基于大数据技术的智慧城市建设_赵欣

基于大数据技术的智慧城市建设赵欣摘要：移动信息技术的快速发展加快了城市信息化的步伐，大数据技术的到来使得智慧城市建设进入了新的阶段。文章阐述了大数据的特征以及智慧城市的理论背景和实践，从城市数据开放平台建设、智能交通系统建设、智能基础设施建设和智慧社区的建设等四个方面初步探讨了大数据背景下的智慧城市建设。关键词：大数据；智慧城市；信息通讯技术；城市信息化1引言信息通讯技术（ICT）的快速发展加快了大数据时代的来临，大数据正成为时下各行各业热烈讨论的话题。早在1983年，著名未来学家托夫勒就在《第三次浪潮》一书中预言：“如果说IBM的主机拉开了信息化革命的大幕，那么大数据将是第三次浪潮的华彩乐章”[1]。大数据最初被认为是更新网络搜索索引需要同时进行批量处理或分析的大量数据集，但后期不仅仅表达一个数量概念[2]。大数据的定义目前尚没有形成共识，区别于传统的数据，大数据具有一些新的特征。（表1）经过文献检索对描述大数据特征的关键词进行梳理得出以下内容：数据量大，以TB或者PB计量；数据处理速度快且是实时产生和更新的；数据种类多样，多是非结构化数据；数据范围广泛；分辨率高，数据精细化和独特的索引；数据本质上是相关的，不同的数据集存在公共字段；数据的灵活性强，具有外延性和可拓展性[3-8]。大数据的来源非常广泛，智能手机、社交网络和各种传感器成为主要的数据源。根据中国互联网络信息中心（CNNIC）在京发布的第32次《中国互联网络发展状况统计报告》显示，截至2013年6月底，我国网民规模达到5.91亿，互联网普及率为44.1%，手机网民规模达4.64亿，网民中使用手机上网的人群占比提升至78.5%。上述数据表明网络已经成为城市经济社会发展的重要平台，并且全面影响居民行为、企业运营、科技研发和政府管理，从而产生大量反映城市空间组织和居民行为特征的网络数据(社交网络、主题网站、搜索引擎等)。同时，智能移动终端设备（GPS、智能手机、平板电脑）的普及和无线网络覆盖范围的扩大，为相关的研究（例如LBS）提供了精确的居民位置信息，中国的“大数据”时代已经来临[3]。表1大数据和传统数据的区别属性传统数据大数据数据规模10亿字节-千兆字节拍子节PB（千兆字节）-艾字节（1000PB）数据类型集中的分布的数据处理结构化的非结构化或者无结构数据数据关系已知有复杂相关关系很少已知关系智慧城市作为城市信息化发展的高级阶段，代表着城市未来的发展趋势。自从IBM公司推出“智慧城市”概念以来，关于智慧城市的讨论已经成为各界的主流话题，特别是其具有能够使城市可持续发展的能力已经吸引了公众的广泛关注。欧洲、美国和一些亚洲国家的城市普遍采用信息通讯技术（InformationandCommunicationTechnologies）和绿色技术实现城市的智慧发展，同时增强城市的国际竞争力。这些技术涉及到不同的层次，从小尺度的个人清洁技术应用到覆盖整个城市的基础设施[9]。尽管这些措施取得了一些成绩，但是关于智慧城市的研究仍处于起步阶段。如何利用好这一历史机遇，让大数据应用能够更好得服务于智慧城市的建设，是规划师面对的新的具有挑战性的任务。鉴于智慧城市研究和实践上的差距，本文旨在构建一个智慧城市的建设框架，该框架为智慧城市的建设提供一些尝试性的探索。2智慧城市的理论背景和实践2.1智慧城市的概念智慧城市的讨论正在成为各行各业的热点，然而目前关于智慧城市却没有一致和明确的定义。正如Hollands所说的，“智慧城市”概念本身就是模糊的、不一致的[10]。“智慧城市”的概念最初来源于各种定义，包括“智能城市”、“信息城市”、“数字城市”、“知识城市”和“大众城市”。（见表2）这些概念虽然具有一些共同的特征，但是包含的范围不同，强调的重点也不同。Giffinger等定义智慧城市为采取一系列前瞻性的方法将城市居民、经济、治理、移动性、环境和生活进行智慧结合的城市[11]。Harrison等认为智慧城市是一个运用城市集体智慧将城市市政基础设施、IT基础设施、社会基础设施和商业基础设施进行连接的城市[12]。Toppeta强调智慧城市应该重视可持续发展和宜居性[13]。Washburn等人则认为智慧城市是将智能计算技术应用到城市关键基础设施和服务中的集合[14]。Dirks和Keeling认为智慧城市的核心是城市各系统的有机整合[15]。Kanter和Litow强调智慧城市作为一个有机整体，他们认为如果说工业时代的城市系统是人的骨骼和皮肤，那么后工业时代的智慧城市就是一个有机体，并且可以演化出人工神经系统进而使得城市运行方式更加协调[16][17]。表2世界不同地区智慧城市的描述地区术语北美Intelligentcity/Intelligentcommunity/DigitalcommunitySmartcity/EcocitySmartcity/Digitalcity/Ubiquituscity欧洲亚洲国内学者也从不同视角对智慧城市的概念进行了阐述。仇保兴认为智慧城市本质上是通过综合运用现代科学技术整合信息资源、统筹业务应用系统、优化城市规划建设和管理的新模式，是一种新的城市管理生态系统[18]。甄峰、翟青等将其理解为一个包含制度、技术、经济和社会4个层次的新的城市框架体系[19]。王世福强调智慧城市是一种对理想城市的新思考，其内核是城市化发展的质量导向，其形态是由精明的发展战略引领的空间有机体[20]。金江军、潘懋等认为与信息城市、数字城市相比，智慧城市具有感知、自动反应、主动服务、辅助决策等特征[21]。许晶华通过分析城市组成系统，指出智慧城市的实质是利用先进的信息技术，实现城市智慧式管理和运行，进而为城市中的人创造更美好的生活，促进城市的和谐、可持续成长[22]。综上所述，智慧城市旨在通过ICT技术与城市基础设施的整合来解决城市问题（公共服务不均衡、交通拥堵、过度开发、资源浪费、环境污染等），其终极目标是通过信息技术的有效利用实现城市的可持续发展。2.2智慧城市的实践智慧城市概念的提出引发了国内外智慧城市实践的热潮。欧盟在2005年率先提出“i2010”战略，次年又发起了LivingLab组织，该组织致力于采用最新的工具和方法、先进的信息和通讯技术来调动方方面面的集体智慧，来解决城市发展中出席拿的各种问题。2007年，欧盟出台了一整套智慧城市建设目标，欧盟的智慧城市评价标准包括智慧经济、智慧移动性、智慧环境和智慧治理。2009年，美国迪比克市和IBM合作，建立美国第一个智慧城市。日本2009年推出“i-Japan智慧日本战略2015”，旨在通过数字信息技术实现电子政务治理、医疗健康服务、教育与人才培养的公共事业领域的创新。韩国2007年推出“u-city”发展战略，希望以网络为基础，打造绿色、数字化、无缝移动衔接的智慧城市，仁川市成为该战略的首个实践者。新加坡2006年启动“智慧国2015”计划，通过物联网等新一代信息通讯技术将新加坡打造为一个智慧的国家、全球化的城市。在全球智慧城市风潮高涨和国家政策的鼓励下，中国的一些城市也纷纷加入“智慧城市”、“感知中国”建设的赛跑中。上海市借助世博会举办的契机，将世界智慧城市的最新技术率先应用于世博园的各个环节，使世博会成为智慧城市的样板。2009年北京市和中科院等单位签定“感知北京”的合作协议，启动“感知北京”的示范工程建设。无锡市携手中科院于2009年底获得国务院批准建设国家传感网创新示范区—“感知中国”中心。杭州市2008年就启动并全面应用RFID技术对杭州图书馆新馆采用“智能管理”[23]。图1基于大数据的智慧城市总体架构3大数据支撑的智慧城市建设城市本身是一个非常复杂的巨系统。大数据的出现丰富了我们对城市的认知，它为城市与社会更好的互动提供了新的机遇。移动通信技术的进步与应用，与高速铁路的加快建设、城市区域化的加速和智慧城市的建设，正将我们快速带入一个全新的基于移动信息技术的“流空间”时代[20]。信息通讯技术增加了城市的复杂性，也使得城市间及其内部活动的空间组织发生了巨大变化[24]。移动信息技术的发展带来了城市建设理念的创新。基于大数据应用的智慧城市建设框架包括感、传、知、用四个层次。（图1）大数据时代的城市建设面临着巨大的变革，这种变革主要体现在：由自上而下的单一信息流向的政府主导式建设向开放城市数据公众参与式建设转变；由传统的静态管理向动态实时反馈的智能交通系统建设转变；将基础设施与ICT融合实现数字化管理；从封闭社区向智慧社区转变。感（感知层）：无线射频、卫星定位、视频监控、噪音监测传（传输层）：有线、无线网络、物联网知（支撑层）：基础设施、地理信息系统、信息通讯技术用（应用层）：公共服务、指挥调度、科学决策3.1开放城市数据建立信息共享平台数据是城市运行的基石，借助各种城市数据可以实现对城市资源的整合。城市数据一般通过三种方式产生，而且数据的规模非常大且是实时产生的。根据UCL高级空间分析中心（CenterForAdvancedSpatialAnalysis）对伦敦Oyster智能公交卡的研究可知，伦敦市每天会发生8百万次出行，这些数据是源源不断产生的。这些数据可用于更好地管理列车调度，使更多的列车在繁忙时间运行，最终使伦敦市民降低交通出行成本，减少能源消耗，改善服务质量，提高城市运行效率。根据这些数据也可以获取各地对交通出行的需求量，出行时间，出行模式以及出行频率，提高交通部门获取出行数据的精确度[25]。但是现在我国的城市数据还不是完全开放的，开放城市数据将会提高城市运行效率，同时也可以让更多的市民参与到城市建设中。伦敦数据库是世界上首个开放数据放平台（见图2图3），公众可以自由获得各种数据。市民对公共数据平台的访问开辟了新的市场，这将鼓励更多的人参与到相关产品开发和服务的行列中。伦敦数据平台每月大概会有超过30000人次的访问量。为了保证数据源源不断地更新，伦敦市政府将继续与下辖各自治市镇和企业、个人合作，希望他们提供开放更多的数据。同样重要的是认识、展示这些数据所具有的价值，数据开放平台也支持开发新的商业模式以创造更大效益。这种数据平台的建立不仅有利于市民参与城市建设，同时也可以起到监督政府公共部门绩效的作用。图2伦敦城市数据开放平台界面图图3伦敦城市数据开放平台展示的中学分布图城市信息共享平台的建立是一项复杂而又漫长的工作，首先要确定并考虑哪些是解决城市问题优先需要的数据，这包括建立数据开放计划、数据开放指引以及数据通用标准。然后由政府协调公共部门和私营机构开放数据，通过建立城市数据平台将分散在城市中的各种数据聚集到一起，并且将分布在城市各处的传感器连接到一个开放的平台。另外，智慧城市数据平台的建设还需要制定数据标准，简化和自定义数据集，设计开发与智能手机和平板电脑友好连接的界面，创造丰富的内容，增加政策制定者和服务提供者之间的互动[26]。3.2实时监测交通状况实现动态管理传统的城市交通依赖静态的监控器和传感器了解路况信息，这种方法由于存在功能单一、安装复杂、位置固定的问题，而导致成本高、覆盖范围有限。借助于大数据技术可以开发用于分析和监测交通流量的工具，目前主要有两种技术应用较为成熟[27]。开放城市的无线网络接入系统和电感应线圈检测器来计算机车网络数量，位于市中心的无线网络分布较为密集，郊区的则较为稀疏，通过无线网络可以准确的记录每个设备特有的ID和接入、断开的时间点，并将这些数据发送到城市中央数据库存储。数据库根据Wi-Fi同时获取所有汽车的GPS坐标数据。另外一种技术是利用安装在道路下面的感应线圈，这些线圈通过磁场来感应道路上的车辆。由于感应线圈在二进制状态下运行（车辆存在/不存在），其主要功能是在道路交叉口动态地调整交通信号灯优先等级。因此，计算车辆数是一个意外收获。例如芬兰奥卢在全市123个道路交叉口都布置了感应线圈，当地交通部门能够获得123个红绿灯路口的交通数据。根据交叉口的大小和道路的数量，每个交叉口有多达32个单独的线圈检测器。在这项技术中，感应线圈也可以识别红绿灯