智慧城市及其物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔小洛，姜曉潔

（威海海洋職業(yè)學(xué)院 信息工程系，山東 榮成 264300）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是現(xiàn)代無(wú)線通信場(chǎng)景中迅速興起的一種新概念[1]。這一概念最早于1999年由麻省理工提出，其基本思想為利用無(wú)處不在的事物或物體，如射頻識(shí)別（RFID）標(biāo)簽、傳感器、執(zhí)行器、移動(dòng)電話等為人們實(shí)時(shí)提供各式各樣的有用信息。毫無(wú)疑問(wèn)，物聯(lián)網(wǎng)概念的最大魅力在于它對(duì)人們?nèi)粘Ｉ詈退枷胄袨榈亩喾矫嬗绊?。從私人用戶的角度?lái)看，物聯(lián)網(wǎng)最大的吸引力在于對(duì)家庭生活領(lǐng)域的影響。智能家居將協(xié)助人們的生活起居，電子技術(shù)有利于延長(zhǎng)平均壽命，信息獲取的便利將為居民提供更高的學(xué)習(xí)能力。而這些應(yīng)用場(chǎng)景的例子只是基于現(xiàn)有技術(shù)，在不久的將來(lái)，新的范式將發(fā)揮主導(dǎo)作用，人們的生活將會(huì)在物聯(lián)網(wǎng)的作用下呈現(xiàn)出全新的樣貌。同樣，從商業(yè)用戶的角度來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的高度自動(dòng)化、機(jī)械化將大大降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量；人機(jī)一體化物流和商務(wù)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控等概念也將成為現(xiàn)實(shí)。隨著信息技術(shù)的革新、電力電子技術(shù)的發(fā)展、模式識(shí)別技術(shù)的興起，物聯(lián)網(wǎng)的概念與內(nèi)涵得到了充實(shí)與發(fā)展：智能手機(jī)的更新?lián)Q代和普及為物聯(lián)網(wǎng)提供了更好的終端載體；新的傳感器技術(shù)的提出為物聯(lián)網(wǎng)提供了更好的感知手段；圖像識(shí)別技術(shù)的發(fā)展使得物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以處理圖像、視頻信息，變得更加智能等。于是，物聯(lián)網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)也更加多元，可以總結(jié)為實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的實(shí)時(shí)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

物聯(lián)網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)設(shè)備互操作性的自動(dòng)化、智能化仍需要相關(guān)知識(shí)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步開發(fā)[2]。從物聯(lián)網(wǎng)所需的信息流角度來(lái)看：物和物之間建立起連接，伴隨著聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍的增大，整個(gè)信息網(wǎng)絡(luò)中的信源和信宿也越來(lái)越多，這就對(duì)服務(wù)器與相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)提出了較高的要求，需要較多的資金與人才資源。而信息來(lái)源的可信程度、安全性、是否侵犯用戶隱私等問(wèn)題依然存在，且隨著數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)問(wèn)題的模式也會(huì)發(fā)生變化，如何合理地處理社會(huì)與技術(shù)之間的矛盾將會(huì)是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的難題[3]。綜上，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展需要大量人力、物力資源和社會(huì)認(rèn)可，發(fā)展仍面臨諸多困難。產(chǎn)業(yè)、信息技術(shù)革命簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 產(chǎn)業(yè)、信息技術(shù)革命簡(jiǎn)圖

近年來(lái)，在國(guó)際金融危機(jī)背景下，各國(guó)的發(fā)展方向都逐漸轉(zhuǎn)向高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0的提出為新一輪信息技術(shù)革命提供了方向。各國(guó)都在把握機(jī)遇，紛紛轉(zhuǎn)戰(zhàn)融合了各種高新技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)市場(chǎng)，鼓勵(lì)一些工廠、研究機(jī)構(gòu)或經(jīng)濟(jì)實(shí)體參與相關(guān)項(xiàng)目的開發(fā)活動(dòng)，以滿足與時(shí)俱進(jìn)的技術(shù)要求。我國(guó)也將物聯(lián)網(wǎng)納入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，采取了一系列政策措施促進(jìn)其發(fā)展，并掀起了物聯(lián)網(wǎng)研究和建設(shè)高潮。從而在時(shí)代潮流中尋找新一輪的生產(chǎn)力增長(zhǎng)點(diǎn)，搶占未來(lái)國(guó)際經(jīng)濟(jì)發(fā)展的鰲頭。

2017年，紐約市發(fā)布了《物聯(lián)網(wǎng)指南》（IoT Guidelines）。最近，美國(guó)一些大城市也發(fā)布了類似指導(dǎo)方針[4]，以根據(jù)各地實(shí)際情況制定有特色的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所（National Institute of Standards and Technology）計(jì)劃在明年夏天發(fā)布一個(gè)關(guān)于政府部署物聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)手冊(cè)，力求尋找到一種在嚴(yán)格評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)的前提下，抵消成本或?qū)崿F(xiàn)公共利益最大化的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展模式。而相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和城市公共利益的最大化仍是一個(gè)寬泛的概念，缺少可行的實(shí)施方案。

1 智慧城市

智慧城市作為物聯(lián)網(wǎng)的子概念，目前仍處于概念炒作階段[5]。城市信息具有復(fù)雜多變的特點(diǎn)，而傳統(tǒng)算法技術(shù)無(wú)法根據(jù)海量的城市信息數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的自適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。近年來(lái)興起的人工智能技術(shù)為這類網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持。

1.1 人工智能

人工智能作為一門新興學(xué)科，發(fā)展迅速。其根本原因在于人工智能算法解決了大部分傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)無(wú)法解決的運(yùn)算問(wèn)題。且通過(guò)各類黑箱算法大大降低了學(xué)科門檻和操作難度，以下算法可用于簡(jiǎn)化城市模型，優(yōu)化城市物聯(lián)網(wǎng)操作，實(shí)現(xiàn)智慧城市：

（1）深度學(xué)習(xí)即多層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，主要包括輸入層、隱含層、輸出層三部分，可用于分類或回歸，其隱含層部分則可用于特征提取與特征分析。深度學(xué)習(xí)通過(guò)梯度下降逐漸趨進(jìn)于理想映射，具備極高的泛用性。

（2）強(qiáng)化學(xué)習(xí)主要用于優(yōu)化機(jī)器在環(huán)境中進(jìn)行任務(wù)的策略。通過(guò)智能體與環(huán)境的交互，不斷優(yōu)化自身的動(dòng)作，以取得更高的回報(bào)。通過(guò)對(duì)環(huán)境和任務(wù)的定義，強(qiáng)化學(xué)習(xí)可以被用于各領(lǐng)域處理實(shí)際問(wèn)題。

（3）數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)分析一直是人工智能的一項(xiàng)必備工作，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，有監(jiān)督、無(wú)監(jiān)督訓(xùn)練，或是使用前文提到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和attention機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，以達(dá)到簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)變動(dòng)的效果。

1.2 城市計(jì)算

城市化的快速發(fā)展使許多人的生活更加現(xiàn)代化，但也產(chǎn)生了交通堵塞、能源消耗和污染等問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在城市中的應(yīng)用理應(yīng)考慮這些因素，并設(shè)計(jì)符合相應(yīng)城市模型的決策方案。在決策過(guò)程中人為調(diào)度調(diào)控難免受人的觀測(cè)和決策能力的影響，無(wú)法將整個(gè)城市各方面的信息考慮進(jìn)來(lái)。于是設(shè)計(jì)了一個(gè)基于城市模型的人工智能系統(tǒng)來(lái)指導(dǎo)城市物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的方案——城市計(jì)算。城市計(jì)算指獲取、整合和分析由城市空間產(chǎn)生的大量、異構(gòu)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，例如傳感器、設(shè)備、車輛、建筑物和人類等，應(yīng)對(duì)城市所面臨的如空氣污染、能源消耗增加、交通堵塞等主要問(wèn)題。通過(guò)無(wú)處不在的傳感技術(shù)、先進(jìn)的數(shù)據(jù)管理和分析模型，以及新的數(shù)據(jù)可視化方法，將城市感知、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析和服務(wù)提供連接到一個(gè)不斷重復(fù)的過(guò)程中，協(xié)調(diào)居民生活需求、城市運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)和環(huán)境衛(wèi)生情況，并將其最終穩(wěn)定在一個(gè)各項(xiàng)共贏的框架內(nèi)。共贏框架如圖2所示。

主要過(guò)程：通過(guò)傳感器、視頻監(jiān)控、空氣污染檢測(cè)等獲取的信息，經(jīng)過(guò)分類和標(biāo)準(zhǔn)化后上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)。存儲(chǔ)成時(shí)空相關(guān)的以人流、車流為主的各交通路口的數(shù)據(jù)信息，及與時(shí)間相關(guān)的能耗信息和空氣質(zhì)量信息。通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘手段提取信息中的深層特征，設(shè)計(jì)相應(yīng)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理圖像信息，深度網(wǎng)絡(luò)處理特征。特征間通過(guò)聚類算法可視化數(shù)據(jù)信息，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控特征的變化。最后根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)信息設(shè)計(jì)相應(yīng)的城市模型，該模型將盡可能的趨近數(shù)據(jù)層面上的城市本身。城市計(jì)算過(guò)程如圖3所示。

圖2 共贏框架

圖3 城市計(jì)算過(guò)程

利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練智能體來(lái)平衡城市各項(xiàng)功能間的關(guān)系，再指導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)反作用到城市本身，形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。并依據(jù)城市實(shí)時(shí)返回的各項(xiàng)指標(biāo)設(shè)計(jì)回報(bào)值，使得物聯(lián)網(wǎng)各指令都為當(dāng)前的共贏策略，從而提高物聯(lián)網(wǎng)的工作效率和其與相應(yīng)城市的協(xié)調(diào)程度。

數(shù)據(jù)分析和特征提取技術(shù)簡(jiǎn)化了城市數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，深度網(wǎng)絡(luò)的泛用性為標(biāo)準(zhǔn)化后的城市信息數(shù)據(jù)處理提供了良好的模型，強(qiáng)化學(xué)習(xí)則可以訓(xùn)練得到遠(yuǎn)高于人類智慧的最優(yōu)管理策略。從而使得整個(gè)城市的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)更加智能。

2 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)，在國(guó)家政策的大力扶持和業(yè)內(nèi)企業(yè)的不斷努力下，中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)持續(xù)良好發(fā)展勢(shì)頭。技術(shù)研發(fā)取得重大進(jìn)展，標(biāo)準(zhǔn)體系不斷完善，市場(chǎng)化應(yīng)用穩(wěn)步推進(jìn)。然而，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)與城市各項(xiàng)利益之間存在的固有矛盾，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，城市信息化應(yīng)用水平不斷提升，智慧城市建設(shè)應(yīng)運(yùn)而生。建設(shè)智慧城市在實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展、引領(lǐng)信息技術(shù)應(yīng)用、提升城市綜合競(jìng)爭(zhēng)力等方面意義重大。本文主要介紹了智慧城市的概念，并通過(guò)新興人工智能技術(shù)設(shè)計(jì)了城市物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和其優(yōu)化框架。借助人工智能技術(shù)完善城市與物聯(lián)網(wǎng)之間的關(guān)系，有助于促進(jìn)二者更好的有機(jī)融合，構(gòu)建一種和諧的智能化城市環(huán)境。