信息管理与问题,其应用将可以促进现实城市与数字或智慧城市的同步建设,可将物联网的建设纳入设计中,同时实现设计、建设与运管的全过程管理。bim将为gis提供三维数据,gis与bim的集成,将成为gis面临的挑战。    

7. 社会计算       

社会计算(social computing)是社会行为与计算系统相结合的产物,通过计算系统支持各种社会行为,基于软件与技术构建或重建社会规约与社会环境。它是以人或群体(组织)为中心信息互动模式,其应用主要体现为博客(blogs)、电子邮件(email)、即时通信(instant messaging)、社交网络服务(social network services)、维基百科(wikis)、社会书签(social bookmarking)等应用,如facebook、twitter以及国内的新浪博客、微博和腾讯qq等。社会计算带来了协同过滤(collaborative filtering)、在线拍卖(online auctions)、预测市场(prediction markets)、信誉系统(reputation systems)、计算社会选择(computational social choice)、分类标签(tagging)和验证游戏(verification games)等多种应用,影响经济与社会系统的行为。       

近期,美国联邦调查局(fbi)在征集地理警示与分析制图应用凯时体育的解决方案,帮助他们从 facebook和twitter等社交信息中,基于特定算法挖掘威胁国家安全相关的信息,将这些信息定位到地图上,与恐怖分子、大使馆、军事设施、天气条件与预报、交通摄像头及录像等信息集成于地图,为预警、指挥和处置服务 。社会计算在数字或智慧城市中的应用,可以更好地获取城市三大主体——政府、企业和公众的行为信息,为城市系统社会行为调控提供服务。物联网的发展使数字城市向智慧城市发展,而社会计算则将构建一种“人际网”,使人的社会行为数字化和网络化。物联网、人际网与数字城市集成,将使城市的行为更加智能,构建真正的智慧城市。    

8. 其它相关技术         

影响数字或智慧城市发展的技术还有很多,如html5发展使原有的基于flex和silverligt的ria(富互联网应用)统一到html5环境;数据和软件一体化的应用开发平台技术和web api技术,使组织机构的服务api化,带动api经济的发展;最终用户开发(enduser development)促进开发前移,推动用户参与开发;室内定位技术将是活动的定位更加微观和精准等。由于篇幅所限,不在赘述。    

城市系统是由一个空间框架、三大主体(政府、企业和公众)和三大系统(自然资源与环境、基础设施和社会与经济等子系统)构成的复杂、开放的混合系统。数字城市是由数据和软件构成的城市系统的数字模型,以静态和动态的形式反映城市系统的结构、功能和行为,通过从宏观、中观和微观层面调控三大主体自身行为,实现对三大系统的控制,从而改变城市的结构、功能和行为。    

数字城市与物联网的集成,使数字城市向智慧城市发展,物联网将进一步促进城市组成要素信息的信息采集和控制的智能化,构建智能环境,从而使城市的数字神经网络系统得到全面发展,使城市系统的行为智能化。智慧城市的发展得益于网络通信技术、物联网、大数据与nosql、soa与esb、云计算、地理信息技术与bim、社会计算(social computing)及其它相关技术的发展,这些技术在智慧城市建设中集成应用将带来新的机遇与挑战。

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