从数字城市到智慧城市的技术发展机遇与挑战 文：总工程师梁军
1998年1月，在加利福尼亚科学中心幵幕典礼上， 时任
美国副总统的戈尔发表了题为“数字地球一一理解 21世纪我们的星 球”的演说，提出了 “数字地球”的概念，数字地球是“一种关于地 球的可以嵌入海量地理数据的、多分辨率和三维的表示”。此概念被 引伸到城市，使“数字城市”成为城市信息化的热点。至V 2011年末， 由国家测绘局推动的数字城市地理空间框架建设已在全国 29个省、自 治区、直辖市的220个城市展幵，其中地级市约 180个，占我国全部 地级市的60%虽然地理空间框架只是数字城市的基础部分， 但也说明 了数字城市建设已成为国内城市信息化的着力点。 >自然资源与自然环境 （土地、水、大气*矿产.生态环境〉
地理空闻框架
图1 城市系统的组成结构 2008年11月6日，在纽约召幵的美国对外关系委员会
上，IBM总裁兼首席执行官彭明盛发表了题为“智慧地球一一下一个领 导人议程”的演讲，提出了 “智慧地球”的概念，“大量的计算资源 都能以一种规模小、数量多、成本低的方式嵌入各类非电脑的物品 中”，通过在地球内各种有需要的物体（things ）上嵌入传感器或智
物流 /企业 > 经济与社会系统 I （人口、法人Jt工具）
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能流八 f 信息流
物流
基础设施系统 （道路、房展、管线） < ____
能流 信息流 物流
信息流
政府 I 物联网 JT / 实际系统 1 1 1
丿 ------ * ｛实体城市)
能芯片，使这些物体成为具有智能的信息采集或可控制装置，通过物 与物的网络相联形成的物联网(In ternet of Things )汇集数据和 反馈指令，实现地球内各子系统的智能化调控，构建人类生活和工作 的智能环境(intelligent environments ) 或周边智能 (ambie nt in tellige nee )。“智慧地球”的概念，同样被引伸到城 市，继“数字城市”之后，“智慧城市”(Smart City )也幵始成为 城市信息化的热词。
从数字城市到智慧城市发展反映了城市信息化的与时 俱进，同时也需要我们更深入的思考数字城市与智慧城市的关系，应 对智慧城市带来的技术发展机遇与挑战。
数字城市、智慧城市与城市系统的关系 规划/设计入
实施/建设 t I I I
T I I
控制丿" 设计阶段系统 数字模型 实际系统
数字模型
领域模型t射识模型
数字化 图2 现实城市与数字城市和智慧城市的概略系统分析 分析城市与数字城市、智慧城市之间关系有利于理解和认 识数字城市与智慧城市发展目标和发展方向的因果关系本原。 1. 城市信息化是数字化、网络化和智能化的互动过程
城市是以非农业人口和非农业活动为主的人类聚居 地。它是以人为主体，以空间利用为特点，以集聚效益为目的集约人 口、集约经济、集约科学文化的空间地域系统，是一定区域范围内政 治、经济、文化和信息的中心，城市是一种复杂、幵放的混合系统 (hybrid system )，包括了自然和人工系统。城市在中国现阶段的 工业化、信息化、城镇化、市场化和国际化高速发展的进程中，发挥 着核心的作用，而城市信息化则在工业化、城镇化、市场化和国际化 进程发挥着穿针引线的作用。 城市信息化是指城市社会经济结构从以物质与能量 为重心，向以信息与知识为重心转变的一种发展过程 1 ，是在城市经 济、政治、社会、文化等领域运用信息技术和信息基础设施改变其运 行方式及增强城市功能的过程 2o城市信息化涉及城市的数字化、网络 化和智能化交互的过程，数字化是指城市的各种信息以数字化形式采 集、存贮、处理和使用的过程；网络化是城市数字化信息通过网络流 动与分发的过程；智能化是信息采集及系统调控的自动化过程，三者 之间是相互作用的，数字化是城市信息化的基础，网络化是保障，智 能化是终极目标。 信息化将从多个层面和方位改变城市系统的结构、 行为 和功能，城市的行为将更加智能
2. 城市与数字城市的关系
数字城市建设是以城市的数字化和网络化为重点的城 市信息化过程。数字城市是在城市的网络基础设施之上，通过城市系 统各组成要素及其关系的数字化，构建的由数据和软件组成的实体城 市的数字模型，是现实城市在信息空间的影射。它不仅要反映城市系 统组成要素及其结构的静态特征，而且要反映其动态变化过程，其本 质是建模城(modeling our city )。 城市系统的构成如下图所示，体现为一个基础框架、三 大主体和三大子系统。数字城市基于城市空间地域系统特征，以城市 地理空间的数字化所构建的地理空间信息框架为基础，嵌入或集成城 市的自然资源与自然环境、基础设施、经济与社会乃至历史和文化信 息，形成数字形式的虚拟城市 ＞自然资源与自然环境 （土地、水、大气*矿产.生态环境〉
地理空间框架
图1 城市系统的组成结构 基于地理空间信息框架的城市信息嵌入或集成是数字城 市的本质特征，其核心在于将各种信息所隐含的空间属性与地理空间 实体（如地址、道路、房屋、水体、区划单元等）关联或落实到地理 空间的具体坐标上，按地理空间框架加以组织、索引和分析，以二、
物流 能流 经济与社会系统 c人口、法人最工具）
V 信息流 物流
能流 基础设施系统 （道路.房屋.管线） 信息流 物流
信息流 三维及多分辨率地图或场景的形式可视化表达。地理信息系统在城市 地理空间框架的构建中发挥着核心的作用，成为数字城市的核心组成 部分。
城市的三大主体 ---- 政府、企业和公众通过数字城市的人机交互界面 获取城市系统的各种信息或视图（view），实现基于网络基础设施和 各种智能终端的信息互动，进而对三大主体自身行为和城市系统的子 系统或相关要素进行调控，如汽车导航、交通和电力系统的控制等， 使城市系统规划、建设与运行管理更有序，经济发展更高效，市民生 活更美好，应对突发事件的响应更敏捷，最终达到城市可持续发展的 终极目标。
3. 智慧城市与数字城市的关系
城市的数字化和网络化是手段，城市的可持续发展是终 极目标。从系统的角度，可持续发展的关键在于城市系统的宏观和微 观的高效和科学的调控。由于现阶段数字城市的信息获取以人机信息 交互的方式为主，即基于人机交互的桌面模式 （the model of huma n-computer in teracti on ）。信息的种类、 数量、内容及时效性远远不能满足城市系统宏观和微观调控的要求， 如经济结构的宏观调控、日用品供应的计划制定与物流配送、某一路 灯的控制以及冰箱根据带电子标签的存储物的自动适应等，从闭环控 制系统角度，数字城市的信号正向通路和反馈通路有不完善之处。 随着传感器网络（Sensor Web或物联网的发展, 城市系统的组成物体（包括人）的状态或者物流、能流和信息流的信 息可以通过电子标签（RFID）、传感器或其它智能芯片获取，并通过 网络汇集，为数字城市信息采集提供新的技术手段，并使这些物体的 远程控制成为可能。物联网与数字城市的结合，促进了智慧城市的发 展，使城市信息化进入智能化为主的阶段。在人机交互方面，随着多 点触摸、MS Kinect和SIRI等自然用户界面
（Natural User In terface ）技术发展，进入了人机交互的后桌面 模式（the post model of human-computer interaction ）时代。
智慧城市二数字城市+物联网
如果将人与城市类比，智慧城市是人的神经系统，数字 城市是人的大脑或中枢神经系统，物联网则是人的神经末梢或周围神 经系统，城市的中枢与周围神经系统的发展使城市信息化进入了智能 化时代。智慧城市将是现代城市的不可或缺的组成部分，如同神经系 统是人体的有机组成部分。数字城市负责城市各组成要素的数据的处 理、存贮、分析和表达，甚至包括对城市组成部分或要素的控制指令 下达；而物联网负责各组成要素（物体）的信息采集和控制指令的传 输和执行。由数字城市与物联网组成的智慧城市构成了一个动态信息 采集（信号正向通路）、处理与分析以及反馈与控制（反馈通路）的闭环控制系统，促进了城市的数字神经网络系统的发展。 4. 城市与数字城市、智慧城市的系统分析
将城市与数字城市分别作为一个整体来看， 数字城市是 实体城市通过数字化而构建的数字模型，此模型由数据和软件构成。 按照面向对象技术的观点，软件由对象构成，数字城市中的软件对象 主要是城市系统组成要素及其行为和要素间相互关系的影射，而数据 是这些对象与关系状态（或属性）的持久化。这种影射关系由城市内 相关领域的领域模型以及系统设计与实现方法所决定，软件对象及其 关系的规则（规律）通过领域知识模型反映，知识模型是对城市系统 进行模拟、预测和控制的基础，也是城市智能化的核心。领域模型与 知识模型是建模城市的元模型或基因。 城市与数字城市、智慧城市的关系如下图所示：
图2 现实城市与数字城市和智慧城市的概略系统分析 实际系统 （实体城市） V 丿
监测 领域模型号宛识換型 数字城计卩
规划/设计> —— ―—电
设计阶段系统 数字模型 实际系统
数字模型
实施/建设 >
控制 ---------- V --------------------------
数字化