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一篇文章說清楚智慧城市主要有哪些結構？
在數字化轉型全面提速的背景下，智慧城市建設迎來新機遇。智慧城市的建設，不是一朝一夕就能實現，這背后離不開相關企業、科研單位和政府部門的努力，當然同樣需要眾多新興技術的加持，主要有以下幾個方面。
空間信息技術
空間信息技術為智慧城市的城市信息數據化提供了有效途徑和有力保障。通過空間信息技術(3S技術)與計算機技術可以數字化城市信息,從而實現對城市的管理、規劃和建設。如使用遙感(RS)手段采集地表觀測數據,借助全球導航衛星系統(GNSS)技術采集城市人或物的軌跡數據等,最后利用地理信息系統(GIS)的方法對采集城市空間數據進行整合和分析。總之,3S技術為數字城市建設過程中信息的挖掘與分析提供了重要技術支撐。
GIS技術,是在計算機硬/軟件系統支持下,對整個或部分地球表層(包括大氣層)中的地理數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。GIS技術已被應用于城市活動中的各個方面,涉及城市交通、自然資源考察、環境評估、自然災害預報、國土管控與規劃、軍事公共安全、水力發電、公共服務設備管理等。它為數字城市龐大數據的存儲、管理和運維提供有效的載體。
RS技術,從廣義上常被界定為不直接與目標物體接觸,而是從較遠距離獲取目標對象的信息并完成識別的數據采集手段。近年來,遙感逐步向“空天地一體化”方向發展,全方位地從多途徑獲取空間信息,該領域的研究應用也由最初單一且簡單的遙感資源向多種時間分辨率和多種數據來源類型進行轉化、整合及分析,由研究靜態事物向動態觀測地表信息轉變。RS技術也因為具備多傳感器、多時相和高分辨率等優勢,在大面積獲取城市空間數據等方面發揮著不可比擬的作用,為“數字城市”的建設提供了快速、及時、準確“獲取和更新空間數據”的功能,為其發展與建設帶來了源源不斷的“鮮活”數據。
GNSS技術,是能在地球表面或近地空間的任何位置為用戶提供全天候的三維空間位置、時間信息及速度的空基無線電導航定位系統。GNSS主要是由全球各個衛星導航系統組成,比如國之重器——北斗衛星導航系統(BDS)、全球定位系統(GPS)、格洛納斯衛星導航系統(GLONASS)和伽利略衛星導航系統(Galileo)。GNSS技術能夠提供全方位的目標定位和位置服務,是數字城市定位服務的重要技術支撐。
數據庫技術
數據庫技術,是用計算機協助進行數據管理的一種方法,其關鍵在于研究組織與保存數據的形式,以及高效獲取與操作處理數據的方式。經歷了三大發展時期:人工管理時期、文件系統時期、數據庫系統時期。它深入研究并解答了計算機中數據合理分布和存放的難題,減少數據的重復存儲,能夠共享數據,提高數據利用效率,供用戶快速檢索數據。
城市基礎數據庫的存儲容量、檢索速度、數據可靠性與可更新性、獲取便利性以及操作自動化水平等,可以從根源上決定城市的信息化程度。因此,數據庫在城市建設過程中的作用不容忽視。它能夠提供整個城市各方面的信息,做到資源整合,幫助用戶系統管理、快速檢索所需數據,為各部門互聯互通提供一個平臺,加速數據與信息的快速流通與高效利用,是我國數字城市建設的重要戰略基礎。
虛擬現實技術
虛擬現實(virtual reality,VR)技術,是對三維圖形環境與目標的再現,并將視、聽、觸等感知用圖表和動畫的方式表現出來的一種科學技術。其實現關鍵在于環境建模、三維制作、立體顯示、系統開發等,能夠為城市景觀設計、城市環境信息全面展示及智能融合提供互聯網遠程觀覽等。
VR技術可以實現在計算機中構建城市建筑模型、自然環境、地物等,從而真實、生動地反映城市景觀特色,使城市信息得到全面展示,在復現現實世界的同時,可以實現實時的人機互動,輔助城市規劃設計,加快設計速度,為數字城市的建設提供虛擬模型,規避設計風險,為政府、企業及個人進行合理規劃設計提供科學依據。
計算機網絡技術
計算機網絡技術,指通過網絡協議把世界上散布在各個地理位置,且具備相互獨立功能的計算機系統,利用通信裝置和線路連接起來,共同構成數據鏈路,實現信息共享和傳遞的網絡系統。在共享硬/軟件及數據資源的基礎上,可以對數據資源進行集中處理、管理與維護,由計算機和網絡兩部分組成。
計算機網絡技術,為數字城市建設提供了一個既強大又安全的通信網絡平臺,整合通信資源,連接各類公共數據,實現信息共享,能夠快速響應數字城市發生的各類事件,輔助政府高效決策。
物聯網技術
物聯網的深入普及,5G商業的成功落地,信息傳輸速率和容量的迅猛發展,使得智慧城市場景中的萬物互聯成為可能。1999年,“物聯網”首次被提及,并定義為“把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來,實現智能化識別和管理”。物聯網(internet of things,IoT)的重點技術包括:電子傳感器技術、射頻識別技術(radio frequency identification,RFID)、嵌入式技術、網絡通信技術。智慧城市的建設借助互聯網網絡信息基礎設施,通過構建統一的城市數據管理平臺,把橫向應用的交通運輸、醫療、政務等大數據資源集成一起,多方面進行優化,形成了全新且完整的智慧城市生態系統,構造了嶄新的城市形態。憑借物聯網技術,能夠全面感知與統計城市各類信息,彼此相互連接,用戶可以通過網絡進行交互通信與遠距離控制,形成智慧城市的神經網絡體系,使得城市具備了和人類一樣能夠快速響應、優化調控及智能感知的功能,加速城市環境下各層面的智慧化進程。
云計算技術
云計算技術,是支持異構設施協同工作的一種分布式計算技術。它利用互聯網“云”把大量的數據計算分解成無數個小的運算過程,并利用多個服務器構成的系統管理和計算這些子過程,將結果反饋給用戶。云計算技術具備了高度虛擬化、動態可擴展、按需配置、可操作性高、可靠性高、性價比高及擴展性強等特點。換言之,計算能力可以當作一種商品在互聯網上流通,如同水、電、煤氣一般獲取便利且價格低廉。憑借云計算,可以在短時間內實現對成千上萬的數據的處理,達到規模強大的網絡服務水平。云計算按業務模式可分為三類：軟件(應用)即服務(software as a service,SaaS)、平臺即服務(platform as a service,PaaS)、基礎設施服務(infrastructure as a service,IaaS)。IaaS、PaaS、SaaS服務可以實現數據的有效存儲和計算。
城市海量數據的處理與分析,是在云計算的網絡架構下的數據中心平臺上實現的。而通過云計算環境,對城市規劃建設過程進行了基礎資源的集約規范化管控,有效提升了資源利用率,可優化資源調配,降低部門資源成本,促進城市信息化建設的蓬勃發展,并為政府部門決策、中小企業發展、社會公眾服務等創造了良好的平臺。
時空大數據技術
時空大數據是指基于統一的時空基準(空間參照系統與時間參照系統),存在于空間與時間中,并與位置直接定位或間接時空分布密切相關的大規模海量數據集。其重點建設內容是建立地上地下互通、室內室外聯動及虛實融合的整體空間;可以匯集社會感知的同步數據、專題數據及城市規劃數據,進行時空化操作與分析,搭建時空大數據平臺,優化政策執行流程,并行處理多樣化海量信息,輔助政府部門決策。
智慧城市建設中主要有以下時空大數據技術作為支撐:第 一,云計算+GIS技術,具備資源的可池化,站點的可調度性,使用的可監控性,服務的可度量性,用戶的可租用性等特點。第二,大數據分析與云GIS的融合技術,能夠實現數據的收集與保存、處理與分析、挖掘、數據可視化及融合等功能,完成從數據的現狀描述到診斷的全過程知識性服務。第三,時空大數據可視化技術,通過優化調度云環境中的數據,進行大數據的統計和分析,實現多模態、全空間的時空大數據自適應可視化。作為一個復雜的空間綜合體,城市的發展涉及國土規劃、交通環保、水利電力等多種類時空大數據,只有利用大量的多類型、動態化時空地理大數據所構建的城市智能模型才能更加合理和更加科學。其關鍵在于多源數據的合理可視化,海量數據的實時同步性,數據的及時更新,以及挖掘數據背后隱藏的信息含義與展示。
實景三維技術
三維空間的建立是數字孿生城市建設的重要內容,實現城市信息的實時感知與城市模型的實景可視化亦是重中之重。如三維GIS的實景可視化功能,具備了源自逼真的空間模型與高效的人機交互體驗的較強空間真實感,為城市三維實景的建設奠定了良好的技術基礎。而城市實景三維技術為數字孿生城市構建了統一的數字底板與多維空間基底,為城市的數字重構提供了大量完整性好、現勢性強、準確性高的時空數據。
隨著三維GIS的延伸發展與深入應用,集成BIM+GIS的模式發展為熱點技術。BIM可以看作是一個存儲智能建筑信息的數據庫,其中建筑的特征(語義和幾何形狀)、行為及其關系,可以通過面向對象的方式來表達。BIM具備可模擬、能優化、可協調及可視化等特點,應用滲透到水電、市政、交通等多個領域,協助管理城市建筑的信息,促進其可持續發展。BIM技術憑借其數據全開放可視化與共享的優勢,推動信息化成為智慧城市建設過程中關鍵節點,為建筑的合理規劃和智慧城市的深入應用提供了良好的條件。
CIM為數字孿生城市的建設與管理提供模型基礎,它所表達的是城市全部要素的信息,需要迭代城市整個生命周期過程中所有要素的信息,驅動數字孿生城市的蓬勃發展。與BIM不同,CIM把目標對象的范圍從單個建筑物的水平擴展到整個城市的標準,完成對城市中所有要素及其時空信息的數字化與智能化表達。但是CIM需要攻克的關鍵點在于如何搭建一個融合了設計、管理、計算與評估的平臺,來整合城市信息數據。而BIM+GIS模式的出現,將有力推進城市數字化平臺的構建,驅動數字孿生城市建設過程中CIM的快速發展。
人工智能技術
人工智能(artificial intelligence,AI)技術,即通過科技手段生產類腦思考、甚至超越人腦思維的機器,類比數字孿生城市中的AI為城市大腦,為城市提供學習與思考、分析與判斷等功能。在科技發展和場景多樣化的背景下,人類活動所產生的數據量急劇增大,其計算也愈加復雜,使得AI在數字孿生城市建設中的地位越發穩固。主要體現在:一是充分利用AI算法構建對象仿真、智能仿真、分布交互仿真、虛擬現實仿真等模型,模擬預測城市運行狀態與趨勢,測試處于不同環境中的城市運行情景,及時響應城市緊急突發事件,以提供城市規劃、管理與決策科學參考依據;二是通過集成AI+深度學習(deep learning,DL)技術,深度挖掘和自主學習海量實時數據,完成自動決策,實現反向智能控制,推動城市智慧發展。目前,AI需要解決的難點在于如何在小樣本或無樣本的情況下,實現自主學習,搭建半物理仿真的模型機制,解決在未來實景中實現對突發事件的合理響應與決策這一難題。
為使AI在智慧城市建設與管理中的作用最大化,需與5G/6G物聯網緊密結合,兩者相互賦能,建立物聯網網絡,形成如同傳遞與感知信息的神經元,覆蓋于城市表層,衍生出無限可能。人工智能為智慧城市向數字孿生城市轉化賦能,為智慧城市建設奠定算法基石,逐步應用于各個領域,如汽車自動駕駛,智能醫療,計算機圖像識別、語音識別等,是城市智慧化建設與管理的重要利器,亦是必不可缺的技術之一。
