智慧城市中云計算及物聯網技術的有效運用

鄭 偉 俞曉輝 桑育海

（中國聯合網絡通信有限公司南京市分公司，江蘇南京 210000）

0 引言

進入21 世紀，人類科技一路狂奔，計算和連接的能力突飛猛進。物聯網、云計算、大數據、人工智能等新概念接連出現，推動整個社會加速走向信息化、數字化和智能化。在這個過程中智慧工廠、智慧園區、智慧農業等新概念開始層出不窮。城市作為人類文明的重要標志，經過數千年的發展，變得越來越龐大。大量的人口聚集，引發了交通擁堵、治安混亂、資源匱乏等眾多問題。作為城市的管理者，政府迫切希望借助信息通信技術來解決問題，延續城市的健康發展，于是智慧城市的理念應運而生。

1 智慧城市的含義及意義

近年來，智慧城市這個詞匯開始越來越多地出現在人們的視野，關于智慧城市的理解可以從兩方面入手。從廣義的層面理解，智慧城市是指借助信息技術對傳統的社會生活方式進行革新，既包括個人，也包括企業和政府。社會的應用是最寬泛的[1]。如購物消費、家居生活、交通運輸、公共安全、企業園區、教育醫療、生產制造、農林種植等。狹義的智慧城市則是指借助信息技術實現對城市的有效管理，專指城市管理，也就是政府職能相關的領域，如公共安全、應急管理、市政設施、環境治理、民生服務等。隨著經濟全球化的不斷深入，人類社會空前繁榮，其中最具代表性的就是全球城市化進程不斷加快，城市的高速發展、人口的急速膨脹為城市治理帶來了巨大的挑戰。城市基礎設施跟不上、交通混亂擁堵、環境污染嚴重、公共安全事件頻發影響了城市的進一步發展，也影響了居民的幸福指數。在這個過程中不少學者就提出了“無線城市”“數字城市”的理念，這些理念都可以理解為智慧城市的早期理念[2]。中國是人口大國，經歷了幾十年的改革開放，城市的發展速度非常快，面臨的城市治理問題也更加嚴重。所以，中國對智慧城市的需求非常迫切。

智慧城市的構想對于高速發展的中國有重要意義，改革開放以來中國社會快速發展，在這個過程中大量的人口向城市聚集，為了滿足社會發展的需要，各地相關部門也開始嘗試智慧城市的建設，并取得了一定的成績。智慧城市的建設需要以通信網絡為基礎，而中國有世界上最龐大的移動通信網絡，也有世界上最全的ICT 產業鏈，具有技術和人才儲備優勢，建設成本相對較低。借助智慧城市的建設，各地政府對于城市的管理水平得到了全面提高，更重要的是智慧城市系統有效提高了城市居民的生活水平，得益于智慧城市對社會資源的整合，城市中出現了大量的勞動崗位，可以說智慧城市的出現有效提高了我國的城市化水平。

2 目前智慧城市發展需要解決的問題

智慧城市的建設絕不僅僅是將城市的各類資源進行簡單的整合，更重要的是要基于城市發展的需要，借助信息技術實現對傳統行業以及傳統城市管理模式的革新，在這個過程中大量的計算成為了智慧城市建設必須要解決的問題[3]。城市的發展需要以社會生產為基礎，為了推動智慧城市構想的實現還需要對傳統的社會生產方式進行革新，借助智能工廠、無人化商店等模式提高社會生產效率。隨著智慧城市的建立，城市管理部門每天要處理的信息量將會呈幾何式增長，傳統的人工難以對這些信息進行有效的處理，全新的城市管理模式也成為了智慧城市發展中必須要面對的問題。

2.1 城市信息處理效率無法滿足智慧城市的發展需求

智慧城市的一大特點就是城市人口眾多，眾多人口聚集在較為擁擠的城市，必然會給城市基礎設施帶來沉重的負擔。以杭州為例，杭州現擁有數以萬計的紅綠燈且基礎交通設施已非常健全。傳統方式下，所有的紅綠燈遵循統一預設的程序進行交通指揮，這種方式在近年來杭州車流量暴增的背景下暴露出了很大的弊端，很多時候會出現前方幾公里的紅綠燈已將車輛放行，當前紅綠燈積壓的車流量排成長隊，造成這種情況的原因主要包括3 個方面。

首先，單個交通指揮終端各自為政，沒有形成統一的管理網絡。每個紅綠燈按照自己內置程序變燈，不會考慮自己周圍的協同設施矩陣，無法發揮協同作用；其次，交通指揮終端內置程序死板，無法根據實時流量動態調整。大部分城市的交通信號燈都是內置定死的變燈流程，不會感知到當前車流量動態；最后，交通部門無法根據城市規模發展對交通設施做出合理預估，杭州近些年發展很快，交通部門人為預估基礎設施的合理度非常困難，在應對極端情況下更是如此。造成這種情況的根源在于缺乏一個高效的計算平臺對城市的運行情況進行全面的模擬。

2.2 社會生產方式無法滿足智慧城市的發展需求

智慧城市的發展必然會造成人口的快速增長，為了滿足社會發展的需求，需要對傳統的社會生產方式進行革新，以此提高社會生產效率。以傳統的農業生產為例，傳統的農業生產需要大量的人工和機械參與到農業的耕、種、管、收4 個環節，最終的收成也十分依賴農業技術人員的經驗。這種生產方式顯然無法滿足智慧城市的發展需求。造成農業領域生產方式落后的根本原因在于，農業生產是一項需要同時對多項信息進行處理的復雜模式，如土壤、水、肥、光照等因素都會影響到最終的收成，雖然傳統的生產模式借助機械有效提高了生產效率，但很多信息的收集以及處理還是十分依賴人工，這嚴重限制了農業生產效率的提高。隨著人們對智慧城市認知的提高，人們發現通過將物聯網應用于農業生產的各個環節能夠有效提高農業生產效率。

2.3 城市管理模式無法滿足智慧城市的發展需求

為了滿足人們的發展需求，在城市發展過程中人們探索出了一條較為成熟的城市管理模式，這一模式有效提高了城市生產效率。城市管理模式的存在是為了提高城市的生產效率，在智慧城市中城市管理者每天需要處理的信息開始幾何式增加，傳統的城市管理模式下人工無法對城市信息進行高效的處理。為了滿足智慧城市的發展需求，人們迫切需要探索出一套全新的管理模式，以實現對智慧城市的有效管理[4]。從AI 技術在圍棋領域戰勝人類開始，AI 技術開始走進大眾的視野，在智慧城市管理中依托云計算技術以及物聯網技術，AI 技術可以實現對智慧城市海量信息的快速處理，能夠有效提高城市管理水平。

3 借助云計算及物聯網技術實現智慧城市的構想

智慧城市建設中出現各類問題的根本原因是：隨著社會的發展，傳統的人工模式已經無法有效提高社會的生產管理效率，進而造成的社會大眾與城市管理模式的矛盾。針對這一問題可以通過推動信息技術在城市各個領域的應用進行解決，如通過云計算技術在城市信息處理中的應用，能夠有效提高智慧城市系統對城市各類信息的自動化處理能力；通過物聯網技術在城市生產中的應用，能夠有效提高城市的生產效率；通過AI 技術在城市管理模式中的應用，能夠有效提高城市的管理水平。

3.1 將云計算技術應用于智慧城市的信息處理

所謂的云計算是一種計算資源交付模型，將各種服務器、應用程序、數據和其他資源進行集成，并通過網絡以服務的形式為相關人員提供這些資源，云計算可以簡單理解為一種計算服務的提供方案，云計算不同于傳統的計算服務器，其容量更大，處理效率更快，而且覆蓋范圍更廣，還能夠根據業務需求的變化，調整對服務的使用[5]。還是以杭州的交通問題為例，當地較為完善的通信網絡可以將杭州地區所有的紅綠燈接入網絡，將整個杭州地區的交通信息匯集到一個智慧交通系統進行處理，以云計算為底座的智慧交通系統可以充分利用云計算海量資源、彈性伸縮、高度并行等特點，結合歷史交通數據進行大數據分析，預測未來一段時間城市交通流量情況，提前設計出合理的分流方案，下發到全市的信號燈協調指揮系統。隨著各路口攝像頭對實時流量的上報，大數據系統會實時校正已給出的指揮方案，反饋給協調指揮系統，并下發各終端。借助云計算能夠有效提高智慧城市的信息處理能力，能夠有效推動我國智慧城市的發展。

3.2 將物聯網技術應用于智慧城市的生產

所謂的物聯網就是指物物相連的互聯網，從物聯網的含義不難看出物聯網的底層邏輯仍是互聯網，或者說物聯網是互聯網的延伸產物，借助物聯網個體能夠實現與物品的信息交互[6]。將物聯網技術應用于智慧城市的生產環節能夠有效實現生產環節的自動化，進而提高智慧城市生產環節的生產效率。以農業生產為例，將物聯網技術應用于農業生產環節，在種植前期可以借助土壤檢測儀、降雨檢測儀等設備對農田的土壤、降雨量等信息進行采集和匯總，農業技術人員可以根據自然環境的變化選擇合適的農作物進行種植，在種植過程中可以借助農機自駕儀以及農業無人機等設備實現對農田生產環節的高效管理，在農作物生長過程中還可以借助熱成像技術對農田的病蟲害情況進行實時觀測，并采取相應的措施。將物聯網技術應用于農業生產環節是目前能夠提高農業生產效率的方式[7]。不僅僅是農業生產環節，智慧城市社會生產的各個方面都可以通過引入物聯網實現對傳統生產模式的革新，全面提高相關領域的生產效率。

3.3 將AI 技術應用于智慧城市的管理

AI 技術在智慧城市中的應用能夠有效提高智慧城市的管理水平，所謂的AI 技術可以理解為一種特征工程，預設好特征，AI 技術通過函數逼近擬合特征函數，從而找到輸入和輸出之間的映射函數。在智慧城市管理中，人們可以預設某類事件的處置方案，AI 技術對所有接收的事件進行特征掃描，對各類事件進行分類，再對不同的事件給出不同的預設處置方案。將AI 技術應用于智慧城市管理中能夠有效減少重復的工作，提高智慧城市的管理效率。

4 智慧城市在我國的發展

隨著信息技術在社會中的廣泛應用，智慧城市已經成為人類城市化發展的未來，在這個過程中云計算技術、物聯網技術、AI 技術等各類信息技術都得到了充分的應用。智慧城市的發展一般分為3 個階段。

第一階段，智慧化基礎設施的建設。主要包括物聯網建設、云計算中心建設等，實現數字化，才能談智慧化的問題。從服務性來說，城市管理、城市公共設施、基礎服務設施的數字化最為關鍵；第二階段，智慧城市建設的融合階段。將不同領域的城市基礎服務信息實現互聯和互通，借以形成廣泛的城市服務；第三階段，智慧城市的內生發展階段。實現更透徹的感知、更廣泛便捷的互聯互通、更深入的智慧化城市服務。

對于我國來說，應將智慧城市建設作為我國信息化發展歷程的一個重要階段，并結合我國當前的經濟社會發展歷程，正確地理解當前智慧城市建設的深刻內涵。2013年，中國已有上百個城市宣布建設智慧城市，覆蓋了東中西部地區。在不久的將來，人們將盡享智能家居、路網監控、智能醫院、食品藥品管理、數字生活等所帶來的便捷服務。

5 結語

智慧城市作為一種全新的城市理念，其通過云計算及物聯網等信息技術在城市生產、生活、管理等各個方面的廣泛應用，改變了傳統的城市發展模式，給人們的生產生活帶來了全新的可能。各類信息技術在智慧城市中的應用不僅能夠有效提高城市管理水平與生產效率，更重要的是能夠極大地提高全體居民的生活質量，能夠有效地提高居民的幸福指數，可以說智慧城市是社會發展的必然。