智慧城市與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

· 文 |楊元喜 湯靜

一、智慧城市概念與發(fā)展需求

1.智慧城市概念

全球50%以上的人口居住在城市[1]，世界上10%的人口生活在30個(gè)大都市[2]。如此多的人口聚集現(xiàn)代大都市——居住擁擠、交通擁堵、管理困難，甚至導(dǎo)致生活秩序混亂。如何使城市變得智能一些？城市更智慧需要哪些核心要素？

智慧城市來自于“智慧地球”概念[3]?！爸腔鄣厍颉蓖ㄟ^互聯(lián)網(wǎng)將物聯(lián)網(wǎng)整合起來，使人們能以精細(xì)和動態(tài)方式智慧化管理生產(chǎn)和生活。智慧城市可理解為：把傳感器裝備到城市生活的各種物體上，通過超級計(jì)算機(jī)和云計(jì)算實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)整合，智慧城市是數(shù)字城市與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的產(chǎn)物，包含智慧傳感網(wǎng)、智慧控制網(wǎng)和智慧安全網(wǎng)。

智慧城市的核心要素之一是基礎(chǔ)設(shè)施，要求各系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)該互連互通、優(yōu)化集成，這是城市變得智能的基礎(chǔ)。這里強(qiáng)調(diào)的基礎(chǔ)設(shè)施，不是分散的基礎(chǔ)設(shè)施，分散的系統(tǒng)，而是高度集成，而且是優(yōu)化集成的基礎(chǔ)設(shè)施；另一個(gè)核心要素是，智慧管理，沒有智慧的管理，再優(yōu)化集成的各類互聯(lián)互通的信息也不會發(fā)揮職能化作用；我個(gè)人認(rèn)為，智慧城市最核心的要素是服務(wù)觀念，因?yàn)榉?wù)觀念是提升城市智慧、各要素發(fā)揮作用的根本，沒有優(yōu)質(zhì)的、主動的服務(wù)，智慧城市的基礎(chǔ)設(shè)施很難發(fā)揮應(yīng)有的作用，于是智慧城市的關(guān)鍵之一是轉(zhuǎn)換和改進(jìn)服務(wù)職能，實(shí)現(xiàn)智慧管理和智慧服務(wù)[4]。

遺憾的是，智慧城市卻不包含健康概念，“智慧”的不一定是“健康”的，城市管理、城市服務(wù)也是如此?！爸腔邸辈挥糜诜?wù)，“智慧”則可能有害。缺乏“智慧”的管理與“智慧”的服務(wù)，則不太可能有智慧的生活，易導(dǎo)致不宜居（不健康）城市。值得強(qiáng)調(diào)的是，“管理”比“智慧”重要，“服務(wù)”比“管理”重要。

2.智慧城市發(fā)展目的

智慧城市將大大縮短機(jī)構(gòu)與機(jī)構(gòu)，公眾與政府之間的距離，擴(kuò)展公眾信息資源的利用與獲取，提高信息流通的時(shí)效性、信息資源的可靠性和現(xiàn)勢性。

“智慧”一般強(qiáng)調(diào)四個(gè)特點(diǎn)，即：科學(xué)、智能、機(jī)敏、快捷?！爸腔邸眮碜杂谛畔?，包括信息獲取、信息處理、信息的綜合利用、智慧決策、智慧管理和智慧服務(wù)。

建設(shè)智慧城市的基礎(chǔ)設(shè)施不是目的，讓基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)于智慧生活才是目的。

3.城市宏觀管理和輔助決策需求

城市宏觀管理和輔助決策需要智慧，科學(xué)的決策和決策的科學(xué)都是政府執(zhí)政能力和執(zhí)政水平的重要體現(xiàn)。在信息化時(shí)代，城市多部門協(xié)同管理和決策是必然趨勢?？绮块T信息錯綜復(fù)雜，而時(shí)空信息是核心信息，也是共性信息?；跁r(shí)空信息的綜合服務(wù)系統(tǒng)將是多部門協(xié)同管理決策的核心、關(guān)鍵和基礎(chǔ)。

智慧城市首先需要物聯(lián)網(wǎng)，然后需要互聯(lián)網(wǎng)，否則無信息可互換。物聯(lián)網(wǎng)需要的核心信息有導(dǎo)航信息和測繪信息兩類。導(dǎo)航信息包括位置、速度、時(shí)間，它們是物聯(lián)網(wǎng)核心信息；測繪和地理信息包括周圍環(huán)境（影像信息）、地理空間信息、虛擬空間信息等，是物聯(lián)網(wǎng)的參照信息。智慧城市的構(gòu)成如圖1 。

>> 圖1 智慧城市構(gòu)成

智慧城市以空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施為基礎(chǔ)，包括城市概況、人口人文、市民分布、江河湖泊、環(huán)境資源、交通設(shè)施、氣象信息、災(zāi)害信息、服務(wù)設(shè)施、執(zhí)法機(jī)構(gòu)等，通過物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、智慧管理和智慧服務(wù)構(gòu)筑而成。

城市高效、有序管理，規(guī)劃、建設(shè)以及突發(fā)事件的處置，必須基于可視化的地理空間信息系統(tǒng)和高可靠的位置、時(shí)間系統(tǒng)。

二、智慧城市的時(shí)空觀

1.智慧城市的時(shí)間觀

時(shí)間基準(zhǔn)不一致可能造成一些麻煩。例如，北京的一位先生給美國一位女士發(fā)信息，提議午后聊聊?？墒?，北京的下午1點(diǎn)是美國紐約凌晨2點(diǎn)，顯然時(shí)間基準(zhǔn)不一致。

時(shí)間就是金錢，貸款與還貸的時(shí)間系統(tǒng)應(yīng)該統(tǒng)一。因此，各銀行之間的時(shí)間應(yīng)該統(tǒng)一。金融系統(tǒng)之間差一秒都可能造成極大損失，股票市場也如此。

獨(dú)立的時(shí)間系統(tǒng)對城市管理非常重要。時(shí)間是追究責(zé)任的重要指標(biāo)，時(shí)間也是犯罪案件偵查和分析的核心要素之一。

時(shí)間同樣是安全的重要指標(biāo)之一，各電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電的時(shí)間同步，電網(wǎng)故障的排查時(shí)間同步等，都需要統(tǒng)一的時(shí)間系統(tǒng)。智慧的城市應(yīng)該是基于高度時(shí)間統(tǒng)一的信息獲取與管理。

2.智慧城市的空間觀

智慧城市需要位置、需要引導(dǎo)、需要參照，需要測繪地理信息。例如，智慧指揮首先需要可靠的地理空間信息。在處置各類險(xiǎn)情時(shí)，首先需要險(xiǎn)情發(fā)生的地點(diǎn)、位置信息，并了解周圍的關(guān)聯(lián)信息。特別是突發(fā)事件的處置，如洪災(zāi)、火災(zāi)、地震的搶險(xiǎn)，反恐維穩(wěn)的快速反應(yīng)，交通安全，經(jīng)濟(jì)安全（金融、電力、能源……）等，如果離開空間信息的支持，就很難做出科學(xué)果斷的決策，也很難做出有效的處置。

三、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

中國自20世紀(jì)80年代決策建設(shè)獨(dú)立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2003年建成集導(dǎo)航、定位、授時(shí)與短報(bào)文通信于一體的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，使中國成為繼美國和俄羅斯之后又一個(gè)擁有獨(dú)立自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家，成為全球GNSS核心供應(yīng)商之一[5][6]。

目前北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也已經(jīng)建成，該系統(tǒng)由14顆衛(wèi)星組成，包括5顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星、5顆傾斜同步軌道（IGSO）衛(wèi)星、4顆中圓軌道（MEO）衛(wèi)星，體制采取有源定位和無源定位相結(jié)合，并于2012年12月底正式啟用，性能良好。服務(wù)區(qū)域?yàn)槟媳本?5°，東經(jīng)55°至180 °，如圖2[7]。

>> 圖2 北斗系統(tǒng)區(qū)域服務(wù)范圍

現(xiàn)階段北斗運(yùn)控系統(tǒng)由 1 個(gè)主控站、7 個(gè)A類監(jiān)測站（測定衛(wèi)星軌道、電離層延遲等）、22個(gè)B類監(jiān)測站（完好性增強(qiáng)服務(wù)）和2 個(gè)時(shí)間同步上行注入站組成。

運(yùn)控系統(tǒng)主要功能包括坐標(biāo)基準(zhǔn)測定與維持，時(shí)間基準(zhǔn)測定與維持，衛(wèi)星及地面時(shí)間同步測定系統(tǒng)，衛(wèi)星軌道測定與預(yù)報(bào)，衛(wèi)星鐘差測定與預(yù)報(bào)，增強(qiáng)信息處理，RDSS信息處理，電離層監(jiān)測、處理與預(yù)報(bào)，完好性監(jiān)測與預(yù)報(bào)，導(dǎo)航電文上行注入與播發(fā)等。

運(yùn)控系統(tǒng)由于采取了系列策略，運(yùn)行性能良好。北斗坐標(biāo)系統(tǒng)的精度在厘米量級，更新歷元可達(dá)到毫米量級；北斗時(shí)間系統(tǒng)溯源于世界協(xié)調(diào)時(shí)，北斗時(shí)精度一般為10-14，穩(wěn)定性一般也可達(dá)到10-14/周；衛(wèi)星軌道更新周期一般為2小時(shí)，軌道測定精度優(yōu)于2m，相應(yīng)用戶測距誤差（URE）為0.2m；依據(jù)2小時(shí)的預(yù)報(bào)GEO衛(wèi)星軌道相應(yīng)URE約為1m；MEO和IGSO衛(wèi)星的軌道預(yù)報(bào)精度略高，6小時(shí)后的URE一般在1m左右；2小時(shí)的衛(wèi)星鐘預(yù)報(bào)精度約為1.4ns；電離層改正率達(dá)到75%；短報(bào)文通信的響應(yīng)時(shí)間小于1s，可提供120個(gè)漢字的報(bào)文通信服務(wù)。

四、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本性能

北斗系統(tǒng)區(qū)域服務(wù)基本性能如下：

1）定位精度：平面10m，高程10m；

目前，基于能量分析方法進(jìn)行損傷識別研究主要用于結(jié)構(gòu)工程中。但是，隨著邊坡地震穩(wěn)定性研究的深入，能量分析方法開始被引入到邊坡地震穩(wěn)定性研究中。能量分析方法成為了邊坡動力穩(wěn)定性研究的一種發(fā)展趨勢。基于能量分析方法的邊坡動力穩(wěn)定性常用方法主要包括Hilbert-Huang變換(HHT)、小波分析方法、時(shí)序模型方法、基于模型修正的損傷識別方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別方法等。

2）測速精度：0.2m/s；

3）授時(shí)精度：單向50ns；

4）短報(bào)文通信服務(wù)；

5）廣域差分服務(wù)。

綜合國內(nèi)多個(gè)站點(diǎn)的定位結(jié)果，得到B1 I頻點(diǎn)靜態(tài)單點(diǎn)定位精度：水平優(yōu)于6m，高程優(yōu)于10m，三維優(yōu)于11.2m（95%）。

利用數(shù)十天北斗跟蹤數(shù)據(jù)對北斗衛(wèi)星的導(dǎo)航定位精度進(jìn)行了試驗(yàn)評估，其基本性能如圖3所示。

>> 圖3 北斗系統(tǒng)現(xiàn)有性能

五、北斗系統(tǒng)在智慧城市中的可能應(yīng)用

有關(guān)部門已經(jīng)開發(fā)了基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的大氣、海洋、空間天氣監(jiān)測預(yù)警驗(yàn)證系統(tǒng)，可攜帶北斗接收機(jī)的高空探測氣球，完成電離層與水氣探測、海洋風(fēng)浪與波動檢測等。北斗還已經(jīng)用于氣象災(zāi)害預(yù)警信息的發(fā)送，在未來的掩星大氣探測中，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也將發(fā)揮重要作用。

中國是交通非常繁忙和擁擠的國家，交通管理方面，北斗導(dǎo)航與地理信息結(jié)合可以發(fā)揮重要作用，可以用于車載導(dǎo)航和城市交通管理。例如，利用北斗系統(tǒng)精確定位與測速及短報(bào)文的優(yōu)勢，可實(shí)時(shí)確定動態(tài)載體的瞬時(shí)位置，有效減小動態(tài)載體之間的安全距離，極大提高運(yùn)行安全、運(yùn)營效率和管理效率。在我國多個(gè)城市的危險(xiǎn)運(yùn)輸車輛的運(yùn)控系統(tǒng)中，已經(jīng)嵌入了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的定位授時(shí)等功能。

目前，中國漁民是北斗的重要用戶群，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅為漁船導(dǎo)航、定位、授時(shí)，而且提供短報(bào)文通信及其他的漁業(yè)中心管控信息傳輸服務(wù)，為漁民的海洋作業(yè)安全提供了強(qiáng)有力的支撐。

在多次重大搶險(xiǎn)救災(zāi)活動中，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也都發(fā)揮了極其重要的作用。如汶川地震、舟曲泥石流災(zāi)害搶險(xiǎn)救災(zāi)等。

六、 結(jié)束語

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航與智慧城市的有效集成，將提高智慧城市的建設(shè)規(guī)劃水平和資源監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測水平；加強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航、地理信息與智能交通的集成，將提高城市智能交通管理效率；加大導(dǎo)航、地理信息與其他電子信息系統(tǒng)的集成與融合，將擴(kuò)大位置服務(wù)領(lǐng)域，帶動智慧城市的智慧物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與拓展；統(tǒng)籌導(dǎo)航地理信息產(chǎn)品的集成應(yīng)用，將提高智慧城市安全運(yùn)行（包括行業(yè)融合、信息融合）水平；完善各類導(dǎo)航、地理標(biāo)準(zhǔn)，將提高智慧城市建設(shè)規(guī)范；改進(jìn)智慧城市服務(wù)觀念，將提升智慧城市保障效能和市民的生活質(zhì)量。

衛(wèi)星導(dǎo)航、地理信息是智慧城市建設(shè)的重要支撐，發(fā)展以北斗為支撐的智慧城市應(yīng)作為國家戰(zhàn)略。發(fā)展導(dǎo)航及智慧城市也是國家重大經(jīng)濟(jì)發(fā)展策略，是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐。將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與智慧城市緊密結(jié)合是應(yīng)對公共安全、事故災(zāi)難、反恐維穩(wěn)，提高政府決策能力的重要手段。衛(wèi)星導(dǎo)航及智慧城市將為城市宏觀管理和輔助決策提供支持。

智慧城市的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是智慧城市發(fā)展的重要依據(jù)，要重視智慧城市標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)。如果一個(gè)城市一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，這樣智慧城市之間的互聯(lián)互通就會成為問題。應(yīng)該強(qiáng)化服務(wù)觀念，強(qiáng)化智慧城市的特色服務(wù)是智慧城市相關(guān)產(chǎn)品發(fā)展的重點(diǎn)，也是智慧城市理念推廣的重要途徑。集成導(dǎo)航、地理信息及其他信息技術(shù)是提高智慧城市位置服務(wù)產(chǎn)品適應(yīng)性的重要手段。我國北斗導(dǎo)航及位置服務(wù)在智慧城市建設(shè)中潛力巨大，融合應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。

當(dāng)前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS信號精度相當(dāng)，北斗/GPS組合定位模糊參數(shù)固定成功率顯著提高，組合定位的可靠性也顯著提高。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將促進(jìn)中國智慧城市建設(shè)。目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)水平與智慧城市建設(shè)需求可能還存在差距，相關(guān)理論、技術(shù)還需要進(jìn)一步深入研究。

[1]Dirks, S., Gurdgiev, C., Keeling, M. Smarter Cities for Smarter Growth: How Cities Can Optimize Their Systems for the Talent-Based Economy. Somers,NY: IBM Global Business Services. 2010，Available at ftp://public.dhe.ibm.com/common/ssi/ecm/en/gbe03348usen/GBE03348USEN.PDF.

[2]Dobbs, R., Smit, S., Remes, J., Manyika, J., Roxburgh,C., Restrepo, A. Urban World: Mapping the Economic Power of Cities. 2011, McKinsey Global Institute.

[3]李德仁，邵振峰，楊小敏. 從數(shù)字城市到智慧城市的理論與實(shí)踐，地理空間信息，2011，9（6）：1-5.

[4]Nam T, Pardo P A. Conceptualizing Smart City with Dimensions of Technology, People, and Institutions.The Proceedings of the 12th Annual International Conference on Digital Government Research, 2011,282-291.

[5]楊元喜.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)展、貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn)，測繪學(xué)報(bào)，2010.39（1）：1-6.

[6]楊元喜，李金龍，湯靜，郭海榮，何海波. 中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對全球PNT 用戶的貢獻(xiàn)，科學(xué)通報(bào)，2011，56（21）：1734-1740.

[7]楊元喜, 李金龍, 王愛兵, 等. 北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本導(dǎo)航定位性能初步評估. 中國科學(xué): 地球科學(xué),2014，44: 1-10 .