創(chuàng)新研究推動智慧北京關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展

李學(xué)偉 張若冰

[摘要]以大數(shù)據(jù)技術(shù)為視角，針對目前“智慧北京”建設(shè)實踐中存在的理論方法研究滯后于實踐、大數(shù)據(jù)應(yīng)用相關(guān)理論與技術(shù)尚待突破、數(shù)據(jù)壁壘等問題，從智慧北京應(yīng)用目標(biāo)譜系出發(fā)，提出了數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)解決方案以及基于目標(biāo)譜系的AI算法體系方法論，通過創(chuàng)新數(shù)據(jù)模型，解決全域大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用問題，將在一定程度上促進智慧北京建設(shè)及相關(guān)高精尖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]智慧北京;大數(shù)據(jù);AI譜系

[中圖分類號]F492[文獻標(biāo)志碼]A[文章編號]1672-4917（2020）03-0001-10

全球城市人口正以每年約6000萬人的速度增長[1]，到2050年城市居民數(shù)量將占世界總?cè)丝诘?6%[2]。城市化的迅猛發(fā)展和能源消耗的持續(xù)增加，對城市環(huán)境、綜合治理和居民生活影響巨大?？焖俪鞘谢谷虻某鞘泄芾聿块T都不得不面臨著向越來越多的居民提供更多的公共交通、綠色建筑、清潔能源和教育醫(yī)療等服務(wù)。為有效解決這些問題，基于大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等科學(xué)技術(shù)的智慧城市建設(shè)，正在成為全球應(yīng)對快速城市化和社會經(jīng)濟挑戰(zhàn)的重要途徑。[3-4]到目前為止，全球已有1000多個城市啟動了智慧城市建設(shè)項目。[5]由于智慧城市是一項基于海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)共享與交互的城市變革工程，涉及多學(xué)科領(lǐng)域，各國尚未就智慧城市的概念形成共識，缺乏一個目標(biāo)明確、層次清晰、系統(tǒng)連貫的綜合建設(shè)綱領(lǐng)與理論體系。

智慧城市是綜合城市運行管理、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、公共服務(wù)及行政效能為一體的城市全面發(fā)展戰(zhàn)略，是現(xiàn)代城市發(fā)展的高端形態(tài)。北京作為首都，其智慧城市建設(shè)尤為重要。2014年2月和2017年2月，習(xí)近平總書記兩次視察北京并發(fā)表重要講話，強調(diào)建設(shè)和管理好首都，是國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，應(yīng)不斷朝著將北京建成國際一流和諧宜居之都的目標(biāo)前進。建設(shè)智慧城市是提高北京精細化城市管理水平的重要載體，更是北京全面建設(shè)超大城市治理體系，實現(xiàn)城市治理能力現(xiàn)代化的重要路徑。2020年，新型冠狀病毒肺炎疫情的爆發(fā)，對社會公共衛(wèi)生體系的建設(shè)與優(yōu)化、城市治理水平與治理能力的提升提出了更高的要求，也在倒逼智慧城市的建設(shè)加快發(fā)展步伐。目前，智慧北京的建設(shè)進入加速期，已在信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、智慧公共服務(wù)提供等方面有了突破式進展。但隨著發(fā)展的深入，仍有一些難題嚴(yán)重制約著智慧北京的建設(shè)與發(fā)展。本文從智慧北京應(yīng)用目標(biāo)譜系出發(fā)，力圖解決數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)理論、提出基于目標(biāo)譜系的AI算法體系方法論、創(chuàng)新數(shù)據(jù)模型，通過解決全域大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用問題，提高智慧城市管理能力，以帶動智慧北京的機制體制創(chuàng)新。

一、大數(shù)據(jù)與智慧城市

（一）智慧城市概念與體系框架

智慧城市一詞發(fā)端于20世紀(jì)80年代的信息城市（information?City），經(jīng)歷了90年代的智能城市（intelligent?City）與數(shù)字城市（digital?City），在2000年后逐步演化為智慧城市（smart?City）。在城市從智能到智慧的發(fā)展中，出現(xiàn)了兩股重要驅(qū)動力：一是信息和通信技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，增強了人們借助智慧解決方案以應(yīng)對城市發(fā)展問題的能力[6];二是以信息和通信技術(shù)為驅(qū)動的城市可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，從一個全新的視角對城市未來進行規(guī)劃。CISSCO白皮書（2011年）中提到，智慧城市應(yīng)包括一個綜合的城市信息和通信技術(shù)建設(shè)計劃，不僅包括交通網(wǎng)絡(luò)、供水和廢物管理等城市基本功能，還包括各類技術(shù)驅(qū)動的智慧服務(wù)。[7]也就是說，智慧城市的主要目標(biāo)是通過部署和使用智慧城市技術(shù)，提供一種提高居民生活質(zhì)量的方法。[5]然而，有效的智慧城市發(fā)展需要在多方面進行規(guī)劃，涉及功能性、有效性和智慧性。[8]盡管國內(nèi)外學(xué)者都對智慧城市進行了定義，但其仍是一個模糊的概念，尚缺乏一個被普遍認可的定義來概括這項涵蓋多種新興技術(shù)的復(fù)雜的互聯(lián)系統(tǒng)（表1）。智慧城市相較于智能城市更強調(diào)對城市治理政策和管理體制機制的支持作用，重視提升城市有機系統(tǒng)中的綜合服務(wù)水平[9]。

智慧城市建設(shè)因應(yīng)城市發(fā)展中的現(xiàn)實挑戰(zhàn)和機遇而提出，因此不同城市的智慧城市建設(shè)框架各不相同。地理環(huán)境、國家和地區(qū)法律、文化特征和生活質(zhì)量預(yù)期等，這些與當(dāng)?shù)貤l件密切相關(guān)的因素是智慧城市建設(shè)的主要驅(qū)動力。[10]城市管理部門的主要任務(wù)是在地方預(yù)算的限制下，有效解決城市治理問題，提升居民生活質(zhì)量。因此，智慧城市的體系框架須充分協(xié)調(diào)城市發(fā)展的現(xiàn)實挑戰(zhàn)與機遇?；谏鲜隹紤]，一系列智慧城市的框架被提出。[10-11]弗若斯特沙利文公司（Frost?&?Sullivan）對全球智慧城市進行了調(diào)查，并確定了它們的共同特征，提出了智慧鉆石（smart?diamond）框架，以預(yù)測未來趨勢。[12]智慧鉆石框架包含八個基本方面，即智能治理、智能能源、智能建筑、智能移動、智能基礎(chǔ)設(shè)施、智能技術(shù)、智能醫(yī)療保健和智能居民。[8]IBM提出了一個生態(tài)圈計劃，其中包括執(zhí)法和公共安全的規(guī)劃、政府和行政機構(gòu)管理以及智能建筑和城市規(guī)劃，以打造一個更智慧的城市。[13]2013年，國際知名智慧城市戰(zhàn)略家博伊德·科恩（Boyd?Cohen）提出了“智慧城市輪”框架，用于對智慧城市屬性進行廣泛而深入的評估。該框架涵蓋智慧城市發(fā)展的六大重點領(lǐng)域，即智慧政府、智慧經(jīng)濟、智慧環(huán)境、智慧出行、智慧居民和智慧生活。[14]盡管國內(nèi)外學(xué)者針對智慧城市的不同方面提出了多種建設(shè)思路，但仍缺乏一個被學(xué)者廣泛認可的宏觀系統(tǒng)架構(gòu)。

（二）大數(shù)據(jù)時代的智慧城市建設(shè)

隨著互聯(lián)網(wǎng)、傳感器以及各種數(shù)字化終端設(shè)備的普及，一個萬物互聯(lián)的世界正在成型。據(jù)IDC發(fā)布的《數(shù)據(jù)時代2025》報告顯示，全球每年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將從2018年的33ZB增長到175ZB，相當(dāng)于每天產(chǎn)生491EB數(shù)據(jù)ZB：澤字節(jié)，相當(dāng)于2的70次方Byte，1ZB=1024EB。。人們?nèi)裟苋嫔钊敕治鲞@些多元異構(gòu)、數(shù)量龐大的數(shù)據(jù)，使之轉(zhuǎn)化成為有價值的信息，并從中挖掘城市運行、社會變化以及人的行為規(guī)律，將能夠?qū)Τ鞘兄卫碇腔刍鸬讲豢晒懒康淖饔?。智慧城市中由海量傳感器組成的物聯(lián)網(wǎng)將不斷地采集海量的數(shù)據(jù)，而這些大數(shù)據(jù)需要經(jīng)過存儲、處理、查詢和分析后才能充分用于各類應(yīng)用，從而提供智慧服務(wù)。并且對大數(shù)據(jù)存儲、處理、查詢和分析的實時性要求越來越高，隨之將帶來存儲成本過高、信息提取自動化程度過低以及知識挖掘困難等一系列的問題和挑戰(zhàn)。[15]鄔賀銓院士在2018年智慧城市院士論壇上提出，城市大數(shù)據(jù)是智慧城市的寶貴資產(chǎn)。對于城市治理者來說，長期以來已經(jīng)形成了各類城市大數(shù)據(jù)，包括人口、地理信息、經(jīng)濟、交通、環(huán)境等大數(shù)據(jù)庫等。對這些數(shù)據(jù)庫的共享、融合和充分挖掘，不僅可以大幅提高政府電子政務(wù)水平、促進政務(wù)公開透明，而且可以借助大數(shù)據(jù)提高交通通行效率、環(huán)保檢測監(jiān)督水平、社會治安保障能力等。在大數(shù)據(jù)背景下，智慧城市規(guī)劃建設(shè)在理論與實踐層面都面臨著一系列挑戰(zhàn)。在規(guī)劃理論層面，智慧城市的系統(tǒng)性規(guī)劃理論尚處孕育之中，但智慧城市子系統(tǒng)（智慧政務(wù)、智慧交通、智慧醫(yī)療、智慧安防等）的理論研究及實踐應(yīng)用早已全面展開。[16]李德仁院士提出在云計算與數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)的支撐下，智慧城市的智能服務(wù)正在從任何人可以在任何時間、任何地點獲取任何信息的服務(wù)（anyone，anytime，anywhere，anyinformation，4A）轉(zhuǎn)變?yōu)樵谝?guī)定的時間、關(guān)注的地點將正確的信息傳遞給需要的人的靈性服務(wù)（righttime，rightplace，rightinformation，rightperson，4R），這一轉(zhuǎn)變的過程需要時空位置大數(shù)據(jù)參與其中各個領(lǐng)域和環(huán)節(jié)，讓智慧城市真正“智慧”起來。[17]在2020年的抗擊新型冠狀病毒肺炎疫情中，時空位置大數(shù)據(jù)為公共疫情防控提供了疫情統(tǒng)計、病例分布情況及病例活動軌跡測算等方面的服務(wù)，協(xié)助了疫情精準(zhǔn)防控和社會復(fù)工復(fù)產(chǎn)?；跁r空位置大數(shù)據(jù)提供的公共疫情防控服務(wù)成為現(xiàn)代疫情防控體系建設(shè)的必然趨勢，也是世界各國正在深入研究的課題之一。[18]

（三）國內(nèi)外智慧城市建設(shè)實踐

智慧城市自2008年被IBM公司提出后，受到了世界各國的廣泛關(guān)注。IDC最新發(fā)布的《全球智慧城市支出指南》（IDC?Worldwide?Smart?Cities?Spending?Guide，2019H1）指出，截至2020年，全球智慧城市市場相關(guān)支出規(guī)模達1240億美元，中國市場支出規(guī)模達266億美元，是支出第二大的國家，僅次于美國。[19]

國外對于智慧城市的建設(shè)起步較早。美國早在2009年就將智慧城市建設(shè)寫入美國復(fù)興與再投資計劃中，其中迪比克市作為美國第一個智慧城市，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將城市水、電、油、氣、交通、公共服務(wù)數(shù)字化并連接起來，通過監(jiān)測、分析各種數(shù)據(jù)，智能化響應(yīng)市民需求，降低城市能耗;芝加哥則通過在路燈上安裝各類傳感器，進而完成城市路面信息、環(huán)境信息等一系列城市數(shù)據(jù)的采集。歐盟在“歐盟2020戰(zhàn)略”中提出要發(fā)展智慧、可持續(xù)的城市。阿姆斯特丹于2008年啟動了ASC（Amsterdam?Smart?City）計劃，囊括了可持續(xù)的工作、生活、交通和公共空間4個專題;斯德哥爾摩在通往市中心的道路上設(shè)置了18個路邊監(jiān)測器，利用RFID、激光掃描、自動拍照等技術(shù)，自動識別進入市中心的車輛，對于高峰期進入市中心的車輛收取擁堵費，有效降低了交通擁堵水平，減少了溫室氣體排放。澳大利亞在2009年著手投入了近1億澳元啟動智慧電網(wǎng)和智慧城市項目的實施，重點強調(diào)了智慧電網(wǎng)、智慧城市等方面的內(nèi)容。亞太地區(qū)智慧城市發(fā)展較為突出的國家主要包括韓國及新加坡。韓國政府早在2004年便推出了u-Korea發(fā)展戰(zhàn)略，希望以此推動韓國提前進入智能社會。在城市設(shè)施管理方面，管理者可以通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)隨時掌握道路、停車場、地下管網(wǎng)的運行狀態(tài);在城市安全方面，利用紅外攝像頭以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提升火災(zāi)等事故的自動化檢測水平;在交通方面，融合了公交信息系統(tǒng)、殘疾人支持系統(tǒng)、公共停車系統(tǒng)、智能交通信號控制系統(tǒng)，對城市中各交通參與主體進行合理有效引導(dǎo)。新加坡政府在2014年公布了“iN2025”戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略在“iN2015”戰(zhàn)略的基礎(chǔ)上進行了升級，除重視數(shù)據(jù)采集外，更多地尋求利用采集數(shù)據(jù)更好地服務(wù)人民。[20-22]

我國智慧城市建設(shè)雖起步較晚，但成效顯著。從我國智慧城市發(fā)展歷程來看，大致經(jīng)歷了四個階段。第一個階段可以看作是探索期，其特征表現(xiàn)為各地各部門按照各自理解推動智慧城市發(fā)展，相對分散且無序，不利于形成產(chǎn)業(yè)集群發(fā)揮集群效應(yīng);第二階段可視為規(guī)范期，其主要特征在于國家成立了“促進智慧城市健康發(fā)展部際協(xié)調(diào)工作組”，各部門互通有無，協(xié)同指導(dǎo)智慧城市建設(shè)工作;第三階段可視為攻堅期，其主要特征在于提出了新型智慧城市理念并上升為國家戰(zhàn)略，智慧城市成為國家新型城鎮(zhèn)化的重要抓手;第四階段可視為發(fā)展期，其主要特征在于提出新型智慧城市的說法，各地新型智慧城市加速落地，建設(shè)成果逐步向區(qū)縣和農(nóng)村延伸。

2012年到2017年間，國家各部委陸續(xù)發(fā)布了一系列政策文件以引導(dǎo)和扶持智慧城市發(fā)展，見表2。

據(jù)《超級智慧城市報告》顯示，目前全球在建智慧城市共1000個，中國在建500個，遠超排名第二的歐洲（90個）。從我國在建智慧城市的分布來看，我國已初步形成環(huán)渤海、長三角、珠三角、中西部四大智慧城市群。

二、智慧北京的現(xiàn)狀及其問題

《北京市“十三五”時期信息化發(fā)展規(guī)劃》指出，北京市將以建設(shè)新型“智慧北京”為主線，以完善信息基礎(chǔ)設(shè)施、構(gòu)建信息惠民體系、推進城市智慧管理、培育融合創(chuàng)新生態(tài)為重點，全面推進大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息技術(shù)在民生服務(wù)、城市治理、產(chǎn)業(yè)升級等重點領(lǐng)域的深度融合和創(chuàng)新應(yīng)用，為建設(shè)國際一流的和諧宜居之都提供有力支撐?！侗本┏鞘锌傮w規(guī)劃（2016—2035年）》也指出，要建立以城市人口精準(zhǔn)管理、交通智能管理服務(wù)、資源和生態(tài)環(huán)境智能監(jiān)控、城市安全智能保障為重點的城市智能管理運行體系;推進“互聯(lián)網(wǎng)+政務(wù)服務(wù)”、智慧社區(qū)和智慧鄉(xiāng)村服務(wù)，深化醫(yī)療健康、教育等智慧應(yīng)用，建立社會保障大數(shù)據(jù)和云計算服務(wù)體系。在以上思路及政策的指導(dǎo)和推動下，智慧北京的建設(shè)取得了顯著的成績。

在智慧交通方面，交管部門全面引入大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等前沿科技，以“一云、一中心、三張網(wǎng)、五大綜合應(yīng)用”為架構(gòu)構(gòu)建了智慧交通管理體系[23];在智慧社區(qū)方面，各區(qū)政府以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)應(yīng)用為手段，以滿足公眾日益增長的現(xiàn)代化服務(wù)需求為目標(biāo)，著力打造各具特色的智慧社區(qū)，實現(xiàn)政府服務(wù)協(xié)同化、社區(qū)管理智能化、公共服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化、居民生活現(xiàn)代化、社區(qū)服務(wù)集成化，為居民提供更加安全、便利、舒適、愉悅的生活環(huán)境[24];在智慧政務(wù)方面，各區(qū)均已陸續(xù)建成了“一網(wǎng)通辦”平臺，應(yīng)用區(qū)塊鏈、人臉識別、OCR自動識別等技術(shù)實現(xiàn)“智慧審批”的政務(wù)服務(wù)新模式。[25]

不難看出，智慧北京的建設(shè)已在信息基礎(chǔ)設(shè)施、公共服務(wù)提供等方面有了突破式進展，在智慧政務(wù)、智慧交通、智慧經(jīng)濟、智慧環(huán)境等各個領(lǐng)域都取得了顯著的成果。但隨著發(fā)展的深入，大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)的運用與實施仍存在一些根本性的問題，主要體現(xiàn)在：

首先，建設(shè)智慧北京所需的大數(shù)據(jù)應(yīng)用相關(guān)理論尚待突破。智慧城市的建設(shè)與發(fā)展是一個復(fù)雜的巨系統(tǒng)工程，涉及管理科學(xué)、計算機科學(xué)、信息科學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、智能制造等多學(xué)科的交叉融合，需要自頂向下建立引領(lǐng)智慧北京建設(shè)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用理論體系。此外，智慧城市的發(fā)展離不開海量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，即具有全域覆蓋特點的各行各業(yè)數(shù)據(jù)信息，以及行業(yè)、企業(yè)、政府、社會、市民等主體間數(shù)據(jù)。由于這些海量數(shù)據(jù)間存在耦合聯(lián)動，同時在時空屬性上又有著復(fù)雜的相互關(guān)系，但現(xiàn)階段依然缺乏全域大數(shù)據(jù)的描述模型，可能導(dǎo)致行業(yè)間的數(shù)據(jù)使用效率大大降低，因此必須改變目前“重軟件輕數(shù)據(jù)”的現(xiàn)象。通過構(gòu)建全域大數(shù)據(jù)理論體系，有助于真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)治理在現(xiàn)實管理中的綜合應(yīng)用，并助推信息技術(shù)、AI技術(shù)、軟件工程等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)集群的發(fā)展。

其次，智慧北京建設(shè)缺乏目標(biāo)譜系。目前，在智慧北京建設(shè)的過程中，數(shù)據(jù)共享不全面、不充分的現(xiàn)象仍普遍存在，數(shù)據(jù)壁壘現(xiàn)象嚴(yán)重，數(shù)據(jù)聯(lián)動效率尚有較大提升空間[26]，大多行業(yè)在發(fā)展中只強調(diào)數(shù)據(jù)獲取的途徑、性能、量級，沒有考慮到數(shù)據(jù)的具體分析、利用以及相應(yīng)的靶向問題與目標(biāo)[27]，造成許多數(shù)據(jù)采集后缺乏統(tǒng)一描述標(biāo)準(zhǔn)[28]、沒有可用之處或使用不充分，產(chǎn)生大量重復(fù)勞動和資源浪費，進而導(dǎo)致智慧城市管理工作的復(fù)雜程度和溝通協(xié)調(diào)難度大幅增加。因此，應(yīng)基于具體應(yīng)用場景及功能模塊需要，建立規(guī)范化的智慧北京應(yīng)用目標(biāo)譜系，引領(lǐng)智慧北京多功能模塊協(xié)調(diào)發(fā)展。

第三，AI算法體系與綜合數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)缺乏自適應(yīng)性。大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)與智能AI算法的運用密切相關(guān)，在面向各種目標(biāo)譜系、具有全域特征的數(shù)據(jù)集條件下，AI算法體系需要具備相應(yīng)的自適應(yīng)特征，而非功能性的機械調(diào)用。進一步，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)是AI算法體系運行的基礎(chǔ)，因此，也必須對既有數(shù)據(jù)的變量元及其結(jié)構(gòu)進行適應(yīng)性模式設(shè)計，使之與全域大數(shù)據(jù)的邏輯元（即元知識）充分對應(yīng)。這是一個綜合體系設(shè)計工程，隨著全域字段體系的發(fā)展，其必將推動數(shù)據(jù)庫語言、算法與理論技術(shù)、軟件及中間件，以及硬件存儲技術(shù)的發(fā)展。

科技為城市的管理體系和治理能力現(xiàn)代化帶來了巨大提升空間。通過智慧北京關(guān)鍵技術(shù)理論及其應(yīng)用的研究及探索，不但能推進北京城市治理制度創(chuàng)新、模式創(chuàng)新、手段創(chuàng)新，提高城市科學(xué)化、精細化、智能化管理水平，更能發(fā)揮北京科技創(chuàng)新優(yōu)勢，促進高精尖產(chǎn)業(yè)發(fā)展，搶占第四次工業(yè)革命的制高點。基于高水平科技創(chuàng)新驅(qū)動的智慧北京建設(shè)，不但進一步鞏固、發(fā)展了良好的政治生態(tài)，也為北京加強“四個中心”功能建設(shè)、提高“四個服務(wù)”水平提供了堅強保障。

三、關(guān)鍵技術(shù)理論

智慧城市的建設(shè)與全域數(shù)據(jù)治理的理論體系和實踐密切相關(guān)，目前仍存在較大研究空間。筆者從智慧城市建設(shè)的內(nèi)在科學(xué)問題出發(fā)，針對數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化管理，提出以下關(guān)鍵技術(shù)。

（一）基于全域集理論的數(shù)據(jù)描述體系

將智慧城市比作人類的“大腦”，全域集則是模擬人類對客觀世界認識抽象過程的數(shù)學(xué)表述，顯然，人類活動面對的實際環(huán)境是一個混亂的數(shù)據(jù)世界，可以抽象為一個巨型數(shù)據(jù)庫?？梢姡祟悓陀^世界的認識過程與基于大數(shù)據(jù)的智慧城市管理邏輯具有幾乎一致的基本邏輯[29]，換言之，只要找到能夠模擬人類認識客觀世界過程的數(shù)據(jù)描述理論體系，即可實現(xiàn)智慧城市建設(shè)的系統(tǒng)性涌現(xiàn)管理。針對這一問題，將數(shù)據(jù)管理問題以數(shù)學(xué)集合論的形式進行高度抽象，可以提出基于全域集理論的數(shù)據(jù)管理模式（見圖1）。

全域集表示為S=（A，B，F(xiàn)，J，D），其中各要素定義如下：

定義1：全域字段結(jié)構(gòu)。A為各個獨立業(yè)務(wù)系統(tǒng)的根字段元，即系統(tǒng)數(shù)據(jù)的全域字段結(jié)構(gòu)，A={A1，A2，…，An}，Ai表示字段冪集，Ai的結(jié)構(gòu)即數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)（包含DB，RDB，OODB，ORDB，以及時空數(shù)據(jù)庫等）。

定義2：字段的境變描述。B為A中字段的境變描述（字段在不同條件下的變換）與特征描述，在實際業(yè)務(wù)系統(tǒng)中共同構(gòu)成邏輯總字段元體系[30]，即對A先進行基于決策環(huán)境的變換，再進行基于問題特征的（標(biāo)簽）描述。B={σ（A1），σ（A2），…，σ（An）}，基于不同領(lǐng)域的境變描述構(gòu)成不同的數(shù)據(jù)子字段源體系。

定義3：境變算符向量。字段變換與字段冪集之間的關(guān)聯(lián)映射關(guān)系A(chǔ)FB，可由多種傳統(tǒng)集合的邏輯運算得到，也可以通過各種AI算法、計量模型等訓(xùn)練得到，以數(shù)據(jù)譜系為基礎(chǔ)，算符向量提供了一種方便的數(shù)學(xué)形式描繪對客觀世界認識和干預(yù)的全過程。

定義4：界殼。J表示數(shù)據(jù)分析需求與業(yè)務(wù)范圍的論域約束，即界殼。界殼J可以抽象出系統(tǒng)邊界的普遍共性，J決定了σ集的論域范圍，適合描述業(yè)務(wù)全域數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

定義5：表結(jié)構(gòu)。D表示由B中不同字段變換、境變特征構(gòu)成的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)表集合，是AI算法體系運行的基礎(chǔ)載體。

全域集通過建立主體與對象特征之間的映射與界殼，從而在“大腦”中形成外界信息的映像，進一步對各種模式進行聚類壓縮，實現(xiàn)各種概念的有效管理，從而使管理協(xié)調(diào)問題轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)描述問題，實現(xiàn)數(shù)據(jù)對客觀世界的自主認識。這一思想是解決、協(xié)調(diào)各數(shù)據(jù)資源部門信息壁壘的有效方法，為數(shù)據(jù)的統(tǒng)一描述提供規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)，在各具體業(yè)務(wù)部門保密性、業(yè)務(wù)異質(zhì)性與大數(shù)據(jù)的無障礙共享目標(biāo)之間提供一種有效的協(xié)議機制。同時，針對各類具體的智慧目標(biāo)譜，AI算法可自動在全σ集中挖掘深度關(guān)聯(lián)因素，通過庫云機制與各業(yè)務(wù)大數(shù)據(jù)信息建立聯(lián)系，充分發(fā)掘大數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值。

（二）智慧北京目標(biāo)譜系

大數(shù)據(jù)應(yīng)用問題的實質(zhì)是大數(shù)據(jù)的譜系問題。譜系，是指一個有歷史淵源的事物形成系統(tǒng)，這個系統(tǒng)是開放的，譜系的分支可以不斷演化、增長，不同的分支既有獨立的標(biāo)識、邊界，又存在普遍的聯(lián)系（比如家譜，一個姓氏可以衍生出許多代子孫，但是每一個子孫都可以通過一定的標(biāo)識和分支進行追本溯源）。實際上，大數(shù)據(jù)的應(yīng)用過程即是在明確需求目標(biāo)（智慧北京功能模塊及其各種子模塊）的基礎(chǔ)上，從全域數(shù)據(jù)中抽離出適用于服務(wù)對象的數(shù)據(jù)譜系的過程。譜系的分離不同于基于各類先進AI算法的數(shù)據(jù)大規(guī)模處理，是一種對于系統(tǒng)復(fù)雜性的有機分解（注意，不是消除復(fù)雜性，因此需求的邊界應(yīng)依據(jù)實際數(shù)據(jù)資源情形而定），目的是增強各個實際業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的針對性與精確性，增加知識挖掘的深度。因此，通過境變描述使不同的領(lǐng)域形成不同的數(shù)據(jù)譜系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)規(guī)范化管理，基于智慧北京運行的功能模塊（如智能交通、人口精準(zhǔn)管理、生態(tài)環(huán)境監(jiān)控、安全保障、風(fēng)險預(yù)警等模塊）建立大數(shù)據(jù)的智慧北京應(yīng)用目標(biāo)譜系，是引領(lǐng)智慧北京多功能模塊協(xié)調(diào)發(fā)展、服務(wù)于高精尖產(chǎn)業(yè)的有效解決方案。

（三）自適應(yīng)AI算法體系

AI算法體系是主體對象特征識別的重要技術(shù)，目前，AI算法已經(jīng)成熟運用于各類特定領(lǐng)域，大數(shù)據(jù)的多領(lǐng)域時空聯(lián)動是目前的難點和重要需求。針對這一需求，本文提出基于自適應(yīng)AI算法體系的智慧北京技術(shù)框架。首先，集合智慧北京的宏觀、中觀及微觀發(fā)展需求，采用基于大數(shù)據(jù)的各類深度學(xué)習(xí)技術(shù)建立功能譜系（即通過深度學(xué)習(xí)不斷挖掘待解決問題的本質(zhì)特征），以智慧城市管理目前所面臨的實際問題為基本結(jié)構(gòu)建立靶向問題目標(biāo)譜系，實現(xiàn)需求的標(biāo)準(zhǔn)化、層次化及有序描述，即各類數(shù)據(jù)的時空聯(lián)動都可以找到與之對應(yīng)的譜系。進一步，對目標(biāo)譜系所涉及的全部字段進行基于全域集的描述，利用字段數(shù)據(jù)對全域集中的雙向?qū)?yīng)變境函數(shù)F進行訓(xùn)練，形成基于靶向問題場景與數(shù)據(jù)譜系的自適應(yīng)AI算法，即針對不同領(lǐng)域的問題，使AI算法體系可基于問題結(jié)構(gòu)進行自適應(yīng)調(diào)整，總體技術(shù)邏輯如圖2所示。

可見，通過靶向問題目標(biāo)譜系與AI算法譜系的綜合運用，可為城市管理過程中的復(fù)雜問題提供個性化解決方案。

（四）綜合數(shù)據(jù)庫語言與結(jié)構(gòu)

從擁有大數(shù)據(jù)資源的主體來看，大數(shù)據(jù)實際上是一個數(shù)據(jù)集合群;從研究者來看，則著重于研究其計算理論、數(shù)據(jù)模型描述與計算機應(yīng)用技術(shù);從應(yīng)用角度來看，其主要是用于各類社會生產(chǎn)活動。因此，厘清各種數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征[31]，分析其不同描述各種定義元字段結(jié)構(gòu)及其數(shù)據(jù)分析方法，是綜合運用各類數(shù)據(jù)庫、使大數(shù)據(jù)真正發(fā)揮作用的關(guān)鍵。大數(shù)據(jù)理論和技術(shù)發(fā)展必然催生數(shù)據(jù)庫技術(shù)、計算理論、計算機軟硬件技術(shù)和平臺技術(shù)的發(fā)展。

數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)描述模型與自適應(yīng)AI算法體系的底層結(jié)構(gòu)，在全域集與AI算法體系基礎(chǔ)上，結(jié)合靶向問題結(jié)構(gòu)，通過萬物互聯(lián)傳感技術(shù)、移動數(shù)據(jù)獲取技術(shù)、綜合數(shù)據(jù)庫語言與結(jié)構(gòu)等技術(shù)構(gòu)建雙向?qū)哟螖?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使全域字段元體系能夠涵蓋所有業(yè)務(wù)抽取的常用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DB、RDB、OODB、ORDB）、時空數(shù)據(jù)庫（TDB、SDB）以及包含多種數(shù)據(jù)格式的XML數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)①（見圖3），進而從應(yīng)用到功能，形成一套具有自適應(yīng)問題導(dǎo)向特征的、層次分明的、易于管理維護的數(shù)據(jù)存儲與共享管理體系。

四、智慧北京建設(shè)框架設(shè)計

結(jié)合科恩的“智慧城市輪”理論，對全球智慧城市中廣泛使用的智慧城市技術(shù)和應(yīng)用程序進行梳理，基于北京市城市治理的主要目標(biāo)，筆者提出了基于全域集理論的智慧北京應(yīng)用目標(biāo)譜系。該目標(biāo)譜系由感應(yīng)層、集成層、智能層、應(yīng)用層構(gòu)成，下轄六大基本子系統(tǒng)，具有良好的全域可擴展性和適應(yīng)性（見圖4）。

①DB：數(shù)據(jù)庫;RDB：關(guān)系數(shù)據(jù)庫;OODB：面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫;ORDB：關(guān)系對象數(shù)據(jù)庫;SDB：空間數(shù)據(jù)庫;TDB：時態(tài)數(shù)據(jù)庫;MOD：移動數(shù)據(jù)庫;XML：文檔描述語言。圖3數(shù)據(jù)模型整體結(jié)構(gòu)設(shè)計（一）感應(yīng)層

感應(yīng)層是智慧城市的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集層。感應(yīng)層通過全域數(shù)據(jù)感知技術(shù)體系、企業(yè)BD技術(shù)集群，實現(xiàn)萬物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)互聯(lián)與數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)機制，推動信息技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展，包括用于檢測、監(jiān)視環(huán)境和生物數(shù)據(jù)的傳感設(shè)備，如環(huán)境和生物識別傳感器、在線視頻監(jiān)視的識別和測試、全球定位系統(tǒng)（GPS）以及水、電和能源監(jiān)控。

（二）集成層

集成層從北京各行業(yè)信息系統(tǒng)應(yīng)用情況入手，全面分析全域數(shù)據(jù)字段、譜系與聯(lián)動應(yīng)用機制，挖掘政府、企業(yè)、社會、個人等時空關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)字段，依據(jù)實際環(huán)境中的靶向問題構(gòu)建數(shù)據(jù)譜系。集成層拓展邏輯字段，集成現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫技術(shù)，建立有堅實理論體系支撐的全域大數(shù)據(jù)字段體系。其中，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實施的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，跨學(xué)科的信息流、虛擬/真實信息集成以及集中管理和新物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的開發(fā)是重點建設(shè)內(nèi)容。

（三）智能層

智能層主要是研究、整理各方靶向問題以及服務(wù)目標(biāo)體系，形成智慧北京的目標(biāo)譜系。智能層通過使用數(shù)據(jù)分析和AI算法等方法，基于集成數(shù)據(jù)做出決策。智能層通過開發(fā)存儲、獲取數(shù)據(jù)的安全技術(shù)，建立全域數(shù)據(jù)共享機制，進而開發(fā)全域使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型。智能層將應(yīng)用基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)問題、智慧服務(wù)的目標(biāo)譜系與信息技術(shù)、通信技術(shù)、智能算法技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)融合，形成可自適應(yīng)、創(chuàng)新發(fā)展的智慧化體系暨智慧城市算法體系。

（四）應(yīng)用層

應(yīng)用層是以全域大數(shù)據(jù)理論體系為支撐，將前三個技術(shù)層連接起來并擴展到各智能應(yīng)用程序中，包括六大關(guān)鍵子系統(tǒng)（如城市智慧管理、智慧交通和智慧民生等），以及面向政府管理部門、行業(yè)、企業(yè)、個人等若干層次和不同維度的應(yīng)用平臺。

1.?城市智慧管理

城市智慧管理平臺具體包括電子政務(wù)系統(tǒng)、城市信息推送系統(tǒng)、居民服務(wù)快速響應(yīng)系統(tǒng)、衛(wèi)生檢疫決策系統(tǒng)、城市安全管理系統(tǒng)、食品安全監(jiān)測系統(tǒng)、信息安全管理系統(tǒng)、災(zāi)難應(yīng)急管理系統(tǒng)和特殊群體服務(wù)系統(tǒng)。借助城市智慧管理平臺及其承載的各類應(yīng)用，政府管理部門不但可及時向居民提供信息和服務(wù)，提升政府和公共行政部門的管理效率和信息透明度，還可通過AI算法譜系迅速實現(xiàn)不同領(lǐng)域的信息融合和關(guān)聯(lián)分析，提高對流行病監(jiān)測、災(zāi)難應(yīng)急、食品安全管理等的監(jiān)視、跟蹤和響應(yīng)能力。

2.?智慧交通

智慧交通平臺具體包括交通通信系統(tǒng)、自動化交通管理系統(tǒng)、電動汽車應(yīng)用系統(tǒng)、交通監(jiān)控管理系統(tǒng)、交通路線規(guī)劃系統(tǒng)、智能路燈管理系統(tǒng)以及公共交通信息服務(wù)系統(tǒng)。該平臺一方面借助無線通信和監(jiān)視設(shè)備（如攝像頭和傳感器等），收集車輛、道路和環(huán)境數(shù)據(jù)，通過綜合數(shù)據(jù)庫分析技術(shù)，實現(xiàn)實時性的市內(nèi)道路交通分析，以及面向未來的交通擁堵情況的預(yù)測;另一方面，為居民提供實時的城市綜合交通信息服務(wù)，如實時路況信息、新能源汽車充電樁設(shè)備信息等。同時，平臺還支持重大賽事和展會活動的交通導(dǎo)航服務(wù)，可為2022年冬奧會提供便捷的交通服務(wù)。

3.?智慧環(huán)境監(jiān)管

智慧環(huán)境監(jiān)管平臺具體包括能源管理系統(tǒng)、可再生能源整合系統(tǒng)、儲能應(yīng)用系統(tǒng)、水資源監(jiān)測管理系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施工程服務(wù)與維護系統(tǒng)、廢物和廢水管理系統(tǒng)、分布式發(fā)電管理系統(tǒng)、儲水管理系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、天氣及空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)以及智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。智慧環(huán)境監(jiān)管平臺借助全域集與AI算法譜系分析，對不同類型的資源進行規(guī)劃、收集、轉(zhuǎn)換和儲存，以減少對城市環(huán)境的影響和能源損耗，從而為改善北京環(huán)境質(zhì)量提出最佳的資源解決方案。

4.?智慧生活

智慧生活平臺具體包括家用安全管理系統(tǒng)、智能設(shè)備管理系統(tǒng)、數(shù)字識別應(yīng)用系統(tǒng)、電子支付服務(wù)系統(tǒng)、智慧養(yǎng)老服務(wù)系統(tǒng)以及生活信息服務(wù)系統(tǒng)。北京老齡化問題日益嚴(yán)重，隨之而來的是對醫(yī)療服務(wù)和家庭服務(wù)需求的大量增加，這也引發(fā)了一系列具有挑戰(zhàn)性的城市管理問題，如優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源的保障和專業(yè)護理人才的短缺問題。智慧生活平臺結(jié)合靶向問題結(jié)構(gòu)，可幫助重新分配有效的醫(yī)療資源、提升醫(yī)療保健效率，同時提高護理質(zhì)量并減少醫(yī)療資源浪費。

5.?智慧商務(wù)

智慧商務(wù)平臺具體包括經(jīng)濟統(tǒng)計信息發(fā)布系統(tǒng)、宏觀經(jīng)濟基礎(chǔ)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)、產(chǎn)品質(zhì)量追溯系統(tǒng)以及智慧雙創(chuàng)服務(wù)系統(tǒng)。該平臺一方面通過建立健全與北京高精尖經(jīng)濟結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的經(jīng)濟調(diào)控數(shù)據(jù)體系，定期發(fā)布有關(guān)統(tǒng)計指標(biāo)和數(shù)據(jù)，對宏觀經(jīng)濟數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析和動態(tài)監(jiān)測;另一方面，利用物聯(lián)網(wǎng)、射頻識別等信息技術(shù)，建立產(chǎn)品質(zhì)量追溯體系，提升企業(yè)品牌影響力，為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)者提供支持服務(wù)，匯聚創(chuàng)新人才。

6.?智慧民生

在智慧民生領(lǐng)域的應(yīng)用平臺包括智慧教育系統(tǒng)、智慧健康服務(wù)系統(tǒng)、智慧文旅服務(wù)系統(tǒng)。智慧民生平臺通過在線多媒體平臺為用戶提供遠程教育、健康和文旅服務(wù)。智慧民生平臺通過創(chuàng)建北京城市公共衛(wèi)生醫(yī)療服務(wù)信息化體系，完善社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)綜合信息平臺功能，推動醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)間的信息共享和會診服務(wù)，實現(xiàn)居民電子醫(yī)療健康檔案的全覆蓋。

另外，還有結(jié)合自然、突發(fā)數(shù)據(jù)信息形成的各種風(fēng)險防控、應(yīng)急等應(yīng)用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可根據(jù)適時的全域數(shù)據(jù)信息，由自適應(yīng)的AI技術(shù)自動分析關(guān)聯(lián)字段集，為各種風(fēng)險防控的目標(biāo)譜提供分析、解決的支持依據(jù)?；诰W(wǎng)絡(luò)全域數(shù)據(jù)分析的智慧目標(biāo)譜系具有較強的可拓展性。

五、結(jié)論與展望

本文以大數(shù)據(jù)技術(shù)為視角，對目前既有的智慧城市研究進行了梳理，分析了智慧北京的發(fā)展現(xiàn)狀、背景及存在的現(xiàn)實問題，針對目前在智慧北京建設(shè)實踐中存在的與大數(shù)據(jù)應(yīng)用相關(guān)理論與技術(shù)尚待突破、數(shù)據(jù)壁壘等問題，提出了一種基于全域數(shù)據(jù)集合理論的體系架構(gòu)。該架構(gòu)將智慧城市的建設(shè)比作人類“大腦”對客觀世界的認識過程，將數(shù)據(jù)管理問題以集合的形式進行高度抽象，從而形成協(xié)調(diào)機制;進一步闡述了全域數(shù)據(jù)、AI算法譜系、綜合數(shù)據(jù)庫語言與結(jié)構(gòu)的概念模型與內(nèi)在聯(lián)系;基于該架構(gòu)，給出了一套可行的、目前在智慧北京建設(shè)過程中具有層次化特征的大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用解決方案。本文從應(yīng)用目標(biāo)譜系出發(fā)，給出了數(shù)據(jù)有效聯(lián)動的解決方案，提出了基于目標(biāo)譜系的自適應(yīng)AI算法體系方法論，創(chuàng)新了數(shù)據(jù)模型，以解決全域大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用問題，從而提高智慧北京管理能力并帶動智慧北京的機制體制創(chuàng)新。

當(dāng)前，智慧城市發(fā)展面臨數(shù)據(jù)融合及信息共享等諸多挑戰(zhàn)，像北京這樣超大型城市的治理工作也是一項涉及多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜的系統(tǒng)工程。圍繞北京“四個中心”定位，通過學(xué)科交叉綜合研究解決關(guān)鍵技術(shù)問題、實現(xiàn)智慧北京在各個領(lǐng)域的目標(biāo)譜系，將促進智慧城市技術(shù)發(fā)展，推動相關(guān)高精尖產(chǎn)業(yè)、技術(shù)及人才的培養(yǎng)發(fā)展，以實現(xiàn)智慧北京的宏偉藍圖。

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Innovative?Research?Drives?the?Development?of?Key

Technologies?in?Smart?Beijing

LI?Xue-wei1，?ZHANG?Ruo-bing2

（1.Beijing?Union?University，?Beijing?100101，?China;2.?Beijing?Jiaotong?University，?Beijing?100101，?China）

Abstract：?From?the?perspective?of?big?data?technology，?aiming?at?the?present?problems?in?the?practice?of?the?construction?of?Smart?Beijing，?such?as?the?lagging?of?theory?research?behind?the?practice，?the?ongoing?breakthrough?of?big?data?applications?related?to?theory?and?technology，?the?barriers?of?data，?etc.，?this?paper?analyzes?the?target?spectrum?from?Smart?Beijing?application，?puts?forward?solutions?to?data?correlation，?and?presents?the?AI?algorithm?based?on?the?target?spectrum?system?methodology.?Moreover，?through?the?innovation?of?data?model，?the?application?of?key?technologies?of?all?sets?of?big?data?is?solved，?and?the?construction?of?Smart?Beijing?and?the?development?of?related?high-tech?industry?are?promoted.

Key?words：Smart?Beijing;?big?data;AI?pedigree

（責(zé)任編輯孫俊青）

[收稿日期]2020-05-26

[作者簡介]李學(xué)偉（1962—），男，河南宜陽人，北京聯(lián)合大學(xué)校長、教授、博士生導(dǎo)師;通訊作者：張若冰（1977—），男，河南周口人，北京交通大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院博士研究生。