智慧城市縱橫談

文｜ 中國科學院自動化研究所 陳 龍

智慧城市和物聯網是當前國內信息化建設的兩個最大熱點，出現了“物聯網智慧城市”這樣的提法及口號。

1 智慧城市的概念

智慧城市的概念其實非常簡單，即一種高于數字化城市、智能化城市，讓市民依托信息化基礎建設的完善，充分享受城市信息化帶來的智慧化城市生活。

智慧城市的定義有多種多樣，爭論不少，但筆者以為智慧城市應具有下列五項的特征：

（1）基礎是互聯網、物聯網、廣電網、無線移動通信網等各類網絡。

（2）有效載體是數量眾多功能齊全的高級終端。

（3）目標是能方便城市生活的各個方面，如智能小區、智能交通、智能化學校、智能電網、智能物流、應急指揮、智慧政府辦公系統等。

（4）其效益是使城市更加安全、便捷、高效、綠色健康。

（5）注重點還包括應大幅度提高處理突發事件的應變能力、節約能量及環境保護的可持續性。

智慧城市應有的特征是全面物聯、實時傳送、智能處理、協同運作。智慧城市的建設過程，筆者認為從建設階段上可以劃分為平安城市、數字城市、智慧城市三步曲，它們各自的應用功能不僅是一層層拓寬的，在出現的時間上也會顯示出前因后果的關系。當前，無論是基于聯網視頻監控的平安城市，基于3S技術的數字城市，還是基于物聯網技術的智慧城市，都已被列入信息產業和城市基礎設施發展戰略重點，受到了從中央到地方政府的高度重視。

2 平安城市是智慧城市的初級形態

（1）平安城市的核心是視頻聯網監控系統，它由分布于城市各處的前端攝像機單元、視頻圖像網絡傳輸系統、視頻圖像存儲系統、視頻監控系統管理平臺軟件、圖像智能分析應用軟件、網絡安全保障等六大單元組成，如圖1所示。

圖1 平安城市內容的基本系統架構

這其中的管理核心是城市綜合管理信息公共服務平臺，包括城市內視頻監控系統、數字化城市管理系統、道路交通管理系統等，并利用市區級數據交換平臺來實現資源的共享。視頻管理平臺產品的先進性和可靠性是平安城市系統長久穩定運行的最大保障，而反過來，平安城市也成為平臺化思路在城市信息化建設中應用得最為成功的領域之一。

（2）平安城市作為數字城市和智慧城市的先行者，其所積累的經驗和教訓會給今后數字城市、智慧城市建設帶來很多有益的啟示。由于平安城市建設和運營所需的資金非常龐大，建設和維護異常復雜，這就造成了各種商務模式在平安城市中都得到了一定程度的使用。平安城市建設的商務模式包括BT（建設－轉讓）、BOT（建設一經營一轉讓）、BLT（建設－租賃－轉讓）、BTO（建設一轉讓一經營）、BOOT（建設－經營－擁有－轉讓）等模式。

也正因為平安城市的建設和運營對企業在資金、技術、管理和運營方面的能力提出了非常高的要求。這也就是為何目前大量的平安城市項目都落到電信運營商、從事IT或通信項目的大型IT企業手中的緣故。

（3）從2005年的“3111試點工程”算起，我國平安城市建設項目已經走過了6個年頭，在國內引起了相當大的重視和反響，并積累了一定的建設經驗，現在正在向二三線城市和廣大農村地區推廣與普及，仍然有著很強的市場空間。

但反思平安城市建設中存在的問題，主要是圖像的清晰度不夠高，當時采用的模擬攝像機大多數不能滿足監控環境的應用需求，造成大多的視頻監控圖像只能“看得見”、但目標“看不清楚”的實際效果，使監控效率和實用性下降了不少，一旦發生緊急事件起不到提供重要線索的作用。究其原因，還是受到當時攝像機選型因技術和價格上的制約而只能選用中等分辨率的模擬攝像機所致。

而現今高清攝像機以其優越的性能及可接受的價格已經開始并將會逐步取代標清攝像機；能夠大幅提高視頻的分辨率，性能優勢顯著，高清攝像機相比于40萬像素（D1分辨率）的標清攝像機，其最大優勢是高分辨率的辨識效益以及更大的覆蓋范圍與畫質。在監控范圍相同條件下，一臺高清攝像機可替代兩三臺標清攝像機，甚至更多，目前一部720P的IP攝像機可替代兩部D1標清攝像機，并可增加33%的視野。

為了解決現有平安城市監控系統中存在的問題，使視頻安保系統由“看得見”全面轉向“看得清楚”，高清監控是發展的必然趨勢，特別經過2010年的上海世博會的應用，行業普及可能性得到了充分的證明。與此同時，物聯網將在此過程中不斷發揮出越來越重要及跨行業的作用。同時，隨著智慧城市的熱起，平安城市也會顯示出其基礎性和多元化的特性。

（4）實現高清監控當前最熱門的是采用IPC網絡攝像機和HD-SDI高清攝像機兩種方案，其對比如表1所示。Intersil公司的SLOC（Security Link Over Coax）混合視頻監控方案是一種創新，它通過一條同軸電纜能同時傳輸模擬CVBS視頻和高清數字IP視頻，這就使得百萬象素IP攝像機能在現有的CCTV同軸基礎設施上運行，最大監控距離可達300m。Sony公司將于2012年3月份正式推出基于SLOC的產品。網絡攝像機的普及率在歐美等發達國家已有50%的規模，而中國的IP監控還只在10%左右，增長空間巨大。

表1 HD-SDI和IPC高清攝像機對比表

3 數字化城市是智慧城市的中級形態

在實現智能化住宅和智能化小區后，城市的智能化程度將被進一步強化，出現面貌一新以信息化為特征的數字化城市，有時也將其稱為智能化城市。

數字化城市的特征筆者以為可述如下：

一是有城市級的3S（GIS、GPS、RS）系統，實現城市基礎設施的數字化。3S技術提供了與空間地理相關的基礎數據庫，使得城市交通、物流、醫療、教育、城管等領域的智能化應用得以逐步實現。

二是通信的高度發達，力爭三網融合與資源共享，實現城市光纖到路邊FTTC（Fiber To The Curb）、光纖到大樓FTTB（Fiber To The Building）、光纖到小區FTTZ（Fiber To The Zone），甚至是光纖到家庭FTTH（Fiber To The Home）。

三是計算機的普及和城際網絡化，電子商務和電子政務成為人們生存的時尚，出現多種多樣的城市數字化應用，計算機網絡終端將主宰人們的工作、學習、辦公、購物、炒股、休閑等幾乎所有領域。

四是城市管理平臺化以及辦公作業的無紙化和遠程化。透過計算機網絡，將有助于避免城市人口的過度集中，可以協助解決城市功能負荷過重等難題，還能夠有效地預防及控制城市災害的發生。

4 智慧城市是城市信息化建設期盼達到的主要目標

（1）智能化家居和住宅是智慧城市最有可能的噴發點。智能化住宅是人們理想生活的目標，也是社會關注的熱點，傳統的智能家居核心是智能家居控制系統和家庭網關。

①智能家居系統包括中央控制主系統、防盜安全子系統、家電控制子系統、窗簾控制子系統、照明觸控子系統、環境監測子系統、健康監護子系統、能源管理子系統、影音娛樂子系統、遠程控制子系統等。有了它，即使遠在天涯，也可讓你和你的家依然近在咫尺。

②家庭網關是家庭智能的標志。家庭網關能使有不同網絡協定的設備互相溝通，家庭網關具備兩個主要功能：一是作為外部接入網連接到家庭內部，同時將家庭內部網絡連接到外部的一種物理接口；二是使住宅內用戶可以獲得各種家庭服務的平臺。

但物聯網的觸角已伸入到家居智能化領域，極大地提升了智能家居的水平，出現了新型的物聯網智能家居。此時的智能家居已成為物聯網應用中的基礎應用之一。智能家居遲早會像電視、冰箱、空調、手機、電腦一樣進入千家萬戶，成為老百姓生活的必需品，物聯網型智能家居產品要求安裝簡單，使用方便，維護不用操心，擴展隨心所欲，能夠自己組裝。

（2）智能化小區是智慧城市建設最基本的單元。智能化小區的基本智能定義為“居家生活信息化、小區物業管理智能化、IC卡通用化”，智能小區的建筑物除滿足基本生活功能外，還要考慮安全、健康、節能、便利、舒適五大要素，以創造出各種環境（綠色環境、回歸自然的環境、多媒體信息共享環境、優秀的人文環境等），從而標志小區智能化有著不同的等級。當然，小區智能化有一個過程，它將伴隨著智能化技術的發展及人們需求的不斷增長和完善，這表明了可持續發展性應是小區智能化的重要特性。

（3）智能交通、應急指揮、智能電網、智慧園區、智能物流、數字校園、數字城管、數字環保、食品安全、平安家居、安全監管等，這些方面的實現以及建立智慧型的政府辦公系統是智慧城市的標志性體現。但概括而言，可劃分為智慧政府、智慧民生、智慧產業三大領域。

這其中，視頻監控領域至關重要的核心業務是未來將會變得越來越成熟的智能分析技術。傳統的視頻監控中存在很多不足，如多數視頻與顯示裝置不夠對稱的矛盾、值班人員注意力難以集中、只能事后追溯而無法進行事前預警、海量視頻信息難以有效利用，而智能視頻分析系統則能在效率、成本、安全性、個性化需求等方面對傳統視頻監控加以改進。使之能幫助實現視頻監控由被動防御向主動防御的變革，逐步改變只能是“事后諸葛”而缺乏預防特征的現狀。它也能讓監控人員從繁瑣的操作和海量的信息中解脫出來，以幫助他們更高效、更精確的管理監控目標，因此視頻智能將成為智慧城市建設的生力軍。

個性化的智能數字監控解決方案包含三個重要概念：一是如何從瀚如煙海的數據中挖掘出對各行業有用的新知；二是保證基礎架構及設備與設備間的數據流動；三是降低數據對于來自于不同用戶或者不同系統的訪問障礙。智能分析技術對視頻監控的將會有著非常深遠的影響。如圖2所示。

智能分析的意義主要體現在三個方面：一是智能分析將被動監控變為主動監控，從而將會提升安防產品的附加值；二是智能分析提高了行業門檻，只有擁有充足技術和規模優勢的龍頭企業才有資格參與這場競爭；三是智能分析帶來運營模式的改變，從傳統的設備制造轉向運營服務，智能分析系統由于在“云計算”的模式運行下更有效率、效果更好，因此也將加速設備廠商向運營服務商的轉型。

圖2 智能視頻分析技術

智能視頻分析系統現已實現的功能主要是從視頻中提取各類信息并進行分析檢測，檢測種類包括：跨線檢測、進入區域檢測、離開區域檢測、區域內出現目標、違章停車檢測、物品放置拿取檢測、目標徘徊檢測、人員聚集檢測、快速移動檢測、人數統計等，但還遠未發揮出其應有的實用作用。

5 撐起智慧城市建設的主要技術支持

5.1 物聯網（The Internet of things）

物聯網是實現物與物之間互聯的網絡，使得它們能通過云計算中心而進行交換和運行，實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理等諸多功能。物聯網的內涵包括兩個方面：第一，物聯網的基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物體與物體之間，使其進行信息交換和通信。物聯網具有整合感知識別、傳輸互聯和計算處理等功能，是對新一代信息技術的高度集成和綜合運用。物聯網將人與人之間的信息交互溝通向人與物、物與物擴展延伸，它的應用為優化資源配置、加強科學管理、緩解資源能源約束提供了可能，拓寬了道路。但物聯網的關鍵應用是視頻，物聯網的核心價值是智能，物聯網的發展前提是標準。

物聯網已成為當前世界新一輪經濟和科技發展的戰略制高點之一，我國《物聯網“十二五”發展規劃》（以下簡稱規劃）已于2012年2月14日正式出臺，作為戰略性新興產業的重要組成部分，物聯網對加快轉變我國經濟發展方式將起到重要的作用，對于促進經濟發展和社會進步也具有重要的現實意義?！兑巹潯啡Χ酥攸c發展的九大應用，包括智能工業、智能農業、智能物流、智能交通、智能電網、智能環保、智能安防、智能醫療和智能家居。

5.2 云計算技術和云服務

云計算是構建智慧城市的資源池和綜合平臺基礎。云計算將驅動智慧城市發展，讓城市飄起智慧云。

云計算作為一種基于互聯網的計算新方式，通過互聯網上異構、自治的服務為個人和企業用戶提供按需即取的計算，云計算基地可能是云集上百萬臺服務器的數據開發和處理中心。以云計算和物聯網為代表的通信技術不僅將深刻影響和改變整個城市的經濟模式，也將給城市的發展注入全新的活力和動力，并深遠地影響每個人的生活

云計算整個產業分成基礎構架式服務IaaS（Infrastructure as a Service）、平臺式服務PaaS（Platform as a Service）、軟件式服務SaaS（Software as a Service）三個領域。云計算是技術、運營和商業模式的協同，關鍵技術是基礎，商業模式是要點，運營能力是核心。

云是一種服務，它無時不在，無處不有。隨著生活品質的進一步提高，人們的健康監測、食品安全、安保防護等信息將成為家庭生活中重要且不可丟失的數據，這些數據不僅要求及時響應，而且還要求可被隨時隨地溯源，離開了云，這些都將變得非常困難，云或許將會成為不可或缺的基礎服務，信息云也將成為人們最關注的重點。

5.3 節能減排和低碳生態綠色技術

智慧城市的特征和追求的目標是實現人與建筑和環境的共生共榮，構筑“資源節約型、環境友好型”的人與自然和諧相處的城市。

數據顯示，城市面積僅占地球面積的2%，但容納了70%的人口，產生了80%的溫室氣體。在全球氣候變化的大背景下，城市節能減排、走低碳發展之路成為協調經濟社會平穩發展與環境保護之間的必然選擇。建筑節能是綠色建筑中的主要成份，“以人為本”的節能才真正是綠色建筑的本意。

智慧城市要求實現城市是綠色的和低碳的。低碳經濟是以低能耗、低污染、低排放為基礎的經濟模式，所謂“低碳”不僅是要減少二氧化碳的排放量，更重要的是如何把握地球資源的消耗總量和利用效率，保證子孫后代的可持續發展。低碳經濟的實質是能源高效利用、清潔能源開發、追求綠色GDP的問題，核心是能源技術和減排技術的創新、產業結構和制度的創新以及人類生存發展觀念的根本性轉變，“低碳”將是一個長期實用的生活形態，任何節能和低碳措施都必須考慮實際的效益。

據住房和城鄉建設部的最新統計數據表明，中國的城鎮化率，已由2010年的不到47%增加到2011年底的51.27%，增長勢頭非常迅猛。同時根據聯合國發布的報告，全球超過50萬人口的城市中有1/4是在中國，故對中國而言，節能減排和生態環保更是中國的當務之急。