35、智慧城市与物联网：发展、架构与策略

智慧城市与物联网：发展、架构与策略

1. 智慧城市与教育

智慧城市的发展对教育领域有着积极的推动作用。更智能的教育分析应用程序能够提供从学前教育到研究生学位的一体化 K - 20 解决方案，以支持课堂内外的教学和学习。然而，目前面临的挑战是如何监测学生的表现，并开发创新的教学方法以提高学习成果。

2. 智慧城市框架概述

尽管 IBM 智慧城市框架在范围和细节上最为全面，但所有框架在概念上都有相似之处。随着该领域的发展，概念维度可能会进一步深化。当智慧城市概念首次出现时，物联网在技术上还不可行。如今，智能传感器、设备和网络已成为现实，城市有了实现其智慧潜力的可能。智慧城市的理论和概念框架整合工作仍在不断变化中。在已提出的框架中存在一些共同元素，“智慧”一词通常与技术、数字化、智能化、信息通信技术（ICT）和大数据分析相关联。定义表明，智慧城市涉及人力资本、物理基础设施和 ICT 的整合。

3. 智慧城市与物联网的结合

3.1 物联网助力智慧城市

智慧城市利用信息技术有益地改变运营、工作和市民生活。物联网代表了一个由传感器、软件、网络和相应接口组成的集成智能系统架构，有望实现这一目标。物联网系统提供实时感知，并整合人员、流程和知识，以实现集体智能，从而进行明智的决策。

3.2 智慧城市系统的特性

要使智能系统有效运行，需要具备可测量性、互联性和智能性：
- 可测量性 ：通过嵌入式传感器，利用无线或有线网络进行通信，能够及时收集高质量的数据。例如，燃气、电力和水的智能电表会持续监测这些公用事业的供需情况。
- 互联性 ：实现数据、系统和人员之间的通信。近期，许多主要的云、网络和设备提供商，如 AWS、谷歌、IBM 等，都宣布了支持物联网的计划。预计到 2020 年，将有超过 500 亿个智能设备和 50 亿人连接到互联网，相当于每小时有 30 万个新设备接入互联网。城市框架内人员、物体和系统之间的互联将催生新的信息收集、共享和行动方式。
- 智能性 ：新的计算模型、算法和高级分析形式的智能，将为城市及其市民带来更好的决策和结果。智能互联物体将产生大量有用的数据，以支持智能产品和服务的开发、部署和使用。例如，统计模型可以预测交通流量、能源和水的供需、教育表现、安全问题及解决方案，以及医疗治疗的效果，从而实现更好的结果和更低的成本。

3.3 IoT 网络要求

在智慧城市背景下，将智能系统与基于物联网的智能产品和服务集成，需要满足以下要求：
|要求|详情|
| ---- | ---- |
|传感器|传感器是基于物联网的智能产品的重要组成部分，产生的数据量巨大。物联网设备通过常规通信渠道（如蜂窝网络或 Wi - Fi）进行通信，可用的集体带宽是传输数据的主要限制因素。一种解决方法是为终端节点传感器配备处理能力，在终端节点分析、解释和选择数据，将数据异常和统计信息传输到云端。|
|安全性|拥有大量终端节点的智慧城市网络容易受到网络攻击，这可能严重影响智慧城市的基础设施，如大坝、电网、桥梁、机场和供水系统。安全要求涵盖四个层面：传感器数据的安全存储、安全的内存数据库、安全的通信和安全的执行环境。安全的传感器数据将确保对基础设施关键部分进行安全的分析、解释和操作。需要有认证机制，以确保授权用户的安全访问。|
|容错/故障安全|关键基础设施元素需要具备容错和故障安全能力，以应对停电或灾难情况。电池备份对于确保传感功能在一段时间内继续运行至关重要。此外，关键基础设施需要包含冗余设计，以确保物联网系统在不利条件下仍能继续运行。防止入侵和盗窃对于资产恢复或停用、确保数据安全以及防止恶意软件进入更广泛的系统至关重要。|
|能量收集|许多智慧城市设备位于无法连接电源的位置，使用电池为数千个设备供电不是可行的选择。在这种环境下，智能传感器和执行器必须嵌入能量收集机制，使设备能够在无人干预的情况下运行 10 年、15 年甚至 20 年。能量可以从光伏太阳能电池以及某些情况下的环境源中收集。|
|连接性|物联网网络支持慢速和快速传感器。对于大城市的闭路电视安全和交通系统，大部分视频分析处理应在摄像机本身进行，以便数据可用于实时流和网络查看。例如，当没有交通问题时，无需向云端传输数据；发生事故时，智能解决方案可允许城市应急服务进行视频数据的流传输和远程查看。|
|可管理性|由于大量智能设备和传感器可能分布在地理上相距较远的地方，物联网网络必须具备远程管理这些设备的手段。这可能包括远程交付操作系统补丁、配置文件、新的分析算法以及参数的关键管理。例如，总统访问城市时，可能需要远程管理交通信号灯，以便随行人员顺利通过城市。|
|网状网络设备|物联网设备需要能够在不连接后端的情况下相互通信，在终端节点之间共享数据，并与附近的其他设备进行群组处理。例如，某个终端节点检测到某一区域发生化学品泄漏时，可以询问附近节点是否也检测到相同现象。多个节点的综合智能决策有助于做出更好的决策。|
|为市民提供开放 API 以促进服务创建|智慧城市可以从设备和传感器网络生成大量数据集，但其中许多数据被存储而未被分析。智慧城市网络应允许访问可共享的通用数据，并成为开发创新应用程序的平台。例如，公用事业公司可以利用这些数据准确了解电力、水和天然气的使用情况，以改进资源规划；公共交通提供商可以利用有关到达、出发、利用率和负载的数据，设计更高效的路线；市民可以根据期望的活动和地点规划行程和选择交通方式。|
|后端或云存储|用于存储、分析和后处理数据及统计信息，以便随着时间的推移获得洞察，从而进行决策。例如，从大量边缘设备收集的一系列天气数据（温度、压力、湿度等），经过一段时间的积累，可以帮助预测城市特定区域的小气候。|
|传感器网络通信|物联网设备使用多种通信方法，具体取决于所使用的传感器和物联网设备类型，可能需要 3G 或 4G 无线网络、Z - Wave 或 ZigBee、Wi - Fi、BLE 或 6LoWPAN 等。|

3.4 IoT 系统架构

在私营部门强大的国家，大部分技术专业知识也集中在私营部门。政府通常会将大部分基础设施服务甚至服务交付委托给私营实体。这些服务可能以不受监管的形式提供，如媒体公司的服务，也可能以受监管的垄断或寡头形式提供，如电力公用事业、有线电视和宽带服务。偶尔，服务会通过公私合作伙伴关系进行整合，如交通执法摄像头。

物联网系统架构的主要组成部分如下：

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    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A(传感器和执行器):::process --> B(本地处理器/传感器集线器):::process
    B --> C(网关计算机):::process
    C --> D(数据中心):::process
    D --> E(公共 API 服务):::process
    E --> F(客户端设备):::process

• 传感器和执行器 ：位于硬件层面，是物联网系统的基础，负责收集各种数据。
• 本地处理器/传感器集线器 ：对传感器收集的数据进行初步处理。例如，交通摄像头可能只上传红灯违规事件的数据。
• 网关计算机 ：对来自传感器和传感器集线器的数据进行筛选，确保数据未被损坏或篡改，然后将合格的数据转发到数据中心。
• 数据中心 ：使用可视化、分析或应用服务对聚合和净化后的传感器数据进行广泛处理，包括数据分析、数据库存储或为实时消费进行数据聚合和准备。
• 公共 API 服务 ：允许通过基于 Web 服务的 API 将应用程序导出到云端，供其他组织的应用程序使用。
• 客户端设备 ：如 PC、平板电脑和移动智能设备，可以消费这些功能。

在这种架构下，传感器数据融入服务网络，数据所有者和基础设施所有者可以是不同的实体，所有权根据技术或业务考虑进行分配。

4. 智慧城市战略发展

4.1 战略发展背景

智慧城市服务生态系统涉及众多参与者，包括市民、政治家、城市规划者、IT 网络提供商、软件公司、智能设备和服务提供商、研究机构和学者等，他们都投入时间和资源来实现智慧城市的愿景。随着云计算、低成本带宽、无线网络、搭载社交和信息应用的智能手机的普及，以及工作和家庭中 IT 消费化的趋势，再加上物联网网络概念的兴起，正在打破传统官僚、低效、高成本的城市商业模式。目前，智慧城市在安全系统、自动收费站、机场值机机器、自动取款机、自助零售结账和智能售货机等方面已有应用。随着技术的推广，城市和企业高管面临的挑战是开发具有颠覆性的、由信息通信技术驱动的商业模式。

4.2 战略发展阶段

Lubin 和 Esty 研究了管理者应对颠覆性市场大趋势的方法，确定了从初始基于效率的战略到成为颠覆者本身的四个不同阶段，可用于说明智慧城市战略发展模型，具体如下表所示：
|阶段|大趋势战略|智慧城市创新战略|
| ---- | ---- | ---- |
|1|降低成本、浪费和风险|降低现有运营和基础设施（如能源、水、安全和交通）的运营和环境成本。减少计算（尤其是数据中心）的碳足迹。制定管理运营和风险的标准和法规。|
|2|重新设计产品、服务和业务流程|让城市服务生态系统中的所有参与者参与，确定潜在解决方案。开展试点项目，测试新商业模式假设。重新思考和设计基础设施和流程，从被动产品和服务向智能解决方案转变。将信息通信技术智能能力融入所有基础设施、业务流程和应用程序。|
|3|转变核心业务并整合新思想|推出智慧城市商业模式。与所有服务生态系统参与者（包括市民、供应商、合作伙伴和员工）建立信任关系。开发支持和推动智慧城市成功的基础设施、流程、应用程序和组织文化。|
|4|开发用于颠覆性创新和差异化的新商业模式|将智慧城市打造为创造创新解决方案的平台。用新解决方案开拓新市场机会。成为智慧城市大趋势的领导者。|

4.3 智慧城市建设实例

智慧城市的建设有不同的方式。一些是对现有城市进行改造，如新加坡和巴塞罗那的项目，通过改造现有基础设施来实现智慧城市的目标；另一些则是从一开始就按照智慧城市的理念进行设计的新建项目，如韩国的松岛和中国的于家堡金融区。无论哪种方式，规划者都应遵循战略发展阶段，以指导现有城市的转型和新建智慧城市项目从一开始就采用最佳实践。

4.4 战略发展流程

以下是智慧城市战略发展的流程图：

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    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A(降低成本阶段):::process --> B(重新设计阶段):::process
    B --> C(转变核心业务阶段):::process
    C --> D(开发新商业模式阶段):::process

这个流程展示了智慧城市战略从最初关注成本控制，逐步发展到业务模式创新的过程。在每个阶段，都需要根据不同的目标和挑战采取相应的措施，以实现智慧城市的可持续发展和竞争优势。

5. 总结

智慧城市与物联网的结合是未来城市发展的重要趋势。物联网为智慧城市提供了强大的技术支持，使城市能够实现更高效的运营、更好的服务和更智能的决策。然而，要实现这一目标，需要满足一系列的网络要求，构建合理的系统架构，并制定有效的战略发展计划。通过遵循战略发展的四个阶段，城市和企业可以逐步实现智慧城市的愿景，在提高城市生活质量的同时，获得竞争优势。同时，不同城市可以根据自身的情况选择改造现有城市或建设全新的智慧城市，但都应注重整合各种资源，充分发挥物联网和信息通信技术的作用。