物聯(lián)網(wǎng)與下一代智慧城市

曹鶴婷

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司廣東省分公司，廣東 廣州 510627）

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)的飛速發(fā)展、硬件制造成本的不斷降低，越來越多的硬件產(chǎn)品通過加入聯(lián)網(wǎng)模塊被賦予了網(wǎng)絡(luò)連接能力。IOT（Internet of Things，物聯(lián)網(wǎng)）時代的到來使得互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備由PC、手機等傳統(tǒng)設(shè)備不斷擴展到工程監(jiān)測、家居生活、健康檢測等諸多領(lǐng)域的硬件產(chǎn)品中。Garter[1]評估認(rèn)為2015年接入網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)備數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了50億，并將在2020年進(jìn)一步增長到250億。物聯(lián)網(wǎng)時代接入設(shè)備的快速增長帶來的信息爆炸為信息的接收與存儲、信息的智能處理分析提供了廣闊的應(yīng)用情景。而智慧城市的建設(shè)將是十分重要的應(yīng)用場景之一。

智慧城市概念的提出是為了合理調(diào)度優(yōu)化城市資源配置，減少資源浪費與環(huán)境污染。早在上世紀(jì)90年代，將公共服務(wù)資源信息通過互聯(lián)網(wǎng)有機連接起來的城市建設(shè)方案已經(jīng)有所實施，但受制于當(dāng)時網(wǎng)絡(luò)與硬件技術(shù)等諸多因素，主要仍停留在初級階段。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，智慧城市的建設(shè)也迎來了寶貴的機遇。自2008年IBM提出“智慧地球”[2]理念以來，歐盟[3]、美國、新加坡等國家及其城市不斷推出智慧城市建設(shè)項目，我國也于2012年正式發(fā)布了“關(guān)于開展國家智慧城市試點工作的通知”，截至目前，國家智慧城市試點已達(dá)290個。

智慧城市的建設(shè)是一個龐大復(fù)雜的工程，而如何有效利用以物聯(lián)網(wǎng)為代表的新興技術(shù)，為更加智能的下一代智慧城市的建設(shè)提供支撐，無疑將是非常值得研究與實踐的課題之一。

2 下一代智慧城市的發(fā)展方向

伴隨著海量的硬件設(shè)備接入與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不斷優(yōu)化，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入應(yīng)用將使智慧城市的發(fā)展呈現(xiàn)信息管理全自動化、快速響應(yīng)與動態(tài)反饋、基礎(chǔ)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化與細(xì)分領(lǐng)域定制化等方向。

目前在智慧城市的建設(shè)過程中，盡管公共服務(wù)資源信息的聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)能夠做到一定程度上的自動化處理，但信息管理仍然需要大量的人力進(jìn)行監(jiān)控與維護，這種半自動半人工的信息管理方式既帶來了較大的人力成本，又降低了數(shù)據(jù)管理的效率。造成這種情況的原因一方面在于目前的公共服務(wù)資源信息在接入設(shè)備這一層面上并未進(jìn)行有效的處理優(yōu)化，另一方面在于對資源信息的處理仍停留在簡單的數(shù)據(jù)庫形式存儲，而城市建設(shè)過程中的決策問題仍交由給人力完成。下一代智慧城市的發(fā)展應(yīng)在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上就完成對原始信息數(shù)據(jù)的處理篩選，與此同時與機器學(xué)習(xí)、人工智能等計算機技術(shù)結(jié)合，制定更豐富的能替代人力完成的決策，真正實現(xiàn)信息管理的全自動化。

另一方面，經(jīng)濟的飛速發(fā)展、人口的增長與流動性加快等時代因素加速了城市的擴張，而更復(fù)雜的公共設(shè)施建設(shè)、人口管理、環(huán)境治理等問題也隨之出現(xiàn)。這種新形勢使得城市的規(guī)劃建設(shè)面臨未知又多變的情況，而傳統(tǒng)的解決方案將很難滿足快速變化的城市建設(shè)新局面。下一代智慧城市將能對城市在實際運行過程中出現(xiàn)的種種情況進(jìn)行快速響應(yīng)與動態(tài)反饋。相較于傳統(tǒng)城市建設(shè)中以人員調(diào)度為核心的響應(yīng)與反饋機制，基于智能決策系統(tǒng)的智慧城市將真正實現(xiàn)24h監(jiān)控、處理器級響應(yīng)，極大地縮短響應(yīng)時間。這將為城市交通管理、災(zāi)前預(yù)警與災(zāi)后處理等領(lǐng)域提供支持，減少因響應(yīng)時間造成的人身與財產(chǎn)損失。

另外，盡管智慧城市建設(shè)案例在全球各地各有不同，但在20余年的探索過程中，也已出現(xiàn)了一系列成功的建設(shè)經(jīng)驗。相較于針對每個城市進(jìn)行重新設(shè)計，移植成功的經(jīng)驗無疑將會減少城市建設(shè)的整體成本，同時也能避免因試錯帶來不必要的建設(shè)風(fēng)險。下一代的智能城市建設(shè)在交通管理、城市安全、環(huán)境保護與治理等城市建設(shè)中的基礎(chǔ)領(lǐng)域可建立一套智慧城市基礎(chǔ)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)并據(jù)此完成實施；而城市之間情況各不相同，需要以具體城市為對象進(jìn)行細(xì)分設(shè)計的領(lǐng)域則可以在這種基礎(chǔ)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行自定義的設(shè)計。這種建設(shè)模式在保證了靈活性的同時能夠盡量減少建設(shè)成本。

3 物聯(lián)網(wǎng)如何助力下一代智慧城市建設(shè)

物聯(lián)網(wǎng)的三大關(guān)鍵技術(shù)分別為傳感器技術(shù)、RFID標(biāo)簽以及嵌入式系統(tǒng)技術(shù)[4]。這些技術(shù)承載著信息的獲取、連接以及一部分的信息處理等任務(wù)。因此，下一代智慧城市的發(fā)展方向的各個方面都離不開物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的助力。

智慧城市信息管理的全自動化離不開物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特別是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)在連接終端上的應(yīng)用。事實上，將Unix、Linux等系統(tǒng)嵌入式安裝在終端上，并根據(jù)終端類型與作用寫入可執(zhí)行程序是長久以來對終端實現(xiàn)“智能”的基本處理方式。這種處理方式在終端內(nèi)存小、數(shù)據(jù)處理能力低下的背景下能夠滿足信息獲取的基本需求，但迫于硬件條件與軟件限制，對信息進(jìn)行終端層面上的處理篩選難以真正地進(jìn)行。而隨著硬件技術(shù)提升帶來的終端內(nèi)存及處理能力的大幅度提升，與以Android為代表的移動操作系統(tǒng)在硬件設(shè)備中的普及，這些軟硬件帶來的限制得到了很大緩解，更多信息處理與篩選的工作可以向下遷移至連接終端，在連接終端避免了由信息爆炸引起的海量數(shù)據(jù)壓力。

另一方面，智慧城市的快速響應(yīng)與動態(tài)反饋意味著對傳感器數(shù)據(jù)接收能力以及網(wǎng)絡(luò)連接速度要求的不斷提高。以城市建設(shè)中的災(zāi)害管理為例，對于突發(fā)災(zāi)害的區(qū)域，處理工作需要通過分布于災(zāi)害區(qū)域的傳感器獲得災(zāi)害區(qū)域的人員與財產(chǎn)情況、交通情況、災(zāi)害區(qū)域的影響范圍等多重數(shù)據(jù)，同時對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實時更新。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議等內(nèi)容正是關(guān)鍵。

最后，智慧城市的基礎(chǔ)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化與細(xì)分領(lǐng)域定制化這種建設(shè)思想與模式在物聯(lián)網(wǎng)上的實現(xiàn)擁有先天的優(yōu)勢。事實上，這種建設(shè)思想及模式與嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計是十分類似的，以Android嵌入式系統(tǒng)為例，系統(tǒng)內(nèi)部存在一些負(fù)責(zé)系統(tǒng)基本運行與完成基本工作的內(nèi)置應(yīng)用程序，而在這些內(nèi)置應(yīng)用程序之外用戶可以通過安裝個性化的應(yīng)用程序來獲得個性化的體驗。對比來看，基礎(chǔ)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)就是這些“內(nèi)置應(yīng)用程序”，而細(xì)分領(lǐng)域的定制就是“用戶自安裝程序”。因此，在智慧城市中的連接終端中實現(xiàn)這種建設(shè)思想與模式是能夠直接與嵌入式系統(tǒng)完成匹配的。

4 物聯(lián)網(wǎng)在下一代智慧城市中面臨的挑戰(zhàn)

智慧城市的建設(shè)涵蓋了諸多領(lǐng)域，而作為核心領(lǐng)域之一的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域在下一代智慧城市中面臨的挑戰(zhàn)主要來自于3個方面：數(shù)據(jù)爆炸、安全性與穩(wěn)定性、封閉與開放。

（1）數(shù)據(jù)爆炸

智慧城市的建設(shè)離不開對公共資源信息的存儲管理，而更為智能的城市無疑需要建立在更豐富更細(xì)粒度的信息數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上?；ヂ?lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的組成部分之一，目前的規(guī)模也已經(jīng)達(dá)到了ZB級別[5]，物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)量無疑更為龐大。在這種數(shù)據(jù)爆炸背景下，數(shù)據(jù)快速接收與處理、數(shù)據(jù)存儲、海量數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域都是與物聯(lián)網(wǎng)密切相關(guān)的。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)對數(shù)據(jù)爆炸帶來的挑戰(zhàn)的可行之路主要包括：

1）推進(jìn)傳感器技術(shù)的發(fā)展，減少無關(guān)信息的采集與存儲；

2）結(jié)合嵌入式系統(tǒng)技術(shù)在接收終端完成信息的初步處理與篩選；

3）建立分級處理機制，避免數(shù)據(jù)的匯總處理。

（2）安全性與穩(wěn)定性

智慧城市的建設(shè)繞不開安全這一話題，同樣一個不穩(wěn)定的智慧城市也是不可靠的。物聯(lián)網(wǎng)在建設(shè)智慧城市過程中需要考慮的安全性主要包括設(shè)備與數(shù)據(jù)安全、人身與環(huán)境安全兩個部分。物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備應(yīng)完善軟硬件安全機制，防止人為攻擊帶來的設(shè)備損壞與數(shù)據(jù)泄漏，同時在物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的部署與運行過程中也需要考慮周圍的人身與環(huán)境安全，避免在運行過程中對周圍環(huán)境造成損害或因設(shè)備故障引發(fā)人身安全風(fēng)險。

另一方面，物聯(lián)網(wǎng)在穩(wěn)定性方面同樣面臨挑戰(zhàn)。在突發(fā)事件特別是災(zāi)害情況下如何保證智慧城市的穩(wěn)定運行和對突發(fā)情況的有效處理是切實關(guān)乎人身財產(chǎn)安全的重要問題。目前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電池技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境適應(yīng)性、溫度耐受力等諸多方面仍然有許多工作值得繼續(xù)努力。

（3）封閉與開放

毫無疑問，在智慧城市的建設(shè)中出于安全考慮，應(yīng)對一些關(guān)鍵的領(lǐng)域建設(shè)實行封閉式建設(shè)，但本著對下一代智慧城市建設(shè)思想與模式的理解貫徹，在細(xì)分領(lǐng)域進(jìn)行定制同樣需要實現(xiàn)一定的開放性。具體而言，將智慧城市建設(shè)中的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的一部分開發(fā)權(quán)限開放，交由更為靈活的第三方企業(yè)進(jìn)行開發(fā)與維護，可以轉(zhuǎn)移開發(fā)成本、增加建設(shè)活力。而如何確定封閉與開放的度，哪些領(lǐng)域封閉、哪些領(lǐng)域開放則不僅僅是政策上的考慮，也是在物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備設(shè)計過程中值得思考的問題。

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