3S 大數(shù)據(jù)和城市大腦賦能的智慧城市精細(xì)化管理

姜春雷

（吉林建筑大學(xué)）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，我國已有一半左右的人口生活在城市當(dāng)中，尤其是人口超過百萬的大城市、特大城市和超大城市規(guī)模仍在不斷擴(kuò)張。大城市的規(guī)模效應(yīng)為經(jīng)濟(jì)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，但也帶來一系列困擾政府管理問題，例如治安、居住環(huán)境、交通等，傳統(tǒng)的粗放型管理在應(yīng)對上述矛盾時(shí)捉襟見肘。由于智慧城市具有實(shí)現(xiàn)城市精細(xì)化管理的潛力，為上述問題的解決帶來了契機(jī)。近年來，我國智慧城市建設(shè)發(fā)展迅猛，但其在數(shù)據(jù)獲取、處理等方面存在的諸多問題仍需要深入研究，加以解決。

2 3S 大數(shù)據(jù)

3S 指的是全球定位系統(tǒng)（GPS，Global Positioning System）、遙感（RS，Remote Sensing）和地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）三種技術(shù)的有機(jī)集成。GPS 能夠?qū)崟r(shí)獲取定位信息，是智慧城市中的移動(dòng)傳感器獲取位置的技術(shù)手段，特別是我國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星成功完成全球組網(wǎng)后，定位信息的安全和準(zhǔn)確性進(jìn)一步得到保障；遙感技術(shù)能夠快速、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)獲取不同尺度和精度的大范圍的地表信息，這對于獲取城市地表地物及環(huán)境快速變化信息特別合適，同時(shí)，相對傳統(tǒng)人工監(jiān)測無論在成本還是時(shí)效上都極具優(yōu)勢；地理信息系統(tǒng)能夠?qū)臻g數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理和分析，智慧城市中很多數(shù)據(jù)是空間數(shù)據(jù)，非常適合用地理信息系統(tǒng)來管理。上述三者的有機(jī)結(jié)合，在空間大數(shù)據(jù)的獲取、管理和分析方面有極大的優(yōu)勢，能夠?yàn)楹芏酀撛诘膽?yīng)用提供支持，同時(shí)具有較低的成本。

3 智慧城市精細(xì)化管理的障礙

智慧城市被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)城市化精細(xì)管理的有效手段，但在具體落實(shí)中仍存在很多急待破解的難題。

3.1 數(shù)據(jù)獲取難

城市精細(xì)化管理是智慧城市建設(shè)的一個(gè)主要目標(biāo)，城市精細(xì)化管理的核心內(nèi)涵是精準(zhǔn)，城市管理者在城市精細(xì)化管理時(shí)首先遇到的問題就是精細(xì)化管理所需的數(shù)據(jù)數(shù)量和質(zhì)量都不能滿足要求。我國在經(jīng)過多年的數(shù)字城市和智慧城市建設(shè)后，靜態(tài)獲取數(shù)據(jù)能力有了本質(zhì)的改變，但在動(dòng)態(tài)獲取數(shù)據(jù)方面剛剛起步。智慧城市建設(shè)是一項(xiàng)基于大數(shù)據(jù)的系統(tǒng)工程，做好宏觀規(guī)劃，及早布局智慧城市數(shù)據(jù)獲取解決方案仍是未來一段時(shí)間內(nèi)智慧城市建設(shè)的工作重點(diǎn)。

3.2 缺乏統(tǒng)一的規(guī)范

由于歷史原因，城市管理所需的各種數(shù)據(jù)一直分散管理，標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量也不盡相同。這些問題給智慧城市中的數(shù)據(jù)交換帶來了極大困難，形成大量的數(shù)據(jù)孤島。另外，數(shù)據(jù)成本及交換過程中的利益分配也一直是困擾智慧城市大數(shù)據(jù)應(yīng)用的難題。

數(shù)字城市和智慧城市建設(shè)初期，不同地區(qū)和部門已經(jīng)建立一些智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用系統(tǒng)，為了避免重復(fù)建設(shè)的浪費(fèi)，這些設(shè)施和系統(tǒng)最好納入智慧城市建設(shè)統(tǒng)一框架下，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，核心仍然是數(shù)據(jù)和應(yīng)用系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)問題。

3.3 現(xiàn)有智慧城市智慧程度不高

現(xiàn)有的大部分智慧城市仍然不夠智慧，主要原因是系統(tǒng)算力有限，算法不夠先進(jìn)。造成這一現(xiàn)象的原因：①資金投入不足；②前期規(guī)劃不完善、沒有前瞻性；③沒有持續(xù)改進(jìn)。這些原因也部分是因?yàn)橹腔鄢鞘性缙诜稚⒔?，算力和資金分散在不同的部門。當(dāng)然，智慧城市建設(shè)不是一蹴而就，是一個(gè)漸進(jìn)的過程。在建設(shè)過程中需要通過不斷整合、改進(jìn)和取舍提高智慧城市的智慧程度。

3.4 建設(shè)成本高

無論是早期的數(shù)字城市和現(xiàn)在的智慧城市建設(shè)，其成本都非常高，這既是智慧城市的天然特性所導(dǎo)致，也有規(guī)劃和設(shè)計(jì)方面的原因。隨著數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的本質(zhì)改變，數(shù)據(jù)獲取成本有望進(jìn)一步降低，通過整合智慧城市子系統(tǒng)，共享數(shù)據(jù)、算力和算法Web 服務(wù)可以避免重復(fù)建設(shè)以節(jié)約成本。

4 基于大數(shù)據(jù)和城市大腦的城市化精細(xì)管理

3S 技術(shù)和以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展為智慧城市繼續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。智慧城市精細(xì)化管理需要大量高質(zhì)量適時(shí)的數(shù)據(jù)作支撐，同時(shí)需要高度智慧的系統(tǒng)做出合理的分析結(jié)果和輔助決策。3S 技術(shù)在信息獲取、管理和分析方面的優(yōu)勢，以人工智能為主要特點(diǎn)的城市大腦在“智慧”方面的優(yōu)勢,使二者在智慧城市精細(xì)化管理中能承擔(dān)重要角色。實(shí)現(xiàn)基于3S 大數(shù)據(jù)和城市大腦的智慧城市精細(xì)管理需要做好以下主要方面。

4.1 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)涵蓋的范圍比較廣，主要包括城市中大量傳感器構(gòu)成的物聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)。智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施主要用于城市信息感知，大量的傳感器構(gòu)成城市智慧城市信息感知層的主要部分，這些傳感器設(shè)施可以分為固定和移動(dòng)設(shè)施。固定傳感器包括城市中的溫度、空氣質(zhì)量、攝像頭等；移動(dòng)傳感器包括出租車上的GPS 定位軌跡數(shù)據(jù)、老年人身上的醫(yī)用健康傳感器數(shù)據(jù)、普通航空遙感數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)。尤其是無人機(jī)遙感獲取數(shù)據(jù)極其方便，且精度高、成本低。

基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)是一個(gè)不斷完善，持續(xù)改進(jìn)的建設(shè)過程。傳感器的密度、性能等都會(huì)隨建設(shè)部門的需求、技術(shù)和財(cái)力狀況等不斷完善。同時(shí)新型傳感器和數(shù)據(jù)獲取手段也會(huì)不斷更新，為智慧城市的不斷發(fā)展和新型應(yīng)用提供了可能。例如： 新冠疫情對當(dāng)前的城市管理提出了新的挑戰(zhàn)，在智慧城市中，公共衛(wèi)生監(jiān)測在一段時(shí)間內(nèi)可能成為一種常規(guī)模式。在應(yīng)對這個(gè)挑戰(zhàn)過程中，無人機(jī)溫度監(jiān)測和驅(qū)離等手段嶄露頭角。

智慧城市的這些基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和維護(hù)應(yīng)該在政府的指導(dǎo)下統(tǒng)一部署，同時(shí)整合已有基礎(chǔ)設(shè)施。同時(shí)還應(yīng)做好設(shè)施信息的安全、使用權(quán)限等相關(guān)問題的管理。

4.2 大數(shù)據(jù)及其派生數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)是智慧城市的血液，這些數(shù)據(jù)來源包括政府部門資料、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)（例如社交軟件、新聞、論壇、微博等）、智慧城市物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，遙感和GPS 技術(shù)逐漸成熟也成為智慧城市獲取數(shù)據(jù)的新手段。衛(wèi)星遙感和普通航空遙感都能為城市精細(xì)化管理提供有用的數(shù)據(jù)，特別是近年無人機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展。無人機(jī)遙感擁有適時(shí)、動(dòng)態(tài)、影像精度高、現(xiàn)勢性強(qiáng)、回訪快和靈活等優(yōu)點(diǎn)，甚至能夠適時(shí)交互，能夠有效率彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感和普通航空遙感的不足，有望未來成為城市大數(shù)據(jù)的主要來源。

目前大數(shù)據(jù)存在的主要問題是標(biāo)準(zhǔn)不一致，數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)和使用，沒有共享。智慧城市大數(shù)據(jù)不是傳感器等提供的原始數(shù)據(jù)（raw data），它應(yīng)該根據(jù)需求和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一定的處理，形成可以相互交換的可用數(shù)據(jù)。特別是3S 數(shù)據(jù)，在使用前需要大量的前期處理工作。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的延展，作為邊緣計(jì)算系統(tǒng)依附和靠近數(shù)據(jù)獲取設(shè)施，隔離開基礎(chǔ)設(shè)施同數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用系統(tǒng)。這些數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，也可以分散存儲(chǔ)，但必須有統(tǒng)一的管理平臺(tái)，所有對數(shù)據(jù)的使用都應(yīng)該通過這個(gè)平臺(tái)。

邊緣系統(tǒng)處理過的數(shù)據(jù)成為可用數(shù)據(jù)，但是根據(jù)需要，這些數(shù)據(jù)還需再生出派生數(shù)據(jù)。

由于大數(shù)據(jù)的獲取、處理和使用涉及多個(gè)不同部門，因此需要用統(tǒng)一的機(jī)構(gòu)管理，否則很難保證數(shù)據(jù)的順暢流通。貴州省為了解決這個(gè)問題于2017 年成立了中國首個(gè)省屬大數(shù)據(jù)發(fā)展管理局，此舉對其他城市具有借鑒意義。

4.3 城市大腦建設(shè)

城市大腦最早由劉鋒博士于2015年提出，包括了中樞神經(jīng)、感覺神經(jīng)和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)等。本文提到的城市大腦僅指城市的人工智能中樞，它通過網(wǎng)絡(luò)匯集城市各處的多源數(shù)據(jù)，并做出智慧決策，保障城市的高效、安全運(yùn)行。由于城市大腦的數(shù)據(jù)吞吐和計(jì)算量極大，必須運(yùn)行在云計(jì)算平臺(tái)和高速網(wǎng)絡(luò)上。

智慧城市的行業(yè)應(yīng)用相當(dāng)于運(yùn)動(dòng)神經(jīng)，是城市大腦指令的最終執(zhí)行者。然而，不同應(yīng)用系統(tǒng)的需求、計(jì)算顯然是不同的，城市大腦在云計(jì)算中心構(gòu)建強(qiáng)大的核心計(jì)算模塊時(shí)還必須整合以Web 服務(wù)方式提供的位于不同地理位置或部門的計(jì)算模塊，應(yīng)用端通過統(tǒng)一的平臺(tái)根據(jù)需要組合調(diào)用城市大腦模塊。

以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能不斷發(fā)展，事實(shí)上成為城市大腦的核心技術(shù)。深度學(xué)習(xí)是通過數(shù)據(jù)喂養(yǎng)訓(xùn)練模型，無須事先設(shè)置規(guī)則，僅需定義描述訓(xùn)練數(shù)據(jù)的特征。盡管深度學(xué)習(xí)近來在各個(gè)領(lǐng)域均獲得了大量的成功，但它本質(zhì)上是對數(shù)據(jù)的擬合，它不能建立起人類的認(rèn)知架構(gòu)。在城市大腦中融入人類智慧有助于完善其不足，無論對于智慧城市還是人工智能仍是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

城市大腦建設(shè)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的長期的過程，隨著新技術(shù)和新應(yīng)用的產(chǎn)生，城市大腦中的智慧模塊應(yīng)不斷完善和添加新的模塊。

4.4 行業(yè)應(yīng)用解決方案

行業(yè)應(yīng)用是智慧城市的落腳點(diǎn)，也是城市大腦的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)。杭州城市大腦是我國建設(shè)較早的城市大腦，目前已經(jīng)建立了交通、健康、警務(wù)等48 個(gè)應(yīng)用場景。在具體實(shí)施時(shí)，不同的城市應(yīng)根據(jù)自身特點(diǎn)選擇幾個(gè)行業(yè)應(yīng)用作為突破口。在我國，交通、市政、物流和老齡化是困擾很多大城市的主要問題，智慧交通、智慧城管和智慧醫(yī)療成為大多數(shù)城市的優(yōu)先選擇。

5 結(jié)語

在當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展放緩的背景下，發(fā)展以高科技需求為主的智慧城市建設(shè)既能拉動(dòng)內(nèi)需、加速經(jīng)濟(jì)內(nèi)循環(huán)、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型，同時(shí)也能提高我國城市的精細(xì)化管理能力。