智慧系統(tǒng)及其在智慧城市應用的前沿技術分析

張彩波

(中國航天系統(tǒng)工程有限公司， 北京 100070)

如何借助新一代信息技術手段解決城市發(fā)展面臨的社會治理、行業(yè)管理、社會民生等關鍵問題，成為當前智慧城市發(fā)展面臨的首要任務，只有將數(shù)字智能從個體向城市管理的整個系統(tǒng)擴展才能使智慧城市變得更加智慧。

為此，圍繞面向智慧城市應用的智慧系統(tǒng)開發(fā)與設計，尤其是智慧城市對數(shù)據(jù)的融合與挖掘、實時處理與分析及智能化的決策等方面，中外學者及企業(yè)相繼開展了一系列理論與實踐探索。因此，通過全面梳理智慧系統(tǒng)在智慧城市應用中的前沿技術體系和發(fā)展方向，搭建面向智慧城市應用的智慧系統(tǒng)，有助于解決智慧城市建設過程中面臨的主動感知、信息傳輸、海量異構數(shù)據(jù)的處理與融合、跨領域信息資源的共享與交換，以及人-機-物融合的智能決策應用等基礎共性問題。

1 智慧城市與智慧系統(tǒng)

智慧城市建設需要通過面向不同行業(yè)、不同領域、不同應用對象的各類智慧系統(tǒng)的開發(fā)才能實現(xiàn)城市的智慧化管理，提升城市管理的智能化水平和信息化關鍵能力。

1.1 智慧城市的信息化關鍵能力

智慧城市作為一項復雜的系統(tǒng)工程，其必須賦能城市全面的信息主動感知能力、安全高效的網(wǎng)絡傳輸能力、強大的數(shù)據(jù)計算能力和精準的智慧應用能力，并將各個行業(yè)的應用系統(tǒng)集大成于一體，實現(xiàn)統(tǒng)一的智能化、智慧化應用，為城市的生產(chǎn)、生活提供智慧服務。因此，通過新一代信息技術的融合創(chuàng)新，實現(xiàn)面向智慧城市行業(yè)應用服務的智慧系統(tǒng)的設計、開發(fā)、系統(tǒng)集成與應用，成為當前智慧城市建設的重點方向。

1.2 智慧系統(tǒng)的理論基礎與實踐

1.2.1 智慧系統(tǒng)的理論基礎

由于城市包含了生產(chǎn)、生活等若干個子系統(tǒng)，智慧城市則是名副其實的“系統(tǒng)的系統(tǒng)”。錢學森等[1]從數(shù)字城市角度給出了智慧系統(tǒng)的原型，指出“作為一個人機共存、人網(wǎng)合一的人工開放型巨型系統(tǒng)，數(shù)字城市管理服務系統(tǒng)表現(xiàn)出很高的智能性與社會性，建立這個開放的巨型智能系統(tǒng)，一方面要從認知科學的理論出發(fā)，運用人工智能、計算機科學和信息技術的最新成果，同時采用從定性到定量的綜合集成法”。朱新明等[2]從城市的功能和發(fā)展前景出發(fā)，指出“數(shù)字城市的綜合系統(tǒng)，特別是支持應變、決策和適時發(fā)展的系統(tǒng)，必須具備相應的學習功能，而且是有教師的學習，人-機結合的系統(tǒng)學習的功能”。

隨著信息化與工業(yè)化的深度融合，信息物理系統(tǒng)(cyber-physical system，CPS)的提出為智慧系統(tǒng)的設計提供了關鍵技術與方法。CPS通過集成先進的感知、計算、通信、控制等信息技術和自動控制技術，構建了物理空間與信息空間中人、機、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協(xié)同的復雜系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運行的按需響應、快速迭代、動態(tài)優(yōu)化，其體系結構一般由決策層、網(wǎng)絡層和物理層構成，核心技術則主要由CPS感知設計技術、CPS信息處理技術、CPS建模與認知技術、CPS決策與控制技術等分步驟設計技術和CPS集成設計技術、數(shù)字孿生技術和CPS安全性技術等系統(tǒng)整體設計技術構成[3-4]。王輝等[5]指出，智慧系統(tǒng)是指物與物通過各種系統(tǒng)互聯(lián)、互通，以自動或半自動的方式實現(xiàn)更加迅速、正確、靈活、節(jié)約地交流和反應。通過系統(tǒng)使物體與物體之間直接對話，提高決策的速度和質量，使生產(chǎn)和生活更為便利。胡虎等[6]從智能的定義入手，提出了三體智能理論，通過總結智能技術互動融合發(fā)展的若干基本規(guī)律，創(chuàng)造性地提出了物理實體、意識人體和數(shù)字虛體三體化一，指出兩體數(shù)字化、兩體認知化、三體互聯(lián)化是人類社會走向智能最重要的前奏和大趨勢，為構建人-機-物協(xié)同融合的智慧系統(tǒng)提供了理論指引。

1.2.2 智慧系統(tǒng)在智慧城市中的典型應用與實踐

當前，智慧城市所涉及的智慧系統(tǒng)的開發(fā)與應用主要聚焦在專項領域的大數(shù)據(jù)量業(yè)務處理、數(shù)據(jù)存儲與分析、城市數(shù)據(jù)智能化與數(shù)據(jù)應用等方向。

(1)IBM(International Business Machines Corporation)“智慧系統(tǒng)”戰(zhàn)略。2009年，IBM提出了“智慧系統(tǒng)”戰(zhàn)略，解釋了基于物聯(lián)化、智能化、感知化、云架構的智慧系統(tǒng)。2010年，IBM正式發(fā)布其關鍵性的三大策略，即為工作負載而優(yōu)化、以“云”方式交付和創(chuàng)造綠色節(jié)能IT(information technology)經(jīng)濟。其中，針對智慧城市大數(shù)據(jù)量處理的挑戰(zhàn)，提出了以優(yōu)化負載為代表的整合系統(tǒng)，以滿足用戶從成本、安全性和擴展性等角度對應用同一系統(tǒng)處理不同類型的工作負載需求。為此，IBM發(fā)布了IBM pureScale應用系統(tǒng)和智慧分析系統(tǒng)兩大負載優(yōu)化系統(tǒng)，提升了業(yè)務分析解決方案的部署效率[7]。

(2)阿里云“ET(阿里人工智能技術)城市大腦”。為解決城市數(shù)據(jù)智能化問題，阿里云于2016年發(fā)布了ET城市大腦，其內(nèi)核采用阿里云ET人工智能技術，對整個城市進行全局實時分析，自動調(diào)配公共資源，修正城市運行中的Bug(錯誤)，最終將進化成能夠治理城市的超級人工智能。ET城市大腦由超大規(guī)模計算平臺、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交換中心、開放算法平臺、數(shù)據(jù)應用平臺五大系統(tǒng)組成，并在交通領域利用大規(guī)模數(shù)據(jù)開展了積極探索[8]。

(3)華為云“智慧城市神經(jīng)系統(tǒng)”。在智慧城市領域，華為提出“新ICT(information communication technology)，讓城市更智慧”的口號，為智慧城市建設提供“一云二網(wǎng)三平臺”的整體解決方案架構，打造智慧城市神經(jīng)系統(tǒng)。“一云”即城市數(shù)據(jù)中心，整合、共享和利用各類城市信息資源；“二網(wǎng)”由聯(lián)接人的城市通信網(wǎng)和聯(lián)接物的城市物聯(lián)網(wǎng)構成；“三平臺”大數(shù)據(jù)服務支撐平臺、ICT應用使能平臺和城市運行管理平臺[9]。

(4)易華錄“城市數(shù)據(jù)湖”。為滿足大數(shù)據(jù)時代數(shù)據(jù)存儲和分析處理的需要，易華錄在中國提出了城市數(shù)據(jù)湖的理念。數(shù)據(jù)湖作為一種新的數(shù)據(jù)架構，由于具備存儲空間海量、兼容多種格式、數(shù)據(jù)處理高速等優(yōu)點，通過“湖存貯，云計算”，既滿足了海量大數(shù)據(jù)的低成本長期存貯要求，又滿足了大數(shù)據(jù)運營開發(fā)需要的便利性，有效促進了“數(shù)據(jù)驅動、人機協(xié)同、跨界融合、共創(chuàng)分享”的智能經(jīng)濟形態(tài)發(fā)展[10]。

1.2.3 智慧系統(tǒng)的內(nèi)涵及特征

結合理論研究與應用實踐，面向智慧城市應用的智慧系統(tǒng)可以理解為借助云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、空間地理信息集成等新一代信息技術，面向城市復雜開放巨系統(tǒng)中人/機/物/環(huán)境/信息智能感知、智能互聯(lián)、智能分析與智能決策的開放性智慧服務系統(tǒng)，是集空天地泛在感知、安全可信傳輸、數(shù)據(jù)治理、智能推理、科學決策、精準執(zhí)行與自我學習等智慧功能于一體的基礎理論體系和應用產(chǎn)品集合。其旨在通過搭建面向智慧城市應用的基礎共性平臺，解決城市組織運行中的人-機-物協(xié)同融合等共性問題。其特征主要表現(xiàn)在以下方面。

全面感知——智慧系統(tǒng)借助實時數(shù)據(jù)采集可對人/事/物/時空/態(tài)勢等城市信息進行全面的感知，包括對物理實體的自然屬性、社會屬性、狀態(tài)及趨勢的感知。實時分析——智慧系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)技術能夠對采集的海量多源異構數(shù)據(jù)進行實時的處理與分析，實現(xiàn)由數(shù)據(jù)到知識的轉換。智能決策——智慧系統(tǒng)通過將數(shù)據(jù)挖掘、深度學習、人工智能算法與專家體系相結合，能夠根據(jù)實際應用需求實現(xiàn)自主的智能推理與科學決策。精準執(zhí)行——智慧系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)的智能分析，獲取對應用需求的精準判斷，并針對不同的應用場景制定科學有效的執(zhí)行方案。自我學習——智慧系統(tǒng)依靠強大的計算能力，結合人工智能技術或認知計算技術，通過對大數(shù)據(jù)的分析與處理實現(xiàn)行業(yè)應用、知識積累與知識創(chuàng)造并不斷自我完善、學習提升。

2 智慧系統(tǒng)的組成及其體系架構

面向智慧城市應用的智慧系統(tǒng)主要包括“感、傳、智、用”4個部分。“感”主要是指通過智能化感知終端和邊緣終端，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的實時采集；“傳”主要是指借助先進的網(wǎng)絡通信技術實現(xiàn)高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸；“智”主要是指通過數(shù)據(jù)接入、云計算基礎平臺、基礎工具、數(shù)據(jù)挖掘、知識生成、專家體系等，形成智慧系統(tǒng)的數(shù)據(jù)樞紐和智能中樞；“用”主要是指面向不同應用領域提供各類智慧服務。

2.1 智慧系統(tǒng)的組成

圖1 智慧系統(tǒng)的組成

智慧系統(tǒng)的具體組成如圖1所示。圖1中，智能感知分系統(tǒng)通過對城市數(shù)據(jù)的采集形成海量多源異構數(shù)據(jù)；通信與網(wǎng)絡分系統(tǒng)通過地基網(wǎng)絡和天基網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸；數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)的存儲、管理、融合、挖掘、分析和標準化，形成初級數(shù)據(jù)產(chǎn)品，為智能分析提供有效支撐；人工智能與專家分系統(tǒng)通過將數(shù)據(jù)轉化為知識，形成通用數(shù)據(jù)產(chǎn)品，為上層應用提供更智能的分析、更精準的預測以及人-機-物協(xié)同的智能決策服務；網(wǎng)間網(wǎng)分系統(tǒng)根據(jù)上層應用數(shù)據(jù)需求提取通用數(shù)據(jù)產(chǎn)品，為應用平臺層提供跨域多源異構數(shù)據(jù)的無障礙傳輸，實現(xiàn)不同平臺間數(shù)據(jù)產(chǎn)品的交換；信息安全分系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)安全和端、網(wǎng)、云的安全技術手段，確保智慧系統(tǒng)運行的安全性與可靠性；環(huán)境支撐分系統(tǒng)通過應用開發(fā)環(huán)境、應用運行環(huán)境和基礎資源設施服務，為智慧系統(tǒng)的開發(fā)提供必要的環(huán)境支撐。專業(yè)應用分系統(tǒng)主要是從智慧城市行業(yè)應用需求的角度出發(fā)，通過行業(yè)大數(shù)據(jù)子平臺、能力協(xié)同子平臺和行業(yè)人工智能子平臺等應用平臺的搭建，面向具體行業(yè)領域開展智能決策與應用服務。

2.2 智慧系統(tǒng)的體系架構

從智慧系統(tǒng)的組成可以看出，其體系架構基本形成了自下而上的“五層兩體系”，如圖2所示。

圖2 智慧系統(tǒng)的體系架構

“感知層”主要借助在城市中布置的感知基礎設施收集城市各類數(shù)據(jù)參數(shù)；“網(wǎng)絡層”主要通過網(wǎng)絡基礎設施實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的傳輸與匯總；“數(shù)據(jù)層”主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、接入、交換、處理、決策分析與組織管理；“平臺層”主要通過面向SOA(service-oriented architecture)的云服務架構，實現(xiàn)基礎設施即服務(infrastructure as a service，IaaS)、平臺即服務(platform as a service，PaaS)及軟件即服務(software as a service，SaaS)等功能服務；“應用層”主要由智慧城市各個專業(yè)應用領域構成，以實現(xiàn)各類智慧化應用服務。“安全保障體系”主要通過物理安全、網(wǎng)絡安全、數(shù)據(jù)安全、云安全及應用安全構建智慧系統(tǒng)的安全技術防護體系；“標準規(guī)范體系”主要在通用標準、信息技術基礎標準、面向業(yè)務的應用標準、管理標準，形成智慧系統(tǒng)統(tǒng)一的對內(nèi)對外數(shù)據(jù)標準和接口規(guī)范。

3 智慧系統(tǒng)的前沿技術體系

智慧系統(tǒng)的前沿技術體系主要由“感、傳、智、用”4個系統(tǒng)單元設計技術和一個系統(tǒng)總體設計技術構成。

3.1 智慧系統(tǒng)的感知技術

目前，城市的數(shù)據(jù)采集范圍已經(jīng)擴展到包括物理實體空間、人類社會空間和虛擬網(wǎng)絡空間的三元空間[11]。盡管城市中布置了大量的感知設備和設施，但如何有效地集成利用，以應對城市感知中的“三多現(xiàn)狀”(多觀測耦合、多協(xié)議互聯(lián)、多主題交互)和“三高需求”(高時空感知、高精度感知、高智能感知)一直是當前面臨的巨大挑戰(zhàn)[12]。因此，只有從物聯(lián)感知、智能感知和感知網(wǎng)絡著手，才能有效加以解決。

在物聯(lián)感知方面，為有效滿足智慧城市多尺度、高時變和多樣化的感知需求[12]，實現(xiàn)城市基礎設施的感知化、智能化[13]，促進城市感知中心的建設，提升城市感知能力，以射頻識別技術(RFID)、傳感網(wǎng)絡、嵌入式系統(tǒng)為代表的物聯(lián)網(wǎng)技術[14]，多功能、多物理量且滿足邊緣計算結點需求的智能傳感器小型化、集成化技術，多參數(shù)復合傳感器技術，多功能物聯(lián)網(wǎng)(internet of things，IoT)智能網(wǎng)關等前沿技術的開發(fā)成為熱點，并不斷在城市管網(wǎng)(廊)、智能路燈、智能家居等領域得到廣泛應用；在智能感知方面，為了提高智慧系統(tǒng)對城市感知的精度，豐富感知的手段和內(nèi)容，泛在感知技術、智能感知邊緣計算技術，小型化、低功耗智能傳感技術、人機交互的主動感知技術，以及群智感知[15]、交互感知[16-17]等關鍵技術的開發(fā)與應用越來越多地得到重視，尤其在城市交通、應急救援、噪聲檢測[18]、人臉識別[19]、任務分配[20-21]，以及工業(yè)自動化生產(chǎn)過程的監(jiān)視與優(yōu)化、危險環(huán)境下替代人工服務等應用領域發(fā)揮了重要作用；在感知網(wǎng)絡方面，通過構建空天地集成化傳感網(wǎng)[22-23]，可實現(xiàn)智慧系統(tǒng)對城市的全面感知，有效提升感知的時效性，其相關技術主要包括：基于邊緣計算的智能感知網(wǎng)絡構建技術、海量傳感器組網(wǎng)通信[24]、異構傳感器接入[25]、傳感網(wǎng)服務組合[12]、流式數(shù)據(jù)挖掘分析[12,26]和地理信息互操作[12,27]等，以保障智慧系統(tǒng)對城市感知的信息能夠實時、準確、安全地傳送到用戶，實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡構建。

3.2 智慧系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡傳輸技術

面對智慧城市精細化管理中不斷增加的設施物聯(lián)化接入需求，跨協(xié)議異構網(wǎng)絡的互聯(lián)互通、智慧協(xié)同網(wǎng)絡以及網(wǎng)絡傳輸?shù)膶崟r性成為智慧系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸?shù)闹匾夹g保障。其中，借助智能標識、軟件定義網(wǎng)絡[28]、網(wǎng)絡功能虛擬化[29]、星聯(lián)網(wǎng)+5G(第五代移動通信技術)等技術手段，構建基于空天地一體化的智能網(wǎng)絡，可有效解決異構網(wǎng)絡融合、異構終端智能互聯(lián)及網(wǎng)絡覆蓋范圍等問題[30-32]，實現(xiàn)智慧系統(tǒng)對高動態(tài)條件下城市時空信息的實時傳輸、協(xié)同處理和智能服務，促進信息資源的綜合利用和統(tǒng)一管理；針對智慧系統(tǒng)空天地信息傳輸面臨的網(wǎng)絡多元化要求，智慧協(xié)同網(wǎng)絡技術的開發(fā)與應用能夠滿足其在高移動、低延遲、高可靠、可擴展等條件下面向未來城市發(fā)展的下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結構設計的需求，解決現(xiàn)有“三重綁定”(身份與位置綁定、資源與位置綁定以及控制與轉發(fā)綁定)對互聯(lián)網(wǎng)用戶及業(yè)務爆發(fā)式增長所造成的數(shù)據(jù)分發(fā)與控制弊端[33-36]，并在高鐵通信、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領域實現(xiàn)了應用部署，滿足了行業(yè)應用需求[37]；通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IPv6)、5G[38]以及支持長距離、短距離、有線、無線等多種通信制式的極低功耗深度覆蓋海量接入技術及動態(tài)全網(wǎng)通接入網(wǎng)關技術，可實現(xiàn)智慧系統(tǒng)在跨協(xié)議異構網(wǎng)絡通信，高性能、高并發(fā)網(wǎng)絡傳輸，以及信道通信質量時變性等條件下，信息傳輸過程中網(wǎng)絡間協(xié)議的交換互通、地址規(guī)劃與管理，解決信息傳輸控制的速度瓶頸問題，以提升信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃訹39-41]，并在諸多領域實現(xiàn)了廣泛應用，如隧道健康監(jiān)測[42]、智慧路燈[43]、報警系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)控，以及不通過本地網(wǎng)關而是直接將遠程傳感器連到云端的遠距離射頻鏈路等。

3.3 智慧系統(tǒng)的智能技術

智慧系統(tǒng)需要借助先進的智能技術處理復雜的數(shù)據(jù)分析、匯總和計算，以便整合和分析海量的跨地域、跨行業(yè)和職能部門的數(shù)據(jù)和信息，并將特定的知識應用到特定行業(yè)、特定場景、特定解決方案中，進而支持決策和應用[44]，其智能技術體系主要包括如下方面。

(1)基于3S[地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)、全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)、遙感(remote sensing,RS)]集成的城市空間信息技術。3S技術作為數(shù)字城市和智慧城市的基本技術，它提供了與空間地理信息相關的城市數(shù)據(jù)庫，使得智慧城市在專項領域的智能化應用成為現(xiàn)實，而基于3S集成的城市空間信息技術為智慧系統(tǒng)面向城市空間的信息處理提供了重要技術解決途徑，其中RS和GPS通過向GIS提供或更新區(qū)域信息及空間定位(如復雜地形實時定位、高精度室內(nèi)定位等)，GIS通過提供相應的信息查詢和智能化空間分析等重要功能來實現(xiàn)對城市空間信息的采集、處理、管理、分析、表達、傳播和應用[45]。目前，基于3S集成的城市空間信息技術已在地質災害應急管理[46]、智慧水利[47]、智能交通[48]等領域得到了廣泛應用。

(2)城市信息模型(city information modeling，CIM)技術。CIM是對城市各要素及其時空狀態(tài)信息的數(shù)字化描述和表達，其核心技術涉及物聯(lián)網(wǎng)、GIS、BIM及其集成技術。智慧系統(tǒng)可借助物聯(lián)網(wǎng)技術的信息傳感設備將城市和CIM模型相連接，形成一個權責范圍內(nèi)可更新且能夠用于信息共享與傳遞的數(shù)據(jù)庫，通過GIS和BIM的集成，形成一個可視化的信息存儲、提取、交流平臺，同時利用云計算、數(shù)據(jù)融合和空間信息網(wǎng)絡等技術進行信息一體化的組織與處理，以支持城市運行管理過程中的各種需求和應用[49-51]，并通過精細+精準的管理方式，為城市經(jīng)濟、社會管理、城市交通、電商物流、環(huán)境保護等政府管理部門的規(guī)劃決策提供有效數(shù)據(jù)信息，提升城市管理的服務水平和服務能力。

(3)大數(shù)據(jù)與云計算技術。為實現(xiàn)海量多源異構數(shù)據(jù)的綜合存儲、管理、融合和分析，智慧系統(tǒng)需要充分借助以云計算、大數(shù)據(jù)為代表的新一代信息技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理分析、認知決策及行業(yè)間數(shù)據(jù)的融合應用，提升系統(tǒng)自身的運算能力。其中，分布式集群大數(shù)據(jù)動態(tài)存儲技術[52]、高時效可擴展的大數(shù)據(jù)計算模型和優(yōu)化技術、基于知識定義的大數(shù)據(jù)主動處理技術、大數(shù)據(jù)分析與深度學習技術、空天地一體化數(shù)據(jù)融合技術，多源異構數(shù)據(jù)交換和互聯(lián)技術、數(shù)據(jù)的可視化技術等構成了智慧系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的核心技術，為“數(shù)據(jù)”到“知識”的雙向轉換和知識的決策應用提供數(shù)據(jù)源基礎，以滿足智慧系統(tǒng)在跨領域、跨應用、跨時空等條件下的數(shù)據(jù)處理要求。此外，為了實現(xiàn)智慧城市應用領域的智能決策服務，面向多源異構數(shù)據(jù)語義協(xié)同與數(shù)據(jù)深度挖掘的知識庫構建技術、基于群智的人-機-物知識集成方法、行業(yè)間知識模型的融合技術與方法、領域知識管理和跨領域知識協(xié)同工作模型和方法、智能人機融合認知建模與交互技術、人-機-物協(xié)同決策與智能服務系統(tǒng)等關鍵技術的研究成為當前和未來智慧系統(tǒng)認知領域研究的重點，并將進一步在智慧系統(tǒng)面向數(shù)據(jù)的存儲、計算、分析與融合等方面發(fā)揮關鍵作用。

面對海量信息的快速處理、智能挖掘與決策應用，智慧系統(tǒng)需通過以數(shù)據(jù)為中心的密集型計算模式，利用云計算IaaS、PaaS和SaaS層服務技術為其提供龐大的存儲空間、強大的計算能力與智能決策支撐能力，以確保根據(jù)決策者的需求與偏好選擇合適的資源進行服務[53-54]。為此，虛擬化技術(虛擬機技術)[55-56]、云計算環(huán)境下的資源分配技術[57]與智能決策支持系統(tǒng)的構建[53]、空天地一體化的時空信息服務云平臺[58-59]、海量決策信息的處理與融合方法及其實現(xiàn)技術[53]，可為實現(xiàn)智慧系統(tǒng)存儲資源的充分整合與高效利用，快速獲取決策信息，開展處理分析與智能決策提供關鍵技術支撐，以滿足智慧系統(tǒng)面向各行業(yè)的智慧應用需求，保障智慧系統(tǒng)上層應用對數(shù)據(jù)的正確調(diào)取。

(4)人工智能技術。新一代人工智能技術[60](基于大數(shù)據(jù)智能、群體智能、人機混合智能、跨媒體推理、自主智能等)的快速發(fā)展，為智慧系統(tǒng)深入挖掘數(shù)據(jù)間隱藏的關系，預測未來發(fā)展趨勢，實現(xiàn)系統(tǒng)的認知與建模、高性能計算、人機協(xié)同、智能決策支持以及知識的表達、推理與獲取等提供了有效途徑。隨著智能服務從云端向邊緣和終端的擴散，基于邊緣網(wǎng)絡和終端的AI(人工智能)專用芯片等邊緣智能技術[61]的開發(fā)和應用為智慧系統(tǒng)智能終端的快速反應以及相互間的協(xié)同與實時性的智能服務創(chuàng)造了有效技術手段，目前英偉達、高通等都已陸續(xù)開展了用于邊緣網(wǎng)絡或終端的AI專用芯片研發(fā)，在就近提供網(wǎng)絡、計算、存儲、應用等核心能力的同時，開展實時性智慧服務，從而滿足通信、業(yè)務、安全等各方面的應用需求；針對智慧系統(tǒng)中人、機、物、環(huán)境存在的連續(xù)、離散及復雜交互關系，以大數(shù)據(jù)、深度學習等方法為基礎的復雜系統(tǒng)認知預測建模技術[62-63]，為智慧系統(tǒng)數(shù)據(jù)的智能分析與建模仿真提供了有力支撐，如在智能制造[63]、城市綠波帶交通控制[64]等方面的應用；類腦智能技術(類腦模型與類腦信息處理、類腦芯片與計算平臺)的研究為提升智慧系統(tǒng)多模態(tài)協(xié)同感知、協(xié)同認知、復雜環(huán)境下的自適應、自主學習、自主決策及高性能計算能力，增強信息處理與數(shù)據(jù)分析的準確性提供了可靠方法，通過多尺度、多腦區(qū)、多認知功能融合的認知計算模型與類人學習相結合，可實現(xiàn)智慧系統(tǒng)的記憶、推理和認知功能和自適應演化[65-66]，從而對智慧系統(tǒng)的人機協(xié)同與智能決策形成有效的支持，以滿足智慧系統(tǒng)在新事物、新環(huán)境下面向復雜應用的智能決策和智慧應用需求，進而實現(xiàn)通用智能，如基于數(shù)據(jù)理解和人機交互的智慧教育、智慧醫(yī)療、智能家居、智慧養(yǎng)老，以及基于大數(shù)據(jù)的情報分析、國家和公共安全監(jiān)控與預警等領域的應用[65]。

3.4 智慧系統(tǒng)的應用技術

智慧系統(tǒng)應用技術是以面向智慧城市專業(yè)領域實際應用為導向的技術應用與支撐服務平臺開發(fā)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術融合應用時代的到來，其技術發(fā)展的重點已從IaaS層的信息基礎設施開發(fā)及SaaS層的具體應用轉向城市和區(qū)域系統(tǒng)下多源信息的實時融合、跨領域的信息共享，進而支撐跨行業(yè)、跨部門的業(yè)務協(xié)同、信息聯(lián)動與城市的精細化管理和服務。因此，通過技術的融合創(chuàng)新與應用，打造智慧城市專業(yè)應用領域通用系統(tǒng)與應用服務平臺，成為智慧城市建設以及智慧系統(tǒng)應用的重要方向。

3.5 智慧系統(tǒng)的總體技術

總體技術只要是為解決系統(tǒng)架構中人-機-物相互協(xié)調(diào)問題和基于模型化的系統(tǒng)架構方法而開展的相關技術研究。由于智慧系統(tǒng)包含了多個子系統(tǒng)，其從總體設計到智能決策應用的每一個環(huán)節(jié)還需要對系統(tǒng)集成技術、數(shù)字孿生技術、接口與標準體系建設及安全技術4個方面開展深入研究。其中：系統(tǒng)集成技術主要是通過對智慧系統(tǒng)所涉及的軟硬件集成實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實用性；數(shù)字孿生技術通過明確城市空間的物理實體、信息虛體及二者間數(shù)據(jù)與信息的關系，為智慧系統(tǒng)實現(xiàn)物理實體與信息虛體之間的互操作提供關鍵技術支撐，并在城市大腦構建及城市規(guī)劃、建設、運營、安全、民生等諸多領域管理決策的協(xié)同化與智能化[67]方面發(fā)揮重要作用；接口與標準體系建設主要是通過統(tǒng)一智慧系統(tǒng)內(nèi)部的存儲管理與訪問標準，定義數(shù)據(jù)接口調(diào)用和交互規(guī)范，實現(xiàn)智慧系統(tǒng)多渠道、通用化的數(shù)據(jù)采集以及算力、算法、數(shù)據(jù)等對外輸出服務；安全技術主要是指通過加強多功能網(wǎng)絡安全防護技術、數(shù)據(jù)隱私保護技術、大數(shù)據(jù)安全檢測服務技術及網(wǎng)絡安全態(tài)勢感知等關鍵技術的研究，建立系統(tǒng)受到攻擊前中后的防護措施、攻擊檢測與響應機制，確保智慧系統(tǒng)正常運行的端網(wǎng)云安全。

具體智慧系統(tǒng)構建的前沿技術體系梳理如表1所示。

4 結論與展望

面向智慧城市應用的智慧系統(tǒng)是一個多元信息技術開發(fā)與融合的系統(tǒng)，如何開發(fā)通用的智慧系統(tǒng)，以解決智慧城市應用領域普遍存在的交互感知、網(wǎng)絡通信傳輸、數(shù)據(jù)分析、知識生成、智能決策等基礎共性問題，以及如何開發(fā)面向智慧城市專業(yè)應用領域的個性化智能平臺，以解決行業(yè)專業(yè)領域的智慧化應用，成為發(fā)展智慧系統(tǒng)的關鍵。其中，尤其是以智能化技術為代表的前沿技術研究成為智慧系統(tǒng)未來開發(fā)與應用的核心因此，通過對智慧系統(tǒng)的理論與應用實踐研究及其架構組成分析，揭示了智慧系統(tǒng)構建的前沿技術體系構成，進一步明確了相應技術所要解決的問題以及應用條件和環(huán)境，從而為新型智慧城市建設的智能化發(fā)展提供了技術指引和系統(tǒng)構建參考。