智慧城市的技術(shù)與挑戰(zhàn)探討

姚傳山 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

1 背景介紹

據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計(jì)，全世界居住在城市地區(qū)的人口已從1950年的30%（7.51億）急劇增加到2018年的55%（42億）。據(jù)估計(jì)，到2050年，全球68%（69億）的人口將集中在城市中心，這一趨勢可能會(huì)持續(xù)下去。城市化的城市利用規(guī)模經(jīng)濟(jì)成為集中社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政治力量的創(chuàng)新中心。它還導(dǎo)致許多復(fù)雜的城市挑戰(zhàn)，例如犯罪、交通擁堵、廢物產(chǎn)生、水和能源需求高、空氣和噪聲污染、獲得醫(yī)療保健、住房和教育的機(jī)會(huì)不平等以及財(cái)富不平等。為了應(yīng)對城市化所帶來的巨大挑戰(zhàn)，“智慧城市”已成為一種普遍的概念，既可以解決城市和經(jīng)濟(jì)增長的問題，又可以解決這種增長所帶來的環(huán)境和社會(huì)問題。

雖然已經(jīng)有許多關(guān)于智慧城市的文章和報(bào)告，但關(guān)于什么是智慧城市的普遍定義尚未形成廣泛共識(shí)。大多數(shù)定義的共同主題是利用信息和通信技術(shù)（ICT）作為支持城市發(fā)展、增強(qiáng)城市服務(wù)的推動(dòng)者，增加利益相關(guān)者獲取信息的機(jī)會(huì)。利用這一主題作為一個(gè)定義要素，智慧城市正在全球迅速崛起，在全市范圍內(nèi)投資于信息和通信技術(shù)，以推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新，支持新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，刺激更強(qiáng)勁的經(jīng)濟(jì)，保持可持續(xù)的環(huán)境，并提高市民的生活質(zhì)量。據(jù)悉，目前全球有1000多個(gè)智能城市項(xiàng)目在建。例如，中國的智慧城市試點(diǎn)項(xiàng)目已從2012年的90個(gè)城市發(fā)展到今天的500多個(gè)城市。在美國，政府機(jī)構(gòu)啟動(dòng)了一系列以可再生能源、能源效率、廢水和水管理、交通和流動(dòng)、社區(qū)復(fù)原力為中心的高效益智慧城市項(xiàng)目、農(nóng)業(yè)和制造業(yè)。最近的一項(xiàng)調(diào)查顯示，美國有100多個(gè)城市正在積極參與智慧城市項(xiàng)目。城市，無論大小，都在競相變得智能和可持續(xù)，通常在其官方網(wǎng)站上展示其智慧城市愿景和投資重點(diǎn)，以吸引市民和企業(yè)。

智慧城市解決方案的市場機(jī)會(huì)無疑是巨大的，但同樣復(fù)雜。所有形式的數(shù)字技術(shù)都在為各種智慧城市項(xiàng)目大肆宣傳。示例包括互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（例如，光纖，5G），傳感器（例如，攝像頭，LiDAR），虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，云服務(wù)（例如，分析）和融資（例如區(qū)塊鏈）。通過數(shù)字化連接，智慧城市結(jié)合了來自建筑環(huán)境和人員的各種數(shù)據(jù)集，以查明城市需求，制定有效管理資產(chǎn)和資源的戰(zhàn)略以及優(yōu)化運(yùn)營和服務(wù)。到2022年，智慧城市項(xiàng)目的支出預(yù)計(jì)將增長到1580億美元。全球?qū)χ悄艹鞘械臒崆槭挂恍┤松踔凉烙?jì)到2026年市場潛力將達(dá)到3.5萬億美元?？萍脊?，例如英特爾、思科、IBM、Verizon、通用電氣、愛立信、西門子、西門子、Alphabet、阿里巴巴、百度和騰訊都渴望將其公司敘述與智慧城市解決方案保持一致。例如，大量的電視廣告、印刷廣告和公司網(wǎng)站都使用智慧城市來突出其核心技術(shù)和解決方案。這些無疑增加了公眾對智慧城市的認(rèn)識(shí)。但是，這是一把雙刃劍，他們可能還會(huì)夸大公眾對智慧城市的期望，而又無法充分反映出新智慧城市解決方案引入的一些社會(huì)關(guān)注問題。

本文的目的是有選擇地回顧智慧城市領(lǐng)域的技術(shù)趨勢，并討論智慧城市采用者將不可避免地面臨的許多挑戰(zhàn)。

2 智慧城市技術(shù)示例

利用創(chuàng)新來解決城市問題的愿望并不新鮮，許多例子可以追溯到古代。在21世紀(jì)的背景下，信息通信技術(shù)、固態(tài)傳感器的快速發(fā)展和計(jì)算能力的指數(shù)增長，都加速了過去20年在城市中的技術(shù)部署。許多文章和出版物都是關(guān)于智能城市技術(shù)以及它們?nèi)绾螒?yīng)用于解決之前強(qiáng)調(diào)的廣泛的城市問題。由于不可能詳盡無遺，本文的目的不是回顧智能城市技術(shù)的所有進(jìn)展，而是提供一些示例，說明這些技術(shù)的一些典型應(yīng)用。

對于城市來說，最常被引用的問題可能與交通、環(huán)境可持續(xù)性、能源和自然資源保護(hù)、醫(yī)療和教育有關(guān)。為了緩解交通擁堵，提高公共安全，許多城市正在試驗(yàn)各種技術(shù)，如智能停車系統(tǒng)和交通信號(hào)實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶需求。智能手機(jī)應(yīng)用程序現(xiàn)在可以幫助查找、預(yù)訂和支付停車位。安裝在街道和交叉口的傳感器和攝像機(jī)用于監(jiān)控交通，而收集的道路狀況數(shù)據(jù)用于幫助交通控制，并在必要時(shí)加快應(yīng)急響應(yīng)。城市正朝著為道路和公路配備路邊連接的方向發(fā)展，以提出旨在減少交通、改善公共安全和促進(jìn)應(yīng)急服務(wù)的解決方案。

電動(dòng)汽車以及配備了連通性和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的汽車的到來，在交通和出行領(lǐng)域引起了公眾的極大興趣。車輛的電氣化也將運(yùn)輸系統(tǒng)與電網(wǎng)連接起來，使車輛成為智能電網(wǎng)中的存儲(chǔ)元素。而且將連通性和傳感技術(shù)集成到交通基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中也被認(rèn)為是智慧城市的首要任務(wù)。智能出行技術(shù)有潛力改變未來城市的交通格局，促進(jìn)就業(yè)和經(jīng)濟(jì)增長，并支持環(huán)境和節(jié)能。

在環(huán)境可持續(xù)性和能源保護(hù)領(lǐng)域，有關(guān)將“智慧”特性納入廢物、水和能源系統(tǒng)的倡議已被廣泛報(bào)道。例如，裝有自動(dòng)壓路機(jī)和無線傳感器的智能插座可以提高廢物收集能力，并提醒收集器更好地進(jìn)行服務(wù)管理。同樣，智能水表為居民提供直接和實(shí)時(shí)的用水反饋，而智能水管理系統(tǒng)正被用于城市環(huán)境中，以抗旱和加強(qiáng)綠色基礎(chǔ)設(shè)施。除了鼓勵(lì)采用可再生能源系統(tǒng)外，智能能源管理還可以利用從傳感器收集的數(shù)據(jù)來監(jiān)測能源使用情況，預(yù)測用戶需求，并向用戶提供反饋，間接影響他們采用節(jié)約能源的做法，公用事業(yè)公司可以快速響應(yīng)不斷變化的消費(fèi)者需求，改善對電網(wǎng)可再生資源的管理，并促進(jìn)緊急響應(yīng)，以便在停電期間恢復(fù)服務(wù)。

隨著城市數(shù)字化連接的日益緊密，教育機(jī)構(gòu)和醫(yī)療保健提供者可以利用ICT來改善其服務(wù)的提供。例如，在教育中，在線輔導(dǎo)、自適應(yīng)學(xué)習(xí)幫助和協(xié)作學(xué)習(xí)平臺(tái)的出現(xiàn)在很大程度上是由于高速互聯(lián)網(wǎng)通信的出現(xiàn)。通過將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬學(xué)習(xí)相集成，現(xiàn)在可以提供教育內(nèi)容，以便在在線學(xué)習(xí)平臺(tái)中也包括現(xiàn)實(shí)世界的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)。在醫(yī)療保健領(lǐng)域，遠(yuǎn)程醫(yī)療和遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)（例如，家庭遠(yuǎn)程患者監(jiān)視以及臨床醫(yī)生與患者之間通過手機(jī)，平板電腦或臺(tái)式計(jì)算機(jī)進(jìn)行的視頻會(huì)議）正在興起。確實(shí)，智能健康信息平臺(tái)和醫(yī)療應(yīng)用程序?qū)⒋龠M(jìn)遠(yuǎn)程連接的家庭護(hù)理服務(wù)。隨著人口老齡化的增長，智能健康信息平臺(tái)和醫(yī)療應(yīng)用技術(shù)不僅可以促進(jìn)遠(yuǎn)程連接的家庭護(hù)理，而且可以改變游戲規(guī)則，幫助醫(yī)生預(yù)防疾病，促進(jìn)健康并改善生活質(zhì)量。

3 面臨的一些挑戰(zhàn)

可以肯定的是，智慧城市技術(shù)將從根本上改變社會(huì)的面貌：好的和壞的。隨著城市越來越多地配備傳感器和數(shù)字連接，人們希望服務(wù)提供商能夠利用收集到的城市數(shù)據(jù)，在促進(jìn)可持續(xù)性和安全性的同時(shí)，更好地最大限度地利用有限的資源。這就引出了一個(gè)問題：智能城市解決方案的意外（負(fù)面）后果是什么，如何最好地緩解這些后果？

對于當(dāng)前的數(shù)字技術(shù)現(xiàn)狀，最常見的挑戰(zhàn)之一可能是與網(wǎng)絡(luò)安全和隱私相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。盡管安全的挑戰(zhàn)并不是新的挑戰(zhàn)，但新的挑戰(zhàn)是公共資產(chǎn)與網(wǎng)絡(luò)的連接迅速擴(kuò)展，從而增加了與網(wǎng)絡(luò)攻擊相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)犯罪和數(shù)據(jù)盜竊的增加，智慧城市必須準(zhǔn)備好應(yīng)對所有安全威脅。否則，智慧城市的弊端將很快超過其優(yōu)勢。最近對政府機(jī)關(guān)（以及學(xué)校和企業(yè)）的“勒索軟件”攻擊強(qiáng)烈提醒人們，城市在連接和數(shù)字化時(shí)面臨著風(fēng)險(xiǎn)。

隨著城市在街道、高速公路和公共聚集區(qū)安裝了傳感器和攝像頭，這些技術(shù)也帶來了自身的弱點(diǎn)。同樣，不良行為者可能會(huì)破壞薄弱的安全防御，故意讓這些傳感器提供“不良”數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤信息，以欺騙系統(tǒng)的全球控制。即使是簡單的傳感器信息竊聽也會(huì)暴露出可能被不法分子利用的物理漏洞。這些趣聞軼事都得出了同樣的結(jié)論：智能城市的每一個(gè)功能要素都必須確保安全，而與安全漏洞相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)則必須被充分界定。

雖然與智能城市相關(guān)的傳感器和信息平臺(tái)收集的數(shù)據(jù)將為社區(qū)成員帶來許多好處，但這些好處的成本可能會(huì)損害隱私和公平。近年來，公眾對如何在公共領(lǐng)域正確使用面部識(shí)別技術(shù)的爭論日益激烈。一方面，利用攝像機(jī)跟蹤公眾，識(shí)別面部特征，可以增強(qiáng)公共安全。一些被引用的好處包括減少交通擁堵、抓捕罪犯和威懾違法者。然而，有人仍然擔(dān)心這些技術(shù)對他們隱私的影響。因而，圍繞這些復(fù)雜問題的討論是必要的，并將使社區(qū)能夠以符合其文化和價(jià)值觀的方式尋求智慧城市解決方案。最終，在一些棘手的問題上達(dá)成共識(shí)，比如這些數(shù)據(jù)應(yīng)該保留多久，在什么情況下（如果有的話）應(yīng)該允許公共數(shù)據(jù)由誰使用，何時(shí)（如果有的話）應(yīng)該允許機(jī)器學(xué)習(xí)等數(shù)字技術(shù)做出法律決定？隱私和公平的問題甚至超越了數(shù)據(jù)。在智能城市數(shù)據(jù)上執(zhí)行的分析同樣復(fù)雜，以便與社區(qū)的價(jià)值觀相協(xié)調(diào)。

當(dāng)私人實(shí)體參與智慧和可持續(xù)的城市發(fā)展時(shí)，數(shù)據(jù)隱私問題也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了政府的范疇。收集哪些數(shù)據(jù)以及如何使用和保護(hù)這些數(shù)據(jù)是需要在智能城市項(xiàng)目中協(xié)調(diào)解決的最緊迫的問題。公共政策通常涉及冗長的審議，涉及到各種各樣的城市利益相關(guān)者。但是，私人政策往往步伐較快，可能不足以在繼續(xù)進(jìn)行之前征求各種觀點(diǎn)。高科技公司領(lǐng)導(dǎo)的許多備受矚目的項(xiàng)目因缺乏公眾參與和決策透明性而受到批評(píng)，這些決策對于如何通過傳感器和智慧城市解決方案公開公共隱私至關(guān)重要。無論項(xiàng)目負(fù)責(zé)人是公共實(shí)體還是私人實(shí)體，人們普遍認(rèn)為，早于當(dāng)前技術(shù)前景的當(dāng)前一組隱私保護(hù)措施可能不足以完全解決智慧城市技術(shù)帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)。正確和合法地使用智慧城市技術(shù)對公民和決策機(jī)構(gòu)都構(gòu)成了真正的挑戰(zhàn)。

在智慧城市項(xiàng)目中經(jīng)常被忽略的另一個(gè)挑戰(zhàn)是，緊張的物理基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)是許多智慧城市解決方案的基礎(chǔ)（例如，新的交通服務(wù)仍依賴于道路建設(shè)）。對傳感和數(shù)字連接的公共投資也可能需要對急需更新的物理基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行再投資。而矛盾的是，如果街道上滿是坑坑洼洼，水被污染物污染，橋梁瀕臨倒塌，一座城市就不會(huì)那么“智慧”。不過，這些棘手的問題有一些非常令人興奮的答案。例如，智能基礎(chǔ)設(shè)施很可能會(huì)鼓勵(lì)更多的私人投資進(jìn)入物理基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域。有關(guān)研究已經(jīng)開始探索將基礎(chǔ)設(shè)施投資標(biāo)記化的方法，同時(shí)探索基于數(shù)據(jù)智能基礎(chǔ)設(shè)施為基礎(chǔ)設(shè)施所有者創(chuàng)造收入流的新方法。

4 結(jié)語

數(shù)字技術(shù)在其轉(zhuǎn)型中起主要作用的智慧城市無疑將成為城市居住的未來。本文回顧了智慧城市項(xiàng)目中的技術(shù)趨勢樣本，并討論了有關(guān)網(wǎng)絡(luò)安全，網(wǎng)絡(luò)隱私和基礎(chǔ)設(shè)施投資的一些挑戰(zhàn)。城市化是智慧城市的前提，有利于推動(dòng)創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而城市發(fā)展也對社區(qū)的社會(huì)和文化方面產(chǎn)生了重大影響。工程師和智慧城市開發(fā)者需要深入了解智慧系統(tǒng)以及相關(guān)的收益和風(fēng)險(xiǎn)。理想情況下，智慧城市不僅是一個(gè)擁抱技術(shù)和經(jīng)濟(jì)增長的地方，而且是一個(gè)人文、生態(tài)無害且宜居的城市。