李忠偉 蘇才江

（南京信息工程大學人工智能學院，江蘇 南京 210044）

隨著歷史變遷，城市規(guī)模越來越大，城鎮(zhèn)化率越來越高，城市功能越來越豐富。2019年中國的城鎮(zhèn)化率接近60%，到2035年預(yù)計達到75%[1]。城市規(guī)模的擴大和城鎮(zhèn)化率的提高對傳統(tǒng)的城市管理模式帶來巨大挑戰(zhàn)，必須有全新的管理理念和管理手段來應(yīng)對，智慧城市是城市規(guī)?；l(fā)展的必然選擇。

根據(jù)IBM《智慧城市在中國》白皮書中的定義，智慧城市是基于新一代信息技術(shù)的應(yīng)用，智慧城市基本特征為全面物聯(lián)、充分集成、激勵創(chuàng)新、協(xié)同運作等四方面。智能傳感設(shè)備將城市公共設(shè)施物聯(lián)成網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)完全對接融合，政府、企業(yè)在智慧基礎(chǔ)設(shè)施之上進行科技和業(yè)務(wù)的創(chuàng)新應(yīng)用，城市的各個關(guān)鍵系統(tǒng)和參與者實現(xiàn)高效運作。

《中國智慧城市標準化》白皮書中對智慧城市的定義為使用各種先進的技術(shù)手段尤其是信息技術(shù)手段改善城市狀況，解決城市中存在的各種問題，使城市生活更加便捷，城市運行效率進一步提高，城市部門協(xié)同更加靈活。智慧城市以智慧的理念規(guī)劃城市，以智慧的方式建設(shè)城市，以智慧的手段管理城市，用智慧的方式發(fā)展城市，提高城市空間可達性，提升城市活力，保證長足發(fā)展。智慧城市下四大基本特征包括深層感知、廣泛互聯(lián)、智能應(yīng)用、高度共享[2]。

對于智慧城市的發(fā)展規(guī)劃，我國自2009年在《讓科技引領(lǐng)中國可持續(xù)發(fā)展》中明確了建設(shè)智慧城市的目標，到2013年住房城鄉(xiāng)建設(shè)部公布首批國家智慧城市試點名單，2016年“十三五”規(guī)劃提出建設(shè)一批新型示范性智慧城市，2018年政策出臺了智慧城市頂層設(shè)計的總體原則，2021年“十四五”規(guī)劃指出需要推進構(gòu)建網(wǎng)格化管理、精細化服務(wù)、信息化支撐、開放共享的繼承管理服務(wù)平臺，加強和創(chuàng)新城市社會治理，推進城市社會治理現(xiàn)代化。全國各地已經(jīng)將智慧城市建設(shè)寫入2021年首要發(fā)展任務(wù)。各項推進智慧城市建設(shè)的政策證明建設(shè)智慧城市是目前中國城市建設(shè)的重點。

建設(shè)智慧城市符合我國城市發(fā)展規(guī)律，建設(shè)智慧城市能夠有效解決目前我國城市中出現(xiàn)的各類不利于城市居民幸福感提升的問題；能夠有效促進以物聯(lián)網(wǎng)（IOT）、人工智能（AI）等先進技術(shù)的實際落地應(yīng)用。文章從國內(nèi)各大城市采用的智慧城市架構(gòu)出發(fā)，比較各層功能與技術(shù)，指出設(shè)計不足和優(yōu)點。對我國智慧城市建設(shè)事業(yè)具有一定參考價值。

1 智慧城市重要組成部分

智慧城市的出現(xiàn)是為了解決現(xiàn)有城市中存在的問題，如交通擁堵、城市管理成本高、信息傳遞與獲取速度慢等情況。智慧城市主要功能包括全面實時感知、數(shù)據(jù)高速獲取與傳遞、智能信息處理與可視化、提供高效與智能的安全防衛(wèi)、提供有效且便捷的操作管理等內(nèi)容。

智慧城市的本質(zhì)是一個復(fù)雜的巨型系統(tǒng)，涉及自然、社會、經(jīng)濟、人文等方面。建設(shè)智慧城市是將復(fù)雜的巨型系統(tǒng)推向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的過程，是人的自然智能與計算機人工智能的深度融合。新型智慧城市由多個系統(tǒng)及子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)之間由接口傳遞信息。智慧城市核心技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)、5G與WiFi通信技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、數(shù)據(jù)分析與可視化技術(shù)、人工智能技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)以及安全技術(shù)。智慧城市的重要組成部分包括城市建筑基礎(chǔ)設(shè)施、交通基礎(chǔ)設(shè)施、通信基礎(chǔ)設(shè)施、超級計算中心、數(shù)據(jù)存儲倉庫、城市大腦、物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)施等。

以此為基礎(chǔ)，我國各城市在建設(shè)智慧城市過程中提出了不同建設(shè)方向的設(shè)計架構(gòu)。智慧城市建設(shè)是一項工程量巨大、涉及面廣泛、技術(shù)龐雜的項目，需要較長的建設(shè)周期以及科學完善的架構(gòu)設(shè)計方案指導(dǎo)。

2 三地基本情況比較

2.1 上海市基礎(chǔ)情況

根據(jù)上海市統(tǒng)計局發(fā)布的《2020年上海市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》，上海市全年生產(chǎn)總值（GDP）38 155.32億元，比上年增長6.0%。其中，第一產(chǎn)業(yè)增加值103.88億元，下降5.0%；第二產(chǎn)業(yè)增加值10 299.16億元，增長0.5%；第三產(chǎn)業(yè)增加值27 752.28億元，增長8.2%。第三產(chǎn)業(yè)增加值占上海市生產(chǎn)總值的比重為72.7%，比上年提高1.8%。按常住人口計算，上海市人均生產(chǎn)總值為15.73萬元。由于大量人口遷入和外來流動人口迅速增長，上海市人口總量不斷擴大，全市常住人口2 418.33萬人，外來常住人口972.68萬人，戶籍常住人口1 445.65萬人。

2020年上海累計建設(shè)5G室外基站2.66萬個，5G室內(nèi)小站3.5萬個，實現(xiàn)中心城區(qū)和郊區(qū)重點區(qū)域連續(xù)覆蓋，平均下載網(wǎng)速達到200 M/s以上，重點區(qū)域下載速網(wǎng)速超500 M/s。

上海市的城市道路分為快速路、主干路、次干路和支路。上海城市道路總里程為5 494 km，快速路207 km、主干道723 km、次干路1 236 km、支路3 327 km。上海市環(huán)城高速公路包括內(nèi)環(huán)線、中環(huán)線、外環(huán)線和郊環(huán)線等四條。

2.2 杭州市基礎(chǔ)情況

2020年杭州實現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值16 106億元，比上年增長3.9%。第一產(chǎn)業(yè)增加值326億元，下降1.1%；第二產(chǎn)業(yè)增加值4 821億元，增長2.3%；第三產(chǎn)業(yè)增加值10 959億元，增長5.0%。三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)為2.0 : 29.9 : 68.1（經(jīng)最終核實，2019年杭州GDP修訂為15 419億元，比上年增長6.8%，三次產(chǎn)業(yè)增加值結(jié)構(gòu)為2.1 : 31.4 : 66.5）。數(shù)字經(jīng)濟核心產(chǎn)業(yè)增加值4 290億元，增長13.3%，高于GDP增速9.4%，占GDP的26.6%。電子信息產(chǎn)品制造、軟件與信息服務(wù)、數(shù)字內(nèi)容和機器人產(chǎn)業(yè)分別增長14.7%、12.9%、12.7%和12.3%。

根據(jù)全國第七次人口普查報告中的數(shù)據(jù)，全市常住人口為1 193.6萬人，與2010年第六次全國人口普查的870萬人相比，十年共增加了323.6萬人，增長37.19%，年平均增長率為3.21%。全市常住人口中共有家庭戶443.59萬戶，集體戶51.9萬戶，家庭戶人口為1 046.96萬人，集體戶人口為146.64萬人。平均每個家庭戶人口為2.36人。

截至2020年底共建成5G基站6.26萬個，實現(xiàn)全省縣城以上地區(qū)和部分重點鄉(xiāng)鎮(zhèn)覆蓋。杭州市全市已經(jīng)基本實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，城區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋率100%，農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)覆蓋率97%。平均下載網(wǎng)速達到150 M/s以上，重點區(qū)域下載網(wǎng)速超400 M/s。

杭州市城市境內(nèi)公路線路總里程2 058 km，國道省道干線里程1 807.95 km，城管路段249.56 km（含干線公路80.11 km）。

2.3 深圳市基礎(chǔ)情況

2020年深圳市地區(qū)生產(chǎn)總值27 670.24億元，同比增長3.1%。2020年，全市規(guī)模以上工業(yè)增加值增長2.0%。先進制造業(yè)和高技術(shù)制造業(yè)是工業(yè)經(jīng)濟的主體，占規(guī)模以上工業(yè)比重分別為72.5%和66.1%。先進制造業(yè)和高技術(shù)制造業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量增長快。截至2020年底，深圳總?cè)丝跒? 756.01萬人。與2019年末常住人口相比，增加412.13萬人。全市共有家庭戶為642.46萬戶，集體戶為106.26萬戶，家庭戶人口為1 448.07萬人，集體戶人口為307.94人。平均每個家庭戶的人口為2.25人。截至2020年12月份，深圳市累計建成4.6萬個5G通信基站，實現(xiàn)全城網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。平均網(wǎng)絡(luò)下載速度達到400 M/s。

深圳市道路總里程為7 796 km，包括一級公路、主干道、高速公路和快速路等四種。

2.4 三市基本情況對比

通過對上海、杭州和深圳市的基本情況介紹，上海市常住人口最多、國內(nèi)生產(chǎn)總值最高，深圳市網(wǎng)絡(luò)下載速度最高。三座城市的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率均已達到100%。三地基本情況對比如表1所示。

表1 三地基本情況對比

3 現(xiàn)有智慧城市架構(gòu)

文章分別選取上海、杭州、深圳三座城市的智慧城市建設(shè)架構(gòu)作為比較樣例。對三座城市建設(shè)的智慧城市架構(gòu)進行對比，分析得出三地智慧城市架構(gòu)的相同點和不同點。

3.1 上海市智慧城市架構(gòu)

上海市采用了四層架構(gòu)，自下而上分別物聯(lián)感知層、網(wǎng)絡(luò)通信層、數(shù)據(jù)中心層、智慧應(yīng)用層。還包括貫穿四層的標準管理體系和安全保障體系。

物聯(lián)感知層包括GPS/北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)、傳感器設(shè)備、設(shè)備監(jiān)控和智能終端；網(wǎng)絡(luò)通信層包括光纖寬帶、無線寬帶、下一代廣電網(wǎng)；數(shù)據(jù)中心層主要包括數(shù)據(jù)資源，數(shù)據(jù)支撐，服務(wù)支撐。數(shù)據(jù)資源包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、專業(yè)數(shù)據(jù)庫和公共數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)支撐包括數(shù)據(jù)采集與匯集、數(shù)據(jù)整合與處理、智能挖掘與分析、數(shù)據(jù)管理以及治理等；服務(wù)支撐包括統(tǒng)一身份認證、公共資源目錄、安全認證以及數(shù)據(jù)交換管理等；智慧應(yīng)用層包括訪問接入和綜合應(yīng)用；訪問接入包括社會公眾接入、企業(yè)用戶接入、城市管理決策用戶接入等；綜合應(yīng)用包括經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)、社會民生、城市運行以及政府行政的各個應(yīng)用。

上海市智慧城市架構(gòu)如圖1所示。

圖1 上海市智慧城市架構(gòu)

3.2 杭州市智慧城市架構(gòu)

杭州市智慧城市架構(gòu)如圖2所示。

圖2 杭州市智慧城市架構(gòu)

杭州智慧城市架構(gòu)包括三層，自下而上分為基礎(chǔ)感知平臺和計算平臺；數(shù)據(jù)資源平臺、行業(yè)引擎和智能服務(wù)平臺；智能應(yīng)用。還包括貫穿三層的安全規(guī)范體系和開放生態(tài)服務(wù)?；A(chǔ)感知平臺主要功能為借助安裝在城市各個位置的傳感器，全方面感知與探測城市運行過程中的重要信息?；A(chǔ)感知平臺是杭州智慧城市的各種信息與數(shù)據(jù)的重要來源。計算平臺主要對各類數(shù)據(jù)與信息進行計算和分析，計算平臺與基礎(chǔ)感知平臺位于同一層，在基礎(chǔ)感知平臺獲取到相關(guān)數(shù)據(jù)之后，直接在邊緣側(cè)進行計算處理。數(shù)據(jù)資源平臺對感知和計算后的數(shù)據(jù)進行存儲并提供相關(guān)接口供其他重要層使用。行業(yè)引擎面向各大企業(yè)，其主要功能是提供杭州市各個企業(yè)接入到智慧城市系統(tǒng)接口，為企業(yè)的運行提供各項支持，如提供數(shù)據(jù)、協(xié)調(diào)資源、政策信息共享等。智慧應(yīng)用為城市居民提供各項便民服務(wù)，如水電服務(wù)、政務(wù)服務(wù)、日常通信服務(wù)等。安全規(guī)范體系的主要功能為保障智慧城市整體安全。開放生態(tài)服務(wù)主要功能為對智慧城市的后續(xù)功能擴展起到促進作用。

3.3 深圳市智慧城市架構(gòu)

深圳市智慧城市架構(gòu)如圖3所示。

圖3 深圳市智慧城市架構(gòu)

深圳智慧城市架構(gòu)自下而上包括智慧城市感知網(wǎng)絡(luò)體系層；智慧城市運行管理中心和城市大數(shù)據(jù)中心層；智慧應(yīng)用層。智慧城市感知網(wǎng)絡(luò)體系層主要包括各類感知（交通感知、環(huán)境感知、視頻感知、社會網(wǎng)絡(luò)感知）；市計算中心；市政務(wù)資源中心；區(qū)數(shù)據(jù)中心；各類網(wǎng)絡(luò)連接（WiFi、移動網(wǎng)、NB-IOT、政務(wù)網(wǎng)）。智慧應(yīng)用層主要包括公共服務(wù)（民生服務(wù)、政務(wù)服務(wù)等）；公共安全（應(yīng)急、治理等）；城市治理（水務(wù)、交通治理等）；智慧產(chǎn)業(yè)（商貿(mào)和制造等）。數(shù)據(jù)中心層主要包括城市運行管理中心；城市大數(shù)據(jù)中心；數(shù)據(jù)資源平臺；支撐云平臺。數(shù)據(jù)中心層提供時空數(shù)據(jù)引擎、數(shù)據(jù)可視化、大數(shù)據(jù)分析、共享交換、服務(wù)開放和資源管理等功能。標準規(guī)范體系和網(wǎng)絡(luò)完全規(guī)范貫穿所有層。

智慧城市感知網(wǎng)絡(luò)體系主要功能包括全面感知城市運行過程中來自各方的信息，如交通、環(huán)境、輿論信息等。市超算中心為城市運行過程中各類型的智能化、高效化處理提供算力支持。市政務(wù)資源中心與區(qū)數(shù)據(jù)中心存儲城市運行過程中處理完畢與未處理的各類數(shù)據(jù)，如電力繳費數(shù)據(jù)、交通出行數(shù)據(jù)等。各類網(wǎng)絡(luò)鏈接提供豐富、多樣的連接方式，綜合提高網(wǎng)絡(luò)連接傳輸效率。智慧應(yīng)用層涵蓋的民生服務(wù)、政務(wù)服務(wù)、公共安全、城市治理、智慧產(chǎn)業(yè)等都與城市居民息息相關(guān)，滿足智慧城市居民對于生活方面的各項需求。數(shù)據(jù)中心層的各項功能為智慧城市運行過程中的各項管理與數(shù)據(jù)分析存儲任務(wù)提供業(yè)務(wù)支撐。

3.4 國外智慧城市架構(gòu)

文章選取國外智慧城市專家Chai[3]提出的智慧城市架構(gòu)作為參考。架構(gòu)主要包括物聯(lián)網(wǎng)感知層、連接層、數(shù)據(jù)層、智慧層、各種智慧應(yīng)用、城市大腦以及貫穿全部橫向?qū)拥陌踩珜雍筒僮鞴芾砜刂茖?。Chai智慧城市架構(gòu)如圖4所示。

圖4 Chai智慧城市架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)感知層包含各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、傳感器、視頻監(jiān)控等基礎(chǔ)感知設(shè)備。連層主要包括WiFi，NB-IoT，5G和網(wǎng)關(guān)設(shè)備等。智慧層包含人工智能算法，其主要對各種設(shè)備及設(shè)備附屬功能實施智能管理。安全層負責管理和控制整個智慧城市的安全防衛(wèi)。操作管理層負責智慧城市所有事務(wù)的控制和管理。各種智慧應(yīng)用為智慧城市居民提供各類城市服務(wù)。

4 智慧城市架構(gòu)比較

對上海、杭州、深圳三座城市的智慧城市架構(gòu)進行比較。為了更好地呈現(xiàn)對比效果，文章選取由Chai提出的智慧城市架構(gòu)作為比較標準。由Chai提出的智慧城市架構(gòu)分為五層，分別為物理層、連接層、人工智能驅(qū)動的物聯(lián)網(wǎng)連接層、人工智能與數(shù)據(jù)分析層、應(yīng)用層。安全層與操作控制管理貫穿所有層。Chai提出的國際通用智慧城市架構(gòu)設(shè)計在國際應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋較廣，框架具有極大的可擴展性，作為基本理想架構(gòu)，框架描述的智慧城市架構(gòu)被高度抽象，文章中僅作為各城市智慧城市架構(gòu)的對比基準。

安全層貫穿所有橫向架構(gòu)層次，起到保護物理感知設(shè)備，保護各個終端設(shè)備，保護網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，保護數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，保護智能應(yīng)用的作用；操作控制層貫穿所有橫向架構(gòu)層次，操作和控制所有設(shè)備，包括物理感知設(shè)備、各個終端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備、各個智能應(yīng)用等；“城市大腦”通過使用人工智能技術(shù)統(tǒng)合智慧城市所有功能，實現(xiàn)全面自動化智能運行，提高城市整體運行效率；數(shù)據(jù)資源庫將物理感知設(shè)備和終端設(shè)備獲取到的海量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)處理后存儲到數(shù)據(jù)資源庫中；網(wǎng)絡(luò)通信層將物理感知設(shè)備和各個終端設(shè)備獲取到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)狡渌鱾€層次；應(yīng)用接口提供各應(yīng)用接入智慧城市系統(tǒng)的重要接入點，可以靈活擴展接入各個智慧城市應(yīng)用，以便提供不同服務(wù)；計算平臺提供智慧城市系統(tǒng)的各類運算服務(wù)，包括數(shù)據(jù)分析服務(wù)、資源調(diào)度運算服務(wù)等；運行管理中心統(tǒng)領(lǐng)智慧城市系統(tǒng)各個部分的有序高效率運行和提供城市高效管理。

三種架構(gòu)重要特征比較如表2所示。

表2 三種架構(gòu)重要特征比較

由表2可知，三座城市使用的智慧城市架構(gòu)均包含分層架構(gòu)、數(shù)據(jù)資源庫、計算平臺、未使用“城市大腦”、未使用安全層、未使用操作控制層。

三座城市使用的架構(gòu)不同點包括層數(shù)不一致，上海市使用4層架構(gòu)，杭州市、深圳市使用3層架構(gòu)；上海市智慧城市架構(gòu)未使用人工智能技術(shù)；上海市智慧城市架構(gòu)提供應(yīng)用接口，杭州市、深圳市架構(gòu)未提供應(yīng)用接口。

通過與Chai提出的國際通用智慧城市架構(gòu)對比發(fā)現(xiàn)，上海市、杭州市、深圳市三座城市的智慧城市架構(gòu)均缺少貫穿全部橫向?qū)拥陌踩珜樱回灤┤繖M向?qū)拥牟僮鞴芾韺?；“城市大腦”。所以，上海市、杭州市、深圳市需要在智慧城市建設(shè)過程中，保障整個智慧城市安全的安全層建設(shè)，構(gòu)建操作管理層，建設(shè)“城市大腦”以提高城市運行過程中對各項事務(wù)的反應(yīng)能力和處理速度。

5 結(jié)語

文章選取上海市、杭州市、深圳市三座智慧城市架構(gòu)設(shè)計方案進行對比，找出三種智慧城市架構(gòu)設(shè)計方案中的共同點與不同點。對比三座智慧城市架構(gòu)設(shè)計方案發(fā)現(xiàn)建設(shè)方案中需要添加安全層、操作管理層、“城市大腦”。添加貫穿全部橫向?qū)拥陌踩珜樱纬蓪Πㄎ锢砀兄獙?、?shù)據(jù)層、連接層應(yīng)用層的全方面保護效果，防止智慧城市系統(tǒng)出現(xiàn)病毒植入、數(shù)據(jù)泄露等安全問題。

添加貫穿全部橫向?qū)拥牟僮鞴芾韺?，全面管理和操作智慧城市系統(tǒng)各個組成部分，有效協(xié)調(diào)智慧城市系統(tǒng)的各個功能組件，提高智慧城市系統(tǒng)運行效率。通過“城市大腦”組件提高城市運行過程中對各項問題反應(yīng)能力和處置速度，使智慧城市系統(tǒng)全面自主運行，有效解決目前城市出現(xiàn)的各種問題，提高城市服務(wù)質(zhì)量，實現(xiàn)提高市民生活質(zhì)量的目標。