物聯網與下一代智慧城市

曹鶴婷

（中國聯合網絡通信有限公司廣東省分公司，廣東 廣州 510627）

1 引言

隨著網絡互聯技術的飛速發展、硬件制造成本的不斷降低，越來越多的硬件產品通過加入聯網模塊被賦予了網絡連接能力。IOT（Internet of Things，物聯網）時代的到來使得互聯網網絡接入設備由PC、手機等傳統設備不斷擴展到工程監測、家居生活、健康檢測等諸多領域的硬件產品中。Garter[1]評估認為2015年接入網絡的硬件設備數量已經達到了50億，并將在2020年進一步增長到250億。物聯網時代接入設備的快速增長帶來的信息爆炸為信息的接收與存儲、信息的智能處理分析提供了廣闊的應用情景。而智慧城市的建設將是十分重要的應用場景之一。

智慧城市概念的提出是為了合理調度優化城市資源配置，減少資源浪費與環境污染。早在上世紀90年代，將公共服務資源信息通過互聯網有機連接起來的城市建設方案已經有所實施，但受制于當時網絡與硬件技術等諸多因素，主要仍停留在初級階段。隨著物聯網技術的不斷發展，智慧城市的建設也迎來了寶貴的機遇。自2008年IBM提出“智慧地球”[2]理念以來，歐盟[3]、美國、新加坡等國家及其城市不斷推出智慧城市建設項目，我國也于2012年正式發布了“關于開展國家智慧城市試點工作的通知”，截至目前，國家智慧城市試點已達290個。

智慧城市的建設是一個龐大復雜的工程，而如何有效利用以物聯網為代表的新興技術，為更加智能的下一代智慧城市的建設提供支撐，無疑將是非常值得研究與實踐的課題之一。

2 下一代智慧城市的發展方向

伴隨著海量的硬件設備接入與網絡環境的不斷優化，物聯網技術的深入應用將使智慧城市的發展呈現信息管理全自動化、快速響應與動態反饋、基礎建設標準化與細分領域定制化等方向。

目前在智慧城市的建設過程中，盡管公共服務資源信息的聯網已經能夠做到一定程度上的自動化處理，但信息管理仍然需要大量的人力進行監控與維護，這種半自動半人工的信息管理方式既帶來了較大的人力成本，又降低了數據管理的效率。造成這種情況的原因一方面在于目前的公共服務資源信息在接入設備這一層面上并未進行有效的處理優化，另一方面在于對資源信息的處理仍停留在簡單的數據庫形式存儲，而城市建設過程中的決策問題仍交由給人力完成。下一代智慧城市的發展應在物聯網設備上就完成對原始信息數據的處理篩選，與此同時與機器學習、人工智能等計算機技術結合，制定更豐富的能替代人力完成的決策，真正實現信息管理的全自動化。

另一方面，經濟的飛速發展、人口的增長與流動性加快等時代因素加速了城市的擴張，而更復雜的公共設施建設、人口管理、環境治理等問題也隨之出現。這種新形勢使得城市的規劃建設面臨未知又多變的情況，而傳統的解決方案將很難滿足快速變化的城市建設新局面。下一代智慧城市將能對城市在實際運行過程中出現的種種情況進行快速響應與動態反饋。相較于傳統城市建設中以人員調度為核心的響應與反饋機制，基于智能決策系統的智慧城市將真正實現24h監控、處理器級響應，極大地縮短響應時間。這將為城市交通管理、災前預警與災后處理等領域提供支持，減少因響應時間造成的人身與財產損失。

另外，盡管智慧城市建設案例在全球各地各有不同，但在20余年的探索過程中，也已出現了一系列成功的建設經驗。相較于針對每個城市進行重新設計，移植成功的經驗無疑將會減少城市建設的整體成本，同時也能避免因試錯帶來不必要的建設風險。下一代的智能城市建設在交通管理、城市安全、環境保護與治理等城市建設中的基礎領域可建立一套智慧城市基礎建設標準并據此完成實施；而城市之間情況各不相同，需要以具體城市為對象進行細分設計的領域則可以在這種基礎建設標準上進行自定義的設計。這種建設模式在保證了靈活性的同時能夠盡量減少建設成本。

3 物聯網如何助力下一代智慧城市建設

物聯網的三大關鍵技術分別為傳感器技術、RFID標簽以及嵌入式系統技術[4]。這些技術承載著信息的獲取、連接以及一部分的信息處理等任務。因此，下一代智慧城市的發展方向的各個方面都離不開物聯網技術的助力。

智慧城市信息管理的全自動化離不開物聯網技術特別是嵌入式系統技術在連接終端上的應用。事實上，將Unix、Linux等系統嵌入式安裝在終端上，并根據終端類型與作用寫入可執行程序是長久以來對終端實現“智能”的基本處理方式。這種處理方式在終端內存小、數據處理能力低下的背景下能夠滿足信息獲取的基本需求，但迫于硬件條件與軟件限制，對信息進行終端層面上的處理篩選難以真正地進行。而隨著硬件技術提升帶來的終端內存及處理能力的大幅度提升，與以Android為代表的移動操作系統在硬件設備中的普及，這些軟硬件帶來的限制得到了很大緩解，更多信息處理與篩選的工作可以向下遷移至連接終端，在連接終端避免了由信息爆炸引起的海量數據壓力。

另一方面，智慧城市的快速響應與動態反饋意味著對傳感器數據接收能力以及網絡連接速度要求的不斷提高。以城市建設中的災害管理為例，對于突發災害的區域，處理工作需要通過分布于災害區域的傳感器獲得災害區域的人員與財產情況、交通情況、災害區域的影響范圍等多重數據，同時對這些數據進行實時更新。物聯網技術中的傳感器技術、數據傳輸協議等內容正是關鍵。

最后，智慧城市的基礎建設標準化與細分領域定制化這種建設思想與模式在物聯網上的實現擁有先天的優勢。事實上，這種建設思想及模式與嵌入式系統的設計是十分類似的，以Android嵌入式系統為例，系統內部存在一些負責系統基本運行與完成基本工作的內置應用程序，而在這些內置應用程序之外用戶可以通過安裝個性化的應用程序來獲得個性化的體驗。對比來看，基礎建設標準就是這些“內置應用程序”，而細分領域的定制就是“用戶自安裝程序”。因此，在智慧城市中的連接終端中實現這種建設思想與模式是能夠直接與嵌入式系統完成匹配的。

4 物聯網在下一代智慧城市中面臨的挑戰

智慧城市的建設涵蓋了諸多領域，而作為核心領域之一的物聯網領域在下一代智慧城市中面臨的挑戰主要來自于3個方面：數據爆炸、安全性與穩定性、封閉與開放。

（1）數據爆炸

智慧城市的建設離不開對公共資源信息的存儲管理，而更為智能的城市無疑需要建立在更豐富更細粒度的信息數據基礎上。互聯網是物聯網的組成部分之一，目前的規模也已經達到了ZB級別[5]，物聯網的數據量無疑更為龐大。在這種數據爆炸背景下，數據快速接收與處理、數據存儲、海量數據分析等領域都是與物聯網密切相關的。物聯網應對數據爆炸帶來的挑戰的可行之路主要包括：

1）推進傳感器技術的發展，減少無關信息的采集與存儲；

2）結合嵌入式系統技術在接收終端完成信息的初步處理與篩選；

3）建立分級處理機制，避免數據的匯總處理。

（2）安全性與穩定性

智慧城市的建設繞不開安全這一話題，同樣一個不穩定的智慧城市也是不可靠的。物聯網在建設智慧城市過程中需要考慮的安全性主要包括設備與數據安全、人身與環境安全兩個部分。物聯網終端設備應完善軟硬件安全機制，防止人為攻擊帶來的設備損壞與數據泄漏，同時在物聯網終端設備的部署與運行過程中也需要考慮周圍的人身與環境安全，避免在運行過程中對周圍環境造成損害或因設備故障引發人身安全風險。

另一方面，物聯網在穩定性方面同樣面臨挑戰。在突發事件特別是災害情況下如何保證智慧城市的穩定運行和對突發情況的有效處理是切實關乎人身財產安全的重要問題。目前的物聯網技術在電池技術、網絡環境適應性、溫度耐受力等諸多方面仍然有許多工作值得繼續努力。

（3）封閉與開放

毫無疑問，在智慧城市的建設中出于安全考慮，應對一些關鍵的領域建設實行封閉式建設，但本著對下一代智慧城市建設思想與模式的理解貫徹，在細分領域進行定制同樣需要實現一定的開放性。具體而言，將智慧城市建設中的物聯網終端設備的一部分開發權限開放，交由更為靈活的第三方企業進行開發與維護，可以轉移開發成本、增加建設活力。而如何確定封閉與開放的度，哪些領域封閉、哪些領域開放則不僅僅是政策上的考慮，也是在物聯網終端設備設計過程中值得思考的問題。

[1] 孫其博,劉杰,黎羴,等. 物聯網：概念、架構與關鍵技術研究綜述[J]. 北京郵電大學學報, 2010(3): 1-9.

[2] Garter. Gartner Says 4.9 Billion Connected ‘Things’ Will Be in Use in 2015[EB/OL]. (2014-11-11)[2015-10-24]. www.gartner.com/newsroom/id/2905717.

[3] Palmisano S J. A smarter planet: the next leadership agenda[J]. IBM, 2008(6).

[4] Andrea Caragliu, Chiara Del Bo, Peter Nijkamp. Smart Cities in Europe[J]. Journal of Urban Technology, 2011,18(2): 65-82.

[5] 武琪. 國內外智慧城市對比[J]. 財經界, 2013(19): 30-31.

[6] 馮永玖,劉妙龍. 一種基于機器學習的城市發展模擬元胞模型[J]. 測繪科學, 2011(3): 216-218.

[7] 王玲. 王志良：物聯網的核心是人工智能[J]. 高科技與產業化, 2013(10): 60-61.

[8] 程忠波. 淺析規劃輔助決策系統在智慧城市建設中的應用——以揚州市三維城市景觀決策支持系統為例[J]. 數字技術與應用, 2014(10): 62-63.

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

[10] 孫國峰,胡景春. 基于Android的物聯網控制系統的設 計與實現[J]. 微型機與應用, 2013(1): 7-10.

[11] 安建偉. 為“大數據”打造靈活開放的數據中心網絡[J]. 互聯網周刊, 2013(21): 16-17. ★