智慧城市簡述

丁克奎，鐘凱文

(1.中國科學院 廣州地球化學研究所，廣東廣州510640;2.廣州地理研究所，廣東廣州510070;3.廣東省遙感與地理信息應用重點實驗室，廣東廣州510070;4.中國科學院大學，北京100049)

一、引 言

在21世紀，信息與通信技術的迅速發展使全世界的人們可以彼此連接，世界正在逐漸變得平坦化，這種變化深刻影響和改變著全世界人民的生產和生活。這種變化的根源在于資源——尤其是信息資源正在逐漸平等地被每一個接入到世界網絡中的人所獲取。由此而產生的前所未有的海量信息如何被高效、準確地采集、存儲、管理、分析和為人類提供服務面臨諸多挑戰。2008年，IBM公司現任董事會主席兼CEO Samuel Palmisano在外交關系委員會上發言《A Smarter Planet：The Next Leadership Agenda》提出了“智慧星球”(smarter planet)的概念，認為我們的世界正在向物聯化、互聯化、智能化的方向發展。作為智慧星球的重要組成部分，智慧城市應是其重點和著手點。IBM將智慧城市定義為：可以充分利用今天可用的互聯化信息，從而更好地理解和控制城市運營，并優化有限資源的使用情況的城市。IBM從城市管理的角度來理解智慧城市，并將智慧城市劃分為智慧政府、智慧公共安全、智慧醫療、智慧能源、智慧交通、智慧教育、智慧水網、智慧鐵路、智慧建筑共9個智慧城市子系統。智慧地球尤其是智慧城市逐漸從概念階段進入研究和試驗階段。智慧社區論壇(Intelligent Community Forum，ICF)每年都會發布Smart21社區，所選用的指標體系分別是寬帶連接、腦力勞動力、數字化普及、創新、市場和宣傳。

從表1可以看出歐美和亞洲國家(主要指中日韓和新加坡)對智慧城市研究比較多并且取得了一系列的成果，美國在智慧城市領域研究得最早并且遙遙領先于其他國家和地區。

表1 Smart21分布

二、智慧城市概念及研究現狀

1.智慧城市概念

智慧城市利用互聯化信息有效平衡社會、經濟和環境的發展需求，從而更好地理解和控制城市運營，并優化有限資源的使用情況，促進城市的可持續發展［1］。城市的出現是人類步入文明的標志，也是人類脫離原始社會城市步入文明的象征。據世界銀行集團(World Bank Group，WBG)數據，2010年城鎮人口占到世界總人口的51%，中國城鎮人口占總人口比例為45%;據中國國家統計局數據，2011年中國城鎮人口比例為51.3%。盡管城市所占面積不到世界陸地面積的2%，城市居民卻消耗超過3/4的全球自然資源，同時是溫室氣體排放的主犯［2］。

目前，全球許多地方都在進行智慧城市的試點，并取得了一系列進展，但仍處在試驗和探索的階段。關于智慧城市，眾多專家學者從不同的角度和研究領域對智慧城市做出了概念性的闡述和概括。目前，幾乎所有的專家學者都不否認智慧城市整合了科技、人、社區、管理、政策等眾多概念［3］，但是大部分研究者主要從技術角度、管理角度、政策角度、服務角度和系統角度理解智慧城市。也有少部分研究者試圖給予智慧城市新的解釋，認為智慧城市就是智能增長、智能網絡、智慧社區等。

2.智慧城市的支撐技術

(1)信息與通信技術

信息與通信技術是城市增長的經濟推動力量，改變了城市競爭的方式。智慧城市是指安全、可靠、環保和高效的未來都市中心，同時具備先進的基礎設施，比如傳感器、電子設備和網絡來刺激可持續的經濟增長和高品質的生活。韓國的能源集成城市規劃及管理支持系統(EnerISS，Energy Integrated Urban Planning＆ Managing Support System)不僅向用戶和非專業人士提供信息以提高節能環保意識和高效利用能源，還向專業人士提供數據以供分析、預測、規劃［4］。智能計算技術的使用使得城市的基礎設施和服務變得更加智能化、互聯化和高效。信息與通信技術的迅猛發展、數字城市的不斷深入推進以及物聯網與云計算新技術的不斷革新正在不斷改變著我們的城市和生產生活。智慧城市就是要主動利用這種科技趨勢，借助新技術將城市運行的各個核心系統整合起來，以一種更智慧的方式運行，進而創造更高水平的生活質量。推動智慧城市技術進步和基礎設施建設的主要支撐技術是信息與通信技術、數字城市、物聯網和云計算。

(2)數字城市

數字城市是以計算機技術、多媒體技術和大規模存儲技術為基礎，以互聯網絡為紐帶，運用遙感、全球定位系統、地理信息系統、遙測、仿真-虛擬等技術，對城市的人口、資源、環境、經濟、社會等要素，以數字化、網絡化、智能化和可視化的方向進行多分辨率、多尺度、多時空和多種類的描述，即利用信息技術手段把城市的各種信息資源整合起來在網絡上進行數字化虛擬實現來進行規劃、管理、預測、監管城市［5-6］。智慧在城市是在城市全面數字化基礎之上建立的可視化和可測量的智能化城市管理監測和運營，包含城市的信息、基礎設施以及在此基礎上建立網絡化的城市信息管理平臺與綜合決策支撐平臺［7］。與數字城市相比，智慧城市意味著更透徹的感知、更廣泛的互聯互通和更深入的智能化，也意味著需要城市不同部門和系統之間實現信息共享和協同，更合理地利用資源、做出最優化的決策、及時預測和應對潛在風險、突發事件與各類災害;目的是協調各職能部門，整合優化現有資源，提供更好的服務，為城市各類主體營造一個良好的工作、生活和休閑環境。

(3)物聯網

物聯網是指將各種信息傳感設備及系統，如傳感器網絡、射頻標簽閱讀裝置、條碼與二維碼設備、全球定位系統、激光掃描和其他基于物一物通信模式的短距無線自組織網絡，依照約定的協議，通過各種接入網與互聯網連接，進行信息交換和通信，實現對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理，從而形成的一個巨大智能網絡［8-9］。智慧城市就是要實現城市的人與人、物與物、人與物之間的智慧互聯互通，人口、自然、環境、社會、經濟等信息的即時共享與資源的優化利用。通過物聯網技術，城市因感知物體更多實時的信息而更具智慧，物體因接受更多指令控制而具有智能，這種相互運動的結果使我們生活的城市更加智慧，使我們城市的生活更加美好。物聯網的核心和基礎是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展，進行人與人、物與物、人與物之間信息交換和通信。物聯網具備3個特征［10］：①全面感知，即利用傳感器網絡、射頻標簽閱讀裝置、條碼與二維碼設備、全球定位系統、激光掃描和其他基于物一物通信模式的短距無線自組織網絡等感知環境，獲取人和物的信息(狀態和運動信息);②可靠傳遞，通過電信網和互聯網的融合，將人和物的信息準確實時傳遞和相互溝通;③智能處理，利用云計算、模糊識別等各種智能計算技術，對獲得的海量數據和信息進行分析和處理，對物體實施智能的觀測和控制。通過物聯網技術，我們的城市可以更透徹地感知環境，我們的世界變得更全面地互聯互通，事物、流程、運行方式具有更深入的智慧化。

(4)云計算

云計算將計算能力和存儲能力作為一種服務提供給用戶，包括3種層次：基礎設施即服務(Infrastructure as a Service，IaaS)、平臺即服務(Platform as a Service，PaaS)、軟件即服務(Software as a Service，SaaS)［11］，是一種新的商業模式，可以動態彈性地按需提供存儲服務和計算能力服務。智慧城市對計算和存儲資源的無限需求與計算和存儲資源的有限供給之間的矛盾是導致智慧城市采用云計算技術的根本原因。通過云計算技術，可以隨時隨地提供大規模擴展的計算資源、簡化服務的交付、實現新商業模式的快速創新，城市基礎設施的部署、服務的交付都變得更加智慧化。目前，電子政務被廣泛應用并不斷深入推廣，比如數字廣東不僅提高了城市管理者的工作效率，降低了能耗，同時為市民提供智慧服務。

三、智慧城市的建設

智慧城市的建設如圖1所示，主要包括以下幾個層面：環境感知層、數據中心層、業務層、服務層和用戶。

圖1 智慧城市的架構圖

1)環境感知層：利用物聯網等技術感知環境數據和信息，通過網絡技術進行物與物、人與物、人與人之間的互聯互通，并可以根據環境數據和用戶服務需求進行自調整、自優化以便更好地感知環境以向數據中心提供高標準、高要求的數據、信息以及向業務層提供實時環境數據。

2)數據中心層：存儲著城市的人口、自然、社會、經濟、人文等數據，不間斷接收來自環境感知層的數據(經過預處理后存儲在數據中心)，響應業務層發出的數據請求返回數據。

3)業務層：接受服務層的業務請求，分析業務所需數據類型，向數據中心層發出數據請求;實時動態數據需求需要向環境感知層發出數據請求以獲得實時環境數據，將數據進行處理和分析，然后將結果返回給服務層。

4)服務層：接受用戶的服務請求，分析服務請求，將服務請求轉換成業務序列;向業務層發出業務請求，并將業務層處理結果以用戶友好方式向用戶提供服務。

5)用戶：城市居民和游客。

四、結束語

智慧城市并不是一個新概念，但是智慧城市研究和實施方興未艾，智慧城市正在從實驗室走向人們的生產和生活。目前，關于智慧城市還沒有一個統一的定義，更多的是從技術層面和基礎設施的角度來闡述智慧城市。世界上很多城市，包括中國的很多城市，正在實施智慧城市戰略和提出建設智慧城市的目標。但是智慧城市不是一蹴而就的，危機管理是智慧城市的一個重要組成部分，城市管理者在應對自然災害方面的不足暴露出我國的智慧城市一定要從基礎做起，也說明智慧城市是一項長期工程。智慧城市不是面子工程，我國的城市管理者還需要向歐美日等發達國家學習借鑒他們的經驗和智慧。

目前智慧城市的研究還主要停留在技術層面的基礎設施上面，很多研究都是從各自角度出發來看待問題，很少有人系統性地闡述智慧城市。但是智慧城市是一個有機系統，城市的各個系統不是獨立分散的個體，各個子系統之間相互聯系、相互制約、相互影響，因此智慧城市將會是一個集大成者。智慧城市是一個融合各種最新技術和創新想法，吸引創新人才貢獻其聰明才智的理想平臺。智慧城市不僅影響和改變人類的生產、生活和世界的面貌，還將影響和改變人們的行為方式和思維邏輯。

［1］IBM.智慧的城市：理解IBM智慧城市的基礎［EB/OL］.2011-07-14.http：∥www-31.ibm.com/province/cn/smartercity/PDF/2011_2.pdf.

［2］MARCEAU J.Introduction：Innovation in the City and Innovative Cities［J］.Innovation：Management，Policy ＆Practice，2008，10(2-3)：136-145.

［3］TAEWOO N，Theresa A.Pardo Conceptualizing Smart City with Dimensions of Technology，People，and Institutions［C］∥Proceeding of the 12th Annual International Conference on Digital Government Research：Digital Government Innovation in Challenging Times.New York：［s.n.］，2011：282-291.

［4］KIM SA，SHIN D Y，YOON C，et al.Integrated Energy Monitoring and Visualization System for Smart Green City Development：Designing a Spatial Information Integrated Energy Monitoring Model in the Context of Massive Data Management on a Web Based Platform［J］.Automation in Construction，2012(22)：51-59.

［5］百度百科.數字城市［EB/OL］.2011-08-25.http：∥baike.baidu.com/view/8446.htm.

［6］張永民 .“智慧城市”高于“數字城市”［J］.中國信息界，2011(10)：12-17.

［7］李德仁，邵振峰，楊小敏.從數字城市到智慧城市的理論和實踐［J］.地理空間信息，2011，9(6)：1-5.

［8］劉強，崔莉，陳海明.物聯網關鍵技術與應用［J］.計算機科學，2010，37(6)：1-4.

［9］楊正洪，周發武.云計算和物聯網［M］.北京：清華大學出版社，2011：18.

［10］李德仁，龔健雅，邵振峰.從數字地球到智慧地球［J］.武漢大學學報：信息科學版，2010，35(2)：127-132.

［11］維基百科.Cloud Computing［EB/OL］.2012-07-20.http：∥en.wikipedia.org/wiki/Cloud_computing.