5G+大數(shù)據(jù)賦能智慧城市

朱常波，程新洲，葉海納（.中國聯(lián)通智能城市研究院，北京00048；.中國聯(lián)通網(wǎng)絡技術研究院，北京00048）

1 智慧城市發(fā)展情況

隨著信息社會的發(fā)展，建設智慧城市成為提升國家政府服務水平和管理效率的重要手段。IBM在2008年提出了“智慧地球”的設想，并希望通過“智慧城市”的建設引領世界城市通向繁榮和可持續(xù)發(fā)展。智慧城市先后升級成為多國的國家戰(zhàn)略，包括新加坡、歐盟、美國等。我國于2012年在《國務院關于印發(fā)工業(yè)轉型升級規(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用領域。隨后我國共發(fā)布了3批智慧城市試點名單，截至2016年底，全國智慧城市相關試點城市近600個，提出智慧城市規(guī)劃的城市超過300個，所有副省級以上城市、89%的地級及以上城市、47%的縣級及以上城市均提出建設智慧城市。

圖1給出了2017—2021年中國智慧城市市場規(guī)模預測。

在政府逐步出臺有利政策鼓勵智慧城市建設的同時，技術的不斷成熟也是推動智慧城市建設的重要因素。智慧城市是運用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、空間地理信息集成等新一代信息技術，促進城市規(guī)劃、建設、管理和服務智能化的新理念和新模式，使城市具有智慧感知、反應、調控能力，實現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展。智慧城市是信息技術驅動下的城市創(chuàng)新發(fā)展的新模式，是信息技術綜合運用和集成創(chuàng)新的大平臺。

圖1 2017—2021年中國智慧城市市場規(guī)模預測（萬億元）

2 智慧城市的基礎技術能力

智慧城市的目標是讓城市成為一個連續(xù)、高效、整合、開放的生態(tài)系統(tǒng)，站在基礎能力提供者的角度來看，城市智能體系的建立需要2個重要的技術基礎，一個是連接能力，在城市運轉的時空軌跡上實現(xiàn)人、物的全方位連接；一個是數(shù)據(jù)處理和分析能力，在海量結構和非結構化數(shù)據(jù)采集的基礎上，實現(xiàn)實時運算并提供智能化決策結論。萬物互聯(lián)與數(shù)據(jù)智能的集聚效應將為智能城市各類應用賦能，釋放集成創(chuàng)新的乘數(shù)效應。

2.1 5G的泛在連接能力

“5G”代表著移動技術演進和革命，將是一個真正意義上的融合網(wǎng)絡，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。國際標準化組織3GPP定義了5G的三大場景。

a）熱點大容量（eMBB）。eMBB即增強移動寬帶，指在現(xiàn)有移動寬帶業(yè)務場景的基礎上，對用戶體驗等性能進一步提升。5G網(wǎng)絡將達到1 Gbit/s用戶體驗速率、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，滿足用戶實時傳輸超高清視頻和高速下載的需求。

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

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

2.2 海量數(shù)據(jù)的處理能力

在全球經(jīng)濟數(shù)字化浪潮的帶動下，數(shù)據(jù)的益處和價值日益凸顯，大數(shù)據(jù)的關鍵技術，從數(shù)據(jù)的可采集度、海量數(shù)據(jù)的并行計算能力到數(shù)據(jù)算法的預測能力，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)變革驅動下，全社會的信息化水平穩(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)國際數(shù)據(jù)公司（IDC）預測，2018—2025年，我國數(shù)據(jù)圈（即一個地區(qū)每年被創(chuàng)建、采集或是復制的數(shù)據(jù)集合）將以30%的年平均增長速度領先全球。

b）海量數(shù)據(jù)并行計算能力大幅增強。數(shù)據(jù)分析技術體系自Hadoop誕生起，逐漸豐富和成熟，在采集傳輸、計算處理、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，為處理紛繁復雜的海量非結構化數(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，借助GPU、NPU、FPGA等人工智能專用芯片，滿足高強度、高頻次數(shù)據(jù)處理請求，大幅提升大規(guī)模處理數(shù)據(jù)的效率。

c）數(shù)據(jù)模型及預測能力不斷提高。隨著以深度學習、強化學習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用的準確性，如語音識別、自然語言處理和計算機視覺等。借助神經(jīng)網(wǎng)絡這種具備自身自行處理、分布存儲和高度容錯等特性的先進人工智能技術，各種非線性及模糊、不完整、不嚴密的數(shù)據(jù)處理能力大幅增強。

3 智慧城市的技術體系架構

5G連接和大數(shù)據(jù)的商用進程與規(guī)?；瘧脤橹腔鄢鞘械陌l(fā)展提供重要技術基礎，創(chuàng)造更多可能。本節(jié)將詳細闡述智慧城市的體系架構，描述如何運用5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、空間地理信息集成等新一代信息技術，使城市具有智慧感知、反應、調控能力，實現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展。

智慧城市技術體系架構由3層組成，分別是感知與網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)與平臺層、服務與應用層（見圖2）。

3.1 感知與網(wǎng)絡層

感知與網(wǎng)絡層主要實現(xiàn)2個方面主要功能，作為“智能感官”的信息感知與“神經(jīng)系統(tǒng)”的網(wǎng)絡傳輸。通過部署在區(qū)域的傳感器、裝備芯片、RFID設備等實現(xiàn)信息感知和采集，完成智慧城市中數(shù)據(jù)的感知、檢測、識別、控制等功能。通過互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等傳輸方式實現(xiàn)信息交互和傳遞，每個傳感器網(wǎng)絡節(jié)點可根據(jù)程序算法進行獨立響應流程或將數(shù)據(jù)傳輸至綜合數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)實現(xiàn)智能決策和控制，實現(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)與平臺層

數(shù)據(jù)與平臺層一方面實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的匯聚、關聯(lián)、存儲和處理功能，相當于城市的“中樞神經(jīng)”。通過構建各類基礎數(shù)據(jù)庫，整合、存儲、加工大量數(shù)據(jù)信息，為統(tǒng)一存儲、管理感知前端采集的數(shù)據(jù)信息，為智慧城市各類應用服務系統(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，從中發(fā)現(xiàn)帶有趨勢性、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值。

3.3 服務與應用層

在感知與網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)與平臺層的技術上建立服務與應用層，面向各種行業(yè)或領域，提供一系列智慧應用及應用整合，如智慧政務、智慧安防、智慧交通、智慧能源、智慧生態(tài)、智慧醫(yī)療等。實時全面地展示城市真實的運行狀態(tài)，以支撐監(jiān)測、預測和假設分析等各類應用，實現(xiàn)城市的智能管理和調控。同時，通過移動終端設備、互聯(lián)網(wǎng)、電視媒體等各類渠道提供各類智慧服務，普惠城市居民。

圖2 智慧城市的技術體系架構

基于感知與網(wǎng)絡層提供安全穩(wěn)定的連接，構建真實城市的孿生鏡像；基于數(shù)據(jù)與平臺層實現(xiàn)數(shù)據(jù)貫穿與深層挖掘，推進精確管理和科學決策；基于服務與應用層提供覆蓋公共和商業(yè)領域的應用，提升并創(chuàng)造價值。3個技術層以松耦合的方式協(xié)同發(fā)展，從而對上層智能城市應用進行靈活支撐和快速適應；技術層內的技術實現(xiàn)或組成結構發(fā)生變化時，不影響其他層的業(yè)務，提升系統(tǒng)架構的韌性和魯棒性。

4 智慧城市建設方面的研究建議

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，通過信息化技術將物理城市真實、全面、精準地進行映射，從而構建城市的數(shù)字底座。目前，已經(jīng)有一些物聯(lián)設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。但無論從應用場景和物聯(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)場景中，利用邊緣計算提供海量物聯(lián)數(shù)據(jù)和時延敏感業(yè)務的本地化計算能力。

積極推動數(shù)據(jù)的共享融合。如果將物聯(lián)感知設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。在智慧城市的建設中，需要對數(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，構建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務，打破信息孤島，推動開放數(shù)據(jù)共享機制和數(shù)據(jù)融合能力。

提升AI貫穿業(yè)務鏈條價值。隨著技術與應用的發(fā)展，基于計算能力、數(shù)據(jù)基礎和算法引擎的AI逐漸從專用技術成為通用技術，從宏觀上融入到各行各業(yè)，從縱向上驅動了智慧城市體系架構的各個層級。AI已經(jīng)在物聯(lián)感知層、數(shù)據(jù)平臺層、服務層、可視化層的多個模塊中得到應用，在提高運營效率、提升開發(fā)效率、提升行業(yè)應用能力等方面發(fā)揮了重要作用。

重視安全風險的預防及控制。智慧城市的支撐和運營將以城市為對象，安全風險的防范與控制尤為重要。一方面，城市級的數(shù)據(jù)安全向上涉及國家安全，向下涉及個人隱私，數(shù)據(jù)的傳輸、存儲、處理和公開等全部流程都需要安全保障，需要從法律、制度、技術等多方面展開研究。另一方面，智慧城市所依賴的信息技術涉及的設備、網(wǎng)絡、終端、芯片、操作系統(tǒng)等設備或服務提供商，為了安全可控、不受制于人，需要鼓勵自主研發(fā)。

秉承“以人為本”的智慧城市建設理念。當前，很多智慧城市的建設將硬件能力放在首位，盲目追求新技術、新概念而迷失了方向。然而，城市的建設和發(fā)展的根本目標是服務人民，讓居民有更多獲得感、幸福感。因此，智慧城市的建設應當從人民的需求出發(fā)，切實將技術的進步轉化為人民更美好的城市感知和體驗。

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