智慧城市中的大数据分析技术(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:秦志光,刘峤,刘瑶,钟婷

出版社:通信图书编辑部

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智慧城市中的大数据分析技术

智慧城市中的大数据分析技术试读:

前言

目前我国正在大规模开展智慧城市建设试点工作,目的是通过引进和利用高科技手段来改善城市管理运营水平,缩小城乡差距,解决城镇化问题和城市病问题,在提高城市竞争力、促进产业升级的同时,改善民生。然而受相关领域信息技术飞速发展的影响,智慧城市的概念和内涵也处在不断发展变化的过程中,这一方面使城市的许多管理者处在困惑和不解当中,迫切需要知识更新的有效手段;另一方面,也给从业者学习和掌握相关技术造成了极大的困扰。在缺乏有效引导的情况下,人们面对海量的知识和技术的迅速更新换代,往往显得茫然无措,不知道该从何入手去学习和掌握关键技术。从长远看,这对于我国的智慧城市建设事业十分不利,由于缺乏知识的储备和系统的思考,往往容易被跨国信息技术企业牵着鼻子走,不仅造成投资浪费,而且错失发展良机。为此本书的作者与人民邮电出版社的编辑共同策划了本书,目的是结合本书作者多年从事相关领域科研工作所积累的实践经验和近年来参与我国多个城市的智慧城市规划与融资项目实施的实战经验,系统介绍智慧城市建设中涉及的大数据、物联网、移动互联网等关键技术的内涵与科技发展动态,及其与智慧城市建设的相互关系,从而帮助城市管理者了解科技动态和把握技术脉络,帮助相关从业人员了解技术体系和认清技术动向,从而更好地制订学习和研究计划。

本书主要介绍智慧城市建设中的大数据技术。大数据和智慧城市是目前受到社会普遍关注的两大热点领域,然而由于提出的时机不同和推动的动力不同,人们对这两者的认识通常是割裂开来的。然而随着智慧城市建设逐步深入铺开和大数据分析技术日益受到社会重视,人们开始逐渐认识到这两者其实有着内在的必然联系,智慧城市建设离不开大数据分析技术的支持,大数据分析技术的发展也离不开智慧城市这个最典型的应用场景。

受信息技术飞速发展的影响,这两个新生事物的内涵和外延也处在不断发展变化的过程中,这不仅加大了人们学习和掌握相关技术的难度,进一步加剧了人们认清事物本质和发展规律的难度。

大数据分析技术是一个专业性极强的技术领域,许多未成熟的前沿科技成果正在被源源不断地引入,这对从事相关应用开发的人员提出了更高的要求,他们必须不断更新自己的知识体系和认识,跟上技术发展的脚步;而智慧城市建设则是一个涉及城市管理方方面面的系统工程,单从科研和技术的视角出发是无法贴近城市建设具体需求的,而单从行政管理的视角出发也是无法真正认识和利用高科技手段来改进城市管理运营水平的,要解决这个矛盾,科技工作者、企事业单位相关从业人员和政府管理部门的相关人员也必须不断更新自身的知识体系。

智慧城市,必须由专家来建设,这里的“专家”,既包括城市管理运营的专家,也包括真正掌握了大数据技术的专家。在从事智慧城市建设咨询的过程中,本书的策划者对此有深切的体会。我们希望通过本书,向读者系统完整地介绍大数据技术及其与智慧城市建设的关系,并通过具体的案例帮助读者了解如何运用大数据分析技术来助推城市的智能化管理和运营,为企业和社会创造经济价值和社会效益。

在智慧城市的设计与建设中,我们思考最多的是以下3个问题:面对多元异构的大数据洪流,我们应该如何应对?面对各种不同的大数据分析工具和解决方案,到底哪些才是能够推动科技创新和创造实际价值的核心技术?怎样才能实现对大数据的智能融合与分析,进而实现对数据的有效管理和从中获取所需的知识,从而更好地管理和运营我们的城市?

本书分3个部分对上述问题进行了逐一解答。首先在第1部分,介绍了智慧城市和大数据的基本概念及它们相互之间的内在联系,通过生动的案例帮助读者建立起大数据分析技术在智慧城市中的具体应用的直观印象,激发读者的思考和创造力。本书的第2部分重点介绍了智慧城市运营过程中的数据生产特征,通过对智慧城市的数据形式和潜在利用价值进行归纳分析,给出了智慧城市的大数据体系,并提出了建立智慧城市大数据分析平台的指导性建议。最后在本书的第 3部分,介绍了大数据分析技术的内涵与外延,对大数据分析技术的最新发展动态进行归纳整理,一方面帮助读者完整系统地了解大数据分析技术所涉及的知识体系和技术核心;另一方面为相关从业人员深入学习掌握大数据分析技术给出了学习线索,有助于他们更好地制订针对某项特定专业技术的学习计划;同时有助于城市的管理运营者了解大数据分析技术的能力和实际应用价值。

本书的作者是“985”高校活跃在科研一线的中青年教师,均具有博士学历,在大数据分析、物联网、云计算、移动互联网和信息安全等领域有着丰富的科研和实践经验,承担过多项国家级重点项目和重大课题。其中编纂负责人秦志光教授为国务院学位委员会学科评议组成员、国务院特殊津贴获得者,在信息安全领域和计算机应用技术领域有着长期的学术积累。此外,本书的全体编著人员均实际参与过我国多个城市的智慧城市规划与国家级试点城市申报工作,取得了许多成功经验。这些经验对于其他城市的智慧城市建设有着积极的借鉴意义,这也是本书独有的特点之一。

由于作者的水平有限,书中难免存在各种错误和问题,恳请读者谅解,也希望读者批评指正。作者2014年9月第1章智慧城市概述

城市是人类社会发展到一定阶段的必然产物。在美国著名城市规划理论家刘易斯·芒福德看来,城市实质上就是人类的化身[1]。城市从无到有、从简单到复杂、从低级到高级的发展历史,反映了人类社会、人类自身同样的发展过程。芒福德认为城市是改造人类、提高人类的场所。他认为城市的主要功能是化力为形,化权能为文化,化朽物为高雅的艺术形象,化生物繁衍为社会创新。城市是人类行为需求的展现,因而最优的城市经济模式应是关怀人和陶冶人。智慧城市的目的就是实现这种经济模式,能够体现城市市民个人和全体的意志,能够自知自觉、自治自制、自我实现。

智慧城市是当前城市发展的新理念和新热点,以改善城市环境质量、优化城市管理和生产生活方式、提升城市居民幸福指数为目的,是信息时代的新型城市化发展模式,对城市实现以人为本、全面协调可持续的科学发展具有重要意义。

智慧城市的核心驱动力是通过高度的城市信息化来满足城市发展转型和管理方式转变的需求,其基本内涵是:以推进实体基础设施和信息基础设施相融合、构建城市智能基础设施为基础,以大数据、物联网、移动互联网等新一代信息通信技术在城市经济社会发展各领域的充分运用为主线,以最大限度地开发、整合和利用各类城市信息资源为核心,以为居民、企业和社会提供及时、互动、高效的信息服务为手段,以全面提升城市规划发展能力、提高城市公共设施水平、增强城市公共服务能力、激发城市新兴业态活力为宗旨,通过智慧的应用和解决方案,实现智慧的感知、建模、分析、集成和处理,以更加精细和动态的方式提升城市运行管理水平、政府行政效能、公共服务能力和市民生活质量,推进城市科学发展、跨越发展、率先发展、和谐发展,从而使城市达到前所未有的高度“智慧”状态。1.1 智慧城市是城市发展的必然阶段

人类的远古祖先居无定所,渔猎而生,为了抵抗体型庞大的凶猛动物联合起来形成部落,当猎物丰富以至需要储存时,他们才开始了定居生活。随着交换行为和工商业的发展,城市才逐渐崛起;工业革命以后,随着大量科学技术的产生,城市获得了前所未有的发展;进入现代社会以后,随着人口数量的不断增长,城市变得越来越大,也越来越拥挤。随着技术的进步和城市的快速发展,城市中出现了各种各样的城市病,如人口众多、资源不足、环境污染、交通拥堵、自然灾害频繁发生等问题,这些问题已对城市的发展提出了挑战,而且这不是某个城市的问题,全球各大城市都在面临或将面临这些问题。城市以前的发展模式已经不能应对这些问题,城市需要更加智慧的方法来解决这些问题。

智慧城市的概念是由IBM公司在2009年提出的,而使用智慧的方法来解决城市问题这个概念早在2008年以前就被提出,如1995年年底,马来西亚总理马哈蒂尔提出建设总面积为 750 平方千米的多媒体超级走廊(Multimeia Super Corrior,MSC)计划。建成后 MSC 将拥有世界最先进的信息技术硬件设施,以吸引世界性的高技术企业前来投资,从而实现马哈蒂尔塑造马来西亚“知识经济”社会的梦想。2004年3月,韩国政府推出了u-Korea发展战略,希望使韩国提前进入智能社会。u-Korea战略是一种以无线传感器网络为基础,把韩国的所有资源数字化、网络化、可视化、智能化,以此促进韩国经济发展和社会变革的国家战略。2005年7月,欧盟正式实施“i2010”战略。该战略致力于发展最新的通信技术、建设新网络、提供新服务、创造新的媒体内容。2006年6月,新加坡启动了iN2015计划。这是一个为期10年的计划,共投资约40亿新元,目标是利用无处不在的信息通信技术将新加坡打造成一个智慧的国家和全球化的城市。2008年IBM提出智慧地球的概念,引发了全球的关注,而智慧城市是在智慧地球的基础上发展而来的,其目标是引领城市通向繁荣和可持续发展。IBM认为城市是一个集交通、能源、商业、安全、医疗、食品等系统于一体的综合体,智慧城市就是在现有城市信息化的基础上为城市居民提供更安全、更高效、更及时的服务。1.2 众说纷纭的智慧城市

据有关资料显示,我国学术界关于智慧城市的介绍始于2005年姚音的《智慧城市试验》[2]和姚音、凤翔等的《“智慧城市”:马来西亚新动力》[3]。2008年,中国提出用4万亿元人民币投资应对金融危机时,智慧城市的议题引起了国内各界的关注。同时IBM公司在中国连续召开了22场智慧城市的讨论会,与中国200多名市长及近 2 000 名其他城市政府官员交流,进而推出符合中国现状的智慧城市发展规划。2010年以后智慧城市的概念开始逐步被国内研究者关注,随着我国智慧城市建设的兴起,国内相关专家对智慧城市的研究也在迅速增加,并开始形成热潮。

IBM认为,21世纪的智慧城市能够充分运用信息和通信技术手段感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息,从而对包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出智能的响应,为人类创造更美好的生活。具体来说,智慧城市需要具备四大特征:全面感测、充分整合、激励创新和协同运作[4]。全面感知是指遍布各处的传感器和智能设备组成“物联网”,对城市的核心系统进行测量、监控和分析;充分整合是指“物联网”与互联网系统完全连接和融合,将数据整合成城市核心系统的运行全图,提供智慧的基础设施;激励创新是指鼓励政府、企业和个人在智慧的基础设施之上进行科技和业务的创新应用,为城市提供源源不断的发展动力;协同运作是指基于智慧的基础设施,城市里的各个关键系统和参与者和谐高效地协作,达到城市运行的最佳状态。

巫细波、杨再高认为智慧城市的核心是以一种更智慧的方法通过利用以物联网、云计算等为核心的新一代信息技术来改变政府、企业和人们相互交往的方式,对于包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出快速智能的响应,提高城市运行效率,为居民创造更美好的城市生活[5]。他们认为智慧城市体系可以分为感知层、网络层和应用层,分别对应以下3个方面的特征:更透彻的感知、更广泛的互联互通、更深入的智能化。其中更透彻的感知是指利用任何可以随时随地感知、测量、捕获和传递信息的设备、系统和流程快速获取城市任何信息并进行分析,便于立即采取应对措施和进行长期规划;更广泛的互联互通是指通过各种形式的高速高带宽通信网络工具,将个人电子设备、组织和政府信息系统中收集和储存的分散信息及数据进行连接交互和多方共享,从而对环境和业务状况进行实时监控,从全局角度分析形势并实时解决问题,使工作和任务可以通过多方协作完成,改变整个城市运作方式;更深入的智能化是指深入分析收集到的数据,获取更加新颖、系统且全面的情况来解决特定问题以更好地支持城市发展决策和行动。简而言之,智慧城市=物联网+互联网。

李德仁院士认为智慧城市建立在数字城市的基础框架上,通过无所不在的传感网将它与现实城市关联起来,将海量数据存储、计算、分析和决策交与云计算平台处理,并按照分析决策结果对各种设施进行自动化控制[6]。数字城市存在于网络空间中,虚拟的数字城市与现实的物理城市相互映射,是现实生活的物理城市在网络世界中的一个数字再现。在智慧城市阶段,数字城市与物理城市可以通过物联网进行有机的融合,形成虚实一体化的空间。在这个空间内,将自动和实时地感知现实世界中人和物的各种状态和变化,由云计算中心处理其中海量和复杂的计算和控制,为人类生存繁衍、经济发展、社会交往等提供各种智能化的服务,从而建立一个低碳、绿色和可持续发展的城市。李德仁院士的观点用简单的公式可以表示为:智慧城市=数字城市+物联网+云计算。

王家耀院士则认为智慧城市就是让城市更聪明,本质上是让作为城市主体的人更聪明[7]。它是通过互联网把无处不在的被植入城市物体的智能化传感器连接起来形成物联网,实现对物理城市的全面感知,利用云计算等技术对感知信息进行智能处理和分析,实现网上“数字城市”与物联网的融合,并发出指令,对包括政务、民生、环境、公共安全、城市服务、工商活动等在内的各种需求做出智能化响应和智能化决策支持。

2012年中国通信学会智慧城市论坛《智慧城市白皮书》对智慧城市的定义是“以‘发展更科学,管理更高效,生活更美好’为目标,以信息技术和通信技术为支撑,通过透明、充分的信息获取,广泛、安全的信息传递,有效、科学的信息处理,提高城市运行和管理效率,改善城市公共服务水平,形成低碳城市生态圈,而构建的新形态城市。”

2013年中国电子技术标准化研究院公布的《中国智慧城市标准化白皮书》对智慧城市的内涵进行了详尽的描述:智慧城市是“以推进实体基础设施和信息基础设施相融合、构建城市智能基础设施为基础,以物联网、云计算、大数据、移动互联网等新一代信息通信技术在城市经济社会发展各领域的充分运用为主线,以最大限度地开发、整合和利用各类城市信息资源为核心,以为居民、企业和社会提供及时、互动、高效的信息服务为手段,以全面提升城市规划发展能力、提高城市公共设施水平、增强城市公共服务能力、激发城市新兴业态活力为宗旨,通过智慧的应用和解决方案,实现智慧的感知、建模、分析、集成和处理,以更加精细和动态的方式提升城市运行管理水平、政府行政效能、公共服务和市民生活质量,推进城市科学发展、跨越发展、率先发展、和谐发展,从而使城市达到前所未有的高度‘智慧’状态”。

仔细分析以上各家的观点,不难发现他们的共同点在于以运用新一代信息技术对城市公共管理与服务领域进行智能化建设作为智慧城市的出发点,以实现城市可持续发展与提升居民的生活质量作为智慧城市的落脚点。然而从技术的角度对智慧城市的定义进行分析可以发现,IBM、巫细波、杨再高、李德仁、王家耀等对智慧城市的定义忽略了智慧城市服务的主体,正如芒福德在《城市发展史—起源、演变和前景》一书中所讲,城市的最优化经济模式是关怀人、陶冶人。智慧城市的信息技术应该是服务人、关怀人的技术。因此,从技术的角度分析智慧城市内涵可以认为智慧城市在数字城市的基础上,通过移动互联网、物联网、云计算建立现实世界与数字世界的融合,以实现对人和物的感知、经济转型的发展、城市智慧的管理,为城市居民提供及时方便的智能服务,从而实现城市的可持续发展和使城市居民生活得更美好的目的。1.3 智慧城市的定义与内涵

我们给出智慧城市的定义如下:智慧城市是建立在发达的移动互联网、物联网和无线传感网基础之上的高度互联的数字化城市,构建在云计算技术基础之上的城市公共信息服务平台是智慧城市的基本配置,智慧城市的智能性来源于对城市运营数据的创新应用,大数据创新产业的成熟标志着智慧城市初步建成。

数字城市是建设智慧城市的前提。数字城市以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础,以宽带网络为纽带,运用遥感、全球定位系统、地理信息系统、遥测、仿真—虚拟等技术,对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述,即利用信息技术手段把城市的过去、现状和未来的全部内容在网络上进行数字化虚拟实现。“数字城市”系统是一个人地(地理环境)关系系统,它体现人与人、地与地、人与地相互作用和相互关系,系统由政府、企业、市民、地理环境等既相对独立又密切相关的子系统构成。数字城市是实体物理城市在“数字空间”的映射,它与现实城市物理空间分离,而智慧城市通过物联网把虚拟城市的“数字空间”与现实城市的“物理空间”联结在一起,智慧城市是数字城市的延伸、拓展和升华。

移动互联网是智慧城市建设的最佳实践载体。移动互联网将移动通信和互联网二者结合起来,成为一体。用户通过移动互联网可以随时随地地使用随身携带的移动终端(智能手机、平板计算机、笔记本式计算机等)获取互联网服务。随着宽带无线接入技术的发展和移动终端设备的普及,我国移动互联网进入全民时代。根据中国移动互联网发展大会发布的移动互联网蓝皮书《中国移动互联网发展报告(2014)》数据显示,截至2014年1月,我国移动互联网用户总数达8.38亿户,在移动电话中的渗透率达67.8%,手机网民规模达5亿人,占总网民数的八成多,手机用户占移动互联网用户量的第一位。

移动互联网以其移动化、宽带化、融合化、便携化、可定位化、实时性的特征为用户的工作与生活带来了极大便利,如用户可以通过移动终端实时查询交通路况系统的实时路况信息,制订适合自己行程的出行路线;还可以通过移动终端实时查询地图系统帮助用户找到自己的目的地;也可以在乘车等人时阅读新闻、观看视频以及发表心情。根据用户和服务商在移动互联网的行为可以将移动互联网络数据分为用户生成内容(User-Generated Content,UGC)和机器生成内容(Machine-Generated Content,MGC)。用户生成内容主要包括用户上传的视频、图片和文本,主要源于人的自我表达需求;机器生成内容主要包括传感数据、服务器日志等,主要源于科技、军事和商业需求。用户使用移动终端满足自己各种需求的同时,也为智慧城市建设提供了海量的数据,移动互联网实现了互联网、人际关系网和物联网三者的融合,为智慧城市的建设提供了最佳的载体。

物联网是智慧城市建设的桥梁。物联网的概念是在1999年提出的,其定义是:通过射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)、红外感应器、全球定位系统(Global Posttioning System,GPS)、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网以其强大的感知能力为智慧城市提供了对城市进行实时监控的可能,只有通过环境感知、水位感知、照明感知、城市网管感知、移动支付感知、个人健康感知、无线城市门户感知、交通交互感知等,智慧城市才能实现对市政、民生、产业等方面的智能化管理。

云计算是智慧城市的重要动力。云计算是一种基于网络的支持异构设施和资源流转的服务供给模型,它提供给客户可自治的服务。云计算支持异构的基础资源和异构的多任务体系,可以实现资源的按需分配、按量计费,达到按需索取的目标,最终促进资源规模化,促使分工的专业化,有利于降低单位资源成本,促进网络业务创新。智慧城市系统由多种行业、多个领域及多个城市复杂系统组成的综合系统,其多个应用之间存在信息共享、交互的需求,需要抽取各个应用系统的数据进行综合计算以便为城市管理者、企业领导者、城市普通居民提供决策的依据。这些相互联系、密不可分的系统需要多个强大的信息处理中心对各种信息进行处理,云计算技术以其低成本、虚拟化、可伸缩、多租户的特点,可以帮助解决智慧城市建设中需要大规模分布式数据管理、面向服务应用集成以及快速资源部署等问题。

数字城市建设、云计算、物联网只是智慧城市建设的手段,为城市居民提供更幸福的生活才是智慧城市的根本目标。为了更好地服务于城市居民,必须实时感知城市状态,分析城市信息,充分利用移动互联网数据,实现对城市数据的利用并反作用于城市,使城市变得更加美好。1.4 智慧城市建设的关键要素

作为城市化的高级阶段,智慧城市是大系统整合、物理空间和网络空间交互的、公众广泛参与的、使城市管理更加精细的、使城市环境更加和谐的、使城市经济更加高端的、使城市生活更加宜居的城市创新发展模式[8]。

从要素上讲,智慧城市系统可进一步划分为战略体系、社会活动体系、经济活动体系、技术体系和空间体系五大体系。从要素的耦合上来看,智慧城市的五大体系也展现了智慧城市的一种均衡状态:支撑体系与空间体系共同组成智慧城市的物理发展基础,分别以信息技术进步和空间品质优化的不断演进,构成经济与社会的发展平台;社会活动体系与经济活动体系互为关联,实现公平与效率的均衡;战略体系作为统领,实现各体系的动态均衡[9]。综合而言,智慧城市的发展,不仅需要实现对上述五大体系的建设发展,更需通过五大体系要素的耦合及其协同发展,共同实现智慧城市的战略目标[10~13]。1.4.1 国外智慧城市建设的关键要素分析

智慧城市在国外的发展,最早可追溯到1992年新加坡制定的以“建设覆盖全国的高速宽带多媒体网络”为主要内容的“IT2000-智慧岛计划(1992~1999年)”,该计划被视为全球智慧城市的萌芽。表 1-1 从战略、社会、经济、空间和技术 5个维度,对国外典型国家的智慧城市建设情况进行了总结,并对上述国家智慧城市的建设特点进行了系统化的对比分析[14]。

总结国外发达国家智慧城市的建设特点可以看出,一方面,这些城市均是以强大的经济发展条件为基础;另一方面,各城市又结合自身基础和发展需求,在战略定位和要素建设上有所差异。具体体现如下:(1)在战略层面上,由于信息通信技术和宽带网络的发展对于城市互联互通、虚拟平台建设、电子政务服务等的平台作用,各个国家基本上都把“宽带技术”的提高作为发展和建设智慧城市的基本目标。(2)在经济层面上,欧盟和美国两大经济体的GDP总和几乎占到世界GDP总和的一半,其他国家GDP在智慧城市的建设过程中也有较大幅度的提升,这对于政府以及公众接受并发展智慧城市建设都有很好的推动作用。(3)在社会要素层面上,美国把智慧城市的建设重心放在智能社区“数字化”的建设上,通过宽带网络把整个资源都连接起来,给市民提供方便;而欧盟、新加坡则是把“低碳、经济”作为发展目标。(4)在空间要素层面上,这几个国家和地区都是把智慧交通建设作为空间建设的首要任务,解决由于人口增多、交通拥堵带来的种种问题,为市民提供便利,同时优化和节约交通时间。(5)在技术要素层面上,几乎所有的国家和地区都在智慧城市的建设过程中和世界顶尖技术公司合作,把高校和企业的技术运用到当地智慧建设中,并把智慧城市建设的重心放在信息通信技术的发展上。1.4.2 国内智慧城市建设的关键要素分析

受全球智慧城市建设热潮的影响,我国也开始了全面的智慧城市建设。尤其是自2008年年底IBM“智慧的城市在中国突破”战略提出后,“智慧地球”、“智慧城市”等新概念引起人们的广泛关注,而且从城市自身建设出发,以物联网建设和信息通信技术应用为核心的智慧城市建设,也是我国进一步推动城市化演进和信息化发展的内在需求。自2010年9月,宁波市第一个从政府层面提出智慧城市建设以来,截至2012年4月,我国共有3个直辖市、6个省份、51个城市相继提出智慧城市建设规划。其中,北京、上海、广州、宁波、深圳等城市已进入智慧城市的实质性建设阶段,并在改善人口居住环境、缓解交通系统拥堵、提高能源使用效率等方面取得了初步的建设成效[13]。表1-1 国外典型智慧城市建设的基础条件及特点

表 1-2 对国内典型智慧城市的发展战略及其基础条件进行了总结分析。从表中可以看出,国内典型智慧城市在发展过程中均制定了较为明晰的战略目标,且依据城市自身的经济、社会、空间和技术等基础和条件,各城市的发展战略也有所差异[14]。

体现在智慧城市的建设要素上,我国智慧城市的建设体现出以下特点:(1)在经济层面上,各城市良好的经济发展条件和不断优化的产业结构为智慧城市的建设奠定了基础;(2)在产业结构层面上,尽管各城市三大产业结构的比重稍有差异,但共同之处在于第一、第二产业的比重在下降,第三产业的比重在上升,尤其是高科技服务业是第三产业发展中的重中之重,这对其智慧城市的建设与发展起到了关键性的作用;(3)在社会层面上,公共社会事业的发展和其对社会群体价值取向、利益诉求多元化的均衡为智慧城市的发展提供了保障;(4)在空间层面上,除了宁波的重点放在港口综合服务的建设上以外,其他城市的建设重点都放在交通基础设施的建设以及交通系统网络的覆盖上,便利的交通系统对于节约运输时间、缓解交通拥堵、各种服务的快速响应都有关键的影响;(5)在技术层面上,物联网依旧占据着建设中的基础作用,并对其他产业的发展提供了必要支撑。各城市都把信息技术的建设以及物联网的扩展作为技术发展的基础,见表1-2。同时,各城市又进一步针对自身的建设特点,开展各式各样的技术创新。

总体而言,我国智慧城市的发展一方面强调了以经济和产业为驱动的建设模式,通过发展低碳经济,支持实现产业结构的转型升级和经济的可持续发展,如广州、南京、宁波等;另一方面则强调了信息基础设施建设在智慧城市建设与发展中的先导作用,利用信息技术发展的平台建设城市的核心产业,并通过推进电子信息化的发展,提高智慧城市发展的质量和效率,如上海、北京等。此外,由于各城市战略目标定位及资源禀赋的差异,各个城市的建设与发展举措也存在差异性。如在战略举措上,上海是利用世博后续效应把世博会中应用的高新技术运用于上海市智慧项目的建设中;广州则是注重依靠信息服务业来加快产业结构升级,使第三产业作为城市发展的重心;其他几个城市则强调信息通信技术的建设,提升无线网络的覆盖率。表1-2 国内典型智慧城市建设的基础条件及特点1.5 智慧城市的数据管理

现实城市是智慧数字城市的数据来源和服务对象。如果不结合现实城市、不服务现实城市,智慧城市就会成为“空中楼阁”。云计算系统是智慧数字城市的数据加工厂。如果没有云计算系统的支持,任何其他计算模式都无法有效地满足智慧城市对存储量和计算量的超大需求,则智慧数字城市中产生智慧的方法无处运行。物联网是智慧数字城市的手足,如果没有物联网的支持,则智慧城市无法及时获取现实城市的数据,无法与现实城市进行交流,无法给现实城市中的物体发出指令,自然也无法对现实城市做出智慧的响应,更谈不上对现实城市进行智慧的调节和控制。形象地说,智慧数字城市只有通过物联网才有可能把脉现实城市,才有可能给力于现实城市。移动互联网是智慧城市的供电线路,如果没有互联网的支持,则智慧城市无法将现实城市数据快速地传送到云计算系统中进行处理,无法将现实世界与比特世界互联互通,无法获取云计算系统的处理结果来为现实城市服务。

我们可以想一想,互联网上的一分钟可以干些什么呢?实际上,到2015年,大概1个人要花5年时间,才能看完在互联网上一秒钟所传的所有视频。那么互联网上的一天可以干些什么呢?对于Twitter,一天新增2亿条微博,7个TB的数据,50亿个单词,几乎是60年来《纽约时报》单词量的两倍。对于Facebook,一天可以上载2.5亿张照片,相当于300个TB的数据。在中国,淘宝网站一天交易额数千万笔,数据量大概是20个TB。全世界互联网上一天的信息量如果装在DVD 光盘上,要装1.68 亿张光盘,大约是80 万个硬盘,约占800 EB 数据。

对于互联网流量的变化来说,1998年平均一个网民一个月的流量才1 MB, 2000年达到10 MB,2008年平均一个网民是1 000 MB,到2014年将达到10 000 MB。全球新产生的数据年增 40%,全球信息总量每两年就可以翻番。而对新增数据的处理能力以及其利用率的增长则不足 5%,且所有数据量的 90%的数字内容属于非结构化内容。

那么什么是大数据呢?大数据是指没有办法在容许的时间内用常规的软件工具对它进行技术抓取、管理和处理的数据。也就是说,在规定的时间内用常规软件工具是做不到的。大数据目前的标准是指单一数据集的大小在几十 TB 到几十PB之间。大数据本身有4个特征:超量、高速、变异、价值。大数据的应用领域很广泛,有医疗、交通、财务、物流、安全等,应该说想得到的领域都可以发生很多应用。

比如企业,企业有管理部门、开发部门、销售部门、服务部门,这些部门是有交互的,通常的企业管理可能很难得到最优化,如果利用大数据,就可以改善它的管理,在性能上可以提高40%~60%的管理效率。美国有一个公司InFormatica为帮助美国一家零售公司,把交易型的数据与社交媒体产生的数据进行关联分析,找“最佳客户”并分析他们的购买行为;亚马逊公司从销售数据分析搭配在一起买的商品;硅谷有个气候公司,从美国气象局等数据库中获得了几十年的天气数据,将各地的降雨、气温和土壤状况及历年农作物产量做成精密图表,从而预测任一农场的第二年产量,向农户出售个性化保险。如果出现未能预测的恶劣天气损坏庄稼,气候公司将及时赔付。美国纽约的警察通过分析交通拥堵跟犯罪发生地点的关系,能有效改进治安。美国纽约的交通部门则从交通违规和事故的统计数据中发现规律。

美国医疗保健的年度潜在价值有 3 000 亿美元,相当于西班牙年度医疗保健开支的两倍。欧洲公共管理的潜在年度价值是2 500亿欧元,比希腊GDP 的两倍还多。所以,大数据就是新财富,大数据的价值堪比石油。

当然,要挖掘大数据不是那么容易的事,首先要进行数据管理,数据来自不同地方和不同标准,数据量的大小、结构形式、实时性都不一样,会增加采集、编索与整合的困难,需要对传统的数据传输工具进行重新设计。传统的集中式数据库、数据仓库系统已经不能有效地处理大数据的存储和分析,而需要分布式处理,Hadoop就是分布式结构化数据存储方案[15]。

现在,我们的城市都有大量的摄像头,很多城市要求存储时间为3个月,几十个摄像头的存储量需要非常大的资源,这就需要压缩去掉重复无用的数据。比如关注某个仓库有没有异常事件,那绝大部分是没有人的,这段可以压缩掉,而且要兼顾历史数据和新数据,提供一个使数据精度随时间逐渐降低的数据老化方法。数据的隐私和保护也是非常重要的问题,这里有技术性问题,一些数据可能需要加密,这要分配密钥,而加密对于传感器来讲需要采用高能效的加密算法,当然还有可介入性认证、可信性认证、数据完整性认证、隐私增强技术和身份管理等。

数据访问认证与安全管理有网络访问控制、网络数据保密、网络数据完整性、网络可用性、网络不可否认性等。另外,在大数据的挖掘中很重要的一点,就是要解析非结构的信息。把复杂的、模棱两可的矛盾的数据导出可理解的内容,这就需要进行大量的解释。另外,大数据的量非常大,我们不能等它存在计算机数据库里再调出来分析,我们需要一边输入,一边分析。过去分析是把数据带进程序,现在是把程序带进数据,就是实时进行工作。

我们正在进入宽带时代和移动互联网时代,将要面对后摩尔时代、后 PC 时代、云计算时代和物联网时代,大数据时代也将向我们走来,网络技术正走向换代发展的转折点。无线城市、数字城市、宽带城市、感知城市是智慧城市的必要条件;智慧城市是城镇化进程的下一阶段,是城市信息化的新高度,是现代城市发展的愿景。

智慧城市每天都会产生大量的数据,大数据的收集、存储和分析处理以及使用对智慧城市是很大的挑战,这不仅是技术,也是法律和政策需要关注的问题。大数据的挖掘对智慧城市的经济发展和社会管理都是无形的管理。1.6 小结

智慧城市是一种创新的方法,它能帮助中国城市获得均衡且可持续的发展。通过更好的城市规划及对城市基础设施、设备和公共服务的优化管理,智慧城市可以帮助城市有效解决发展过程中面临的诸多问题,实现城市的经济转型和可持续发展、环境的持续改善以及居民生活质量的同步提升。智慧城市也可以使居民在合适的时间、合适的地点享受到合适的市政服务,在获得最佳产出的同时能够避免资源的过度使用和市政的重复投资。

现在实施智慧城市的各种技术已经相当完善,关键是对智慧城市各子系统的集成和优化,以及数据的全面兼容和互通。实施智慧城市的成功要素包括:利用系统化的方法来定位问题以及围绕城市战略目标确定待改进领域的优先级;通过成功实施案例来吸引更多的投资者,找寻最佳合作伙伴,开发相适宜的智慧城市商业模式。

实施智慧城市战略对于我国的城市而言已是刻不容缓,把握住这个机会,城市将得到飞跃式的发展。但智慧城市建设也是一项长期的、复杂的、艰巨的大工程,需要有计划、有步骤地稳步推进。目前智慧城市还处在探索阶段,我们要抓住这个机会,在中国城市化的进程中,通过政府、企业和市民的共同努力,一定能迎来智慧城市的健康发展,实现“发展更科学、管理更高效、生活更美好”的愿景。参考文献

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[15] 邬贺铨. 智慧城市的数据管理[J]. 物联网技术,2012, (11): 11-14.第2章智慧城市与大数据2.1 什么是大数据

大数据(Big Data),又称海量数据,是指大规模数据的集合。这里的“规模”不仅体现在数据量之庞大上,还体现在其结构复杂、类型众多两个方面。大数据所涉及的数据规模通常巨大到无法通过一般的技术手段,在合理时间内整理成能够为大众所解读并运用的信息[1]。

著名的高德纳咨询公司对大数据给出了这样的定义:“‘大数据’是指海量的、高速增长的和多样化的信息资产。这类信息资产需要新的数据处理方式以提升决策力、洞察力以及流程优化能力”。在2001年,当时的麦塔集团(现被高德纳咨询公司收购)的研究指出数据增长有3个方向的挑战和机遇:大量(Volume)、高速(Velocity)与多样(Variety),合称“3V”或“3Vs”。

在被誉为“大数据时代预言家”的维克托·迈尔·舍恩伯格和肯尼斯·库克耶编写的《大数据时代》中,大数据指不用诸如随机分析法(抽样调查)这样的捷径,而采用所有数据进行分析的方法。他提出,大数据的属性除了包含上述的“3V”外,还包含第四个属性即为价值(Value),这是指大数据的价值密度低。此后,著名的维拉诺瓦大学(Villanova University)在“4V”之外定义第五个“V”,即真实性(Veracity)。《著云台》的分析团队认为,大数据通常用来形容一个公司创造的大量非结构化和半结构化数据。这些数据在下载到关系型数据库用于分析时会花费过多时间和金钱。2.2 智慧城市与大数据的关系

智慧城市不是一个纯技术的概念,而是对城市发展的一种描述;它将信息技术、网络技术运用于生活的方方面面,从而促进城市的可持续发展。近年来,我国大力发展智慧城市,目前已有超过250个城市提出要建设智慧城市,智慧城市已经逐步成为信息社会城市发展的新型战略模式。

智慧城市的根本目的是应用信息技术设计、规划和建造城市设施,实现城市范围内不同部门、不同行业、不同群体以及不同系统间的数据融合和协同,从而改善生活质量,促进城市的可持续发展,优化人类生产生活的生态环境。

就“智慧城市”的字面意思来看,智慧城市指“智慧化的城市”。“智慧化”是指大众的生活方式、各个产业的生产方式,以及城市运营和管理的“智慧化”。要想将城市“智慧化”,必须将信息技术运用于城市的方方面面。

近年来,业界的领先者们纷纷预言,大数据将引发新的“智慧革命”:从海量、复杂、实时的大数据中可以发现知识、提升智能、创造价值。就智慧城市的本质而言,要体现出科技发展的新高度以及人类社会对现代城市运营管理更深层次认识,使城市经济健康、可持续地发展,生活更加和谐、安全、舒适,管理向智能信息化发展,其“智慧”必然来自对大数据的充分分析和利用。大数据是生成“智慧”的基础。因此如何对数据进行分析和利用,对促进人类智慧地运营管理城市具有重大意义。城市管理利用大数据,才能实现可持续性发展。各行各业利用大数据,才能实现产业升级。从某种意义上说,智慧城市可以看作一个大数据系统,大数据就如智慧城市的“大脑”;缺乏大数据分析处理的核心技术,就算有了云计算、物联网,“大脑”依然不够发达,其“智商”自然不够高,故不能发挥其“智慧”。城市要实现其“智慧”的职能,必须要有大数据的支持,实时、全面、系统的数据采集和分析是智慧城市的基础。另外,智慧城市的建设和发展将带来数据量暴发式的增长,智慧城市也必然催生大数据运营行业的发展,大数据将如血液一样,遍布智慧交通、智慧社区、智慧医疗、智慧旅游等智慧城市建设的方方面面。在大数据的基础上,城市管理正在从“经验治理”转向“科学治理”[2]。

首先,大数据为政府管理提供强大的决策支持。在城市规划方面,利用先进的信息技术对城市经济、社会、文化、人口和地理信息等数据进行捕获、分析和处理,能够为城市规划提供强大的决策支持,从而立足实际情况,解决城市发展的重大问题。在交通管理方面,通过对成千上万的交通信息的实时挖掘,能够有效缓解交通拥堵、交通基础设施分布和交通管理设施分布等问题,并能迅速对突发状况做出反应,从而为城市交通的良好运作提供强有力的决策依据。在舆情监控方面,运用网络关键词搜索和语义智能分析,对搜索引擎的搜索记录进行捕获和分析,能够更加及时、全面地掌握舆情,并高效应对突发事件、打击违法犯罪。在安全防御方面,通过对大数据的挖掘,可以及时发现自然灾害、恐怖事件等,从而提高政府的应急处理能力和安防能力[3]。

其次,大数据可提高城市居民的生活品质。在智慧交通、智慧医疗、智慧文化教育、智慧社区、智慧公共安全和智慧旅游等方面的智慧应用将极大地提高人民生活水平,改变人们传统的“简单平面”的生活状态,引领人们步入智慧人生的城市大数据时代,从而使人民生活变得多维化。

最后,大数据处理能决定企业的核心竞争力。掌握数据就可以支配市场,大数据将引起整个商业领域的重新洗牌。传统的企业经营仅仅停留在对业务信息的表层分析,缺乏对客户需求、业务流程和市场资源分配等方面的深入分析,这将影响企业经营决策和战略制定。在智慧城市大数据时代,企业对大量内部和外部数据的整理和分析,有助于企业预测市场动向、客户需求和优化业务等,从而为企业决策提供智能化、高效化的服务。有研究表明,在美国,企业的大数据处理能力每提高10%,其产品和服务质量便会提高14.6%[4]。2.3 大数据分析技术在智慧城市中的应用

智慧城市相对于“数字城市”、“感知城市”等概念,最大的区别在于智慧城市对大数据进行了智慧处理,引入了大数据分析技术,以提高居民生活质量、企业决策能力和政府决策能力,促进城市管理和服务智慧化。大数据是智慧城市各个领域都能够实现“智慧化”的关键性支撑技术,智慧城市的建设离不开大数据技术的应用。

我国自2010年开始推进智慧城市建设起,截至2013年,全国已有超过250个城市投入智慧城市建设。从整体投资规模看,截至 2013年,智慧城市 IT 投资规模已超过1 600 亿元。我国智慧城市建设的步伐已步入提速发展阶段,智慧城市大数据应用将会成为智慧城市建设越来越必不可少的要素。截至2012年年底,大数据应用在智慧城市中的投资规模已达到 5.07 亿元人民币,大数据在智慧经济、智慧医疗、智慧交通、环境监测、智慧政务、平安城市等应用实践中发挥着重要作用。据统计,智慧交通、平安城市、智慧医疗已经成为智慧城市大数据的重点应用领域。

随着城市化进程的迅速加快、自动化水平的快速提高,城市交通已成为政府和市民广泛关注的焦点,人们对城市交通提出了更高的要求。就我国大部分城市而言,由于交通数据信息仅存在于垂直业务和单一应用中,因此造成交通管理碎片化,存在数据分散、数据形式单一等问题。而引入大数据分析技术,则有利于数据采集和分析处理。另外,随着传感器在交通管理中的普及,数据规模的暴发性增长,从过去的TB级增长到如今的PB级。可见,城市交通面临着对海量数据进行存储与处理的巨大挑战,而大数据分析技术正是解决这一问题的法宝。

英国是最早发展智能交通系统的国家,其智能交通系统同样离不开对城市海量交通信息的搜集和利用。2006年,位于伯明翰城郊的国家交通控制中心(NTCC)正式投入使用,该中心为英国的道路使用者们提供高质量的实时交通信息。该中心耗资1.6亿英镑,通过CCTV摄像机、上千个道路传感器以及自动数字识别摄像机等先进的交通监控设备收集海量的路况信息,同时通过各地区政府和数千名交通执法人员的配合,对海量的城市交通数据进行采集、分析,并发布实时交通信息。NTCC 极大地确保了公众出行时间的可靠性,并减少了车辆运行晚点的情况,有利于为公众提供线路咨询以及紧急事件管理等服务。

现如今,医疗技术迅速发展,医疗卫生系统数据量庞大、数据类型丰富、数据量增长迅猛,这些数据已成为医疗卫生系统宝贵的财富。根据估算,我国一个中等城市50年所积累的医疗数据就达到10 PB 级,其中大部分是非结构化、半结构化的数据。传统的关系型数据库已不能满足大数据对数据存储、处理和查询的要求。构建高效的医疗卫生体系是世界上每一个国家共同的愿景,因此,只有运用大数据分析技术构建现代化医疗卫生系统,才能发展智慧医疗,从而提供更好的医疗卫生服务。例如,美国最大的健康险公司WellPoint已经开始将IBM 的超级计算机 Watson 运用于医疗诊断,为 7 000 万人提供服务。目前,在癌症治疗领域,需要至少一个月的时间才能制定出具有针对性的药物治疗方案,而利用Watson的认知计算技术可将该周期缩短至一天,从而极大地提高了癌症患者的治愈率。另外,Watson 还可以进行复杂的癌症疾病的诊断和相关数据分析,并进行疾病风险评估,从而保证保险理赔过程的合规性、合理性,保证公司利益不受损害。

当今,随着人民生活水平的不断提高,人们对治安管理、城市管理、交通管理、应急指挥等方面安全保障越来越重视,城市的安全重心也从“事后查看”移到了“事前预警”的需求上。平安城市的建设目的就是满足以上安全需求。平安城市的大数据应用基于对海量的视频数据以及社交网络上的各类用户数据进行精确、实时的分析。以我国的微博为例,140 个字符中文微博的信息量是输入 140个字符的Twitter的3~4倍。我国人口位居世界第一,人们对微博的热度很高,微博产生了海量的信息,如果能将大数据分析技术应用于对微博关键字的舆情预测,就能有效监控舆情,甚至实现对城市安全问题的事前预警。海量的视频监控数据也是平安城市的重要数据来源。由于视频数据的不间断性,若采用传统的数据处理方式,容易导致数据传输出现“瓶颈”、数据管理运维复杂化。因此,区域式、综合式的大数据计算框架更能支撑基于视频数据的应用,是实现平安城市大数据分析的最佳方案之一[5]。2.4 纽约的电子治理与应用科技发展计划

纽约市是美国第一大城市,也是世界三大金融中心之一,与英国伦敦、日本东京、法国巴黎并称为世界四大国际大都会,影响着全球的经济、娱乐、教育、政治及时尚界。20 世纪 90年代以来,随着信息技术的迅猛发展,人类社会已从工业时代进入信息时代,社会经济的发展速度不断加快,社会新事物、新问题层出不穷,传统的政府管理模式已难以满足社会与经济发展的需要。对于纽约这样的国际大都会城市,亟须采用信息技术,利用大数据分析为政府管理提供强大的决策支持。2.4.1 纽约的电子治理

近年来,纽约市渐渐成为国际“电子治理”的“领头羊”。所谓“电子治理”,就是一种全新的治理理念,是指通过现代信息通信技术来提高公民参与城市治理的参与度,从而改善政府与公民的关系,在保障公民权利、履行政府职能、改进制度框架等方面实现善治。

纽约市的电子治理主要集中在建设网上公共广场、向公众开放政府数据、构建城市数据平台和推动合作治理等几个方面。纽约市在这些电子治理领域的发展,不但使纽约在电子治理方面处于美国乃至世界的前列,也使这座国际都市更加自由、开放和先进。

首先,纽约市通过其门户网站及Twitter、Facebook、YouTube等多个社交媒体平台将百万市民连接起来,构建了一个网上公共广场。市民可以通过其向政府提出质疑和建议,并且在该平台上自由交换信息等。纽约市的政府官员指出,只有像对待实际城市空间中的公共广场那样对待网上公共广场的城市,才能称为一个伟大的城市。

纽约市在“开放政府”计划这一领域一直名列前茅。纽约市政府采集的城市数据由于受到公共财政资助,因而被视为一种公共资源,通过网站NYC Open Data (https://data.cityofnewyork.us)向公众大量开放。公众可以从网站上直接下载政府部门的数据资源,从而利用这些数据资源创造社会价值、监督政府和“参与”城市治理。另外,开放政府数据这一举措,还有助于提升城市投资者的信心,从而增加资本流入、带动经济发展和促进就业。2012年,纽约市遭遇“艾琳”飓风,许多救援组织正是使用了政府开放的“飓风疏散区域数据”来制作地图,帮助市民应急的;而这些疏散区域的数据早在一年前就已向公众开放。

纽约市政府正致力将该市打造成为一个城市数据平台,将大量的政府数据和资源放在这一平台上,软件商和个人可利用这些数据和资源开发各类App应用和服务。为此,纽约市政府每年举办“纽约BigApps 竞赛”(NYC BigApps),获奖应用可获得5万美元奖金,以鼓励软件开发商利用政府开放的数据来创造社会价值,开发能为个人和企业服务的应用。2011年获得该竞赛一等奖的应用是“纽约的方方面面”(NYC Facets),该应用简化了公众获取政府开放数据的流程,使用户可以更加方便地查找和读取数据。

自金融危机以来,一方面,纽约市政府面临巨大的财政压力;而另一方面,市民对公共服务的要求却日渐提高。这时,政府与市民的合作治理成为一个城市治理的解决之道。合作治理是一种新型的城市治理模式。它不是参与治理,更不是社会自治;而是指通过向市民外包等模式,使市民成为政府的合作者,与政府共同提供公共服务。2010年,在一场暴风雪的袭击中,纽约市被白雪覆盖,市内许多街道数天都未能除雪。政府建立了一个网上平台用以发布即时的街道除雪信息。但由于政府所采集的街道除雪信息不够准确、及时,因此政府鼓励市民通过社交平台向政府提供有关信息。这一举措使市民与政府共同提供公共服务,而不仅是消费政府独自提供的公共服务。2.4.2 雄心勃勃的应用科学发展计划

在Web 2.0和后Web 2.0 时代的洪流中,纽约市强调将大数据作为科技公司的枢纽,纽约市市长迈克尔·布隆伯格(Michael Bloomberg)在2010年12月提出了应用科学发展计划(Applied Sciences Initiative)。其核心是建立或扩大新的世界级的应用科学与工程校园,意在通过提供资金和驱动力,将纽约这座国际化大都市与大数据紧紧联系在一起。该计划自实施以来,推动了纽约大学都市科学与进步中心、康奈尔—以色列理工联合新校区等项目的发展,并向纽约市的科技公司输送了大量优秀人才。这些校园不仅提高了城市现有的研究能力,而且提出了许多能够被商业化的创新理念,这些创新理念催化了数百家公司的拆分,并且有可能创立下一个高速发展的企业——下一个Google、下一个Amazon或者下一个Facebook都有可能出现在纽约。

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