朱常波，程新洲，葉海納（.中國(guó)聯(lián)通智能城市研究院，北京00048；.中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京00048）

1 智慧城市發(fā)展情況

隨著信息社會(huì)的發(fā)展，建設(shè)智慧城市成為提升國(guó)家政府服務(wù)水平和管理效率的重要手段。IBM在2008年提出了“智慧地球”的設(shè)想，并希望通過“智慧城市”的建設(shè)引領(lǐng)世界城市通向繁榮和可持續(xù)發(fā)展。智慧城市先后升級(jí)成為多國(guó)的國(guó)家戰(zhàn)略，包括新加坡、歐盟、美國(guó)等。我國(guó)于2012年在《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)規(guī)劃（2011—2015年）的通知》中首次提出“智慧城市”的概念，明確了智慧城市的應(yīng)用領(lǐng)域。隨后我國(guó)共發(fā)布了3批智慧城市試點(diǎn)名單，截至2016年底，全國(guó)智慧城市相關(guān)試點(diǎn)城市近600個(gè)，提出智慧城市規(guī)劃的城市超過300個(gè)，所有副省級(jí)以上城市、89%的地級(jí)及以上城市、47%的縣級(jí)及以上城市均提出建設(shè)智慧城市。

圖1給出了2017—2021年中國(guó)智慧城市市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)。

在政府逐步出臺(tái)有利政策鼓勵(lì)智慧城市建設(shè)的同時(shí)，技術(shù)的不斷成熟也是推動(dòng)智慧城市建設(shè)的重要因素。智慧城市是運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、空間地理信息集成等新一代信息技術(shù)，促進(jìn)城市規(guī)劃、建設(shè)、管理和服務(wù)智能化的新理念和新模式，使城市具有智慧感知、反應(yīng)、調(diào)控能力，實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展。智慧城市是信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的城市創(chuàng)新發(fā)展的新模式，是信息技術(shù)綜合運(yùn)用和集成創(chuàng)新的大平臺(tái)。

圖1 2017—2021年中國(guó)智慧城市市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)（萬億元）

2 智慧城市的基礎(chǔ)技術(shù)能力

智慧城市的目標(biāo)是讓城市成為一個(gè)連續(xù)、高效、整合、開放的生態(tài)系統(tǒng)，站在基礎(chǔ)能力提供者的角度來看，城市智能體系的建立需要2個(gè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)，一個(gè)是連接能力，在城市運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)空軌跡上實(shí)現(xiàn)人、物的全方位連接；一個(gè)是數(shù)據(jù)處理和分析能力，在海量結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)算并提供智能化決策結(jié)論。萬物互聯(lián)與數(shù)據(jù)智能的集聚效應(yīng)將為智能城市各類應(yīng)用賦能，釋放集成創(chuàng)新的乘數(shù)效應(yīng)。

2.1 5G的泛在連接能力

“5G”代表著移動(dòng)技術(shù)演進(jìn)和革命，將是一個(gè)真正意義上的融合網(wǎng)絡(luò)，能夠提供人與人、人與物以及物與物之間高速、安全、自由的連接。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP定義了5G的三大場(chǎng)景。

a）熱點(diǎn)大容量（eMBB）。eMBB即增強(qiáng)移動(dòng)寬帶，指在現(xiàn)有移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)場(chǎng)景的基礎(chǔ)上，對(duì)用戶體驗(yàn)等性能進(jìn)一步提升。5G網(wǎng)絡(luò)將達(dá)到1 Gbit/s用戶體驗(yàn)速率、數(shù)十Gbit/s峰值速率和每平方公里數(shù)十Gbit/s的流量密度的能力。在用戶密集分布的局部熱點(diǎn)區(qū)域，如寫字樓、居民小區(qū)、繁華商業(yè)地段，為用戶提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足用戶實(shí)時(shí)傳輸超高清視頻和高速下載的需求。

b）低功耗大連接（mMTC）。海量機(jī)器類通信，主要面向物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。以往短距離通信技術(shù)，如Wi-Fi、ZigBee、藍(lán)牙等，其回傳鏈路主要是靠LTE。隨著大范圍覆蓋的NB-IoT、LoRa等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的出爐和商業(yè)應(yīng)用，傳統(tǒng)移動(dòng)通信將會(huì)在支持物聯(lián)網(wǎng)及垂直行業(yè)應(yīng)用時(shí)逐漸力不從心，同時(shí)5G低功耗大連接的優(yōu)勢(shì)凸顯。該場(chǎng)景主要面向智慧城市、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能農(nóng)業(yè)、森林防火等以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用，這類終端分布范圍廣、數(shù)量多，不僅要求網(wǎng)絡(luò)具備超千億連接的支持能力，滿足100萬/km2連接數(shù)密度指標(biāo)要求，而且還要保證終端的超低功耗和超低成本。

c）低時(shí)延高可靠（URLLC）。低時(shí)延高可靠通信，理想情況下端到端時(shí)延為1 ms，典型端到端時(shí)延為5～10 ms。該場(chǎng)景主要面向車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程控制等垂直行業(yè)的特殊應(yīng)用需求，這類應(yīng)用對(duì)時(shí)延和可靠性有極高的要求，為用戶提供毫秒級(jí)的端到端時(shí)延和高可靠性的業(yè)務(wù)保證。

2.2 海量數(shù)據(jù)的處理能力

在全球經(jīng)濟(jì)數(shù)字化浪潮的帶動(dòng)下，數(shù)據(jù)的益處和價(jià)值日益凸顯，大數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)，從數(shù)據(jù)的可采集度、海量數(shù)據(jù)的并行計(jì)算能力到數(shù)據(jù)算法的預(yù)測(cè)能力，都在快速提升，使得大數(shù)據(jù)在各行各業(yè)中的融合應(yīng)用不斷拓展。

a）數(shù)據(jù)資源日漸豐富。在互聯(lián)網(wǎng)等新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革驅(qū)動(dòng)下，全社會(huì)的信息化水平穩(wěn)步提升，企業(yè)的數(shù)據(jù)來源愈發(fā)多樣，掌握的數(shù)據(jù)量日漸豐富。根據(jù)國(guó)際數(shù)據(jù)公司（IDC）預(yù)測(cè)，2018—2025年，我國(guó)數(shù)據(jù)圈（即一個(gè)地區(qū)每年被創(chuàng)建、采集或是復(fù)制的數(shù)據(jù)集合）將以30%的年平均增長(zhǎng)速度領(lǐng)先全球。

b）海量數(shù)據(jù)并行計(jì)算能力大幅增強(qiáng)。數(shù)據(jù)分析技術(shù)體系自Hadoop誕生起，逐漸豐富和成熟，在采集傳輸、計(jì)算處理、查詢分析等方面涌現(xiàn)了廣受歡迎的智能化工具與解決方案，為處理紛繁復(fù)雜的海量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)提供了工具，提升了數(shù)據(jù)處理的速度和能力。同時(shí)，借助GPU、NPU、FPGA等人工智能專用芯片，滿足高強(qiáng)度、高頻次數(shù)據(jù)處理請(qǐng)求，大幅提升大規(guī)模處理數(shù)據(jù)的效率。

c）數(shù)據(jù)模型及預(yù)測(cè)能力不斷提高。隨著以深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)為代表的算法研究不斷突破，算法模型持續(xù)優(yōu)化，極大提升了人工智能應(yīng)用的準(zhǔn)確性，如語(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)言處理和計(jì)算機(jī)視覺等。借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這種具備自身自行處理、分布存儲(chǔ)和高度容錯(cuò)等特性的先進(jìn)人工智能技術(shù)，各種非線性及模糊、不完整、不嚴(yán)密的數(shù)據(jù)處理能力大幅增強(qiáng)。

3 智慧城市的技術(shù)體系架構(gòu)

5G連接和大數(shù)據(jù)的商用進(jìn)程與規(guī)模化應(yīng)用將為智慧城市的發(fā)展提供重要技術(shù)基礎(chǔ)，創(chuàng)造更多可能。本節(jié)將詳細(xì)闡述智慧城市的體系架構(gòu)，描述如何運(yùn)用5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、空間地理信息集成等新一代信息技術(shù)，使城市具有智慧感知、反應(yīng)、調(diào)控能力，實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展。

智慧城市技術(shù)體系架構(gòu)由3層組成，分別是感知與網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)與平臺(tái)層、服務(wù)與應(yīng)用層（見圖2）。

3.1 感知與網(wǎng)絡(luò)層

感知與網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)2個(gè)方面主要功能，作為“智能感官”的信息感知與“神經(jīng)系統(tǒng)”的網(wǎng)絡(luò)傳輸。通過部署在區(qū)域的傳感器、裝備芯片、RFID設(shè)備等實(shí)現(xiàn)信息感知和采集，完成智慧城市中數(shù)據(jù)的感知、檢測(cè)、識(shí)別、控制等功能。通過互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等傳輸方式實(shí)現(xiàn)信息交互和傳遞，每個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可根據(jù)程序算法進(jìn)行獨(dú)立響應(yīng)流程或?qū)?shù)據(jù)傳輸至綜合數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能決策和控制，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物的全面交互和無縫連接。

3.2 數(shù)據(jù)與平臺(tái)層

數(shù)據(jù)與平臺(tái)層一方面實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的匯聚、關(guān)聯(lián)、存儲(chǔ)和處理功能，相當(dāng)于城市的“中樞神經(jīng)”。通過構(gòu)建各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，整合、存儲(chǔ)、加工大量數(shù)據(jù)信息，為統(tǒng)一存儲(chǔ)、管理感知前端采集的數(shù)據(jù)信息，為智慧城市各類應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)提供有效的數(shù)據(jù)支撐。另一方面，依托于城市資源中語(yǔ)音、圖像、視頻、地圖等數(shù)據(jù)的海量資源，借助人工智能技術(shù)，從中發(fā)現(xiàn)帶有趨勢(shì)性、前瞻性的信息，起到“城市大腦”的作用，為城市管理者帶來巨大的價(jià)值。

3.3 服務(wù)與應(yīng)用層

在感知與網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)與平臺(tái)層的技術(shù)上建立服務(wù)與應(yīng)用層，面向各種行業(yè)或領(lǐng)域，提供一系列智慧應(yīng)用及應(yīng)用整合，如智慧政務(wù)、智慧安防、智慧交通、智慧能源、智慧生態(tài)、智慧醫(yī)療等。實(shí)時(shí)全面地展示城市真實(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，以支撐監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和假設(shè)分析等各類應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)城市的智能管理和調(diào)控。同時(shí)，通過移動(dòng)終端設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)、電視媒體等各類渠道提供各類智慧服務(wù)，普惠城市居民。

圖2 智慧城市的技術(shù)體系架構(gòu)

基于感知與網(wǎng)絡(luò)層提供安全穩(wěn)定的連接，構(gòu)建真實(shí)城市的孿生鏡像；基于數(shù)據(jù)與平臺(tái)層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)貫穿與深層挖掘，推進(jìn)精確管理和科學(xué)決策；基于服務(wù)與應(yīng)用層提供覆蓋公共和商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，提升并創(chuàng)造價(jià)值。3個(gè)技術(shù)層以松耦合的方式協(xié)同發(fā)展，從而對(duì)上層智能城市應(yīng)用進(jìn)行靈活支撐和快速適應(yīng)；技術(shù)層內(nèi)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)或組成結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，不影響其他層的業(yè)務(wù)，提升系統(tǒng)架構(gòu)的韌性和魯棒性。

4 智慧城市建設(shè)方面的研究建議

全力打造物聯(lián)感知重要基石。物聯(lián)感知能力是智慧城市的基石，通過信息化技術(shù)將物理城市真實(shí)、全面、精準(zhǔn)地進(jìn)行映射，從而構(gòu)建城市的數(shù)字底座。目前，已經(jīng)有一些物聯(lián)設(shè)備在城市中先期出現(xiàn)，比如智慧燈桿、智慧井蓋、智慧垃圾桶等。但無論從應(yīng)用場(chǎng)景和物聯(lián)能力上都存在極大的發(fā)展空間，例如在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中，利用邊緣計(jì)算提供海量物聯(lián)數(shù)據(jù)和時(shí)延敏感業(yè)務(wù)的本地化計(jì)算能力。

積極推動(dòng)數(shù)據(jù)的共享融合。如果將物聯(lián)感知設(shè)備比喻成分布在城市末梢的神經(jīng)元，那么基于數(shù)據(jù)融合的決策中心就是城市的大腦。在智慧城市的建設(shè)中，需要對(duì)數(shù)據(jù)的共享融合有整體的規(guī)劃、系統(tǒng)性的思考與布局，構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)，打破信息孤島，推動(dòng)開放數(shù)據(jù)共享機(jī)制和數(shù)據(jù)融合能力。

提升AI貫穿業(yè)務(wù)鏈條價(jià)值。隨著技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展，基于計(jì)算能力、數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和算法引擎的AI逐漸從專用技術(shù)成為通用技術(shù)，從宏觀上融入到各行各業(yè)，從縱向上驅(qū)動(dòng)了智慧城市體系架構(gòu)的各個(gè)層級(jí)。AI已經(jīng)在物聯(lián)感知層、數(shù)據(jù)平臺(tái)層、服務(wù)層、可視化層的多個(gè)模塊中得到應(yīng)用，在提高運(yùn)營(yíng)效率、提升開發(fā)效率、提升行業(yè)應(yīng)用能力等方面發(fā)揮了重要作用。

重視安全風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)防及控制。智慧城市的支撐和運(yùn)營(yíng)將以城市為對(duì)象，安全風(fēng)險(xiǎn)的防范與控制尤為重要。一方面，城市級(jí)的數(shù)據(jù)安全向上涉及國(guó)家安全，向下涉及個(gè)人隱私，數(shù)據(jù)的傳輸、存儲(chǔ)、處理和公開等全部流程都需要安全保障，需要從法律、制度、技術(shù)等多方面展開研究。另一方面，智慧城市所依賴的信息技術(shù)涉及的設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、終端、芯片、操作系統(tǒng)等設(shè)備或服務(wù)提供商，為了安全可控、不受制于人，需要鼓勵(lì)自主研發(fā)。

秉承“以人為本”的智慧城市建設(shè)理念。當(dāng)前，很多智慧城市的建設(shè)將硬件能力放在首位，盲目追求新技術(shù)、新概念而迷失了方向。然而，城市的建設(shè)和發(fā)展的根本目標(biāo)是服務(wù)人民，讓居民有更多獲得感、幸福感。因此，智慧城市的建設(shè)應(yīng)當(dāng)從人民的需求出發(fā)，切實(shí)將技術(shù)的進(jìn)步轉(zhuǎn)化為人民更美好的城市感知和體驗(yàn)。

智慧城市已經(jīng)是國(guó)家、政府及企業(yè)的關(guān)注熱點(diǎn)，通過智能的萬物互聯(lián)方式，將物理城市和數(shù)字城市鏡像關(guān)聯(lián)，在泛在連接的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的融合處理、智能應(yīng)用，為打造善治、興業(yè)、宜居的城市賦能。