以城市虛擬映像構(gòu)建智慧城市新型數(shù)據(jù)應(yīng)用

■ 文 /謝 耘

謝耘，神州數(shù)碼控股有限公司首席科學(xué)家，博士，入選“科技北京百名領(lǐng)軍人才”。

虛擬映像將從根本上改變傳統(tǒng)的信息應(yīng)用的基本模式，特別是數(shù)據(jù)應(yīng)用的模式。

信息技術(shù)進(jìn)入21世紀(jì)第二個(gè)10年后，在超大規(guī)模集成電路技術(shù)的推動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)了歷史性跨越。由于芯片處理能力不再成為瓶頸，信息技術(shù)的應(yīng)用開始了爆炸性增長。信息技術(shù)應(yīng)用不再是簡單依附寄生于物理世界的信息化或數(shù)字化，而是借助互聯(lián)網(wǎng)，在物理世界之外構(gòu)建一個(gè)與物理世界有著復(fù)雜關(guān)系與作用的、相對獨(dú)立的虛擬世界。這個(gè)虛擬世界正在以日新月異的速度發(fā)展膨脹。

真實(shí)與虛幻并存于世

人類在上萬年的文明史上，第一次生活于雙重世界之中。網(wǎng)絡(luò)化的虛擬世界是以混亂的面目出現(xiàn)的。隨著它的逐步進(jìn)化，虛擬世界將逐步形成自己的特定結(jié)構(gòu)。在這個(gè)人類自己創(chuàng)造出的虛擬世界中，人必然是核心的主體。但是，人不可能隱形到虛擬網(wǎng)絡(luò)世界之中，所以人將以一種“虛擬映像”的形態(tài)存在，包括由人組成的復(fù)合體，如企業(yè)組織、城市等，都將在虛擬世界中有自己的映像。人以及由人構(gòu)成的復(fù)合主體組織與城市的虛擬映像構(gòu)成了虛擬世界的基礎(chǔ)核心結(jié)構(gòu)。

主體的虛擬映像，是信息/數(shù)據(jù)對主體的一種全面的描述。從信息/數(shù)據(jù)的角度來看，這三類主體的虛擬映像的結(jié)構(gòu)，既有總體上相同的特點(diǎn)，也有具體的不同之處。這些在量級上有巨大差別的虛擬映像，都包括了相應(yīng)的主體所擁有的所有信息的總和，而且是這個(gè)主體“感受”到并且活動(dòng)于其中的“真實(shí)”的虛擬世界——它既包括了主體所處的外部環(huán)境，也包括了主體的自身狀況。它們之間的差別主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.信息/數(shù)據(jù)量的差異。很明顯，個(gè)人擁有的信息/數(shù)據(jù)量與一個(gè)城市擁有的信息/數(shù)據(jù)量是有巨大差異的。這將導(dǎo)致建立虛擬映像時(shí)所采用的具體處理方式有所不同。

2.主體所處的外部環(huán)境的不同。組織型主體企業(yè)的外部環(huán)境非常復(fù)雜，個(gè)人的要相對簡單很多。對體量最大的城市而言，如果把城市的自然與人文環(huán)境看作城市自身的組成部分的話，它的外部環(huán)境反倒顯得比較簡單。

3.主體自身狀況的差別。個(gè)人的自身狀況是最簡單的，而且很多內(nèi)容并不需要投影到數(shù)字映像之中。企業(yè)的自身狀況則要復(fù)雜得多，包括了人、財(cái)、物等，而且很有必要投影到數(shù)字映像中，以便有效地支撐企業(yè)的活動(dòng)。顯而易見，城市的自身狀況是最為復(fù)雜的。

因此，個(gè)人的虛擬映像更多的是關(guān)于主體對外部的感知，城市的虛擬映像則主要是對主體自身的狀態(tài)描述，企業(yè)則兩者兼具。

以上不同的特點(diǎn)，導(dǎo)致不同類型的主體的虛擬映像具有不同的結(jié)構(gòu)特征。同一類主體的虛擬映像具有相同的基本數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)成基礎(chǔ)性產(chǎn)品用來解決一大類問題，就像關(guān)系型數(shù)據(jù)庫那樣。

對于城市這樣由大量各種類型的實(shí)體（包括物質(zhì)的和非物質(zhì)的）構(gòu)成的主體，構(gòu)造其虛擬映像，既有巨大的困難，也有容易之處。困難在于整個(gè)系統(tǒng)的高度錯(cuò)綜復(fù)雜，容易則在于對這些實(shí)體，我們已經(jīng)有比較豐富完整的、可以利用借鑒的認(rèn)識(shí)。

構(gòu)建城市的虛擬映像

在建立城市（或城市的一個(gè)區(qū)域）的虛擬映像的時(shí)候，主要包括以下幾個(gè)主要內(nèi)容：

1.相對外部其他環(huán)境，確定映像所反映的主體是誰，確定主體明確的邊界。這是主體相對外部而言的。

2.確定主體內(nèi)部包括哪些類別的實(shí)體及實(shí)體的粒度，確定出最基本的不在此映像中做進(jìn)一步分解的實(shí)體。基本實(shí)體可以構(gòu)成高層復(fù)雜實(shí)體，但基本實(shí)體不被再分解。實(shí)體的最小粒度取決于映像以后可能需要支撐的應(yīng)用類型。

3.建立實(shí)體的多維度描述，即一個(gè)實(shí)體的映像，包括高層實(shí)體分解為基本實(shí)體的結(jié)構(gòu)、實(shí)體的屬性特征以及實(shí)體動(dòng)態(tài)活動(dòng)的記錄等。

4.確定不同實(shí)體之間的關(guān)系。這種關(guān)系一類是站在一個(gè)實(shí)體的視角看到的映像的結(jié)構(gòu)，另一類是站在整體的角度通過對實(shí)體之間關(guān)系的描述，反映主體整體的某些方面的特征。

5.對超越局部實(shí)體的那些主體的整體性特征進(jìn)行描述。

6.映像的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)該是站在映像之外或映像之上看到的結(jié)構(gòu)，應(yīng)該是多視角、多維度的。這是映像最為關(guān)鍵的宏觀整體結(jié)構(gòu)。

這種方法與軟件設(shè)計(jì)中的面向?qū)ο蟮姆椒ㄓ性S多類似的地方，但它們之間還是有本質(zhì)差別的。面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)，局限于某個(gè)應(yīng)用范圍內(nèi)做對象的抽象與描述，目的是支撐應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，是微觀層面的方法 ：建立主體映像，則是對一個(gè)完整獨(dú)立的主體做內(nèi)部實(shí)體的抽象與描述，目的是完成對主體相對準(zhǔn)確完整的描述，是超越具體應(yīng)用之上的宏觀處理。

從另外一個(gè)角度來看，主體的虛擬映像是一種對信息/數(shù)據(jù)的管理方式。它不同于傳統(tǒng)的按照應(yīng)用來管理信息/數(shù)據(jù)的方式，而是按照主體來管理信息/數(shù)據(jù)。因此，它將從根本上改變傳統(tǒng)的信息應(yīng)用的基本模式，特別是數(shù)據(jù)應(yīng)用的模式。

由于信息/數(shù)據(jù)按照主體建模的方式來管理，信息/數(shù)據(jù)應(yīng)用出現(xiàn)了一些變化。首先，信息/數(shù)據(jù)不再是被不同應(yīng)用割裂的孤島，而是按照主體有機(jī)地整合在一起。其次，信息/數(shù)據(jù)按照主體的有機(jī)整合，使圍繞主體構(gòu)建全面服務(wù)與這個(gè)主體的融合應(yīng)用成為可能。應(yīng)用不再僅僅解決痛點(diǎn)問題，而是全面服務(wù)于對象。再次，由于信息/數(shù)據(jù)按照主體有機(jī)整合，并結(jié)合主體的自身內(nèi)在結(jié)構(gòu)，對信息/數(shù)據(jù)的深度挖掘使用成為可能。

基于虛擬映像建設(shè)智慧城市

以智慧城市中城市管理系統(tǒng)為例，讓我們一同來看一看用城市虛擬映像構(gòu)建應(yīng)用與傳統(tǒng)方法有什么本質(zhì)的不同。

城市管理系統(tǒng)是由建立在物聯(lián)網(wǎng)之上的各個(gè)不同的應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成的。傳統(tǒng)的做法是不同的應(yīng)用系統(tǒng)通過自己的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對城市狀況的實(shí)時(shí)感知，在此基礎(chǔ)上完成對城市運(yùn)行的有效管理。一個(gè)典型的應(yīng)用系統(tǒng)基本運(yùn)作過程就是，屬于本系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)感知到的信息/數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)采集后，計(jì)算機(jī)將自動(dòng)對信息/數(shù)據(jù)作處理分析。按照事先設(shè)置好的各種條件，一旦發(fā)現(xiàn)某個(gè)條件被滿足，系統(tǒng)就會(huì)觸發(fā)后續(xù)處理程序。系統(tǒng)將作相應(yīng)的反應(yīng)，包括報(bào)警、啟動(dòng)預(yù)案等。

這樣的系統(tǒng)，信息/數(shù)據(jù)與應(yīng)用直接相連，信息/數(shù)據(jù)直接服務(wù)于應(yīng)用。但是，如果仔細(xì)分析不難看出，不同的城市管理系統(tǒng)所獲取的信息/數(shù)據(jù)并不是只對自己的應(yīng)用系統(tǒng)有意義。例如，交通路況信息/數(shù)據(jù)，不僅可以用于交通管理，還可以用于追捕犯罪嫌疑人。如果把這些信息/數(shù)據(jù)整合在一起，就可以構(gòu)成一個(gè)城市的（部分）虛擬映像。所以，城市管理系統(tǒng)可以按照一個(gè)新的思路來建設(shè)，即將各種物聯(lián)網(wǎng)感知的信息/數(shù)據(jù)集中整合在一起，構(gòu)成一個(gè)城市的（部分）虛擬映像。在這個(gè)映像之上，再構(gòu)建各種城市管理的應(yīng)用。

當(dāng)我們以城市這個(gè)主體的虛擬映像為基礎(chǔ)來構(gòu)架城市管理系統(tǒng)的時(shí)候，信息/數(shù)據(jù)與應(yīng)用之間形成了松耦合關(guān)系，彼此相對獨(dú)立。物聯(lián)網(wǎng)獲取的信息/數(shù)據(jù)，首先被整合為一個(gè)城市的虛擬映像，反映城市自身的實(shí)際狀況。各種應(yīng)用建立在虛擬映像之上，并從中獲取自己需要的信息/數(shù)據(jù)加以利用。信息/數(shù)據(jù)與應(yīng)用之間被適當(dāng)解耦，正體現(xiàn)了非結(jié)構(gòu)化信息/數(shù)據(jù)應(yīng)用的基本特征。將信息/數(shù)據(jù)與應(yīng)用適當(dāng)解耦，既能保證虛擬映像的穩(wěn)定性，又能保證虛擬映像對應(yīng)用未來發(fā)展的適應(yīng)性，使得虛擬映像與應(yīng)用可以相對獨(dú)立地不斷發(fā)展完善，信息/數(shù)據(jù)的利用更加充分，應(yīng)用的開發(fā)也更加靈活。

這種做法在具體的技術(shù)層面會(huì)帶來不少好處。例如，信息/數(shù)據(jù)匯集在“城市虛擬映像”層次，減少了信息/數(shù)據(jù)的冗余，有效降低了信息/數(shù)據(jù)的不一致；徹底解除了孤島式/煙囪式應(yīng)用對于信息/數(shù)據(jù)的鎖定，使每個(gè)應(yīng)用能夠獲得更加完整的信息/數(shù)據(jù)支撐，避免因信息/數(shù)據(jù)集成的需求導(dǎo)致應(yīng)用的頻繁升級；每個(gè)應(yīng)用的處理結(jié)果能夠反映到“城市虛擬映像”中，簡化了應(yīng)用集成及應(yīng)用間的交互。更為重要的是，這個(gè)虛擬映像不僅可以更加有效地支撐傳統(tǒng)的縱向應(yīng)用，而且能夠支撐新型的、跨行業(yè)領(lǐng)域的綜合性信息/數(shù)據(jù)應(yīng)用，如對城市運(yùn)行狀態(tài)與發(fā)展趨勢的綜合分析、模擬及預(yù)測等宏觀層面的信息/數(shù)據(jù)應(yīng)用。

如果我們把智慧城市中與信息/數(shù)據(jù)相關(guān)的應(yīng)用綜合地考慮進(jìn)來，以城市虛擬映像為基礎(chǔ)，可以構(gòu)建一個(gè)更加完整的體系。該體系以不同的服務(wù)對象為中心，以平臺(tái)化的、針對不同對象的全面融合服務(wù)為基本特征。整個(gè)系統(tǒng)的核心是一個(gè)城市比較完整的虛擬映像，包括了組成城市的不同實(shí)體和物理及虛擬環(huán)境的描述。在這個(gè)映像之上，是基于這個(gè)映像的基礎(chǔ)共性服務(wù)，如基本的信息/數(shù)據(jù)共享交換、基礎(chǔ)性的信息/數(shù)據(jù)分析等，它們構(gòu)成了各個(gè)應(yīng)用平臺(tái)所謂“大數(shù)據(jù)”應(yīng)用的基礎(chǔ)。這樣構(gòu)造出來的體系，將從根本上改變原來應(yīng)用孤島式的建設(shè)方式，使系統(tǒng)成為一個(gè)以主體為基礎(chǔ)，以服務(wù)對象為核心的有機(jī)整體。今天的IT技術(shù)已經(jīng)讓這樣的系統(tǒng)建設(shè)成為可能。

隨著虛擬世界自身深層結(jié)構(gòu)的逐步形成，主體的虛擬映像將成為它的核心與基礎(chǔ)，在虛擬世界中的信息/數(shù)據(jù)基本應(yīng)用模式將發(fā)生深刻的變革。新的理念、新的模式、新的方法、新的技術(shù)、新的產(chǎn)品、新的服務(wù)將陸續(xù)出現(xiàn)，整個(gè)產(chǎn)業(yè)將發(fā)生質(zhì)的變化。