1 智慧城市的概念

1.1“智慧地球”概念的由來

2008年11月，IBM公司總裁兼首席執(zhí)行官彭明盛首次提出“Smart Earth（智慧的地球）”的概念。2009年1月，彭明盛向美國總統(tǒng)奧巴馬提出了“智慧的地球”的戰(zhàn)略，建議新政府投資新一代的智慧型基礎(chǔ)設(shè)施。IBM公司希望“智慧的地球”戰(zhàn)略能掀起“互聯(lián)網(wǎng)”浪潮之后的又一次科技革命，是繼大型機、PC、互聯(lián)網(wǎng)之后符合“十五年周期定律”的第四次科技革命。IBM公司認(rèn)為，隨著新一代信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的發(fā)展和應(yīng)用，在未來，地球上所有的物品都有可能安裝并應(yīng)用智能技術(shù)，幾乎任何東西都可以實現(xiàn)數(shù)字化和互聯(lián)互通，進而能向整個社會提供更加智能化的信息服務(wù)。IBM公司預(yù)計，在人類社會發(fā)展中一些意義深遠的事情正在發(fā)生：每個公民、企業(yè)、組織、城市、國家、自然系統(tǒng)和社會系統(tǒng)正在實現(xiàn)更透徹的感應(yīng)和度量、更全面的互聯(lián)互通，在此基礎(chǔ)上人類將獲得更智慧的洞察，實施智慧化的創(chuàng)新，從而為經(jīng)濟和社會發(fā)展提出了一條全新思路。由于這些技術(shù)的進步，地球?qū)⒆兊酶?，變得更?ldquo;扁平”，也變得更加“智慧”。這就是“智慧的地球”所描繪的愿景。

1.2智慧地球是信息化的一個更高發(fā)展階段

“智慧的地球”，是站在整個人類文明發(fā)展的高度上對于信息技術(shù)如何全面改進人類生活所提出的愿景，即如何通過更加“智慧”的方式讓我們的生活更美好，這是全人類共同關(guān)注的發(fā)展之道。因此，作者認(rèn)為智慧地球是信息化的更高發(fā)展階段的目標(biāo)。現(xiàn)階段，人類在逐步實現(xiàn)數(shù)字化、電子化，在持續(xù)推進網(wǎng)絡(luò)化和信息化，在推進信息化與工業(yè)化的深度融合，并逐步實現(xiàn)智能化，這都是邁向智慧地球的一個個階段。未來幾十年，人類將逐步進入信息化的更高發(fā)展階段——智慧地球。目前，世界仍處于智慧地球的初級階段，如表1。

表1 數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、兩化融合、智能化和智慧地球的不同特征

1.3智慧城市的定義

智慧城市，英文可以譯為Smart City。簡單地講，智慧城市就是城市基礎(chǔ)部件被賦予智能，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)互通，在此基礎(chǔ)上，城市所有的事物、流程、運行方式都更深入地智能化，從而促進民眾生活便利、促進經(jīng)濟發(fā)展與提升政府效率，增強城市競爭力、實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的先進的城市發(fā)展理念。

2 智慧城市的組成要素、基本原則和數(shù)學(xué)模型

2.1智慧城市的五個基本要素

圖1 智慧城市的架構(gòu)圖

2.1.1智能化的城市部件，它構(gòu)成了智慧城市的“神經(jīng)末梢”

城市的房屋、交通設(shè)施、電力設(shè)施、通信設(shè)施、地下管道等城市基礎(chǔ)設(shè)施、汽車、手機、工具等城市基礎(chǔ)零件，通過裝備芯片、傳感器、RFID等技術(shù)，實現(xiàn)物體“智能”化，建立局部的城市物聯(lián)網(wǎng)。

2.1.2城市互聯(lián)互通的信息網(wǎng)絡(luò)，它構(gòu)成了智慧城市的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”

新一代光纖寬度網(wǎng)絡(luò)貫通城市和鄉(xiāng)村，移動寬帶網(wǎng)絡(luò)覆蓋城鄉(xiāng)每個區(qū)域，所有城市部件被賦予IPV6的地址，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)接入通信網(wǎng)、有線電視網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)。

2.1.3基于云計算的城市新型業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺，它構(gòu)成了智慧城市的“中樞系統(tǒng)”

城市數(shù)據(jù)中心通過虛擬化技術(shù)實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的公共服務(wù)，城市各種計算平臺、各個行業(yè)的應(yīng)用通過云計算平臺來提供隨需而變的服務(wù)。云計算平臺將成為21世紀(jì)先進城市的基本業(yè)務(wù)平臺，智能物體構(gòu)成云端，互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成云計算的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，虛擬化的數(shù)據(jù)資源池構(gòu)成了云計算的共享基礎(chǔ)設(shè)施，業(yè)務(wù)流程、應(yīng)用和服務(wù)都基于云計算平臺以服務(wù)的方式提供，如政務(wù)云、商務(wù)云、醫(yī)療云、教育云等。

2.1.4城市的海量數(shù)據(jù)，它構(gòu)成了智慧城市的“血液和養(yǎng)料”

城市各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)、信息和知識，包括城市空間、人口、法人、經(jīng)濟、金融、文化等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)之間又相互關(guān)聯(lián)，構(gòu)成了城市海量數(shù)據(jù)、信息和知識資源庫。

2.1.5知識型的勞動者，它構(gòu)成了智慧城市的“細胞和生命元”

城市的勞動者是用知識和信息技術(shù)武裝的智力勞動者，這些勞動者通過信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個個知識網(wǎng)絡(luò)，他們與云計算和物聯(lián)網(wǎng)平臺上的智能代理來協(xié)作完成城市的各種復(fù)雜工作。城市智力勞動者通過相互協(xié)作關(guān)系所建立起來的社會組織結(jié)構(gòu)是扁平化的、基于社交網(wǎng)絡(luò)進行協(xié)作的、學(xué)習(xí)型的、快速反應(yīng)的智慧型組織。這些組織體現(xiàn)為智慧企業(yè)、智慧政府、智慧社區(qū)等。
 

把數(shù)字城市和物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來的所形成的智慧城市將具備以下一些特征：

1）“智慧城市”是基于物聯(lián)網(wǎng)的智能城市。物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，其核心與基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò)，它將網(wǎng)絡(luò)用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，相互之間可以進行信息的交換和通訊。物聯(lián)網(wǎng)的3個基本特征：①全面感知：即利用RFID、傳感器、二維碼等隨時隨地獲取物體的信息；②可靠傳遞：通過各種電信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實時準(zhǔn)確地傳遞出去；③智能處理：利用云計算，模糊識別等各種智能計算技術(shù)，對海量的數(shù)據(jù)和信息進行分析和處理，對物體實施智能化的控制。

2）“智慧城市”面向應(yīng)用和服務(wù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是無線網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，與以往的計算機網(wǎng)絡(luò)相比,它更多的是以數(shù)據(jù)為中心。由微型傳感器節(jié)點構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則一般是為了某個特定的需要設(shè)計的，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)廣泛的應(yīng)用程序不同的是，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是針對某一特定的應(yīng)用,是一種基于應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)，各個節(jié)點能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些數(shù)據(jù)進行處理，從而獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，將其傳送到需要這些信息的用戶。

3）“智慧城市”與物理城市融為一體。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，各節(jié)點內(nèi)置有不同形式的傳感器，用以測量熱、紅外、聲納、雷達和地震波信號等，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等眾多人們感興趣的物質(zhì)現(xiàn)象。傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)以人為中心，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則是以數(shù)據(jù)為中心。

4）“智慧城市”能實現(xiàn)自主組網(wǎng)、自維護。一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中可能包括成百上千或者更多的傳感器節(jié)點，這些節(jié)點通過隨機撒播等方式進行安置。對于由大量節(jié)點構(gòu)成的傳感網(wǎng)絡(luò)而言，手工配置是不可行的。因此,網(wǎng)絡(luò)需要具有自組織和自動重新配置能力。同時，單個節(jié)點或者局部幾個節(jié)點由于環(huán)境改變等原因而失效時，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋺?yīng)能隨時間動態(tài)變化。因此，要求網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備維護動態(tài)路由的功能,，才能保證網(wǎng)絡(luò)不會因為節(jié)點出現(xiàn)故障而癱瘓。