智慧城市主要支撐技術(shù)有哪些？

文章轉(zhuǎn)載自：燈桿智慧說(shuō)

在新型城鎮(zhèn)化建設(shè)深入推進(jìn)、“數(shù)字中國(guó)”戰(zhàn)略持續(xù)實(shí)施、“雙碳”目標(biāo)加快落實(shí)、數(shù)字技術(shù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合、數(shù)字化轉(zhuǎn)型全面提速的背景下，智慧城市建設(shè)迎來(lái)新機(jī)遇。智慧城市的建設(shè)，不是一朝一夕就能實(shí)現(xiàn)，這背后離不開相關(guān)企業(yè)、科研單位和政府部門的努力，當(dāng)然同樣需要眾多新興技術(shù)的加持，主要有以下幾個(gè)方面。

空間信息技術(shù)

空間信息技術(shù)為智慧城市的城市信息數(shù)據(jù)化提供了有效途徑和有力保障。通過(guò)空間信息技術(shù)(3S技術(shù))與計(jì)算機(jī)技術(shù)可以數(shù)字化城市信息,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)城市的管理、規(guī)劃和建設(shè)。如使用遙感(RS)手段采集地表觀測(cè)數(shù)據(jù),借助全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)技術(shù)采集城市人或物的軌跡數(shù)據(jù)等,最后利用地理信息系統(tǒng)(GIS)的方法對(duì)采集城市空間數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和分析。總之,3S技術(shù)為數(shù)字城市建設(shè)過(guò)程中信息的挖掘與分析提供了重要技術(shù)支撐。

GIS技術(shù),是在計(jì)算機(jī)硬/軟件系統(tǒng)支持下,對(duì)整個(gè)或部分地球表層(包括大氣層)中的地理數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。GIS技術(shù)已被應(yīng)用于城市活動(dòng)中的各個(gè)方面,涉及城市交通、自然資源考察、環(huán)境評(píng)估、自然災(zāi)害預(yù)報(bào)、國(guó)土管控與規(guī)劃、軍事公共安全、水力發(fā)電、公共服務(wù)設(shè)備管理等。它為數(shù)字城市龐大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理和運(yùn)維提供有效的載體。

RS技術(shù),從廣義上常被界定為不直接與目標(biāo)物體接觸,而是從較遠(yuǎn)距離獲取目標(biāo)對(duì)象的信息并完成識(shí)別的數(shù)據(jù)采集手段。近年來(lái),遙感逐步向“空天地一體化”方向發(fā)展,全方位地從多途徑獲取空間信息,該領(lǐng)域的研究應(yīng)用也由最初單一且簡(jiǎn)單的遙感資源向多種時(shí)間分辨率和多種數(shù)據(jù)來(lái)源類型進(jìn)行轉(zhuǎn)化、整合及分析,由研究靜態(tài)事物向動(dòng)態(tài)觀測(cè)地表信息轉(zhuǎn)變。RS技術(shù)也因?yàn)榫邆涠鄠鞲衅鳌⒍鄷r(shí)相和高分辨率等優(yōu)勢(shì),在大面積獲取城市空間數(shù)據(jù)等方面發(fā)揮著不可比擬的作用,為“數(shù)字城市”的建設(shè)提供了快速、及時(shí)、準(zhǔn)確“獲取和更新空間數(shù)據(jù)”的功能,為其發(fā)展與建設(shè)帶來(lái)了源源不斷的“鮮活”數(shù)據(jù)。

GNSS技術(shù),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(shí)間信息及速度的空基無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。GNSS主要是由全球各個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組成,比如國(guó)之重器——北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS)和伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo)。GNSS技術(shù)能夠提供全方位的目標(biāo)定位和位置服務(wù),是數(shù)字城市定位服務(wù)的重要技術(shù)支撐。

數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),是用計(jì)算機(jī)協(xié)助進(jìn)行數(shù)據(jù)管理的一種方法,其關(guān)鍵在于研究組織與保存數(shù)據(jù)的形式,以及高效獲取與操作處理數(shù)據(jù)的方式。經(jīng)歷了三大發(fā)展時(shí)期:人工管理時(shí)期、文件系統(tǒng)時(shí)期、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)時(shí)期。它深入研究并解答了計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)合理分布和存放的難題,減少數(shù)據(jù)的重復(fù)存儲(chǔ),能夠共享數(shù)據(jù),提高數(shù)據(jù)利用效率,供用戶快速檢索數(shù)據(jù)。

城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)容量、檢索速度、數(shù)據(jù)可靠性與可更新性、獲取便利性以及操作自動(dòng)化水平等,可以從根源上決定城市的信息化程度。因此,數(shù)據(jù)庫(kù)在城市建設(shè)過(guò)程中的作用不容忽視。它能夠提供整個(gè)城市各方面的信息,做到資源整合,幫助用戶系統(tǒng)管理、快速檢索所需數(shù)據(jù),為各部門互聯(lián)互通提供一個(gè)平臺(tái),加速數(shù)據(jù)與信息的快速流通與高效利用,是我國(guó)數(shù)字城市建設(shè)的重要戰(zhàn)略基礎(chǔ)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)技術(shù),是對(duì)三維圖形環(huán)境與目標(biāo)的再現(xiàn),并將視、聽(tīng)、觸等感知用圖表和動(dòng)畫的方式表現(xiàn)出來(lái)的一種科學(xué)技術(shù)。其實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于環(huán)境建模、三維制作、立體顯示、系統(tǒng)開發(fā)等,能夠?yàn)槌鞘芯坝^設(shè)計(jì)、城市環(huán)境信息全面展示及智能融合提供互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程觀覽等。

VR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建城市建筑模型、自然環(huán)境、地物等,從而真實(shí)、生動(dòng)地反映城市景觀特色,使城市信息得到全面展示,在復(fù)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界的同時(shí),可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的人機(jī)互動(dòng),輔助城市規(guī)劃設(shè)計(jì),加快設(shè)計(jì)速度,為數(shù)字城市的建設(shè)提供虛擬模型,規(guī)避設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn),為政府、企業(yè)及個(gè)人進(jìn)行合理規(guī)劃設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),指通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議把世界上散布在各個(gè)地理位置,且具備相互獨(dú)立功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),利用通信裝置和線路連接起來(lái),共同構(gòu)成數(shù)據(jù)鏈路,實(shí)現(xiàn)信息共享和傳遞的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在共享硬/軟件及數(shù)據(jù)資源的基礎(chǔ)上,可以對(duì)數(shù)據(jù)資源進(jìn)行集中處理、管理與維護(hù),由計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),為數(shù)字城市建設(shè)提供了一個(gè)既強(qiáng)大又安全的通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),整合通信資源,連接各類公共數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)信息共享,能夠快速響應(yīng)數(shù)字城市發(fā)生的各類事件,輔助政府高效決策。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的深入普及,5G商業(yè)的成功落地,信息傳輸速率和容量的迅猛發(fā)展,使得智慧城市場(chǎng)景中的萬(wàn)物互聯(lián)成為可能。1999年,“物聯(lián)網(wǎng)”首次被提及,并定義為“把所有物品通過(guò)射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái),實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理”。物聯(lián)網(wǎng)(internet of things,IoT)的重點(diǎn)技術(shù)包括:電子傳感器技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)(radio frequency identification,RFID)、嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。智慧城市的建設(shè)借助互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施,通過(guò)構(gòu)建統(tǒng)一的城市數(shù)據(jù)管理平臺(tái),把橫向應(yīng)用的交通運(yùn)輸、醫(yī)療、政務(wù)等大數(shù)據(jù)資源集成一起,多方面進(jìn)行優(yōu)化,形成了全新且完整的智慧城市生態(tài)系統(tǒng),構(gòu)造了嶄新的城市形態(tài)。憑借物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),能夠全面感知與統(tǒng)計(jì)城市各類信息,彼此相互連接,用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互通信與遠(yuǎn)距離控制,形成智慧城市的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系,使得城市具備了和人類一樣能夠快速響應(yīng)、優(yōu)化調(diào)控及智能感知的功能,加速城市環(huán)境下各層面的智慧化進(jìn)程。

云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算技術(shù),是支持異構(gòu)設(shè)施協(xié)同工作的一種分布式計(jì)算技術(shù)。它利用互聯(lián)網(wǎng)“云”把大量的數(shù)據(jù)計(jì)算分解成無(wú)數(shù)個(gè)小的運(yùn)算過(guò)程,并利用多個(gè)服務(wù)器構(gòu)成的系統(tǒng)管理和計(jì)算這些子過(guò)程,將結(jié)果反饋給用戶。云計(jì)算技術(shù)具備了高度虛擬化、動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展、按需配置、可操作性高、可靠性高、性價(jià)比高及擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。換言之,計(jì)算能力可以當(dāng)作一種商品在互聯(lián)網(wǎng)上流通,如同水、電、煤氣一般獲取便利且價(jià)格低廉。憑借云計(jì)算,可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)成千上萬(wàn)的數(shù)據(jù)的處理,達(dá)到規(guī)模強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)水平。云計(jì)算按業(yè)務(wù)模式可分為三類：軟件(應(yīng)用)即服務(wù)(software as a service,SaaS)、平臺(tái)即服務(wù)(platform as a service,PaaS)、基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)(infrastructure as a service,IaaS)。IaaS、PaaS、SaaS服務(wù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)和計(jì)算。

城市海量數(shù)據(jù)的處理與分析,是在云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的數(shù)據(jù)中心平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的。而通過(guò)云計(jì)算環(huán)境,對(duì)城市規(guī)劃建設(shè)過(guò)程進(jìn)行了基礎(chǔ)資源的集約規(guī)范化管控,有效提升了資源利用率,可優(yōu)化資源調(diào)配,降低部門資源成本,促進(jìn)城市信息化建設(shè)的蓬勃發(fā)展,并為政府部門決策、中小企業(yè)發(fā)展、社會(huì)公眾服務(wù)等創(chuàng)造了良好的平臺(tái)。

時(shí)空大數(shù)據(jù)技術(shù)

時(shí)空大數(shù)據(jù)是指基于統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)(空間參照系統(tǒng)與時(shí)間參照系統(tǒng)),存在于空間與時(shí)間中,并與位置直接定位或間接時(shí)空分布密切相關(guān)的大規(guī)模海量數(shù)據(jù)集。其重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容是建立地上地下互通、室內(nèi)室外聯(lián)動(dòng)及虛實(shí)融合的整體空間;可以匯集社會(huì)感知的同步數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)及城市規(guī)劃數(shù)據(jù),進(jìn)行時(shí)空化操作與分析,搭建時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái),優(yōu)化政策執(zhí)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(shè)中主要有以下時(shí)空大數(shù)據(jù)技術(shù)作為支撐:第 一,云計(jì)算+GIS技術(shù),具備資源的可池化,站點(diǎn)的可調(diào)度性,使用的可監(jiān)控性,服務(wù)的可度量性,用戶的可租用性等特點(diǎn)。第二,大數(shù)據(jù)分析與云GIS的融合技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的收集與保存、處理與分析、挖掘、數(shù)據(jù)可視化及融合等功能,完成從數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀描述到診斷的全過(guò)程知識(shí)性服務(wù)。第三,時(shí)空大數(shù)據(jù)可視化技術(shù),通過(guò)優(yōu)化調(diào)度云環(huán)境中的數(shù)據(jù),進(jìn)行大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析,實(shí)現(xiàn)多模態(tài)、全空間的時(shí)空大數(shù)據(jù)自適應(yīng)可視化。作為一個(gè)復(fù)雜的空間綜合體,城市的發(fā)展涉及國(guó)土規(guī)劃、交通環(huán)保、水利電力等多種類時(shí)空大數(shù)據(jù),只有利用大量的多類型、動(dòng)態(tài)化時(shí)空地理大數(shù)據(jù)所構(gòu)建的城市智能模型才能更加合理和更加科學(xué)。其關(guān)鍵在于多源數(shù)據(jù)的合理可視化,海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步性,數(shù)據(jù)的及時(shí)更新,以及挖掘數(shù)據(jù)背后隱藏的信息含義與展示。

實(shí)景三維技術(shù)

三維空間的建立是數(shù)字孿生城市建設(shè)的重要內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)城市信息的實(shí)時(shí)感知與城市模型的實(shí)景可視化亦是重中之重。如三維GIS的實(shí)景可視化功能,具備了源自逼真的空間模型與高效的人機(jī)交互體驗(yàn)的較強(qiáng)空間真實(shí)感,為城市三維實(shí)景的建設(shè)奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。而城市實(shí)景三維技術(shù)為數(shù)字孿生城市構(gòu)建了統(tǒng)一的數(shù)字底板與多維空間基底,為城市的數(shù)字重構(gòu)提供了大量完整性好、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高的時(shí)空數(shù)據(jù)。

隨著三維GIS的延伸發(fā)展與深入應(yīng)用,集成BIM+GIS的模式發(fā)展為熱點(diǎn)技術(shù)。BIM可以看作是一個(gè)存儲(chǔ)智能建筑信息的數(shù)據(jù)庫(kù),其中建筑的特征(語(yǔ)義和幾何形狀)、行為及其關(guān)系,可以通過(guò)面向?qū)ο蟮姆绞絹?lái)表達(dá)。BIM具備可模擬、能優(yōu)化、可協(xié)調(diào)及可視化等特點(diǎn),應(yīng)用滲透到水電、市政、交通等多個(gè)領(lǐng)域,協(xié)助管理城市建筑的信息,促進(jìn)其可持續(xù)發(fā)展。BIM技術(shù)憑借其數(shù)據(jù)全開放可視化與共享的優(yōu)勢(shì),推動(dòng)信息化成為智慧城市建設(shè)過(guò)程中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),為建筑的合理規(guī)劃和智慧城市的深入應(yīng)用提供了良好的條件。

CIM為數(shù)字孿生城市的建設(shè)與管理提供模型基礎(chǔ),它所表達(dá)的是城市全部要素的信息,需要迭代城市整個(gè)生命周期過(guò)程中所有要素的信息,驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生城市的蓬勃發(fā)展。與BIM不同,CIM把目標(biāo)對(duì)象的范圍從單個(gè)建筑物的水平擴(kuò)展到整個(gè)城市的標(biāo)準(zhǔn),完成對(duì)城市中所有要素及其時(shí)空信息的數(shù)字化與智能化表達(dá)。但是CIM需要攻克的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何搭建一個(gè)融合了設(shè)計(jì)、管理、計(jì)算與評(píng)估的平臺(tái),來(lái)整合城市信息數(shù)據(jù)。而BIM+GIS模式的出現(xiàn),將有力推進(jìn)城市數(shù)字化平臺(tái)的構(gòu)建,驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生城市建設(shè)過(guò)程中CIM的快速發(fā)展。

人工智能技術(shù)

人工智能(artificial intelligence,AI)技術(shù),即通過(guò)科技手段生產(chǎn)類腦思考、甚至超越人腦思維的機(jī)器,類比數(shù)字孿生城市中的AI為城市大腦,為城市提供學(xué)習(xí)與思考、分析與判斷等功能。在科技發(fā)展和場(chǎng)景多樣化的背景下,人類活動(dòng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量急劇增大,其計(jì)算也愈加復(fù)雜,使得AI在數(shù)字孿生城市建設(shè)中的地位越發(fā)穩(wěn)固。主要體現(xiàn)在:一是充分利用AI算法構(gòu)建對(duì)象仿真、智能仿真、分布交互仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真等模型,模擬預(yù)測(cè)城市運(yùn)行狀態(tài)與趨勢(shì),測(cè)試處于不同環(huán)境中的城市運(yùn)行情景,及時(shí)響應(yīng)城市緊急突發(fā)事件,以提供城市規(guī)劃、管理與決策科學(xué)參考依據(jù);二是通過(guò)集成AI+深度學(xué)習(xí)(deep learning,DL)技術(shù),深度挖掘和自主學(xué)習(xí)海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),完成自動(dòng)決策,實(shí)現(xiàn)反向智能控制,推動(dòng)城市智慧發(fā)展。目前,AI需要解決的難點(diǎn)在于如何在小樣本或無(wú)樣本的情況下,實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí),搭建半物理仿真的模型機(jī)制,解決在未來(lái)實(shí)景中實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)事件的合理響應(yīng)與決策這一難題。

為使AI在智慧城市建設(shè)與管理中的作用最大化,需與5G/6G物聯(lián)網(wǎng)緊密結(jié)合,兩者相互賦能,建立物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò),形成如同傳遞與感知信息的神經(jīng)元,覆蓋于城市表層,衍生出無(wú)限可能。人工智能為智慧城市向數(shù)字孿生城市轉(zhuǎn)化賦能,為智慧城市建設(shè)奠定算法基石,逐步應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,如汽車自動(dòng)駕駛,智能醫(yī)療,計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別等,是城市智慧化建設(shè)與管理的重要利器,亦是必不可缺的技術(shù)之一。