從數(shù)字城市到智慧城市的理論與實(shí)踐

王恒續(xù)

中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司 重慶 400000

引言

現(xiàn)階段，數(shù)字城市已經(jīng)被普遍應(yīng)用到安全管理、基礎(chǔ)資源管理、社會(huì)綜合信息管理等多個(gè)方面，可以為科學(xué)決策的制定提供重要輔助信息，簡(jiǎn)化和完善服務(wù)流程，提升辦事水平，充分彰顯地理信息在社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的積極作用。智慧城市是知識(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和信息技術(shù)變革的重要產(chǎn)物，是城市化與信息化的深度融合，是在數(shù)字城市建設(shè)基礎(chǔ)上形成的，也是智慧化發(fā)展的重要趨勢(shì)。

1 數(shù)字城市的發(fā)展以及成就

數(shù)字城市是有效結(jié)合城市地理信息和其他城市信息的、存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的、可以連接城市內(nèi)外的虛擬空間，是數(shù)字地球的重要內(nèi)容[1]。數(shù)字城市為城市安全應(yīng)急響應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)等創(chuàng)造了優(yōu)越的條件，是信息時(shí)代下城市健康穩(wěn)定發(fā)展的重要方式。數(shù)字城市發(fā)展至今有很多成就，其主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.1 實(shí)現(xiàn)了二維城市向三維城市的轉(zhuǎn)變

在地理信息研究、傳輸和表達(dá)中，地圖是重要載體，而數(shù)字城市的出現(xiàn)改變了這一傳統(tǒng)觀念，使人類在分析地表空間事物信息方面取得二維到三維的飛躍性發(fā)展。在城市規(guī)劃中，三維城市模型是重要手段，現(xiàn)階段其被廣泛應(yīng)用到無線電信號(hào)傳播、軍事研究等多個(gè)領(lǐng)域。

1.2 形成新一代城市數(shù)字規(guī)劃平臺(tái)

數(shù)字城市主要應(yīng)用于城市設(shè)計(jì)和城市規(guī)劃中，數(shù)字規(guī)劃平臺(tái)是為數(shù)字城市服務(wù)的空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施。它形成了新一代城市規(guī)劃信息共享平臺(tái)，其中包括房地產(chǎn)銷售平臺(tái)、城市應(yīng)急響應(yīng)平臺(tái)、物流配送平臺(tái)等等。

1.3 城市網(wǎng)格化管理與服務(wù)

網(wǎng)格化管理主要是指利用網(wǎng)格技術(shù)，以單元網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，將城市行政區(qū)域劃分為多個(gè)網(wǎng)格狀單元，單元網(wǎng)格明確城市管理責(zé)任人[2]。城市管理監(jiān)督員要全方位監(jiān)控管理網(wǎng)格單元實(shí)施全時(shí)段，從而全區(qū)域、分級(jí)、分層管理城市。城市網(wǎng)格化管理與服務(wù)系統(tǒng)利用相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)城市管理公正化、客觀化、精細(xì)化和人性化以及科學(xué)化。

1.4 基于數(shù)字城市的空間信息共享與服務(wù)

數(shù)字城市是城市空間信息集成的重要平臺(tái)，基于數(shù)字城市的空間信息共享包括對(duì)空間信息資源提供在線服務(wù)。有效組合各種服務(wù)資源，可以提取和加工更高級(jí)的信息，提供更加高水平、智能化的服務(wù)。

2 從數(shù)字城市到智慧城市

數(shù)字地球有效聯(lián)系了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遙感技術(shù)、地球信息系統(tǒng)等，為全球信息化的實(shí)現(xiàn)提供了基本框架。有效結(jié)合數(shù)字地球與物聯(lián)網(wǎng)，可以構(gòu)建智慧地球。

2.1 智慧城市的產(chǎn)生

智慧地球是智慧城市產(chǎn)生的源頭，2008年11月智慧地球這一理念被提出。智慧地球是指在各行各業(yè)充分發(fā)揮新一代IT技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在全球各個(gè)角落融入感應(yīng)器，普遍連接電網(wǎng)、隧道、公路、鐵路等，進(jìn)而形成物聯(lián)網(wǎng)。隨后利用互聯(lián)網(wǎng)有效整合物聯(lián)網(wǎng)，使人們以動(dòng)態(tài)化、精細(xì)化的方式管理生產(chǎn)生活，使全球處于智慧狀態(tài)。智慧城市是智慧地球的重要組成部分，它是與民生密切相關(guān)的內(nèi)容。智慧城市是物聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字城市結(jié)合的重要產(chǎn)物，主要包括智慧安全網(wǎng)、智慧控制網(wǎng)等多項(xiàng)內(nèi)容。智慧城市理念是將傳感器設(shè)置到城市的各個(gè)物體中，最終形成物聯(lián)網(wǎng)，并利用云計(jì)算、超級(jí)計(jì)算機(jī)等有效整合物聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)而有效整合數(shù)字城市與城市系統(tǒng)。通過智慧城市可以實(shí)現(xiàn)城市智慧化服務(wù)與管理。總之，智慧城市是物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的產(chǎn)物。

2.2 智能傳感網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)代信息技術(shù)主要包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)，它們負(fù)責(zé)完成采集、傳輸和處理信息工作。與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相比，傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力更強(qiáng)，具有十分明顯的實(shí)時(shí)性和容錯(cuò)性。隨著傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，未來傳感器將組成智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)。智能傳感網(wǎng)絡(luò)中，傳感器是一個(gè)可存取的節(jié)點(diǎn)，在該網(wǎng)絡(luò)上需要在線編程功能。傳感網(wǎng)是一個(gè)全新的技術(shù)范圍，它有效互聯(lián)了物與物，因此被稱為物聯(lián)網(wǎng)。在廣義上，空間信息網(wǎng)格主要是指在網(wǎng)格技術(shù)的支持下，空間數(shù)據(jù)從獲取、處理、存儲(chǔ)等到實(shí)際應(yīng)用的全新空間信息系統(tǒng)。在傳感器技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，每天都會(huì)使用各種傳感器接受大量豐富的數(shù)據(jù)源，這為遙感網(wǎng)絡(luò)化、產(chǎn)業(yè)化、實(shí)用化以及利用城市各種資源實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與管理提供了重要保障。

2.3 全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)

IP明確規(guī)定計(jì)算機(jī)在因特網(wǎng)上開展通信時(shí)，要嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)則，任何類型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)只要遵守IP協(xié)議便可以互聯(lián)網(wǎng)互通因特網(wǎng)[3]。未來的網(wǎng)絡(luò)將全部都是IP網(wǎng)絡(luò)，它可以無縫連接各種方式，在IP層中有效集成移動(dòng)因特網(wǎng)、寬帶和無線系統(tǒng)，通過利用一種網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供通信服務(wù)，為運(yùn)營(yíng)商帶來諸多好處，例如降低成本支出，提升網(wǎng)絡(luò)的靈活性和擴(kuò)展性，提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行水平，創(chuàng)造更多收入機(jī)會(huì)。智能傳感器是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)督事務(wù)系統(tǒng)，它通過利用各種儀器自動(dòng)識(shí)別移動(dòng)或者靜止的物體，并開展數(shù)據(jù)交換。信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由全球互聯(lián)網(wǎng)和本地網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，是進(jìn)行信息管理和流通的重要功能模塊。全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)有效結(jié)合了智能安全網(wǎng)、智能傳感網(wǎng)、智能控制網(wǎng)的特征，真正做到了管理、跟蹤、定位等的智能化。

3 智慧城市基礎(chǔ)理論

智慧城市是在城市全面數(shù)字化基礎(chǔ)上建立的，可視、可量測(cè)的智能化運(yùn)營(yíng)和管理，其主要包括綜合決策支撐平臺(tái)、城市信息管理平臺(tái)等。在智慧城市應(yīng)用和實(shí)踐中，智慧城市理論是重要基礎(chǔ)。

3.1 智慧城市基本特征

第一，智慧城市是以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智能城市[4]。物聯(lián)網(wǎng)的核心是互聯(lián)網(wǎng)，是互聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)展和延伸，它將網(wǎng)絡(luò)用戶端延伸到了物品間，實(shí)現(xiàn)的信息的通訊和交換。一方面，物聯(lián)網(wǎng)通過有效融合互聯(lián)網(wǎng)和各種電信網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的傳遞物體信息；另一方面，利用云計(jì)算等智能計(jì)算技術(shù)，分析處理海量的信息和數(shù)據(jù)，從而智能化控制物體。

第二，智慧城市面向應(yīng)用與服務(wù)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)有效結(jié)合了數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相比，以數(shù)據(jù)為核心。由微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)是為了滿足某一特定需求而設(shè)計(jì)的，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，無線傳感網(wǎng)絡(luò)是某一特定的應(yīng)用，是一種以無線網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的應(yīng)用，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的協(xié)作情況，采集和感知網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并開展科學(xué)的數(shù)據(jù)處理工作，從而獲得可靠的信息，將這些信息及時(shí)傳遞給用戶。

第三，智慧城市可以實(shí)現(xiàn)自主維護(hù)和自主組網(wǎng)。單一無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中包含很多傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)通過使用隨機(jī)撒播等方式進(jìn)行安置。因此對(duì)于傳感網(wǎng)絡(luò)來說，手工配置是不可能的，需要使用網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)配置[5]。同時(shí)受到環(huán)境改變等原因的影響，單個(gè)節(jié)點(diǎn)或者局部幾個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)失效，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟矔?huì)隨著時(shí)間的變化而發(fā)生變化。為此，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具備強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)路由維護(hù)功能，從而避免網(wǎng)絡(luò)因?yàn)楣?jié)點(diǎn)問題而發(fā)生故障。

第四，智慧城市與物理城市融為一體。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)會(huì)設(shè)置不同形式的傳感器，利用傳感器測(cè)量地震波信號(hào)、紅外、聲吶等，探測(cè)土壤成分、濕度、溫度、壓力等人們感興趣的物質(zhì)現(xiàn)象。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以人為核心，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則以數(shù)據(jù)為核心。

3.2 智慧城市的組成

智慧城市是指利用智慧方法，通過使用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)改變?nèi)藗儭⒄?、企業(yè)等方面的交往方式，智能、快速響應(yīng)城市服務(wù)、公共安全、民生等需求，從而提升城市運(yùn)行質(zhì)量，為居民創(chuàng)造更加穩(wěn)定、美好的城市生活[6]。站在功能的角度來看，智慧城市架構(gòu)主要包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備層、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)支撐層等層次。

3.3 智慧城市模型

在城市中，公眾、政府、企業(yè)是必不可少的主體，他們通過智能服務(wù)形成良好的互動(dòng)，進(jìn)而降低行政成本支出，提升綜合經(jīng)濟(jì)利益[7]。在智慧城市模型中，強(qiáng)調(diào)公眾、政府和企業(yè)間的有效協(xié)作，利用物聯(lián)網(wǎng)的智能服務(wù)形成良好的互動(dòng)和交流。例如，某城市智能模型是一種全時(shí)段、全要素、全覆蓋的智能化城市管理和諧模式，它利用智能化手段，以優(yōu)質(zhì)高效服務(wù)為核心，實(shí)現(xiàn)政府、企業(yè)、市民間的有效互動(dòng)，有效銜接城市管理智能化與行業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)化，真正實(shí)現(xiàn)條塊資源的有效整合與科學(xué)聯(lián)動(dòng)，建立政府部門有效監(jiān)督協(xié)調(diào)、企業(yè)規(guī)范運(yùn)營(yíng)、市場(chǎng)積極參與的聯(lián)動(dòng)制度。

4 智慧城市典型設(shè)計(jì)與應(yīng)用

智慧城市通過利用IP地址將相關(guān)資源整合，真正實(shí)現(xiàn)城市運(yùn)轉(zhuǎn)智能化。智慧城市為城市各行各業(yè)發(fā)展帶來的全新的契機(jī)。第一，智慧城市有利于更加有效的開展城市網(wǎng)格化管理，提供相關(guān)服務(wù)。比如，重慶市有210萬個(gè)部件設(shè)備，850萬人，每年發(fā)生幾十萬的事情，可以利用智能數(shù)據(jù)采集、智能分析等，為人口、事件、部件設(shè)施等提供高質(zhì)量管理和服務(wù)。第二，以智慧城市為載體的智能交通。智能交通系統(tǒng)通過變革傳統(tǒng)的交通系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)交通系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化。智能化采集天氣、溫度、流量等，為人、車、路與環(huán)境的有效交流提供重要保障，從而增強(qiáng)交通系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、安全性和機(jī)動(dòng)性。比如某市利用車載移動(dòng)傳感器，采集全市范圍內(nèi)幾萬個(gè)興趣點(diǎn)，并開展公眾服務(wù)，為游客與居民的衣食住行提供便利。第三，以智慧城市為基礎(chǔ)的數(shù)字家庭應(yīng)用。數(shù)字家庭通過利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，使用不同的互聯(lián)方式將各種不同的家電連接到一起，真正實(shí)現(xiàn)家用電器和其他家庭用品間的互聯(lián)和互通。無論是在室內(nèi)，還是在戶外，都可以利用物聯(lián)網(wǎng)接入終端，讓每一個(gè)家庭享受智慧地球的信息化成果。第四，智慧城市下的城市公共安全服務(wù)[8]。在智慧城市應(yīng)用中，城市公共安全服務(wù)是典型代表。智慧城市下的城市公共安全服務(wù)可以安防監(jiān)控住宅小區(qū)、校園、城市工地等。第五，智慧城市在其他方面的應(yīng)用。智慧城市在其他方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在智慧城市下的戶外流媒體服務(wù)以及應(yīng)急聯(lián)動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)等等。在未來智慧城市將會(huì)為群眾提供更加便捷的服務(wù)，也會(huì)在一定程度上縮小城鄉(xiāng)差距，提升政府工作質(zhì)量和效率，促進(jìn)國(guó)家長(zhǎng)治久安，提升經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，數(shù)字城市為城市安全應(yīng)急、網(wǎng)格化管理等創(chuàng)造了優(yōu)越的條件，是信息時(shí)代下城市和諧發(fā)展的重要手段和方法。數(shù)字城市有效融合物聯(lián)網(wǎng)將實(shí)現(xiàn)智慧城市，而智慧城市可以為人與機(jī)器、人與人、機(jī)器與機(jī)器的溝通提供高質(zhì)量服務(wù)，并提供IP靈性服務(wù)，從數(shù)字城市到智慧城市，是城市發(fā)展必然趨勢(shì)，也是為人們提供高質(zhì)量服務(wù)的重要途徑，有利于推動(dòng)國(guó)家長(zhǎng)治久安目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。