Christos G.Cassandras

Division of Systems Engineering & Center for Information and Systems Engineering, Boston University, Brookline, MA 02446, USA

信息物理
——社會系統(tǒng)視角下的智能城市

Christos G.Cassandras

Division of Systems Engineering & Center for Information and Systems Engineering, Boston University, Brookline, MA 02446, USA

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Received 30 April 2016

Revised 6 June 2016

Accepted 13 June 2016

Available online 30 June 2016

智慧城市

新興智慧城市是城市環(huán)境的新一代創(chuàng)新服務(wù)，包括交通、能源分布、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、商務(wù)、商業(yè)、緊急響應(yīng)和社會活動。要想實現(xiàn)這種為城市場景服務(wù)的各項技術(shù)，需要將智慧城市視為一個整體的信息物理融合系統(tǒng)(CPS)，這其中包括新的移動軟件平臺和對治安、安全、隱私和大量信息處理的嚴格要求。本文旨在確定智慧城市的關(guān)鍵特征，進而討論了一些由CPS觀點出發(fā)而得出的經(jīng)驗教訓，并概述了一些空白領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究內(nèi)容。

? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1.背景

截至2014年，地球上54 %的人口生活在城市地區(qū)，到 2050年這一比例將達到66 %，這意味著未來城市總共將有25億的新增人口[1]。目前，世界范圍內(nèi)已經(jīng)存在28個超級大城市(即每個城市都擁有1 000萬以上的人口數(shù)量)，這28個超級大城市總共容納了4.53億人口，約占世界城市人口總和的12 %。根據(jù)預(yù)測，這樣的超級大城市在2030年將會達到41個。城市管理和城市可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)成為當今社會面臨的最重要的挑戰(zhàn)，這些大城市正在尋找改變的方式使其變得更加“智慧”，以便擁有一個宜居以及經(jīng)濟上可持續(xù)發(fā)展的未來。

新興智慧城市是城市環(huán)境的新一代創(chuàng)新服務(wù)，包括交通、能源分布、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、商務(wù)、商業(yè)、緊急響應(yīng)和社會活動[2]。智慧城市一詞目前已被廣泛使用，用于描述上文提到的全部遠景，以及支持這些遠景的相關(guān)知識內(nèi)容。智慧城市的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，是基于網(wǎng)絡(luò)的傳感器和元件嵌入到整個城市脈絡(luò)，與無線移動設(shè)備(如智能手機)開展交互，并有一個基于互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的云服務(wù)來支持。從信息物理融合系統(tǒng)(CPS)流經(jīng)和收集的數(shù)據(jù)開展分析，包括交通狀況和停車空間的占用，空氣、水的質(zhì)量情況，橋梁、道路或者建筑的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，以及包括運輸車輛、警局或醫(yī)療設(shè)施等資源的具體位置和運行狀態(tài)等。源于這種環(huán)境下的應(yīng)用是無窮無盡的，每天都有新的發(fā)明和應(yīng)用產(chǎn)生，為全體市民服務(wù)提供了無限的商業(yè)機會。

構(gòu)建這樣一個智慧城市，需要信息物理融合的基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)合新的移動軟件平臺來開展，并對移動、機密、安全、隱私，以及處理大批量信息(所謂的“大數(shù)據(jù)”)有著嚴格的要求。普遍采用的模式是“云”，在“云”中保留著大部分數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)驅(qū)動著各種新穎且不斷演進的應(yīng)用，且這些應(yīng)用是實時響應(yīng)的，可同時滿足嚴密的數(shù)據(jù)安全要求。值得強調(diào)的是，智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施的最大價值在于“閉環(huán)”，它包括傳感、溝通、決策和啟動，而不僅僅是數(shù)據(jù)的收集和共享(圖1)。因此，這就需要一個對“物理”和“網(wǎng)絡(luò)”組件的綜合考量，考量與隱私、機密、安全以及大數(shù)據(jù)收集和驅(qū)動機制所具備的“無線”特質(zhì)適應(yīng)的能源管理問題。

這種模式的重大挑戰(zhàn)在于需要集成廣泛分布的異構(gòu)設(shè)備到一個共同的軟件環(huán)境中。例如，相機和不同類型的傳感器嵌入到電線或建筑物的供暖、通風和空調(diào)(HVAC)組件中，它們之間以及它們與智能手機、平板電腦、筆記本電腦和服務(wù)器之間必須能夠互相通信。其整個過程可被視為與20世紀80年代末和90年代初發(fā)生的過程同等重要，那時，互聯(lián)網(wǎng)集成數(shù)據(jù)、語音、視頻和各種專業(yè)應(yīng)用到一個統(tǒng)一的環(huán)境中，并且出現(xiàn)了各種工業(yè)和商業(yè)部門所應(yīng)用的軟件平臺。同樣，在CPS領(lǐng)域，互聯(lián)網(wǎng)正在快速擴展，包括一個新的以流動性、機密性和安全處理大數(shù)據(jù)為定義的預(yù)期平臺。

在這個新的物聯(lián)網(wǎng)時代，互聯(lián)網(wǎng)只是一個更大型網(wǎng)絡(luò)中的一員?；ヂ?lián)網(wǎng)最終只是一個在計算機之間傳輸數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，在一個智慧城市中，數(shù)據(jù)從異構(gòu)傳感設(shè)備傳到服務(wù)器；反過來，也要求數(shù)據(jù)流回到驅(qū)動裝置以執(zhí)行有用的實時操作(如控制交通信號燈，空調(diào)組件，以及為關(guān)鍵的醫(yī)療或緊急需求所調(diào)度的資源等)。在當前背景下，每個新創(chuàng)建的智慧城市的應(yīng)用程序，都需要以自己獨特的方式來適應(yīng)它的用戶，并與用戶產(chǎn)生聯(lián)系。一個潛在的應(yīng)用程序——即插即用組件的共同平臺是目前所欠缺的，而它可以定義什么是未來。

2.智慧城市的定義

智慧城市還沒有一個被廣為認同的定義，但一些人正在努力嘗試解釋智慧城市所表現(xiàn)出的多維度以及跨領(lǐng)域的本質(zhì)。下文的一些定義，分別來自政府機構(gòu)、工業(yè)組織、技術(shù)領(lǐng)先者以及學術(shù)界等不同的領(lǐng)域。

(1) “這是一個在經(jīng)濟、人群、治理、流動、環(huán)境和居住生活方面表現(xiàn)出良好前瞻性的城市，它建立在具有自主決斷能力、獨立意識的市民的天賦和行為的智能組合之上?！?[3]

(2) “智慧可持續(xù)城市利用信息和通訊技術(shù)(ICT)使城市更加智能，它高效利用資源、節(jié)約成本和能源、改善服務(wù)和生活質(zhì)量、降低環(huán)境足跡，以上這些都有助于改革創(chuàng)新和低碳經(jīng)濟發(fā)展?！?[3]

圖1.智慧城市的信息-物理基礎(chǔ)設(shè)施。

(3) “日立公司對智慧可持續(xù)城市的解釋為，旨在持續(xù)關(guān)注基礎(chǔ)設(shè)施以協(xié)調(diào)全球環(huán)境和生活方式，并且更加安全和便捷。智慧可持續(xù)城市通過基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)調(diào)來實現(xiàn)，這個協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)設(shè)施包括兩個基礎(chǔ)設(shè)施層面來將消費者的生活方式與城市管理基礎(chǔ)設(shè)施的信息技術(shù)(IT)聯(lián)系在一起?！?[4]

(4) “我們相信，人力和社會資本以及傳統(tǒng)和現(xiàn)代(ICT)溝通交流基礎(chǔ)設(shè)施的投入，通過可參與性的管理，能夠?qū)ψ匀毁Y源開展智慧管理，能夠激發(fā)一個城市的可持續(xù)的經(jīng)濟發(fā)展和高品質(zhì)生活時，這個城市即可稱為智慧城市。” [5]

上述這些對智慧城市的定義，都有一些共同的要素?？偟膩碚f，智慧城市是[6]：① 有感知能力的(通過傳感器感知周邊環(huán)境)，② 可連接的 (通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將感知到的信息傳送到網(wǎng)絡(luò))，③ 可公用的(環(huán)境周邊的信息會被公開，所有網(wǎng)路的使用者都可以獲得這些信息)，④普及的(使用者可以在任何時間任何地點，即使是在移動中都能獲得信息)， ⑤ 社會性的(使用者得到的信息可以在其社交平臺上公開)， ⑥ 可分享的(分享的不僅僅是數(shù)據(jù)，還有免費的設(shè)備)，⑦ 可視、擴充的 (物理環(huán)境不斷更新，信息不僅通過移動設(shè)備可見，而且在一些物質(zhì)實體中，如路牌等處也可看見)。

值得注意的是，這些定義都缺少了之前提到的一點：智慧城市的“閉環(huán)”，這一點還沒有被確定為CPS的最大價值。

3. 從“智慧城市為信息物理融合系統(tǒng)的觀點”中得到的啟發(fā)

在波士頓大學關(guān)于建立“信息-物理”基礎(chǔ)設(shè)施工作的基礎(chǔ)上，我們確定了幾個問題以作為開展研究指導的原則。此外，通過在波士頓城市內(nèi)部署智慧城市的應(yīng)用程序，我們從負責策劃部署的城市管理員和終端用戶處得到了有價值的信息反饋。一些關(guān)鍵的信息現(xiàn)在整理如下：

（1） “智慧”不僅僅是數(shù)據(jù)的收集和傳播。如圖1所示，把一個智慧城市的CPS視作一個“閉環(huán)的系統(tǒng)”是非常重要的，甚至有時是最為關(guān)鍵的。簡單地收集和傳播數(shù)據(jù)到一個用戶組有時是弊大于利的。例如，今天的“智能泊車”技術(shù)，本質(zhì)上希望通知車主哪里有可以停車的車位，但結(jié)果卻往往引導過多的車主來到一個只有少量空余車位的地方，造成更多的擁堵，車主反而找不到車位[7]。

（2） “意外后果原則”在智慧城市中能得到更好的發(fā)展。當擁有大量的新數(shù)據(jù)和服務(wù)需求的時候，人們總能開發(fā)出更多的創(chuàng)新的使用方法。當一個人不斷開發(fā)新功能，并使其更簡單、直觀且易于使用的時候，有益的“意外后果原則”應(yīng)運而生。因此，創(chuàng)建幾個應(yīng)用程序和建立一個用戶友好的交互平臺，可以顯著促進創(chuàng)新，并且更加利于積累和傳播數(shù)據(jù)。

（3） 人們在智慧城市中的角色。技術(shù)本身無法改變一個城市或一個社區(qū)，要有必要的機制去刺激人們使用技術(shù)并適應(yīng)“人類的循環(huán)”。就共享資源的高效管理而言，個人利益和社會最佳狀態(tài)之間總會有基本沖突存在。城市的交通管控就是一個典型的例子，車主個人試圖實現(xiàn)其個人利益，而這通常與整個司機群體的利益不相符[8]。雖然技術(shù)為實現(xiàn)“社會 (或全球)最優(yōu)”提供了手段，但是這個愿景不能被憑空強加。理解和尊重人類行為是CPS的一個重要組成部分，更準確地說CPS應(yīng)該被稱為“信息物理-社會系統(tǒng)”，這種措辭的重要性也意味著地方政府需要為制定和實施政策提供必要的激勵，并實現(xiàn)智慧城市CPS技術(shù)的最大價值。

4.智能城市的相關(guān)基礎(chǔ)研究

從系統(tǒng)和控制理論的角度來看，一個智慧城市是一個高度的動態(tài)的隨機混合系統(tǒng)[9]，其眾多問題只能通過跨學科的方法，將工程科學、計算機科學和社會科學的研究人員召集起來以便共同解決。在實現(xiàn)智能城市的過程中，必須涉及若干研究領(lǐng)域，列舉如下：

（1）傳感和合作數(shù)據(jù)收集。這是智慧城市的開始，事實上也是任何CPS實施的開始。最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是，我們想要的數(shù)據(jù)源以及與之互動的傳感裝置的分布高度不均勻。一個傳感器網(wǎng)絡(luò)可以被視為一個控制系統(tǒng)，它包括3個主要任務(wù)：覆蓋范圍的控制、數(shù)據(jù)來源的檢測以及數(shù)據(jù)的收集。這3個任務(wù)間的相互作用尤為重要。

（2）在數(shù)據(jù)收集和處理過程中的安全、隱私和能源管理。如圖1所示，數(shù)據(jù)收集和處理的整個過程都受到約束，有些是嚴格意義上的物理性的約束(比如有限的能源， 主要體現(xiàn)在無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)上)，有些是由法律、文化和經(jīng)濟形成的原則和規(guī)矩的約束。

（3）動態(tài)資源分配。大部分的智能城市功能最終都歸結(jié)為對有限的可共享的資源管理，如運輸能力、服務(wù)以及能量。城市環(huán)境的高度動態(tài)特性需要創(chuàng)新型的資源分配機制來實現(xiàn)，這已經(jīng)超出了傳統(tǒng)常規(guī)算法。例如，在行車過程中附近出現(xiàn)可用的車位，收集數(shù)小時車程外的車位信息的數(shù)據(jù)就顯得毫無意義[8]。傳統(tǒng)性能優(yōu)化問題中的“響應(yīng)時間”或“延遲”的概念已經(jīng)不再實用，新的性能指標變成必要因素，上述情況同樣適用于許多能量感知型資源領(lǐng)域，如電動汽車(EVs)。EVs在一個交通網(wǎng)絡(luò)中的存在開辟了新一代的路由和調(diào)度問題[9]。

（4）數(shù)據(jù)驅(qū)動控制和優(yōu)化。由于智慧城市中大數(shù)據(jù)的可得性，我們可以不再依賴于復雜的離線模型，而是基于實時數(shù)據(jù)來用新的方法加以控制和優(yōu)化。同時，交通或其他復雜資源的隨機性需求，使得數(shù)據(jù)的驅(qū)動機制更為必要。同時，激發(fā)了軟件平臺的需求，要求其沖破現(xiàn)有技術(shù)和制度的束縛，使數(shù)據(jù)更加有效地積累、存儲和傳播，并激發(fā)人們的創(chuàng)新能力。

（5）相互連接的自動汽車(CAVs)。新一代汽車的出現(xiàn)改寫了汽車發(fā)展的歷程，其影響十分深遠，不僅表現(xiàn)在交通系統(tǒng)的性能方面，也表現(xiàn)在經(jīng)濟、環(huán)境和社會方面。CAVs能夠減少能源的消耗和有害物質(zhì)的排放，也會以不可預(yù)測的方式改變傳統(tǒng)司機的行為，改變城市居民對駕駛的整體態(tài)度。因此，城市迫切需要將由CAV產(chǎn)生的運輸效率的提升，以及其對“信息-物理”系統(tǒng)中其他基礎(chǔ)設(shè)施的影響進行量化。

（6）跨學科研究。如前所述，沒有市民的參與與配合，單單依靠技術(shù)本身是不能改變一個城市的。一個智慧城市實際上就是一個由人、科技、機構(gòu)和信息組成的社會科技的有機系統(tǒng)。這個有機系統(tǒng)的合理設(shè)計和管理，需要工程師、生態(tài)學家、社會學家們的共同合作與付出 ，開展大量跨學科之間的交流和研究。

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E-mail address: cgc@bu.edu

2095-8099/? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016, 2(2): 156-158

Christos G.Cassandras.Smart Cities as Cyber-Physical Social Systems.Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.02.012

信息物理融合系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動的控制