信息物理
——社會(huì)系統(tǒng)視角下的智能城市

Christos G.Cassandras

Division of Systems Engineering & Center for Information and Systems Engineering, Boston University, Brookline, MA 02446, USA

信息物理
——社會(huì)系統(tǒng)視角下的智能城市

Christos G.Cassandras

Division of Systems Engineering & Center for Information and Systems Engineering, Boston University, Brookline, MA 02446, USA

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Received 30 April 2016

Revised 6 June 2016

Accepted 13 June 2016

Available online 30 June 2016

智慧城市

新興智慧城市是城市環(huán)境的新一代創(chuàng)新服務(wù)，包括交通、能源分布、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、商務(wù)、商業(yè)、緊急響應(yīng)和社會(huì)活動(dòng)。要想實(shí)現(xiàn)這種為城市場(chǎng)景服務(wù)的各項(xiàng)技術(shù)，需要將智慧城市視為一個(gè)整體的信息物理融合系統(tǒng)(CPS)，這其中包括新的移動(dòng)軟件平臺(tái)和對(duì)治安、安全、隱私和大量信息處理的嚴(yán)格要求。本文旨在確定智慧城市的關(guān)鍵特征，進(jìn)而討論了一些由CPS觀(guān)點(diǎn)出發(fā)而得出的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，并概述了一些空白領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究?jī)?nèi)容。

? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1.背景

截至2014年，地球上54 %的人口生活在城市地區(qū)，到 2050年這一比例將達(dá)到66 %，這意味著未來(lái)城市總共將有25億的新增人口[1]。目前，世界范圍內(nèi)已經(jīng)存在28個(gè)超級(jí)大城市(即每個(gè)城市都擁有1 000萬(wàn)以上的人口數(shù)量)，這28個(gè)超級(jí)大城市總共容納了4.53億人口，約占世界城市人口總和的12 %。根據(jù)預(yù)測(cè)，這樣的超級(jí)大城市在2030年將會(huì)達(dá)到41個(gè)。城市管理和城市可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)面臨的最重要的挑戰(zhàn)，這些大城市正在尋找改變的方式使其變得更加“智慧”，以便擁有一個(gè)宜居以及經(jīng)濟(jì)上可持續(xù)發(fā)展的未來(lái)。

新興智慧城市是城市環(huán)境的新一代創(chuàng)新服務(wù)，包括交通、能源分布、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、商務(wù)、商業(yè)、緊急響應(yīng)和社會(huì)活動(dòng)[2]。智慧城市一詞目前已被廣泛使用，用于描述上文提到的全部遠(yuǎn)景，以及支持這些遠(yuǎn)景的相關(guān)知識(shí)內(nèi)容。智慧城市的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，是基于網(wǎng)絡(luò)的傳感器和元件嵌入到整個(gè)城市脈絡(luò)，與無(wú)線(xiàn)移動(dòng)設(shè)備(如智能手機(jī))開(kāi)展交互，并有一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的云服務(wù)來(lái)支持。從信息物理融合系統(tǒng)(CPS)流經(jīng)和收集的數(shù)據(jù)開(kāi)展分析，包括交通狀況和停車(chē)空間的占用，空氣、水的質(zhì)量情況，橋梁、道路或者建筑的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，以及包括運(yùn)輸車(chē)輛、警局或醫(yī)療設(shè)施等資源的具體位置和運(yùn)行狀態(tài)等。源于這種環(huán)境下的應(yīng)用是無(wú)窮無(wú)盡的，每天都有新的發(fā)明和應(yīng)用產(chǎn)生，為全體市民服務(wù)提供了無(wú)限的商業(yè)機(jī)會(huì)。

構(gòu)建這樣一個(gè)智慧城市，需要信息物理融合的基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)合新的移動(dòng)軟件平臺(tái)來(lái)開(kāi)展，并對(duì)移動(dòng)、機(jī)密、安全、隱私，以及處理大批量信息(所謂的“大數(shù)據(jù)”)有著嚴(yán)格的要求。普遍采用的模式是“云”，在“云”中保留著大部分?jǐn)?shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)著各種新穎且不斷演進(jìn)的應(yīng)用，且這些應(yīng)用是實(shí)時(shí)響應(yīng)的，可同時(shí)滿(mǎn)足嚴(yán)密的數(shù)據(jù)安全要求。值得強(qiáng)調(diào)的是，智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施的最大價(jià)值在于“閉環(huán)”，它包括傳感、溝通、決策和啟動(dòng)，而不僅僅是數(shù)據(jù)的收集和共享(圖1)。因此，這就需要一個(gè)對(duì)“物理”和“網(wǎng)絡(luò)”組件的綜合考量，考量與隱私、機(jī)密、安全以及大數(shù)據(jù)收集和驅(qū)動(dòng)機(jī)制所具備的“無(wú)線(xiàn)”特質(zhì)適應(yīng)的能源管理問(wèn)題。

這種模式的重大挑戰(zhàn)在于需要集成廣泛分布的異構(gòu)設(shè)備到一個(gè)共同的軟件環(huán)境中。例如，相機(jī)和不同類(lèi)型的傳感器嵌入到電線(xiàn)或建筑物的供暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)組件中，它們之間以及它們與智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦和服務(wù)器之間必須能夠互相通信。其整個(gè)過(guò)程可被視為與20世紀(jì)80年代末和90年代初發(fā)生的過(guò)程同等重要，那時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)集成數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、視頻和各種專(zhuān)業(yè)應(yīng)用到一個(gè)統(tǒng)一的環(huán)境中，并且出現(xiàn)了各種工業(yè)和商業(yè)部門(mén)所應(yīng)用的軟件平臺(tái)。同樣，在CPS領(lǐng)域，互聯(lián)網(wǎng)正在快速擴(kuò)展，包括一個(gè)新的以流動(dòng)性、機(jī)密性和安全處理大數(shù)據(jù)為定義的預(yù)期平臺(tái)。

在這個(gè)新的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)只是一個(gè)更大型網(wǎng)絡(luò)中的一員?；ヂ?lián)網(wǎng)最終只是一個(gè)在計(jì)算機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，在一個(gè)智慧城市中，數(shù)據(jù)從異構(gòu)傳感設(shè)備傳到服務(wù)器；反過(guò)來(lái)，也要求數(shù)據(jù)流回到驅(qū)動(dòng)裝置以執(zhí)行有用的實(shí)時(shí)操作(如控制交通信號(hào)燈，空調(diào)組件，以及為關(guān)鍵的醫(yī)療或緊急需求所調(diào)度的資源等)。在當(dāng)前背景下，每個(gè)新創(chuàng)建的智慧城市的應(yīng)用程序，都需要以自己獨(dú)特的方式來(lái)適應(yīng)它的用戶(hù)，并與用戶(hù)產(chǎn)生聯(lián)系。一個(gè)潛在的應(yīng)用程序——即插即用組件的共同平臺(tái)是目前所欠缺的，而它可以定義什么是未來(lái)。

2.智慧城市的定義

智慧城市還沒(méi)有一個(gè)被廣為認(rèn)同的定義，但一些人正在努力嘗試解釋智慧城市所表現(xiàn)出的多維度以及跨領(lǐng)域的本質(zhì)。下文的一些定義，分別來(lái)自政府機(jī)構(gòu)、工業(yè)組織、技術(shù)領(lǐng)先者以及學(xué)術(shù)界等不同的領(lǐng)域。

(1) “這是一個(gè)在經(jīng)濟(jì)、人群、治理、流動(dòng)、環(huán)境和居住生活方面表現(xiàn)出良好前瞻性的城市，它建立在具有自主決斷能力、獨(dú)立意識(shí)的市民的天賦和行為的智能組合之上。” [3]

(2) “智慧可持續(xù)城市利用信息和通訊技術(shù)(ICT)使城市更加智能，它高效利用資源、節(jié)約成本和能源、改善服務(wù)和生活質(zhì)量、降低環(huán)境足跡，以上這些都有助于改革創(chuàng)新和低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展?！?[3]

圖1.智慧城市的信息-物理基礎(chǔ)設(shè)施。

(3) “日立公司對(duì)智慧可持續(xù)城市的解釋為，旨在持續(xù)關(guān)注基礎(chǔ)設(shè)施以協(xié)調(diào)全球環(huán)境和生活方式，并且更加安全和便捷。智慧可持續(xù)城市通過(guò)基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這個(gè)協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)設(shè)施包括兩個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施層面來(lái)將消費(fèi)者的生活方式與城市管理基礎(chǔ)設(shè)施的信息技術(shù)(IT)聯(lián)系在一起?！?[4]

(4) “我們相信，人力和社會(huì)資本以及傳統(tǒng)和現(xiàn)代(ICT)溝通交流基礎(chǔ)設(shè)施的投入，通過(guò)可參與性的管理，能夠?qū)ψ匀毁Y源開(kāi)展智慧管理，能夠激發(fā)一個(gè)城市的可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和高品質(zhì)生活時(shí)，這個(gè)城市即可稱(chēng)為智慧城市。” [5]

上述這些對(duì)智慧城市的定義，都有一些共同的要素。總的來(lái)說(shuō)，智慧城市是[6]：① 有感知能力的(通過(guò)傳感器感知周邊環(huán)境)，② 可連接的 (通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將感知到的信息傳送到網(wǎng)絡(luò))，③ 可公用的(環(huán)境周邊的信息會(huì)被公開(kāi)，所有網(wǎng)路的使用者都可以獲得這些信息)，④普及的(使用者可以在任何時(shí)間任何地點(diǎn)，即使是在移動(dòng)中都能獲得信息)， ⑤ 社會(huì)性的(使用者得到的信息可以在其社交平臺(tái)上公開(kāi))， ⑥ 可分享的(分享的不僅僅是數(shù)據(jù)，還有免費(fèi)的設(shè)備)，⑦ 可視、擴(kuò)充的 (物理環(huán)境不斷更新，信息不僅通過(guò)移動(dòng)設(shè)備可見(jiàn)，而且在一些物質(zhì)實(shí)體中，如路牌等處也可看見(jiàn))。

值得注意的是，這些定義都缺少了之前提到的一點(diǎn)：智慧城市的“閉環(huán)”，這一點(diǎn)還沒(méi)有被確定為CPS的最大價(jià)值。

3. 從“智慧城市為信息物理融合系統(tǒng)的觀(guān)點(diǎn)”中得到的啟發(fā)

在波士頓大學(xué)關(guān)于建立“信息-物理”基礎(chǔ)設(shè)施工作的基礎(chǔ)上，我們確定了幾個(gè)問(wèn)題以作為開(kāi)展研究指導(dǎo)的原則。此外，通過(guò)在波士頓城市內(nèi)部署智慧城市的應(yīng)用程序，我們從負(fù)責(zé)策劃部署的城市管理員和終端用戶(hù)處得到了有價(jià)值的信息反饋。一些關(guān)鍵的信息現(xiàn)在整理如下：

（1） “智慧”不僅僅是數(shù)據(jù)的收集和傳播。如圖1所示，把一個(gè)智慧城市的CPS視作一個(gè)“閉環(huán)的系統(tǒng)”是非常重要的，甚至有時(shí)是最為關(guān)鍵的。簡(jiǎn)單地收集和傳播數(shù)據(jù)到一個(gè)用戶(hù)組有時(shí)是弊大于利的。例如，今天的“智能泊車(chē)”技術(shù)，本質(zhì)上希望通知車(chē)主哪里有可以停車(chē)的車(chē)位，但結(jié)果卻往往引導(dǎo)過(guò)多的車(chē)主來(lái)到一個(gè)只有少量空余車(chē)位的地方，造成更多的擁堵，車(chē)主反而找不到車(chē)位[7]。

（2） “意外后果原則”在智慧城市中能得到更好的發(fā)展。當(dāng)擁有大量的新數(shù)據(jù)和服務(wù)需求的時(shí)候，人們總能開(kāi)發(fā)出更多的創(chuàng)新的使用方法。當(dāng)一個(gè)人不斷開(kāi)發(fā)新功能，并使其更簡(jiǎn)單、直觀(guān)且易于使用的時(shí)候，有益的“意外后果原則”應(yīng)運(yùn)而生。因此，創(chuàng)建幾個(gè)應(yīng)用程序和建立一個(gè)用戶(hù)友好的交互平臺(tái)，可以顯著促進(jìn)創(chuàng)新，并且更加利于積累和傳播數(shù)據(jù)。

（3） 人們?cè)谥腔鄢鞘兄械慕巧?。技術(shù)本身無(wú)法改變一個(gè)城市或一個(gè)社區(qū)，要有必要的機(jī)制去刺激人們使用技術(shù)并適應(yīng)“人類(lèi)的循環(huán)”。就共享資源的高效管理而言，個(gè)人利益和社會(huì)最佳狀態(tài)之間總會(huì)有基本沖突存在。城市的交通管控就是一個(gè)典型的例子，車(chē)主個(gè)人試圖實(shí)現(xiàn)其個(gè)人利益，而這通常與整個(gè)司機(jī)群體的利益不相符[8]。雖然技術(shù)為實(shí)現(xiàn)“社會(huì) (或全球)最優(yōu)”提供了手段，但是這個(gè)愿景不能被憑空強(qiáng)加。理解和尊重人類(lèi)行為是CPS的一個(gè)重要組成部分，更準(zhǔn)確地說(shuō)CPS應(yīng)該被稱(chēng)為“信息物理-社會(huì)系統(tǒng)”，這種措辭的重要性也意味著地方政府需要為制定和實(shí)施政策提供必要的激勵(lì)，并實(shí)現(xiàn)智慧城市CPS技術(shù)的最大價(jià)值。

4.智能城市的相關(guān)基礎(chǔ)研究

從系統(tǒng)和控制理論的角度來(lái)看，一個(gè)智慧城市是一個(gè)高度的動(dòng)態(tài)的隨機(jī)混合系統(tǒng)[9]，其眾多問(wèn)題只能通過(guò)跨學(xué)科的方法，將工程科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的研究人員召集起來(lái)以便共同解決。在實(shí)現(xiàn)智能城市的過(guò)程中，必須涉及若干研究領(lǐng)域，列舉如下：

（1）傳感和合作數(shù)據(jù)收集。這是智慧城市的開(kāi)始，事實(shí)上也是任何CPS實(shí)施的開(kāi)始。最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是，我們想要的數(shù)據(jù)源以及與之互動(dòng)的傳感裝置的分布高度不均勻。一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)可以被視為一個(gè)控制系統(tǒng)，它包括3個(gè)主要任務(wù)：覆蓋范圍的控制、數(shù)據(jù)來(lái)源的檢測(cè)以及數(shù)據(jù)的收集。這3個(gè)任務(wù)間的相互作用尤為重要。

（2）在數(shù)據(jù)收集和處理過(guò)程中的安全、隱私和能源管理。如圖1所示，數(shù)據(jù)收集和處理的整個(gè)過(guò)程都受到約束，有些是嚴(yán)格意義上的物理性的約束(比如有限的能源， 主要體現(xiàn)在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)上)，有些是由法律、文化和經(jīng)濟(jì)形成的原則和規(guī)矩的約束。

（3）動(dòng)態(tài)資源分配。大部分的智能城市功能最終都?xì)w結(jié)為對(duì)有限的可共享的資源管理，如運(yùn)輸能力、服務(wù)以及能量。城市環(huán)境的高度動(dòng)態(tài)特性需要?jiǎng)?chuàng)新型的資源分配機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，這已經(jīng)超出了傳統(tǒng)常規(guī)算法。例如，在行車(chē)過(guò)程中附近出現(xiàn)可用的車(chē)位，收集數(shù)小時(shí)車(chē)程外的車(chē)位信息的數(shù)據(jù)就顯得毫無(wú)意義[8]。傳統(tǒng)性能優(yōu)化問(wèn)題中的“響應(yīng)時(shí)間”或“延遲”的概念已經(jīng)不再實(shí)用，新的性能指標(biāo)變成必要因素，上述情況同樣適用于許多能量感知型資源領(lǐng)域，如電動(dòng)汽車(chē)(EVs)。EVs在一個(gè)交通網(wǎng)絡(luò)中的存在開(kāi)辟了新一代的路由和調(diào)度問(wèn)題[9]。

（4）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制和優(yōu)化。由于智慧城市中大數(shù)據(jù)的可得性，我們可以不再依賴(lài)于復(fù)雜的離線(xiàn)模型，而是基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)用新的方法加以控制和優(yōu)化。同時(shí)，交通或其他復(fù)雜資源的隨機(jī)性需求，使得數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制更為必要。同時(shí)，激發(fā)了軟件平臺(tái)的需求，要求其沖破現(xiàn)有技術(shù)和制度的束縛，使數(shù)據(jù)更加有效地積累、存儲(chǔ)和傳播，并激發(fā)人們的創(chuàng)新能力。

（5）相互連接的自動(dòng)汽車(chē)(CAVs)。新一代汽車(chē)的出現(xiàn)改寫(xiě)了汽車(chē)發(fā)展的歷程，其影響十分深遠(yuǎn)，不僅表現(xiàn)在交通系統(tǒng)的性能方面，也表現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)方面。CAVs能夠減少能源的消耗和有害物質(zhì)的排放，也會(huì)以不可預(yù)測(cè)的方式改變傳統(tǒng)司機(jī)的行為，改變城市居民對(duì)駕駛的整體態(tài)度。因此，城市迫切需要將由CAV產(chǎn)生的運(yùn)輸效率的提升，以及其對(duì)“信息-物理”系統(tǒng)中其他基礎(chǔ)設(shè)施的影響進(jìn)行量化。

（6）跨學(xué)科研究。如前所述，沒(méi)有市民的參與與配合，單單依靠技術(shù)本身是不能改變一個(gè)城市的。一個(gè)智慧城市實(shí)際上就是一個(gè)由人、科技、機(jī)構(gòu)和信息組成的社會(huì)科技的有機(jī)系統(tǒng)。這個(gè)有機(jī)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和管理，需要工程師、生態(tài)學(xué)家、社會(huì)學(xué)家們的共同合作與付出 ，開(kāi)展大量跨學(xué)科之間的交流和研究。

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E-mail address: cgc@bu.edu

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英文原文: Engineering 2016, 2(2): 156-158

Christos G.Cassandras.Smart Cities as Cyber-Physical Social Systems.Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.02.012

信息物理融合系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制