張彩波

(中國(guó)航天系統(tǒng)工程有限公司， 北京 100070)

如何借助新一代信息技術(shù)手段解決城市發(fā)展面臨的社會(huì)治理、行業(yè)管理、社會(huì)民生等關(guān)鍵問(wèn)題，成為當(dāng)前智慧城市發(fā)展面臨的首要任務(wù)，只有將數(shù)字智能從個(gè)體向城市管理的整個(gè)系統(tǒng)擴(kuò)展才能使智慧城市變得更加智慧。

為此，圍繞面向智慧城市應(yīng)用的智慧系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，尤其是智慧城市對(duì)數(shù)據(jù)的融合與挖掘、實(shí)時(shí)處理與分析及智能化的決策等方面，中外學(xué)者及企業(yè)相繼開(kāi)展了一系列理論與實(shí)踐探索。因此，通過(guò)全面梳理智慧系統(tǒng)在智慧城市應(yīng)用中的前沿技術(shù)體系和發(fā)展方向，搭建面向智慧城市應(yīng)用的智慧系統(tǒng)，有助于解決智慧城市建設(shè)過(guò)程中面臨的主動(dòng)感知、信息傳輸、海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的處理與融合、跨領(lǐng)域信息資源的共享與交換，以及人-機(jī)-物融合的智能決策應(yīng)用等基礎(chǔ)共性問(wèn)題。

1 智慧城市與智慧系統(tǒng)

智慧城市建設(shè)需要通過(guò)面向不同行業(yè)、不同領(lǐng)域、不同應(yīng)用對(duì)象的各類(lèi)智慧系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)才能實(shí)現(xiàn)城市的智慧化管理，提升城市管理的智能化水平和信息化關(guān)鍵能力。

1.1 智慧城市的信息化關(guān)鍵能力

智慧城市作為一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其必須賦能城市全面的信息主動(dòng)感知能力、安全高效的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算能力和精準(zhǔn)的智慧應(yīng)用能力，并將各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)集大成于一體，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的智能化、智慧化應(yīng)用，為城市的生產(chǎn)、生活提供智慧服務(wù)。因此，通過(guò)新一代信息技術(shù)的融合創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)面向智慧城市行業(yè)應(yīng)用服務(wù)的智慧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)集成與應(yīng)用，成為當(dāng)前智慧城市建設(shè)的重點(diǎn)方向。

1.2 智慧系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)與實(shí)踐

1.2.1 智慧系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)

由于城市包含了生產(chǎn)、生活等若干個(gè)子系統(tǒng)，智慧城市則是名副其實(shí)的“系統(tǒng)的系統(tǒng)”。錢(qián)學(xué)森等[1]從數(shù)字城市角度給出了智慧系統(tǒng)的原型，指出“作為一個(gè)人機(jī)共存、人網(wǎng)合一的人工開(kāi)放型巨型系統(tǒng)，數(shù)字城市管理服務(wù)系統(tǒng)表現(xiàn)出很高的智能性與社會(huì)性，建立這個(gè)開(kāi)放的巨型智能系統(tǒng)，一方面要從認(rèn)知科學(xué)的理論出發(fā)，運(yùn)用人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息技術(shù)的最新成果，同時(shí)采用從定性到定量的綜合集成法”。朱新明等[2]從城市的功能和發(fā)展前景出發(fā)，指出“數(shù)字城市的綜合系統(tǒng)，特別是支持應(yīng)變、決策和適時(shí)發(fā)展的系統(tǒng)，必須具備相應(yīng)的學(xué)習(xí)功能，而且是有教師的學(xué)習(xí)，人-機(jī)結(jié)合的系統(tǒng)學(xué)習(xí)的功能”。

隨著信息化與工業(yè)化的深度融合，信息物理系統(tǒng)(cyber-physical system，CPS)的提出為智慧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵技術(shù)與方法。CPS通過(guò)集成先進(jìn)的感知、計(jì)算、通信、控制等信息技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，構(gòu)建了物理空間與信息空間中人、機(jī)、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時(shí)交互、高效協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運(yùn)行的按需響應(yīng)、快速迭代、動(dòng)態(tài)優(yōu)化，其體系結(jié)構(gòu)一般由決策層、網(wǎng)絡(luò)層和物理層構(gòu)成，核心技術(shù)則主要由CPS感知設(shè)計(jì)技術(shù)、CPS信息處理技術(shù)、CPS建模與認(rèn)知技術(shù)、CPS決策與控制技術(shù)等分步驟設(shè)計(jì)技術(shù)和CPS集成設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)和CPS安全性技術(shù)等系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)技術(shù)構(gòu)成[3-4]。王輝等[5]指出，智慧系統(tǒng)是指物與物通過(guò)各種系統(tǒng)互聯(lián)、互通，以自動(dòng)或半自動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)更加迅速、正確、靈活、節(jié)約地交流和反應(yīng)。通過(guò)系統(tǒng)使物體與物體之間直接對(duì)話，提高決策的速度和質(zhì)量，使生產(chǎn)和生活更為便利。胡虎等[6]從智能的定義入手，提出了三體智能理論，通過(guò)總結(jié)智能技術(shù)互動(dòng)融合發(fā)展的若干基本規(guī)律，創(chuàng)造性地提出了物理實(shí)體、意識(shí)人體和數(shù)字虛體三體化一，指出兩體數(shù)字化、兩體認(rèn)知化、三體互聯(lián)化是人類(lèi)社會(huì)走向智能最重要的前奏和大趨勢(shì)，為構(gòu)建人-機(jī)-物協(xié)同融合的智慧系統(tǒng)提供了理論指引。

1.2.2 智慧系統(tǒng)在智慧城市中的典型應(yīng)用與實(shí)踐

當(dāng)前，智慧城市所涉及的智慧系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用主要聚焦在專(zhuān)項(xiàng)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析、城市數(shù)據(jù)智能化與數(shù)據(jù)應(yīng)用等方向。

(1)IBM(International Business Machines Corporation)“智慧系統(tǒng)”戰(zhàn)略。2009年，IBM提出了“智慧系統(tǒng)”戰(zhàn)略，解釋了基于物聯(lián)化、智能化、感知化、云架構(gòu)的智慧系統(tǒng)。2010年，IBM正式發(fā)布其關(guān)鍵性的三大策略，即為工作負(fù)載而優(yōu)化、以“云”方式交付和創(chuàng)造綠色節(jié)能IT(information technology)經(jīng)濟(jì)。其中，針對(duì)智慧城市大數(shù)據(jù)量處理的挑戰(zhàn)，提出了以優(yōu)化負(fù)載為代表的整合系統(tǒng)，以滿足用戶從成本、安全性和擴(kuò)展性等角度對(duì)應(yīng)用同一系統(tǒng)處理不同類(lèi)型的工作負(fù)載需求。為此，IBM發(fā)布了IBM pureScale應(yīng)用系統(tǒng)和智慧分析系統(tǒng)兩大負(fù)載優(yōu)化系統(tǒng)，提升了業(yè)務(wù)分析解決方案的部署效率[7]。

(2)阿里云“ET(阿里人工智能技術(shù))城市大腦”。為解決城市數(shù)據(jù)智能化問(wèn)題，阿里云于2016年發(fā)布了ET城市大腦，其內(nèi)核采用阿里云ET人工智能技術(shù)，對(duì)整個(gè)城市進(jìn)行全局實(shí)時(shí)分析，自動(dòng)調(diào)配公共資源，修正城市運(yùn)行中的Bug(錯(cuò)誤)，最終將進(jìn)化成能夠治理城市的超級(jí)人工智能。ET城市大腦由超大規(guī)模計(jì)算平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交換中心、開(kāi)放算法平臺(tái)、數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)五大系統(tǒng)組成，并在交通領(lǐng)域利用大規(guī)模數(shù)據(jù)開(kāi)展了積極探索[8]。

(3)華為云“智慧城市神經(jīng)系統(tǒng)”。在智慧城市領(lǐng)域，華為提出“新ICT(information communication technology)，讓城市更智慧”的口號(hào)，為智慧城市建設(shè)提供“一云二網(wǎng)三平臺(tái)”的整體解決方案架構(gòu)，打造智慧城市神經(jīng)系統(tǒng)?！耙辉啤奔闯鞘袛?shù)據(jù)中心，整合、共享和利用各類(lèi)城市信息資源；“二網(wǎng)”由聯(lián)接人的城市通信網(wǎng)和聯(lián)接物的城市物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成；“三平臺(tái)”大數(shù)據(jù)服務(wù)支撐平臺(tái)、ICT應(yīng)用使能平臺(tái)和城市運(yùn)行管理平臺(tái)[9]。

(4)易華錄“城市數(shù)據(jù)湖”。為滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析處理的需要，易華錄在中國(guó)提出了城市數(shù)據(jù)湖的理念。數(shù)據(jù)湖作為一種新的數(shù)據(jù)架構(gòu)，由于具備存儲(chǔ)空間海量、兼容多種格式、數(shù)據(jù)處理高速等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)“湖存貯，云計(jì)算”，既滿足了海量大數(shù)據(jù)的低成本長(zhǎng)期存貯要求，又滿足了大數(shù)據(jù)運(yùn)營(yíng)開(kāi)發(fā)需要的便利性，有效促進(jìn)了“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、人機(jī)協(xié)同、跨界融合、共創(chuàng)分享”的智能經(jīng)濟(jì)形態(tài)發(fā)展[10]。

1.2.3 智慧系統(tǒng)的內(nèi)涵及特征

結(jié)合理論研究與應(yīng)用實(shí)踐，面向智慧城市應(yīng)用的智慧系統(tǒng)可以理解為借助云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、空間地理信息集成等新一代信息技術(shù)，面向城市復(fù)雜開(kāi)放巨系統(tǒng)中人/機(jī)/物/環(huán)境/信息智能感知、智能互聯(lián)、智能分析與智能決策的開(kāi)放性智慧服務(wù)系統(tǒng)，是集空天地泛在感知、安全可信傳輸、數(shù)據(jù)治理、智能推理、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行與自我學(xué)習(xí)等智慧功能于一體的基礎(chǔ)理論體系和應(yīng)用產(chǎn)品集合。其旨在通過(guò)搭建面向智慧城市應(yīng)用的基礎(chǔ)共性平臺(tái)，解決城市組織運(yùn)行中的人-機(jī)-物協(xié)同融合等共性問(wèn)題。其特征主要表現(xiàn)在以下方面。

全面感知——智慧系統(tǒng)借助實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集可對(duì)人/事/物/時(shí)空/態(tài)勢(shì)等城市信息進(jìn)行全面的感知，包括對(duì)物理實(shí)體的自然屬性、社會(huì)屬性、狀態(tài)及趨勢(shì)的感知。實(shí)時(shí)分析——智慧系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠?qū)Σ杉暮Ａ慷嘣串悩?gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理與分析，實(shí)現(xiàn)由數(shù)據(jù)到知識(shí)的轉(zhuǎn)換。智能決策——智慧系統(tǒng)通過(guò)將數(shù)據(jù)挖掘、深度學(xué)習(xí)、人工智能算法與專(zhuān)家體系相結(jié)合，能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求實(shí)現(xiàn)自主的智能推理與科學(xué)決策。精準(zhǔn)執(zhí)行——智慧系統(tǒng)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的智能分析，獲取對(duì)應(yīng)用需求的精準(zhǔn)判斷，并針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景制定科學(xué)有效的執(zhí)行方案。自我學(xué)習(xí)——智慧系統(tǒng)依靠強(qiáng)大的計(jì)算能力，結(jié)合人工智能技術(shù)或認(rèn)知計(jì)算技術(shù)，通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)的分析與處理實(shí)現(xiàn)行業(yè)應(yīng)用、知識(shí)積累與知識(shí)創(chuàng)造并不斷自我完善、學(xué)習(xí)提升。

2 智慧系統(tǒng)的組成及其體系架構(gòu)

面向智慧城市應(yīng)用的智慧系統(tǒng)主要包括“感、傳、智、用”4個(gè)部分?！案小敝饕侵竿ㄟ^(guò)智能化感知終端和邊緣終端，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集；“傳”主要是指借助先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸；“智”主要是指通過(guò)數(shù)據(jù)接入、云計(jì)算基礎(chǔ)平臺(tái)、基礎(chǔ)工具、數(shù)據(jù)挖掘、知識(shí)生成、專(zhuān)家體系等，形成智慧系統(tǒng)的數(shù)據(jù)樞紐和智能中樞；“用”主要是指面向不同應(yīng)用領(lǐng)域提供各類(lèi)智慧服務(wù)。

2.1 智慧系統(tǒng)的組成

圖1 智慧系統(tǒng)的組成

智慧系統(tǒng)的具體組成如圖1所示。圖1中，智能感知分系統(tǒng)通過(guò)對(duì)城市數(shù)據(jù)的采集形成海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)；通信與網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)通過(guò)地基網(wǎng)絡(luò)和天基網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸；數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、融合、挖掘、分析和標(biāo)準(zhǔn)化，形成初級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，為智能分析提供有效支撐；人工智能與專(zhuān)家分系統(tǒng)通過(guò)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為知識(shí)，形成通用數(shù)據(jù)產(chǎn)品，為上層應(yīng)用提供更智能的分析、更精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)以及人-機(jī)-物協(xié)同的智能決策服務(wù)；網(wǎng)間網(wǎng)分系統(tǒng)根據(jù)上層應(yīng)用數(shù)據(jù)需求提取通用數(shù)據(jù)產(chǎn)品，為應(yīng)用平臺(tái)層提供跨域多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的無(wú)障礙傳輸，實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)間數(shù)據(jù)產(chǎn)品的交換；信息安全分系統(tǒng)通過(guò)大數(shù)據(jù)安全和端、網(wǎng)、云的安全技術(shù)手段，確保智慧系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與可靠性；環(huán)境支撐分系統(tǒng)通過(guò)應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境、應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境和基礎(chǔ)資源設(shè)施服務(wù)，為智慧系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供必要的環(huán)境支撐。專(zhuān)業(yè)應(yīng)用分系統(tǒng)主要是從智慧城市行業(yè)應(yīng)用需求的角度出發(fā)，通過(guò)行業(yè)大數(shù)據(jù)子平臺(tái)、能力協(xié)同子平臺(tái)和行業(yè)人工智能子平臺(tái)等應(yīng)用平臺(tái)的搭建，面向具體行業(yè)領(lǐng)域開(kāi)展智能決策與應(yīng)用服務(wù)。

2.2 智慧系統(tǒng)的體系架構(gòu)

從智慧系統(tǒng)的組成可以看出，其體系架構(gòu)基本形成了自下而上的“五層兩體系”，如圖2所示。

圖2 智慧系統(tǒng)的體系架構(gòu)

“感知層”主要借助在城市中布置的感知基礎(chǔ)設(shè)施收集城市各類(lèi)數(shù)據(jù)參數(shù)；“網(wǎng)絡(luò)層”主要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的傳輸與匯總；“數(shù)據(jù)層”主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、接入、交換、處理、決策分析與組織管理；“平臺(tái)層”主要通過(guò)面向SOA(service-oriented architecture)的云服務(wù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(infrastructure as a service，IaaS)、平臺(tái)即服務(wù)(platform as a service，PaaS)及軟件即服務(wù)(software as a service，SaaS)等功能服務(wù)；“應(yīng)用層”主要由智慧城市各個(gè)專(zhuān)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)各類(lèi)智慧化應(yīng)用服務(wù)?！鞍踩Ｕ象w系”主要通過(guò)物理安全、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全、云安全及應(yīng)用安全構(gòu)建智慧系統(tǒng)的安全技術(shù)防護(hù)體系；“標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系”主要在通用標(biāo)準(zhǔn)、信息技術(shù)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、面向業(yè)務(wù)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、管理標(biāo)準(zhǔn)，形成智慧系統(tǒng)統(tǒng)一的對(duì)內(nèi)對(duì)外數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和接口規(guī)范。

3 智慧系統(tǒng)的前沿技術(shù)體系

智慧系統(tǒng)的前沿技術(shù)體系主要由“感、傳、智、用”4個(gè)系統(tǒng)單元設(shè)計(jì)技術(shù)和一個(gè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)技術(shù)構(gòu)成。

3.1 智慧系統(tǒng)的感知技術(shù)

目前，城市的數(shù)據(jù)采集范圍已經(jīng)擴(kuò)展到包括物理實(shí)體空間、人類(lèi)社會(huì)空間和虛擬網(wǎng)絡(luò)空間的三元空間[11]。盡管城市中布置了大量的感知設(shè)備和設(shè)施，但如何有效地集成利用，以應(yīng)對(duì)城市感知中的“三多現(xiàn)狀”(多觀測(cè)耦合、多協(xié)議互聯(lián)、多主題交互)和“三高需求”(高時(shí)空感知、高精度感知、高智能感知)一直是當(dāng)前面臨的巨大挑戰(zhàn)[12]。因此，只有從物聯(lián)感知、智能感知和感知網(wǎng)絡(luò)著手，才能有效加以解決。

在物聯(lián)感知方面，為有效滿足智慧城市多尺度、高時(shí)變和多樣化的感知需求[12]，實(shí)現(xiàn)城市基礎(chǔ)設(shè)施的感知化、智能化[13]，促進(jìn)城市感知中心的建設(shè)，提升城市感知能力，以射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)、傳感網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)為代表的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[14]，多功能、多物理量且滿足邊緣計(jì)算結(jié)點(diǎn)需求的智能傳感器小型化、集成化技術(shù)，多參數(shù)復(fù)合傳感器技術(shù)，多功能物聯(lián)網(wǎng)(internet of things，IoT)智能網(wǎng)關(guān)等前沿技術(shù)的開(kāi)發(fā)成為熱點(diǎn)，并不斷在城市管網(wǎng)(廊)、智能路燈、智能家居等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用；在智能感知方面，為了提高智慧系統(tǒng)對(duì)城市感知的精度，豐富感知的手段和內(nèi)容，泛在感知技術(shù)、智能感知邊緣計(jì)算技術(shù)，小型化、低功耗智能傳感技術(shù)、人機(jī)交互的主動(dòng)感知技術(shù)，以及群智感知[15]、交互感知[16-17]等關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用越來(lái)越多地得到重視，尤其在城市交通、應(yīng)急救援、噪聲檢測(cè)[18]、人臉識(shí)別[19]、任務(wù)分配[20-21]，以及工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)視與優(yōu)化、危險(xiǎn)環(huán)境下替代人工服務(wù)等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用；在感知網(wǎng)絡(luò)方面，通過(guò)構(gòu)建空天地集成化傳感網(wǎng)[22-23]，可實(shí)現(xiàn)智慧系統(tǒng)對(duì)城市的全面感知，有效提升感知的時(shí)效性，其相關(guān)技術(shù)主要包括：基于邊緣計(jì)算的智能感知網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)、海量傳感器組網(wǎng)通信[24]、異構(gòu)傳感器接入[25]、傳感網(wǎng)服務(wù)組合[12]、流式數(shù)據(jù)挖掘分析[12,26]和地理信息互操作[12,27]等，以保障智慧系統(tǒng)對(duì)城市感知的信息能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確、安全地傳送到用戶，實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。

3.2 智慧系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)

面對(duì)智慧城市精細(xì)化管理中不斷增加的設(shè)施物聯(lián)化接入需求，跨協(xié)議異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通、智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性成為智慧系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹匾夹g(shù)保障。其中，借助智能標(biāo)識(shí)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)[28]、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化[29]、星聯(lián)網(wǎng)+5G(第五代移動(dòng)通信技術(shù))等技術(shù)手段，構(gòu)建基于空天地一體化的智能網(wǎng)絡(luò)，可有效解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合、異構(gòu)終端智能互聯(lián)及網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍等問(wèn)題[30-32]，實(shí)現(xiàn)智慧系統(tǒng)對(duì)高動(dòng)態(tài)條件下城市時(shí)空信息的實(shí)時(shí)傳輸、協(xié)同處理和智能服務(wù)，促進(jìn)信息資源的綜合利用和統(tǒng)一管理；針對(duì)智慧系統(tǒng)空天地信息傳輸面臨的網(wǎng)絡(luò)多元化要求，智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用能夠滿足其在高移動(dòng)、低延遲、高可靠、可擴(kuò)展等條件下面向未來(lái)城市發(fā)展的下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求，解決現(xiàn)有“三重綁定”(身份與位置綁定、資源與位置綁定以及控制與轉(zhuǎn)發(fā)綁定)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)用戶及業(yè)務(wù)爆發(fā)式增長(zhǎng)所造成的數(shù)據(jù)分發(fā)與控制弊端[33-36]，并在高鐵通信、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用部署，滿足了行業(yè)應(yīng)用需求[37]；通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IPv6)、5G[38]以及支持長(zhǎng)距離、短距離、有線、無(wú)線等多種通信制式的極低功耗深度覆蓋海量接入技術(shù)及動(dòng)態(tài)全網(wǎng)通接入網(wǎng)關(guān)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)智慧系統(tǒng)在跨協(xié)議異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信，高性能、高并發(fā)網(wǎng)絡(luò)傳輸，以及信道通信質(zhì)量時(shí)變性等條件下，信息傳輸過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議的交換互通、地址規(guī)劃與管理，解決信息傳輸控制的速度瓶頸問(wèn)題，以提升信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃訹39-41]，并在諸多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應(yīng)用，如隧道健康監(jiān)測(cè)[42]、智慧路燈[43]、報(bào)警系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)控，以及不通過(guò)本地網(wǎng)關(guān)而是直接將遠(yuǎn)程傳感器連到云端的遠(yuǎn)距離射頻鏈路等。

3.3 智慧系統(tǒng)的智能技術(shù)

智慧系統(tǒng)需要借助先進(jìn)的智能技術(shù)處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析、匯總和計(jì)算，以便整合和分析海量的跨地域、跨行業(yè)和職能部門(mén)的數(shù)據(jù)和信息，并將特定的知識(shí)應(yīng)用到特定行業(yè)、特定場(chǎng)景、特定解決方案中，進(jìn)而支持決策和應(yīng)用[44]，其智能技術(shù)體系主要包括如下方面。

(1)基于3S[地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)、全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)、遙感(remote sensing,RS)]集成的城市空間信息技術(shù)。3S技術(shù)作為數(shù)字城市和智慧城市的基本技術(shù)，它提供了與空間地理信息相關(guān)的城市數(shù)據(jù)庫(kù)，使得智慧城市在專(zhuān)項(xiàng)領(lǐng)域的智能化應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，而基于3S集成的城市空間信息技術(shù)為智慧系統(tǒng)面向城市空間的信息處理提供了重要技術(shù)解決途徑，其中RS和GPS通過(guò)向GIS提供或更新區(qū)域信息及空間定位(如復(fù)雜地形實(shí)時(shí)定位、高精度室內(nèi)定位等)，GIS通過(guò)提供相應(yīng)的信息查詢和智能化空間分析等重要功能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)城市空間信息的采集、處理、管理、分析、表達(dá)、傳播和應(yīng)用[45]。目前，基于3S集成的城市空間信息技術(shù)已在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急管理[46]、智慧水利[47]、智能交通[48]等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

(2)城市信息模型(city information modeling，CIM)技術(shù)。CIM是對(duì)城市各要素及其時(shí)空狀態(tài)信息的數(shù)字化描述和表達(dá)，其核心技術(shù)涉及物聯(lián)網(wǎng)、GIS、BIM及其集成技術(shù)。智慧系統(tǒng)可借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信息傳感設(shè)備將城市和CIM模型相連接，形成一個(gè)權(quán)責(zé)范圍內(nèi)可更新且能夠用于信息共享與傳遞的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)GIS和BIM的集成，形成一個(gè)可視化的信息存儲(chǔ)、提取、交流平臺(tái)，同時(shí)利用云計(jì)算、數(shù)據(jù)融合和空間信息網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)進(jìn)行信息一體化的組織與處理，以支持城市運(yùn)行管理過(guò)程中的各種需求和應(yīng)用[49-51]，并通過(guò)精細(xì)+精準(zhǔn)的管理方式，為城市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)管理、城市交通、電商物流、環(huán)境保護(hù)等政府管理部門(mén)的規(guī)劃決策提供有效數(shù)據(jù)信息，提升城市管理的服務(wù)水平和服務(wù)能力。

(3)大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的綜合存儲(chǔ)、管理、融合和分析，智慧系統(tǒng)需要充分借助以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)為代表的新一代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理分析、認(rèn)知決策及行業(yè)間數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用，提升系統(tǒng)自身的運(yùn)算能力。其中，分布式集群大數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)[52]、高時(shí)效可擴(kuò)展的大數(shù)據(jù)計(jì)算模型和優(yōu)化技術(shù)、基于知識(shí)定義的大數(shù)據(jù)主動(dòng)處理技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析與深度學(xué)習(xí)技術(shù)、空天地一體化數(shù)據(jù)融合技術(shù)，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)交換和互聯(lián)技術(shù)、數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)等構(gòu)成了智慧系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的核心技術(shù)，為“數(shù)據(jù)”到“知識(shí)”的雙向轉(zhuǎn)換和知識(shí)的決策應(yīng)用提供數(shù)據(jù)源基礎(chǔ)，以滿足智慧系統(tǒng)在跨領(lǐng)域、跨應(yīng)用、跨時(shí)空等條件下的數(shù)據(jù)處理要求。此外，為了實(shí)現(xiàn)智慧城市應(yīng)用領(lǐng)域的智能決策服務(wù)，面向多源異構(gòu)數(shù)據(jù)語(yǔ)義協(xié)同與數(shù)據(jù)深度挖掘的知識(shí)庫(kù)構(gòu)建技術(shù)、基于群智的人-機(jī)-物知識(shí)集成方法、行業(yè)間知識(shí)模型的融合技術(shù)與方法、領(lǐng)域知識(shí)管理和跨領(lǐng)域知識(shí)協(xié)同工作模型和方法、智能人機(jī)融合認(rèn)知建模與交互技術(shù)、人-機(jī)-物協(xié)同決策與智能服務(wù)系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的研究成為當(dāng)前和未來(lái)智慧系統(tǒng)認(rèn)知領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，并將進(jìn)一步在智慧系統(tǒng)面向數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算、分析與融合等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

面對(duì)海量信息的快速處理、智能挖掘與決策應(yīng)用，智慧系統(tǒng)需通過(guò)以數(shù)據(jù)為中心的密集型計(jì)算模式，利用云計(jì)算IaaS、PaaS和SaaS層服務(wù)技術(shù)為其提供龐大的存儲(chǔ)空間、強(qiáng)大的計(jì)算能力與智能決策支撐能力，以確保根據(jù)決策者的需求與偏好選擇合適的資源進(jìn)行服務(wù)[53-54]。為此，虛擬化技術(shù)(虛擬機(jī)技術(shù))[55-56]、云計(jì)算環(huán)境下的資源分配技術(shù)[57]與智能決策支持系統(tǒng)的構(gòu)建[53]、空天地一體化的時(shí)空信息服務(wù)云平臺(tái)[58-59]、海量決策信息的處理與融合方法及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)[53]，可為實(shí)現(xiàn)智慧系統(tǒng)存儲(chǔ)資源的充分整合與高效利用，快速獲取決策信息，開(kāi)展處理分析與智能決策提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，以滿足智慧系統(tǒng)面向各行業(yè)的智慧應(yīng)用需求，保障智慧系統(tǒng)上層應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)的正確調(diào)取。

(4)人工智能技術(shù)。新一代人工智能技術(shù)[60](基于大數(shù)據(jù)智能、群體智能、人機(jī)混合智能、跨媒體推理、自主智能等)的快速發(fā)展，為智慧系統(tǒng)深入挖掘數(shù)據(jù)間隱藏的關(guān)系，預(yù)測(cè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的認(rèn)知與建模、高性能計(jì)算、人機(jī)協(xié)同、智能決策支持以及知識(shí)的表達(dá)、推理與獲取等提供了有效途徑。隨著智能服務(wù)從云端向邊緣和終端的擴(kuò)散，基于邊緣網(wǎng)絡(luò)和終端的AI(人工智能)專(zhuān)用芯片等邊緣智能技術(shù)[61]的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用為智慧系統(tǒng)智能終端的快速反應(yīng)以及相互間的協(xié)同與實(shí)時(shí)性的智能服務(wù)創(chuàng)造了有效技術(shù)手段，目前英偉達(dá)、高通等都已陸續(xù)開(kāi)展了用于邊緣網(wǎng)絡(luò)或終端的AI專(zhuān)用芯片研發(fā)，在就近提供網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用等核心能力的同時(shí)，開(kāi)展實(shí)時(shí)性智慧服務(wù)，從而滿足通信、業(yè)務(wù)、安全等各方面的應(yīng)用需求；針對(duì)智慧系統(tǒng)中人、機(jī)、物、環(huán)境存在的連續(xù)、離散及復(fù)雜交互關(guān)系，以大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)等方法為基礎(chǔ)的復(fù)雜系統(tǒng)認(rèn)知預(yù)測(cè)建模技術(shù)[62-63]，為智慧系統(tǒng)數(shù)據(jù)的智能分析與建模仿真提供了有力支撐，如在智能制造[63]、城市綠波帶交通控制[64]等方面的應(yīng)用；類(lèi)腦智能技術(shù)(類(lèi)腦模型與類(lèi)腦信息處理、類(lèi)腦芯片與計(jì)算平臺(tái))的研究為提升智慧系統(tǒng)多模態(tài)協(xié)同感知、協(xié)同認(rèn)知、復(fù)雜環(huán)境下的自適應(yīng)、自主學(xué)習(xí)、自主決策及高性能計(jì)算能力，增強(qiáng)信息處理與數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性提供了可靠方法，通過(guò)多尺度、多腦區(qū)、多認(rèn)知功能融合的認(rèn)知計(jì)算模型與類(lèi)人學(xué)習(xí)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)智慧系統(tǒng)的記憶、推理和認(rèn)知功能和自適應(yīng)演化[65-66]，從而對(duì)智慧系統(tǒng)的人機(jī)協(xié)同與智能決策形成有效的支持，以滿足智慧系統(tǒng)在新事物、新環(huán)境下面向復(fù)雜應(yīng)用的智能決策和智慧應(yīng)用需求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通用智能，如基于數(shù)據(jù)理解和人機(jī)交互的智慧教育、智慧醫(yī)療、智能家居、智慧養(yǎng)老，以及基于大數(shù)據(jù)的情報(bào)分析、國(guó)家和公共安全監(jiān)控與預(yù)警等領(lǐng)域的應(yīng)用[65]。

3.4 智慧系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)

智慧系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)是以面向智慧城市專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用為導(dǎo)向的技術(shù)應(yīng)用與支撐服務(wù)平臺(tái)開(kāi)發(fā)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)融合應(yīng)用時(shí)代的到來(lái)，其技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)已從IaaS層的信息基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)發(fā)及SaaS層的具體應(yīng)用轉(zhuǎn)向城市和區(qū)域系統(tǒng)下多源信息的實(shí)時(shí)融合、跨領(lǐng)域的信息共享，進(jìn)而支撐跨行業(yè)、跨部門(mén)的業(yè)務(wù)協(xié)同、信息聯(lián)動(dòng)與城市的精細(xì)化管理和服務(wù)。因此，通過(guò)技術(shù)的融合創(chuàng)新與應(yīng)用，打造智慧城市專(zhuān)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域通用系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)，成為智慧城市建設(shè)以及智慧系統(tǒng)應(yīng)用的重要方向。

3.5 智慧系統(tǒng)的總體技術(shù)

總體技術(shù)只要是為解決系統(tǒng)架構(gòu)中人-機(jī)-物相互協(xié)調(diào)問(wèn)題和基于模型化的系統(tǒng)架構(gòu)方法而開(kāi)展的相關(guān)技術(shù)研究。由于智慧系統(tǒng)包含了多個(gè)子系統(tǒng)，其從總體設(shè)計(jì)到智能決策應(yīng)用的每一個(gè)環(huán)節(jié)還需要對(duì)系統(tǒng)集成技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、接口與標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)及安全技術(shù)4個(gè)方面開(kāi)展深入研究。其中：系統(tǒng)集成技術(shù)主要是通過(guò)對(duì)智慧系統(tǒng)所涉及的軟硬件集成實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實(shí)用性；數(shù)字孿生技術(shù)通過(guò)明確城市空間的物理實(shí)體、信息虛體及二者間數(shù)據(jù)與信息的關(guān)系，為智慧系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與信息虛體之間的互操作提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，并在城市大腦構(gòu)建及城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、安全、民生等諸多領(lǐng)域管理決策的協(xié)同化與智能化[67]方面發(fā)揮重要作用；接口與標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)主要是通過(guò)統(tǒng)一智慧系統(tǒng)內(nèi)部的存儲(chǔ)管理與訪問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)，定義數(shù)據(jù)接口調(diào)用和交互規(guī)范，實(shí)現(xiàn)智慧系統(tǒng)多渠道、通用化的數(shù)據(jù)采集以及算力、算法、數(shù)據(jù)等對(duì)外輸出服務(wù)；安全技術(shù)主要是指通過(guò)加強(qiáng)多功能網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)技術(shù)、數(shù)據(jù)隱私保護(hù)技術(shù)、大數(shù)據(jù)安全檢測(cè)服務(wù)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)感知等關(guān)鍵技術(shù)的研究，建立系統(tǒng)受到攻擊前中后的防護(hù)措施、攻擊檢測(cè)與響應(yīng)機(jī)制，確保智慧系統(tǒng)正常運(yùn)行的端網(wǎng)云安全。

具體智慧系統(tǒng)構(gòu)建的前沿技術(shù)體系梳理如表1所示。

4 結(jié)論與展望

面向智慧城市應(yīng)用的智慧系統(tǒng)是一個(gè)多元信息技術(shù)開(kāi)發(fā)與融合的系統(tǒng)，如何開(kāi)發(fā)通用的智慧系統(tǒng)，以解決智慧城市應(yīng)用領(lǐng)域普遍存在的交互感知、網(wǎng)絡(luò)通信傳輸、數(shù)據(jù)分析、知識(shí)生成、智能決策等基礎(chǔ)共性問(wèn)題，以及如何開(kāi)發(fā)面向智慧城市專(zhuān)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的個(gè)性化智能平臺(tái)，以解決行業(yè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的智慧化應(yīng)用，成為發(fā)展智慧系統(tǒng)的關(guān)鍵。其中，尤其是以智能化技術(shù)為代表的前沿技術(shù)研究成為智慧系統(tǒng)未來(lái)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的核心因此，通過(guò)對(duì)智慧系統(tǒng)的理論與應(yīng)用實(shí)踐研究及其架構(gòu)組成分析，揭示了智慧系統(tǒng)構(gòu)建的前沿技術(shù)體系構(gòu)成，進(jìn)一步明確了相應(yīng)技術(shù)所要解決的問(wèn)題以及應(yīng)用條件和環(huán)境，從而為新型智慧城市建設(shè)的智能化發(fā)展提供了技術(shù)指引和系統(tǒng)構(gòu)建參考。