智慧城市：框架与实践(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：徐静,谭章禄

出版社：电子工业出版社

格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT

智慧城市：框架与实践试读：

前言

城市是人口密集、经济活动活跃和资源相对集中的空间地域，是人类文明和社会进步的标志。随着全球城市化进程的加快，城市数量和城市人口不断增多，城市被赋予了前所未有的经济、政治和技术权力，从而使城市发展在世界中心舞台起到主导作用。

在城市发展轨迹中，现代信息与通信技术发挥着巨大的推动力作用。当前，席卷全球的信息技术革命方兴未艾，特别是以下一代移动通信、物联网、三网融合、新型平板显示、高性能集成电路和云计算等为代表的新一代信息技术正在孕育着信息技术新的更大的突破。信息技术已逐渐渗透到城市规划、市政、交通、医疗、教育、能源、环保等各个领域，影响并改变着城市的生产生活方式，催生了智慧城市理念。作为新一代信息技术变革的产物，以透彻感知、互联互通、智能应用为主要特征的智慧城市应运而生，代表了城市信息化的高级形态，体现了现代城市发展的新趋势。

本书以城市系统工程和信息空间等理论为基础，研究构建智慧城市模型；以顶层设计方法论为指导，设计提出智慧城市的框架体系；面向智慧城市典型领域，以感知技术为基础，以深度互联为途径，以智能应用为目的，探讨城市智慧化的技术方案和路径。主要特点和创新之处如下。（1）基于城市系统工程、信息空间等理论，分析城市系统及其信息空间，提出城市系统的“3I”信息空间架构，从信息视角揭示城市信息化遵循数据—信息—知识—智慧转化逻辑的演进规律。（2）深入阐释智慧城市的概念和内涵，根据透彻感知、深度互联、智能应用特点，研究构建智慧城市概念模型，并给出智慧城市全景图。（3）以信息化顶层设计方法为指导，根据智慧城市总体发展目标和业务全景，结合新一代信息技术发展趋势，设计构建智慧城市的总体框架。（4）以智慧城市典型领域应用——城市水利、地下空间为实例，探讨智慧城市的关键技术及物联化、互联化和智能化路径。

全书共分五篇：概述篇、理论框架篇、建设实践篇、典型实例篇、总结展望篇。具体章节和内容安排如下。

第1篇为概述篇。

第1章：全球信息技术革命。综述全球新技术特别是信息技术变革，介绍物联网、三网融合、云计算等新一代信息技术。

第2章：中国城市化发展。研究中国城市化进程，分析其经济社会效应及面临的问题和挑战。

第3章：IT引领城市理念。信息技术变革和城市化催生了智慧城市理念，阐释智慧城市的概念、内涵及其技术体系。

第2篇为理论框架篇。

第4章：智慧城市模型构建。基于信息空间理论，从对象、业务和信息三个维度构建智慧城市概念模型，给出智慧城市系统的全景图。

第5章：智慧城市总体框架。以顶层设计方法论为指导，提出智慧城市的框架体系，包括感知层、网络层、数据层、平台层、应用层和支撑体系等。

第3篇为建设实践篇。

第6章：国外智慧城市建设。介绍全球智慧城市最佳实践，分析纽约和东京两个国际大都市的信息化战略、进展与模式。

第7章：中国智慧城市发展。介绍我国智慧城市最佳实践，分析北京、上海、深圳、广州、无锡和香港六个城市的智慧城市发展战略、进展与模式。

第4篇为典型实例篇。

第8章：智慧城市典型应用实例——城市水利。以智慧城市典型领域——智慧水利为例，设计提出城市智慧化的技术方案和路径。

第9章：智慧城市典型应用实例——城市地下空间。以智慧城市典型领域——智慧地下空间为例，设计提出城市智慧化的技术方案和路径。

第5篇为总结展望篇。

第10章：总结与展望。总结全书，展望智慧城市的发展愿景和研究趋势。

本书对于智慧城市建设具有重要的理论价值和现实意义。在科学意义及学术价值方面，有利于构筑智慧城市的框架体系，完善智慧城市的基础理论；在现实意义方面，有利于推广现代信息技术在城市领域中的普及应用，推进智慧城市建设进程和智慧化深度。作 者2014年7月

第1篇 概述篇

第1章 全球信息技术变革

当前，席卷全球的信息技术革命方兴未艾，世界范围的新技术革命和知识经济浪潮，推动了全球电子信息技术的创新和发展，使社会和经济结构产生质的飞跃，并对政治、经济、社会、文化、教育，以及政府的管理与服务等各个方面产生深刻的影响。信息化、网络化、数字化、智能化的相互融合、相互促进，使人类进入了一个新的信息时代。

1.1 新技术革命与信息技术

自20世纪40年代末起，开始了以电子计算机、原子能、航天空间技术为标志的第三次科学技术革命。这场新科技革命发源于美国，然后迅速扩展到西欧、日本、大洋洲和世界其他地区，涉及科学技术的各个重要领域和国民经济的一切重要部门。从70年代初开始，又出现了以微电子技术、生物工程技术、新型材料技术为标志的新技术革命。

目前，国际上公认的并列入21世纪重点研究开发的高新技术领域，包括信息技术、生物技术、新材料技术、新能源技术、空间技术和海洋技术等。（1）信息技术。信息技术主要指信息的获取、传递、处理等技术，包括微电子技术、计算机技术、通信技术和网络技术等。在新技术革命中，信息技术处于核心和先导地位。（2）生物技术。生物技术是应用现代生物科学及某些工程原理，将生物本身的某些功能应用于其他技术领域，生产供人类利用的产品的技术体系。现代生物技术主要包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程。生物技术，被认为是有可能改变人类未来的最重大的高新技术之一。（3）新材料技术。新材料技术主要研究新型材料的合成，在高新技术中处于关键地位，高新技术的发展紧密地依赖于新材料的发展。（4）新能源技术。新能源技术主要进行新能源的研究和开发，从多方面探寻发展新能源的途径。目前正在研究开发的新能源主要有核能（原子能）、太阳能、地热能、风能、海洋能、生物能、氢能等。（5）空间技术。空间技术又称为航天技术，通常指人类研究如何进入外层空间、开发和利用空间资源的一项综合性工程技术，主要包括人造卫星、宇宙飞船、空间站、航天飞机、载人航天等内容。空间技术是现代科学技术和基础工业的高度集成，体现了一个国家的综合实力。（6）海洋技术。海洋技术包括进行海洋调查和科学研究、海洋资源开发和海洋空间利用，涉及许多学科和技术领域，它主要包括：海底石油和天然气开发技术、海洋生物资源的开发和利用、海水淡化技术、海洋能发电技术等方面。

从长远来看，新技术革命将促进社会生产力的跨越发展，改善人类的生产生活方式，使知识技术密集型产业迅速崛起，并将推动第三产业迅速发展。新技术革命不仅带来了人类生活方式的现代化，还引发了人的观念和思维方式的更新，思维方式的改变、视野的拓宽使人类更加重视创造性思维，更加富于创新精神。

其中，信息技术（Information Technology，IT）通常也被称为信息和通信技术，由于其在新技术中的核心和先导地位，信息技术可以［1］说是新技术革命的中枢。

进入21世纪以来，全球信息技术发展日新月异，信息技术的三大支柱——传感技术、计算机技术和通信技术取得了迅速发展，特别是下一代通信网络、物联网、三网融合、新型平板显示、高性能集成电路和以云计算为代表的高端软件，更是孕育着信息技术新的更大的突破。

1.2 新一代信息技术

1.2.1 下一代通信网络

随着计算机的普及和通信技术的发展，网上信息量剧增，人们对数据通信的需求日趋膨胀。一方面，传统的电信网络越来越难以适应现代信息交换和传输的需要；另一方面，基于IP业务的高速增长推动着分组交换和传输技术的不断进步。在这种情况下，基于TDM的PSTN电话网必将与分组交换数据网融合，形成可以传递包括语音、数据、视频、多媒体信息在内的下一代网络（Next Generation Network，NGN）。

ITU-T对NGN的定义是：NGN是一个分组网络，它提供包括电信业务在内的多种业务，能够利用多种带宽和具有QoS能力的传送技术，实现业务功能与底层传送技术的分离；它提供用户对不同业务提供商网络的自由接入，并支持通用移动性，实现用户对业务使用的一致性和统一性。

下一代网络是一个内涵广泛的术语，NGN泛指一个不同于现有网络，大量采用当前业界认可的新技术，以IP为中心同时可以提供语音、数据及多媒体业务，能够实现各网络终端用户之间的业务互通及共享的融合网络。具体来说，NGN特指以软交换设备为控制核心；能够实现业务与控制、接入与承载彼此分离；各功能部件之间采用标准的协议进行互通；兼容了各业务网（PSTN、IP、PLMN等）技术，能够提供丰富的用户接入手段；支持标准的业务开发接口，以便第三方可以独立于网络开发业务；采用统一的分组网络进行传送；能够实现语音、数据、多媒体业务的开放、分层的体系架构。

NGN能快速提供各种各样的业务，业务开发商和网络提供商可以按照一个标准的协议或接口分别开发，使得新业务的开发和引入能够迅速实现。NGN不仅提供现有的电话业务、智能网业务、与因特网应用结合的业务、多媒体业务，还可以通过提供开放的接口，引入业务网络的概念。2．NGN结构

下一代网络是在现有的网络基础上进行架构建设的，以解决各种［2］综合业务的灵活提供能力。为此，在NGN中，分层的网络结构和开放的层间接口是关键的两点。ITU-T提出了基于软交换的下一代网络的垂直参考配置模型，其网络体系结构如图1-1所示。图1-1 NGN的网络体系结构

根据功能的不同可将网络分解为4个主要层面：业务应用层、控制层、媒体层和传输接入层。

业务应用层：是一个开放综合的业务接入平台，在电信网络环境中，可以智能地接入各种业务，提供各种增值服务。在多媒体网络环境中，也需要相应的业务生成和维护环境。业务层通过使用基于标准的协议和API来发展业务应用，主要负责业务逻辑的相关处理，如业务生成、业务逻辑定义和业务编程接口等。此外，业务层还负责与业务相关的管理功能，如业务认证和业务计费等。运营商的竞争将会集中在业务层面上。

控制层：其核心是软交换技术，主要涉及软交换相关的功能，完成业务逻辑的具体执行，其中包含负责呼叫逻辑、处理呼叫请求，并指示传送层建立合适的承载连接等操作。控制层是NGN的核心神经，决定用户收到的业务，并能控制低层网络元素对业务流的处理。

媒体层：负责将信息格式转换成能够在分组网络上传递的信息格式（如将语音信号分割成ATM信元或IP包）。此外，媒体层还可以将信息传递至目的地。

传输接入层：由各种媒体网关和终端接入设备组成，其功能是通过各种接入手段将各类用户连接至网络。它可以在电路交换网的承载通道和分组网的媒体流之间转换，集中用户业务并最终将它们传递至目的地。接入层将逐步向多元化的无缝连接宽带接入网演进。

NGN还必须能够与原有通信网络互通，这就要求有以下功能：采用TDM传输网和No.7信令网互通、与现有的业务（如智能网提供的业务）互通，以及与现有的PSTN网络体系融合。

3．NGN发展趋势

现代通信网正以前所未有的速度朝着数字化、综合化、宽带化、智能化的方向发展，可以说，人类社会的发展对网络的带宽及速度提出了更高的要求，促使网络由低速向高速，由共享向交换，由窄带向宽带方向迅速发展。NGN代表着电话通信网与因特网在业务上的融合与互通，是两者的最佳组合。

近几年来，在众多设备制造商和电信运营商的共同推动下，软交换产品逐步趋于成熟，功能日益丰富，性能逐渐稳定，标准化工作正稳步推进，软交换技术正走向市场。迄今为止，全球范围内已有多家电信运营商积极开展了在软交换方面的实验和商用部署。

NGN在我国也受到越来越多的关注，各大电信运营商都开始进行相关的试验或组网。其中，中国网通公司早在2000年就开始了软交换试验，并在宁波地区建立了国内第一个软交换实验网。中国电信虽然在步伐上晚于中国网通，但规模很大，于2002年启动了北京、上海、广州等城市的NGN实验网建设。中国铁通于2002年3月开始其软交换商用试验网建设工作，目前已开始试运营。中国移动和中国联通也一直密切关注软交换技术和产品的发展，并都先后开通了3G试验局。

总体来说，NGN在世界各地的发展状况不尽相同，我国NGN市场也一直紧跟世界潮流，这对我国的电信产业是一个很好的历史机遇。在设备制造商、运营商的共同努力下，NGN已经走上了规模化商用的探索之路。

1.2.2 物联网

早在1995年，比尔·盖茨在《未来之路》一书中便提及了物联网的概念，但当时这个新概念没有引起太多的关注。1999年美国麻省理工学院（MIT）成立了自动识别技术中心（Auto-ID Center），该中心的Ashton教授在研究RFID时提出了结合物品编码、RFID和互联网等技术的物联网技术方案，主要是通过互联网技术、RFID技术、EPC标准，在计算机互联网的基础上，利用射频识别技术、无线数据通信技术等，构造一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网“Internet of Things”，简称物联网。2005年11月17日在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布《ITU互联网报告2005：物联网》，引用了“物联网”的概念，物联网概念也开始正式出现在官方文件中。

ITU对物联网做了如下定义：通过二维码识读设备、射频识别装置、红外感应器、全球定位系统和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相连接，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。根据ITU的描述，物联网将以感知和智能的形式连接世界上的物品。在物联网时代，通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器，人类在信息与通信世界里将获得一个新的沟通维度，从任何时间、任何地点的人与人之间的沟通连接扩展到人与物、物与物之间的沟通连接。

虽然目前对物联网还没有一个统一的标准定义，但从物联网本质上看，物联网的核心和基础仍然是互联网，它是在互联网基础之上延伸和扩展的一种网络，其用户延伸和扩展到了任何物品与物品之间进［3］，［4］行信息交换和通信。其本质概括起来主要体现在三个方面。● 互联网特征，即对需要联网的物一定要能够实现互联互通的互联

网络；● 识别与通信特征，即纳入物联网的“物”一定要具备自动识别与

物物通信（M2M）的功能；● 智能化特征，即网络系统应具有自动化、自我反馈与智能控制的

特点。

可见，物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升，它将各种感知技术、现代网络技术、人工智能和自动化技术聚合并集成应用，通过物物相连打造一个智能的世界。2．IoT体系架构

在业界，物联网体系一般被公认为有三个层次，底层是用来感知数据的感知层，第二层是数据传输的网络层，最上面则是内容应用层，如图1-2所示。图1-2 物联网体系架构

感知层：是物联网识别物体、采集信息的来源，由各种传感器构成，包括温/湿度传感器、二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头、红外线、GPS等感知终端。感知层是物联网发展和应用的基础，该层涉及的主要技术有RFID技术、传感和控制技术、短距离无线通信技术等。

网络层：由各种网络，包括互联网、广电网、网络管理系统和云计算平台等组成，是整个物联网的中枢，负责传递和处理感知层获取的信息。物联网的网络层将建立在现有的移动通信网络和互联网基础上。物联网通过各种接入设备与移动通信网和互联网相连，如手机付费系统中由刷卡设备将内置手机的RFID信息采集上传到互联网，网络层完成后台鉴权认证并从银行网络划账。

应用层：是物联网和用户的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。物联网应用层利用经过分析处理的感知数据，为用户提供丰富的特定服务。物联网的应用可分为监控型（物流监控、污染监控）、查询型（智能检索、远程抄表）、控制型（智能交通、智能家居、路灯控制）、扫描型（手机钱包、高速公路不停车收费）等。3．IoT发展趋势

物联网技术被称为信息产业的第三次革命性创新。近几年，美国、日本以及欧洲一些国家纷纷将发展物联网基础设施列为国家战略发展规划的重要内容。在美国，2009年1月28日，奥巴马就任美国总统后，与美国工商业领袖举行了一次圆桌会议，IBM首席执行官彭明盛提出“智慧地球”概念，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施。奥巴马总统积极回应，将其提升到国家战略，将新能源和物联网列为振兴经济的两大重点。在日本，总务省提出以发展Ubiquitous社会为目标的u-Japan构想，文化教育体育与科学技术部（MEXT）积极响应，提出了对信息技术、生命科学的支持计划，经济贸易与工业部（METI）于2008年启动了绿色IT项目，旨在通过物联网技术实现经济与环境之间的平衡。在欧洲，2009年6月，欧盟在比利时首都布鲁塞尔向欧洲议会、欧洲理事会、欧洲经济与社会委员会和地区委员会提交了以《欧盟物联网行动计划》为题的公告，其目的是希望欧洲通过构建新型物联网管理框架来引领世界物联网发展。

初步预测，未来十年物联网将实现大规模普及，预计到2015年［5］全球物联网整体市场规模将达3330亿美元，年增长率将达25％。另据IDC预计，到2020年年底，全球物联网连接的“东西”将达到大约2120亿个，这包括在2020年的301亿个安装的“连接的东西”。

在中国，国家和相关部委领导高度重视包括物联网在内的战略性新兴产业，并多次指示要切实加快培育和发展传感网、物联网的关键技术。作为信息技术创新最为活跃的领域之一，我国物联网市场规模巨大。据中国物联网研究发展中心预测，中国物联网产业市场规模到2015年将达到7500亿元，年复合增长率超过30％，国家也将在2020年前投入约4万亿元大力发展物联网。图1-3 全球物联网市场发展规模状况与预测

1.2.3 三网融合

广播电视网按其传送的方式可以分为地面无线广播电视网、有线电视网和卫星电视网。数字化和网络化是广播电视网的主要发展趋势，网络整合不仅突破了有线网络本地分散发展的空间限制，同时也为有线网络数字化、双向化发展，推进网络产业化、集约化运营提供了基础和条件。

互联网又称为因特网，是由一些使用公用语言互相通信的计算机连接而成的网络，即广域网、局域网及单机按照一定的通信协议组成的国际计算机网络。作为一种公用信息的载体，互联网具有快捷性、普及性，是现今最流行、最受欢迎的传媒之一。

随着通信技术、计算机技术、通信信号处理和智能技术的发展，电话网、广播电视网和互联网这三大网络都在快速演变，如表1-1所示。表1-1 三大网络的优势及其演变方向

当前，数据和计算机通信网络迅速崛起，广播电视正在向交互式方向发展，电信网、互联网和广播电视网之间的三网融合已成为大势所趋。2．三网融合概念与内涵

三网融合是指电信网、广播电视网、互联网在向宽带通信网、数字电视网、下一代互联网演进过程中，三大网络通过技术改造，其技术功能趋于一致，业务范围趋于相同，网络互联互通、资源共享，能为用户提供语音、数据和广播电视等多种服务。

三网融合并不意味着三大网络的物理合一，而主要是指高层业务应用的融合。其本质是建成国家信息高速公路，实现网络从传输、接入到交换各个层面的宽带化：其表现为业务层互相渗透，应用层使用统一的通信协议，网络层互连互通技术上趋向一致。

三网融合的概念还可以从多种不同的角度和层次去观察和分析，其中可以涉及技术融合、业务融合、市场融合、产业融合、终端融合、网络融合乃至行业监管和政策方面的融合等，如图1-4所示。图1-4 三网融合示意图

技术融合：电话通信技术、数据通信技术、移动通信技术、有线电视技术及计算机技术相互融合，出现了大量的混合各种技术的产品，如支持语音的路由器、提供分组接口的交换机等。

网络融合：传统独立的网络，如固定与移动网、语音和数据网开始融合，逐步形成一个统一的网络。

业务融合：未来的电信网的业务形式是数据、语音两种业务的融合，同时，图像业务也会成为未来电信业务的有机组成部分，从而形成语音、数据、图像三种在传统意义上完全不同的业务模式的全面融合。大量语音、数据、视频融合的业务，如VOD、VoIP、IP智能网、Web呼叫中心等业务不断广泛应用，网络融合使得网络业务表现更为丰富。

产业融合：网络融合和业务融合必然导致传统的电信业、移动通信业、有线电视业、数据通信业和信息服务业的融合。例如，数据通信厂商、计算机厂商开始进入电信制造业，传统电信厂商大量收购数据设备厂商。3．三网融合发展

从全球电信业发展的战略来看，通信技术的发展已经脱离纯技术驱动的模式，正在走向技术与业务相结合、互动的新模式。在世界范围内，预计在未来10年，从市场应用和业务需求的角度看，最大和最深刻的变化将是从语音业务向数据业务的战略性转变，这种转变将深刻影响通信技术的走向。

我国于2001年3月第一次明确提出三网融合，要求促进电信、电视、互联网三网融合。2006年3月再度提出积极推进三网融合。2008年1月《关于鼓励数字电视产业发展若干政策的通知》（国办发［2008］1号），提出“以有线电视数字化为切入点，加快推广和普及数字电视广播，加强宽带通信网、数字电视网和下一代互联网等信息基础设施建设，推进三网融合，形成较为完整的数字电视产业链，实现数字电视技术研发、产品制造、传输与接入、用户服务相关产业协调发展”。2009年5月，国务院批转国家发改委《关于2009年深化经济体制改革工作意见》的通知（国发［2009］26号），文件指出：“落实国家相关规定，实现广电和电信企业的双向进入，推动三网融合取得实质性进展（工业和信息化部、广电总局、发展改革委、财政部负责）。2009年7月，广电总局关于印发《〈关于加快广播电视有线网络发展的若干意见〉的通知》，指出：加快广播电视有线网络发展，对于满足人民群众日益增长的精神文化和信息需求、推动我国广播影视改革和发展、推进三网融合、促进国家信息化建设，具有十分重要的意义。

2010年1月13日，国务院常务会议决定加快推进电信网、广播电视网和互联网三网融合，会议上明确了三网融合的时间表，三网融合进入实质性推进阶段。2010年6月30日，国务院办公厅公布的第一批三网融合试点，包括北京市、大连市、哈尔滨市、上海市等12个地区（城市）；2011年12月30日，国务院办公厅公布三网融合第二阶段试点地区（城市），包括2个直辖市、1个计划单列市、22个省会首府城市、17个其他城市。

此外，在做智能电网概念的初期，国家电网曾经提出四网融合的概念，即广播电视网、互联网、电信网和智能电网四网融合。尽管最终没能进入三网融合方案，但是，国家电网的电力光纤入户概念即变身为在实施智能电网的同时服务三网融合、降低三网融合实施成本的战略。

1.2.4 新型平板显示

进入20世纪以来，显示技术作为人机联系和信息展示的窗口已应用于娱乐、工业、军事、交通、教育、航空航天、卫星遥感和医疗等各个方面，显示产业已经成为电子信息工业的一大支柱产业。

显示技术的平板化是显示领域的发展趋势。所谓平板显示技术就是指显示器的厚度比较小，尤其是指厚度与面积相比非常薄的显示器件。平板显示器具有完全平面化、轻、薄、省电等特点，符合未来图像显示器发展的必然趋势。目前主要的平板显示器包括：PDP（Plasma Display Panel）、LCD（Liquid Crystal Displays）、FED（Field Emission Displays）、OLED（Organic Light-Emitting Diode Displays），以及投影显示技术（CRT、LCD、LCOS、DLP）等。

平板显示器件从诞生到目前的发展概况和与其相关技术的进展概况如表1-2所示。表1-2 平板显示器件的发展概况2．新型平板显示器

薄膜晶体管液晶显示（TFT-LCD）：TFT-LCD的专业称谓是“无辐射薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器”，是液晶显示器家族的一个高端品种。液晶平板显示器特别是TFT-LCD，是目前唯一在亮度、对比度、功耗、寿命、体积和重量等综合性能上全面赶上和超过CRT的显示器件，它的性能优良、大规模生产特性好，自动化程度高，原材料成本低廉，发展空间广阔，将迅速成为新世纪的主流产品，是21世纪全球经济增长的一个亮点。

等离子显示屏（Plasma Display Panel，PDP）：是继阴极射线管（CRT）和液晶屏（LCD）之后的一种新颖直视式图像显示器件。等离子体显示器以出众的图像效果、独特的数字信号直接驱动方式而成为优秀的视频显示设备和高清晰的电脑显示器，它将是高清晰度数字电视的最佳显示屏幕。

有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）：又称为有机电激光显示。OLED显示技术具有自发光的特性，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光，而且OLED显示屏幕可视角度大，并且能够显著节省电能OLED。由于自发光、结构简单、超轻薄、响应速度快、宽视角、低功耗及可实现柔性显示等特性，OLED被誉为“梦幻显示器”。

三维立体显示（3D）：“3D”里的“D”，是英文单词Dimension（线度、维）的首字母，3D指的就是三维空间。与普通2D画面显示相比，3D技术可以使画面变得立体逼真，图像不再局限于屏幕平面，仿佛能够走出屏幕外面，让观众有身临其境的感觉。

激光显示：激光显示是以红、绿、蓝（RGB）三基色激光为光源的显示技术，可以最真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩，提供更具震撼的表现力。与自然光色域相比较，传统显示设备只能再现人眼所见颜色的30％，而目前正在开发中的激光显示方式可覆盖90％，这一巨大的潜力让我们对激光显示技术的未来充满期待，因此激光显示被称为“人类视觉史上的革命”。3．新型平板显示应用

由于新型平板显示技术具有清晰度高、图像色彩好、环保、省电、轻薄、便于携带等优点，已被广泛应用于家用电器、电脑和通信产品，［6］具有广阔的市场前景。据Display Search预测，2015年TFT-LCD总产值有望超过1300亿美元，占整个平板显示产业的91％。

汹涌澎湃的信息化浪潮席卷人类社会的各个角落，经济合作，技术合作，资源共享，智力共享打破了语言、时间和地域的限制，人类开始进入智力延伸的“智能星球”的信息社会。在未来的100年甚至更长的历史时间内，新型平板显示技术作为信息技术的核心器件，是信息社会的基础产业。新型平板显示的主要应用如图1-5所示。图1-5 平板显示技术应用

1.2.5 云计算

云计算（Cloud Computing）的兴起是技术推动和需求牵引共同［7］作用的结果。回顾信息技术跨世纪的发展历程，可以看出云计算实际是在电子、通信、计算机与网络技术的共同作用下，从图灵计算逐步向网格计算演化的一个必然阶段，如图1-6所示。图1-6 从图灵计算到云计算的演化

云计算主要经历了四个阶段才发展到现在这样比较成熟的水平，这四个阶段依次是电厂模式、效用计算、网格计算和云计算。（1）电厂模式：电厂模式就好比是利用电厂的规模效应，来降低电力的价格，并让用户使用起来更方便，且无须维护和购买任何发电设备。（2）效用计算：在1960年前后，当时计算设备的价格是非常高昂的，远非普通企业、学校和机构所能承受，所以很多人产生了共享计算资源的想法。1961年，人工智能之父——麦肯锡在一次会议上提出了“效用计算”这个概念，其核心借鉴了电厂模式，具体目标是整合分散在各地的服务器、存储系统以及应用程序来共享给多个用户，让用户能够像把灯泡插入灯座一样来使用计算机资源，并且根据其所使用的量来付费。但由于当时整个IT产业还处于发展初期，很多强大的技术还未诞生，如互联网等，所以虽然这个想法一直为人称道，但是总体而言“叫好不叫座”。（3）网格计算：网格计算研究如何把一个需要非常巨大的计算能力才能解决的问题分成许多小的部分，然后把这些部分分配给许多低性能的计算机来处理，最后把这些计算结果综合起来攻克大问题。可惜的是，由于网格计算在商业模式、技术和安全性方面的不足，使得其并没有在工程界和商业界取得预期的成功。（4）云计算：云计算的核心与效用计算和网格计算非常类似，也是希望IT技术能像使用电力那样方便，并且成本低廉。但与效用计算和网格计算不同的是，在需求方面已经有了一定的规模，同时在技术方面也已经基本成熟了。

关于云计算的定义，美国国家标准与技术研究院（NIST）指出：云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络、服务器、存储、应用软件、服务），这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。国内较为广泛接受的定义是中国云计算专家咨询委员会副主任、秘书长刘鹏教授给出的：云计算是通过网络提供可伸缩的廉价的分布式计算能力。

概况来说，云计算是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。狭义云计算主要指IT基础设施的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需资源；广义云计算指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需服务，这种服务可以是IT和软件、互联网相关，也可是其他服务，它意味着计算能力也可作为一种商品通过互联网进行流通。2．云计算技术框架

云计算包括以下几个层次的服务：基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS），如图1-7所示。这里所谓的层次，是分层体系架构意义上的“层次”。IaaS、PaaS、SaaS分别在基础设施层、软件开放运行平台层、应用软件层实现。图1-7 云计算架构图

IaaS（Infrastructure-as-a-Service）：基础设施即服务。消费者通过Internet可以从完善的计算机基础设施获得服务。

PaaS（Platform-as-a-Service）：平台即服务。PaaS实际上是指将软件研发的平台作为一种服务，以SaaS的模式提交给用户。因此，PaaS也是SaaS模式的一种应用。平台通常包括操作系统、编程语言的运行环境、数据库和Web服务器，用户在此平台上部署和运行自己的应用。用户不能管理和控制底层的基础设施，只能控制自己部署的应用。

SaaS（Software-as-a-Service）：软件即服务。它是一种通过Internet提供软件的模式，用户无须购买软件，而是向提供商租用基于Web的软件，来管理企业经营活动。云提供商在云端安装和运行应用软件，云用户通过云客户端（通常是Web浏览器）使用软件。云用户不能管理应用软件运行的基础设施和平台，只能做有限的应用程序设置。3．全球云计算发展

云计算概念被大量运用到生产环境中，国内的“阿里云”、“百度云”与云谷公司的XenSystem，以及在国外已经非常成熟的Intel和IBM，各种云计算的应服务范围正日渐扩大，影响力也无可估量。

当前，全球云计算总体已经进入快速发展轨道，包括通用电气公司在内的全球约有50万个组织使用云计算平台替代单击的办公系统，其中绝大部分云计算用户在美国。2011年2月8日，美国联邦政府CIO发布《联邦云计算战略》，宣布将2012年的800亿美元的联邦IT预算的25％放在云计算领域，用于把政府当前的IT应用方式转移至云计算方式，规定在所有项目中“云计算优先”（Cloud First）。

经过多年的技术积累和产业准备，中国的云计算开始进入务实发展阶段。2010年10月18日，国家发展和改革委员会、工业和信息化部联合下发《关于做好云计算创新服务发展视点示范工作的通知》，确定北京、上海、杭州、深圳、无锡五个城市先行开展云计算服务创新发展试点示范工作，以推动我国云计算产业发展和试点应用。

国内主要城市政府部门更加看重云计算对电子信息产业所带来的机遇，以极大热情推动云计算发展。表1-3为国内主要城市云计算发展规划内容。表1-3 国内主要城市云计算发展规划内容

1.3 本章小结

人类正处于了一个快速发展的信息时代。全球信息技术发展日新月异，物联网、云计算等新一代信息技术更是孕育着信息技术新的更大的突破。本章在全球新技术革命背景下，就新一代信息技术发展情况进行了介绍，包括下一代通信网络、物联网、三网融合、新型平板显示、高性能集成电路和以云计算为代表的高端软件。

第2章 中国城市化发展

城市是人口密集、经济活动活跃和资源相对集中的空间地域，是人类文明和社会进步的标志。随着全球城市化进程的加快，城市数量和城市人口不断增多，城市被赋予了前所未有的经济、政治和技术权力，从而使城市发展在世界中心舞台起到主导作用。作为现代城市的主要特征，城市化水平的高低已成为国际上衡量城市发展水平的基本指标，城市化甚至影响和决定着区域乃至国家发展的方向和质量。

2.1 城市与城市化

2.1.1 城市的概念

城市是人类文明的象征，是社会生产力发展的必然产物。城市实力代表着国家的实力，在一个国家的社会、经济、政治、文化、教育、科学和技术的发展中具有举足轻重的地位和作用。

关于城市的概念，国内外学者从经济、社会、地理、历史、生态、政治、军事等不同的学科角度，对城市给出了不同的定义。

从地理学角度看，城市是指地处交通方便的环境覆盖有一定面积［8］的人群和防务的密集结合体；城市是包括了自然环境却又是以人［9］造物何人文景观为主的一种地理环境。

从经济学角度看，城市是具有相当面积、经济活动和住房集中、［10］以致在私人企业和公共部门产生规模经济的连片地理区域；城市是社会分工体系中的一个特定环节，是完整的社会经济综合体；城市是在一定地域内集中的经济实体、社会实体和物质实体这三者的有［11］机统一体；城市是生产力发展到一定阶段的产物，是经济密集［12］的社会有机体，是区域发展的中心；城市是以高密度和经济行为专业化及其统一制度条件为特征的相互联系、相互制约的市场活动系统。英国经济学家K.J.Button认为：城市是一个坐落在有限空间地区内的各种经济市场——住房、劳动力、土地、运输等，相互交织在一起的网状系统。

从社会学角度看，城市是当地那些共同风俗、情感、传统的集合；城市是一种心理状态，是各种礼俗和传统构成的整体，是这些礼俗中所包含，并随传统而流传得那些统一思想和情感所构成的整体，城市是自然的产物，而尤其是人类属性的产物；城市是大量异质性居民聚居，以非农业职业为主，具有综合功能的社会共同体；城市中有较多的、集中居住的、不同职业身份的居民，大部分居民从事非农业劳动，某些居民具有专业技能，都市具备市场功能，至少具备局部的调节功能和以法律为基础的“社会契约”功能。

从生态学视角来看，城市生态系统是城市居民与其周围环境相互作用形成的网络结构，也是人类在改造和适应自然环境的基础上建立起来的特殊的人工生态系统；城市是一类以人的行为为主导，自然环境为依托，资源流动为命脉，社会体制为经络的社会-经济-自然复合生态系统。

从城市规划角度看，城市是依一定的生产方式和生活方式把一定地域组织起来的居民点，是该地域或更大腹地的经济、政治和文化生［13］活中心；城市是跟农业没有直接联系的居民聚集的中心；城市是一个巨大的人口集团密集的地域，它以第二、第三产业为主并与之相依存，同时，作为周边的地方中心，进行着高级的社会经济文化活［14］动，是具有复杂的利益目标的各种各样的组织的地方；城市是人口集中、工商业发达、居民以非农业人口为主的地区，通常是周围地区的政治、经济、文化中心；城市是规模大于乡村和集镇的已非农业活动和非农业人口为主的聚落。

从城市管理学角度来看，作为人类文明标志的城市，是一个时代经济、社会、科学、文化的渊薮和焦点，代表着一个社会的经济文化发展的高峰，城市不仅集中了人类的智慧成就，而且也集中了整个社会生活、整个时代所具有的各种矛盾。

此外，法国学者菲利普·潘什梅尔（P．Pinchemel）认为城市现象很难定义，概括为：城市既是一个景观、一片经济空间、一种人口密度，也是一个生活中心和劳动中心，更具体地说，也可能是一种气［15］［16］氛、一种特征或者一个灵魂-。综观种种不同的对城市的认识，发现亚里士多德的城市言论言简意赅，至今仍为经典：人们为了安全，来到城市；为了美好的生活，聚居于城市。

可见，不同学科在城市科学的核心区相汇合，共同探讨城市科学的基础理论问题，产生了城市科学的核心基础学科——城市学［17］。在我国，钱学森院士于1985年提议研究建立城市学，并且指［18］出城市学应将全国的城市体系当成一个复杂的巨系统来研究，他将城市概括为：“以人为主体，以空间和自然环境的合理利用为前提，以聚集经济效益和社会效益为目的，集约人口、经济、科技、文化的空间地域大系统”。

2.1.2 城市化发展

城市化（Urbanization）主要是指由社会生产力的发展所引起的地域空间上城市数量的增加、城市规模的扩大、人口向城市（镇）集中等相关过程与状态。就广义而言，自从城市产生以后，城市化的过程便开始了。

欧洲的奴隶社会到罗马帝国发展到高峰。公元3世纪罗马城的规模发展到100多万人，但罗马帝国衰落后随着日耳曼蛮族的南侵，城市迅速瓦解。到公元10世纪，城市经济才开始繁荣。12世纪以后，城市商人和工匠等市民阶层的势力开始抬头。15～18世纪是欧洲的资本主义萌芽时期，社会经历了文艺复兴、宗教改革、启蒙运动、资产阶级革命等一系列社会和思想变革。不过欧洲中世纪的封建时期，城市规模都较小，大城市也不过5～6万人，最大的教皇所在地阿维农在1309年时也不过12万人。文艺复兴时期出现了一些城市共和国。

我国的奴隶社会至西周发展到高峰期，发生了一次城市建设的高潮。到春秋战国（东周）时期，经济蓬勃发展，社会开始向封建制度过渡，这时发生了周代的第二次城市建设高潮。在我国封建社会的生气，各朝国强盛时，城市都有较大的发展。唐长安的规模超过了古罗马。明朝开始出现资本主义萌芽，各地经济都会蓬勃发展。

18世纪始于英国的工业革命导致了城市化的迅猛发展。城市化成为一种愈来愈明显的社会现象。此后，城市化这个概念被人们广泛接受，并开始开展研究。一些学者在研究城市化概念的起源时，认为城市化是西班牙工程师塞达（A.Serda）于1867出版的《城镇化基本原理》一书中首次使用的。

由于城市化本身表现出来的多元性和研究对象的多学科性，不同的学科从各自的研究领域、研究目的和研究对象出发，得出了适合本学科特点的城市化定义。如社会学家认为，城市化是人们行为方式和生活方式由农村社区向城市社区转化的过程和结果；人口学家认为，城市化是在经济发展过程中，人口不断由农村向城市地区集中的过程；地理学家认为，城市化是乡村地域向城市地域的转化过程；在经济学家看来，城市化意味着农村人口不断地向城市地区集中和集聚，造成城市数目增多，城市人口在全国总人口中的比例不断上升，同时农村生活方式向城市生活方式转变；在新制度学派看来，城市化是从以农业为基础产业、以土地为基本生产资料、以个体劳动为基本劳动方式、以血缘关系为纽带的相对封闭、分散的传统的村落聚居制度向以非农产业作为基础产业、以非土地经济要素为基本生产资料、以组织性的集体劳动为主要劳动形式、以业缘关系为纽带的相对开放、集［19］中的现代的城市聚居制度变迁的过程。

因此，城市化是伴随着工业化发展而产生的一种在空间地域人口由农村向城市迁移的过程。简单地说，城市化表现为在地域、人口、产业、文化、生活方式和设施等方面，从农村到城市的转化。

一个国家或地区的城市化水平，同该国或该地区的经济、社会发展水平是密切相关的。发达国家的城市化水平都较高，从事高层次产业的人口占大多数；较落后的国家，城市化水平较低。

城市化水平可从数量和质量两个方面来衡量，而基本的还是数量指标，其中应用最广泛的是城市（镇）人口占总人口的百分比，即

城市化水平的数量指标，还可以体现为土地利用的变化率，即一定时期内非城市用地（如农田、草原、山地、森林、海滩等）转变为城市用地的比率，不过统计较困难。若利用航天遥感技术，这个指标［20］对土地管理部门将有较大的应用价值。

鉴于城市化的内涵不仅涉及人口结构的城市化，而且还涉及居民生活方式、生产结构、环境载体、经济、信息等方面的城市化，城市化水平仅用数量指标往往不足以充分表明社会发展的实际情况。要通过城市化水平来反映一个国家或地区的现代化和发达程度的话，因此，除了城市化的数量指标外，往往辅以质量指标或复合指标。

自20世纪40年代，一些1000万以上人口的超大城市（如伦敦、纽约等）开始出现，并出现了一些所谓“巨型城市带”（Megalopolis）。20世纪中期以后，这种发展势头席卷全球，各先进工业国的城市化水平普遍发展到70％～80％。到20世纪80年代，世界平均城市化水平已超过40％，1990年为45％（发达地区为73％），进入21世纪以后，这一指标已达到了50％，预测到2050年将达到67％，如图2-1所示。图2-1 世界城市化水平

总的来说，城市化是人类社会发展的共同规律，无论发达国家还是发展中国家，无论有多大差异的国家，它都是人类社会发展的必经阶段，这已经为世界历史进程所证明。

2.2 中国城市化进程

中国城市发展已有4000多年的历史。在传统的农业社会中，城市化进程十分缓慢；直到近代，人类才开始了真正意义上的城市化；特别是改革开放后，中国的城市化进程开始全面加速。当前，中国的城市化已成为一个世界性的热点问题。

城市化的一个显著表现是城市人口以及城市数量快速增长。表2-1显示了1949年中国城市数量增长及规模划分构成情况。表2-1 中国城市规模划分构成情况注：人口规模的划分以城市市区总人口为标准。数据来源：由国家统计局统计公报、中国城市统计年鉴相关年份整理而得。

截至2012年年底，中国共有285个地级市、860个市辖区、368个县级市、1453个县、117个自治县，以及40446个乡镇和街道办事处。按照城市市辖区年末总人口数，可以把城市划分为不同的规模。图2-2为2012年地级及以上城市的规模构成情况，其中城市市辖区年末总人口为50～100万城市数量占比最高，为全部地级市及以上城市37％。图2-2 按规模划分的地级市及以上城市构成（2012年）

按照中国经济社会发展的脉络，以下把中国的城市化进程可以划［21］分为几个阶段。

2.2.1 1978年前的城市化

1949年新中国成立之初，城市人口占全国总人口的比重只有一成多一点，城市数量只有136个，城镇人口5765万人。新中国成立后的29年中，随着国民经济和其他各项事业的发展，中国的城市化也取得了一定的进展，城市化率由1949年的10.64％上升到1978年的17.92％，年均提高约0.25％。

表2-2反映的是1949—1977年中国的城乡人口比例，在一定程度上说明了中国城市化的进程。表2-2 1949—1977年中国城乡人口构成资料来源：国家统计局。注：①本表各年人口未包括香港、澳门和台湾地区的人口数据。②总人口包括中国人民解放军现役军人，现役军人计入城镇人口。

在这一阶段，中国的城市化主要呈现出以下特点：政府是城市化动力机制主体；城市化对非农劳动力的吸纳能力很低；城市化的区域发展受高度集中的计划体制的制约；劳动力的职业转换优先于地域转换；城市运行机制具有非商品经济的特征。

2.2.2 1979—1991年的城市化

1978年以后，随着中国改革开放政策的实施，中国社会经济步入了新的历史发展阶段，经济保持了持续、快速的增长，人民生活水平有了显著提高。与之相适应，中国的城市化进程也进入了一个全新的发展阶段，城市化发展状况发生了巨大的变化。

改革开放后，城市化走上了积极稳步、持续快速发展的轨道，城市化进程明显加快。1978年，全国只有192个城市，城市化率约为17.92％，到1991年，城市化率上升至27.37％，平均每年提高近0.7％，相当于改革开放前的3倍。详细数据见表2-3。表2-3 1979—1991年中国城市化率及其变动资料来源：中国统计年鉴（1992）。

回顾中国改革开放以来的城市化道路，1979—1991年间的城市化主要体现为由恢复城市建设带来的城市化平稳发展。这个阶段的城市化带有恢复性质，农村经济体制改革、乡镇企业发展和城市改革是城市化的主要动力。这一时期，中国经济政策和市民生活发生了巨大的变化，地方政府和企业获得了经济发展的自主权。主要表现在：国家放开了过去的计划管制的许多产品与领域，下放一批国有企业，打破统购统销的模式，取消实行了多年的凭票定量供应粮油制，证券市场初步建成，等等。

2.2.3 1992年后的城市化

1992年10月，中共十四大确定了建立社会主义市场经济体制改革的目标，中国由此进入了建设社会主义市场经济体制时期。其间虽有短期的通货膨胀和东亚金融危机的干扰，但由于市场发挥资源配置的基础作用逐步增强，国民经济整体上保持了快速稳定的发展，城市化也保持了前所未有的快速推进。

与此相适应，城市化政策也出现了变化和调整。这一时期中国城市化政策的调整主要体现为由过去实行城乡分割、限制人口流动转变为放松管制，允许农民进入城市就业，鼓励农民迁入小城镇，严格控制大城市规划的要求逐渐淡出政府文件，这反映了以发展小城镇为主体，推进城市化的政策导向正在得到逐步调整。

此后，中国城市化持续深化，到2011年年底，全国行政区划中有284个地级市、857个市辖区、369个县级市、1456个县，以及40466个乡镇，城镇人口数69079万人，城镇人口占总人口的比重由［22］1992年的27.46％上升到2012年的52.57％，详细数据见表2-4。表2-4 1992—2012年中国城乡人口构成资料来源：国家统计局。注：①1981年及以前人口数据为户籍统计数，1982、1990、2000、2010年数据为当年人口普查数据推算数，其余年份数据为年度人口抽样调查推算数据。②总人口和按性别分人口中包括现役军人，按城乡分人口中现役军人计入城镇人口。

1992年至今的城市化全面快速推进，主要以城市现代化建设、小城镇发展和建立经济开发区、工业园区为标志，城市的综合承载力和吸纳农村人口的能力也得到了前所未有的提高。这一时期，京津唐大都市圈、长三角大都市圈和珠三角大都市圈的形成与发展引领了中国城市化的方向，并成为辐射带动相关区域经济社会发展的龙头。

2.3 现代城市化效应

2.3.1 经济社会效应

城市化是推动现代社会前进的一种重要方式，也是确立以城市为［23］经济发展轴心的历史过程。自改革开放以来，我国城镇化率年均提高1.02％；2000年以来，城镇化率年均提高1.36％，2012年城镇化率达到52.57％，与世界平均水平大体相当。城镇数量和规模不断扩大，城市群形态更加明显，京津冀、长江三角洲、珠江三角洲三大城市群以2.8％的国土面积集聚了18％的人口，创造了36％的国内生产总值，成为拉动我国经济快速增长和参与国际经济合作与竞争的主要平台。城市综合服务能力明显提升，人居环境逐步改善。可以说，城市化的社会经济正效应很明显，主要表现在以下方面。1．促进城市现代化，形成国民经济增长极

城市化伴随着社会分工和市场经济的发展而发展，同时，它改变着城市的规模、性质和功能，促进传统城市向现代化城市转化。

首先，城市化推动城市规模逐步沿着集镇→小城市→中等城市→大城市→特大城市→城市圈/群的轨迹扩张；这个过程既是社会经济发展水平不断提升的标志，又是城市从落后走向先进的过程。

其次，城市化以各种现代方式取代传统方式，使城市更趋现代化。传统城市的生产都是手工作坊式的，生产规模有限；城市能源以动物能源和自然能源为主；运输方式主要靠人力和畜力；城市管理方式是封闭自守、专制独裁。而现代城市，从生产上讲，社会化的大机器生产，资本和技术密集型生产是其主要方式，这种生产方式的特点是生产规模大、地点集中、专业化程度高、资本和技术含量大；城市运作动力则完全是非动物能源，除了已加工的自然能源（电力）外，还有各种新型能源（太阳能、潮汐等）；城市的运输方式是各种现代化的交通工具，其载体是构筑于城市三维空间内的交通网络；城市通信方式从传统的邮政发展到现代卫星通信、计算机网络；城市管理则形成以法律为主导、有明确职能分工的机构并配以现代管理工具的体系。

第三，城市化促进城市功能的繁衍，即从单一功能发展为综合功能，从单中心变为多中心，并成为国民经济增长极。

过去30多年，中国实现了高速经济增长，城市化是中国重振内需和结构转变的枢纽，也是未来驱动经济增长的主要动力。根据历年统计数据，城市化与GDP呈现出显著的正相关关系，如图2-3所示。图2-3 中国城镇化水平及人均GDP增长2．促进劳动力合理流动，为优化城市产业结构提供必要条件

劳动力的合理流动是现代社会化大生产的必然要求。其一般趋势是从第一产业到第二产业，再从第二产业到第三产业。劳动力流动的一般趋势同城市化程度的提高是相吻合的，也就是说，只有不断提高城市化程度，劳动力流动才能保持其一般趋势。从某种程度上说，城市化就是调整城市产业结构和就业结构的途径或手段，是劳动力资源配置的调节器。因为伴随着城市化过程，劳动力就能在城乡之间、不同地区之间和不同部门之间进行合理流动。这种流动不仅有利于带动落后产业，并且能发展先进产业，尤其是服务业即第三产业，从而达到优化城市产业结构的目的。3．促进周边地区发展，有助于区域经济的建立和成长

作为区域社会经济发展到一定阶段的产物，城市是区域社会经济要素及产业的核心空间载体，城市的形成与发展离不开区域的支撑，而随着城市的进一步发展及城市化水平的不断提高，城市在区域发展中具有聚集与辐射双重功能，起着主导作用，因而，城市化的经济、社会、资源和环境等效应更突出地体现在对区域发展的影响方面。

在城市化过程中，随着地域分工的不断深化，使地区生产的专业化程度越来越高，结果形成了不同的经济功能地带，以此为基础又进一步形成不同的经济区，如工业经济区、贸易经济区、旅游经济区、高科技园区等。城市化的快速推进将对区域产生强大的拉动效应，集中体现于促进区域消费总量增长、引导区域产业结构不断调整与升级、推进区域城市化进程、消除人地矛盾及农村剩余劳动力转移等方面。

2.3.2 城市病与挑战

如前所述，单纯把城市化水平视为现代化和发达的象征是片面的。城市化一方面给城市发展做出重要贡献，推动了社会文明和经济发展，另一方面也为城市规划、建设、运营和管理带来了诸多问题，引发诸多“城市病”，即在城市化过程中，因社会经济的发展和城市化进程的加快，由于城市系统存在缺陷而影响城市系统整体性运动所导致的对社会经济的负面效应，如交通拥挤、住房紧张、供水不足、能源紧缺、环境污染、秩序混乱等。

随着城市化的深入推进，我国城市化质量不高的问题也越来越突出，主要表现为五个方面：（1）大量农业转移人口难以融入城市社会，市民化进程滞后。被纳入城镇人口统计的2亿多农民工及其随迁家属，未能在教育、就业、医疗、养老、保障性住房等方面平等享受城镇居民的基本公共服务，城镇内部出现新的二元结构矛盾，制约了城市化对扩大内需和结构升级的推动作用，也存在着社会风险隐患。（2）土地城市化快于人口城市化，城镇用地粗放低效。一些城市“摊大饼”式扩张，脱离实际建设宽马路、大广场，新城新区、开发区和工业园区占地过多，建成区人口密度偏低，耕地减少过多过快。这不仅浪费了大量土地资源，也威胁到国家粮食安全。（3）城镇空间分布与资源环境承载能力不匹配，城镇规模结构不合理。东部一些城镇密集地区资源环境约束加剧，中西部资源环境承载能力较强地区的城市化潜力有待挖掘。城市群布局不尽合理，城市群内部分工协作不够、集群效率不高；部分特大城市主城区人口压力偏大，与综合承载能力之间的矛盾加剧；中小城市集聚产业和人口功能不足，潜力没有得到充分发挥；小城镇数量多、规模小、服务功能弱。城镇空间分布和规模结构不合理，增加了经济社会和生态环境成本。（4）“城市病”问题日益突出，城市服务管理水平不高。一些城市空间无序开发、人口过度集聚，重经济发展、轻环境保护，重城市建设、轻管理服务，交通拥堵问题严重，食品药品等公共安全事件频发，大气、水、土壤等环境污染加剧，城市管理运行效率不高，公共服务供给能力不足，城中村和城乡结合部等外来人口聚集区人居环境较差。（5）体制机制不健全，阻碍了城市化健康发展。现行户籍管理、土地管理、社会保障、财税金融、行政管理等制度，在一定程度上固化了已经形成的城乡利益失衡格局，制约了农业转移人口市民化和城乡发展一体化。

根据世界城市化的一般规律，我国仍处在城市化率30％～70％的快速发展期，但我国城市化的外部条件和内在动力也在发生深刻变化，未来的中国城市化将面临严峻的挑战。随着全球经济再平衡和产业格局再调整，以及越来越多的发展中国家进入工业化城市化快速发展阶段，全球市场争夺、资源供求矛盾和减排压力加剧。随着国内农业富余劳动力减少和人口老龄化程度提高、资源环境瓶颈制约日益加剧、户籍人口与外来人口公共服务差距造成的城市内部二元结构矛盾日益凸显，过去主要靠高投入、高消耗、高排放的工业化、城市化发展模式难以为继，必须走以提升质量为主的转型发展之路。

我国城市化是在人口多、资源相对短缺、生态环境比较脆弱、城乡发展不平衡的背景下推进的，这决定了必须从基本国情出发，遵循城市化发展规律，积极稳妥推进城市化健康发展。要紧紧围绕推动城市化转型发展，以人口城市化为核心，以城市群为主体形态，以综合承载能力为支撑，以体制机制创新为保障，促进产业发展、就业转移和人口集聚相统一，走以人为本、集约高效、绿色智能、四化同步的中国特色新型城市化道路，全面提高城市化质量。

2.4 本章小结

城市化是现代化的必由之路，是转变发展方式、调整经济结构、扩大国内需求的战略重点，是解决农业农村农民问题、促进城乡区域协调发展、提高人民生活水平的重要途径。党的十八大报告提出了城镇化质量明显提高的战略目标，明确了促进工业化、信息化、城镇化、农业现代化同步发展的总体要求。从实践来看，中国城市化在产生积极经济社会效应的同时，也带来了诸多城市化问题和挑战，事实上这是一组对立统一的矛盾。为了更好地发挥城市化的经济社会正效应，我国提出要遵循城市化发展规律，走以人为本、集约高效、绿色智能、四化同步的中国特色新型城市化道路。

第3章 IT引领智慧城市理念

现代城市正处于一个信息融合和知识爆炸的时代。随着全球信息技术的飞速发展，以及中国城市化进程的深度推进，城市信息化特别是智慧城市将成为城市发展的主题。智慧城市理念对城市未来发展的影响是多方面的，通过应用新一代信息技术，它将改变城市的运行方式，提高城市的管理和服务水平，引发科技创新和产业发展，进而创造更美好的城市生活。

3.1 智慧城市释义

智慧城市（Smart City）是新一代信息技术变革的产物，也是一种新的城市发展理念和形态。

关于“智慧”一词的理解，辞海的解释是：一是对事物能认识、辨析、判断、处理和发明创造的能力；二是才智、智谋。在朗文词典中，“Smart”包括两个方面的含义，一是Intelligent，即智慧的或智能的，是指事物具有良好的理解能力和思维能力；二是指一种由计算机所控制的智能化机器设备，可以根据具体情境而随机应变的技术，两者的组合代表着人与技术的紧密融合。把Smart的理念用在城市建设和发展中，在数字城市的基础上产生了智能城市、智慧城市的概念。

关于智慧城市和智能城市，国内外研究机构、学者有不同的理解和阐释，概括起来主要观点如下。

Harvard：哈佛大学商学院2009年提出了“智慧城市宣言”。为了使我们的城市和社区更智慧，我们自身必须要更加智慧地搜集信息，实现交互和协作。根据哈佛商学院的教授Rosabeth Moss Kanter教授和IBM的Stanley S．Litow的描述，他们的愿景是，在不久的将来，领导们将结合技术能力和社会创新，创建一个更智慧的地球，并由智［24］慧城市、智能社区作为节点来服务于城市居民的生活。

MIT：美国麻省理工学院智慧城市研究团队（the Smart Cities Group）认为，城市是由不同子系统所组成的系统，在系统整合的每个层面都存在大量机会来引入数字神经系统、智能响应和最优化，这涵盖了个人、建筑和整合城市的设备设施。通过数字神经系统的横向沟通，有可能协同不同系统的运作，从而实现效率提升和可持续发展。

SRF：维也纳理工大学区域科学中心（Centre of Regional Science，SRF）认为智慧城市可以从智慧经济、智慧人群、智慧治理、智慧流动、智慧环境、智慧居住六大坐标维度来界定。

ARUP：英国奥雅纳工程顾问公司研究团队（IT and Communications Systems Team）认为，智慧城市是通过应用现代技术和设计，使不同城市系统间的关联和结构更加清晰、简单、灵敏、可延展。在智慧城市中，居民不仅能够了解他们与社区和更广泛的城市生态系统之间的关系，而且能够积极参与城市活动，因而相比20世纪的单一功能结构的许多城市，它是有效的、互动的、有魅力、自［25］适应和灵活的。

IBM：“智慧的城市：理解IBM智慧城市的基础”把智慧城市描述为，智慧城市可以充分利用所有今天可用的互联化信息，从而更好地理解和控制城市运营，并优化有限资源的使用情况的城市。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智能的响应，为人类创造更美好的城市生活。

IDC：国际数据公司（IDC）认为智慧城市能够提供无所不在的联机、先进的宽带服务、完整的无线环境，利用IP-enabled的装置互连与沟通，并通过一个中央管控中心来管理，让所有的居民和访客在任何地点都可以获得身旁环境中的实时信息，远程管理是重要的基本精髓。

Roger Caves：美国城市规划专家Roger Caves博士认为，智慧城市应用信息科技来转变整个城市的发展，包括提供更多且更佳的公众服务、促进经济发展、发展远程医疗服务或远程教学，智慧城市不会依赖单一技术，而是应用各种不同科技来解决城市中各式各样特性需求的议题。

Boyd Cohen：博伊德·科恩博士认为，智慧城市的定义还比较模糊，从狭义上来说，有些人认为智慧城市就是利用信息通信技术向市民提供服务，而他给出了一个更广泛的定义，智慧城市是借助信息通信技术来更加智能和有效的利用资源，从而降低成本，节约能源，提高服务水平和生活质量，减少环境污染。

李德仁：中国科学院、中国工程院院士李德仁认为，智慧城市是城市全面数字化基础之上建立的可视化和可量测的智能化城市管理和运营，即数字城市＋物联网＝智慧城市，包括城市的信息、数据基础设施，以及在此基础上建立网络化的城市信息管理平台与综合决策支撑平台。

连玉明：我国首家智慧城市发展研究平台——智慧城市实验室首席科学家、北京国际城市发展研究院院长连玉明认为，智慧城市以新一代信息技术为核心，以数字信息基础设施为平台，以实现人口、产业、空间、土地、环境、社会生活和公共服务等领域智能化管理为目标的全新城市形态。

CSST-HUST：由中国安防技术有限公司和华中科技大学于2012年组建的智慧城市联合实验室（CSST-HUST）提出，智慧城市是指通过广泛采用物联网、云计算、人工智能、数据挖掘、知识管理等技术，提高城市规划、建设、管理、服务的智能化水平，使城市的运转更高效、更敏捷、更低碳。

由上可见，不同研究机构、学者对智慧城市有不同角度的阐释，但其本质是一致的。概括来说，智慧城市借助新一代的物联网、云计算、决策分析优化等信息技术，将人、商业、运输、通信、水和能源等城市运行的各个核心系统整合起来，使城市以一种更智慧的方式运行，进而创造更美好的城市生活。其核心特征表现为：更透彻的感知（Instrumented）、更深度的互联互通（Interconnected）和更广泛的智能应用（Intelligent）。

更透彻的感知：利用任何可以随时随地感知、测量、捕获和传递信息的设备、系统或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。

更深度的互联互通：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存储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，使得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。

更广泛的智能应用：深入分析收集到的数据，以获取更加新颖、系统且全面的洞察来解决特定问题以更好地支持城市发展决策和行动。

3.2 智慧城市关键技术

智慧城市是新一代信息技术变革的产物，物联化、互联化和智能化构成了其技术路径。图3-1显示了用于构建智慧城市的组件。图3-1 智慧城市组件图1．物联化

对于智慧城市中需要感知的各个方面，应结合各种感知和提取设备及相关技术，收集相应的信息并进行存储与处理。在数据感知和提取过程中，各种设备根据应用需求，构建不同类型的网络采集不同范围的信息，既可以是各种无线设备构成的无线网络采集，也可以是传感器、RFID等构成传感网络，还可以是PC、PDA等。物联化技术和功能见表3-1。表3-1 物联化技术和功能2．互联化

互联互通是跨领域、跨时空的，涉及复杂的信息流、控制流、知识流等的优化与处理过程，因而，智慧城市要借助互联软件工具、互联模型和支撑各类智能应用的软件包，按照智慧性、广域性进行加工和关联。事件处理软件从原始传感器输入流中导出和业务相关的事件，集成中间件可将这些数据带入所需情景中，实现对运营系统的实际行为的洞察。通过互联化，可将来自单独域控制系统和其他数据源的数据连接在一起，并结合其他存在于整个城市中的相关事件信息，将各种输入数据映射到关注事件中的事件服务，形成丰富的数据源，用于改善决策。互联化技术和功能见表3-2。表3-2 互联化技术和功能3．智能化

智慧城市要求采用先进技术（如数据挖掘和分析工具、科学模型和功能强大的运算系统）来处理复杂的数据分析、汇总和计算，以便整合和分析海量的跨地域、跨行业和职能部门的数据和信息，并将特定的知识应用到特定行业、特定的场景、特定的解决方案中，以更好地支持决策和行动。智能化技术和功能见表3-3。表3-3 智能化技术和功能

按照智慧城市的架构对其技术体系进行梳理，智慧城市的关键技术包括以下几类：感测与识别、宽带网络、数据存储、数据挖掘与知识发现、人工智能、可视化与虚拟现实等技术。1．感测与识别

感测与识别是指对客观事物的信息直接获取并进行认知和理解的过程，其作用是扩展人获取信息的感觉器官功能。感测与识别技术主要是识别、提取、检测城市信息（身份、位置、图像和状态等）的各种技术，包括空间信息技术、射频识别技术、传感器技术等。

遥感遥测（RS）：遥感遥测是指通过某种传感器装置，在不与研究对象直接接触的情况下（如在飞机或卫星上），获得其特征信息并对这些信息进行提取、加工、表达和应用的一种技术。

地理信息系统（GIS）：地理信息系统是一种特定的十分重要的空间信息系统，它是在计算机软、硬件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。

全球定位导航系统（GPS）：全球定位导航系统由美国国防部研制和维护，由24颗卫星组成，可以为地球表面绝大部分地区（98％）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准，被广泛应用于军事和民用空间定位。

射频识别技术：即RFID技术，又称为电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无须识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。

传感器技术：传感器是指能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。作为信息获取的重要手段，传感器技术与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱，三者融为一体便产生了网络化智能传感技术，并已成为人们关注的热点。2．宽带网络

网络技术的发展使得人或物都可以通过网络进行连通。宽带化、移动化、泛在化、融合化、智能化是现代信息通信网络和技术发展的［26］重要趋势。网络技术主要包括：互联网技术、物联网技术、无线通信技术，以及三网融合技术等。

互联网技术：互联网是建立在TCP/IP协议之上的组成的国际计算机网络，是当前范围最广，数据最丰富，服务最多样的网络系统。

物联网技术：物联网是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

无线通信技术：无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，是近些年发展最快、应用最广的信息通信领域。

下一代通信网络：下一代通信网络（NGN）是以软交换为核心的，能够提供包括语音、数据、视频和多媒体业务的基于分组技术的综合开放的网络架构，代表了通信网络发展的方向。

三网融合：三网融合是指电信网、广播电视网、互联网在向宽带通信网、数字电视网、下一代互联网演进过程中，三大网络通过技术改造，其技术功能趋于一致，业务范围趋于相同，网络互联互通、资源共享，能为用户提供语音、数据和广播电视等多种服务。3．数据存储

随着信息化进程的深化，特别是遥感卫星技术的发展，各种信息和数据都在快速增长，信息存储系统数据规模呈TB级迅速增长，海量数据的安全存储（包括存储备份及恢复数据）和有效管理越来越重［27］要。城市数据是海量的，为了处理和分析这些海量数据，首先要对它们进行有效的存储。主要的数据存储技术包括：数据库技术、数据仓库技术、海量存储技术及云计算技术等。

数据库技术：数据库技术通过将数据按照特定的数据模型（常见的数据模型包括层次模型，网状模型和关系模型）进行定义和管理，能够对大量数据进行有效存储和操作的系统。关系型数据库使用关系模型，是当前最常见的数据库类型。

数据仓库技术：数据仓库（Data Warehouse）技术是近年来兴起的新型数据库应用，与传统数据库侧重对联机交易服务的支持不同，数据仓库更侧重于数据分析和决策支持。为此，数据仓库需要能够从不同数据源（联机交易系统、异构外部数据、脱机历史数据）集成数据，并对它们进行清洗、加工、综合，最后利用各种数据分析技术发掘数据当中的规律，为决策者提供帮助。

海量存储技术：常见的海量存储设备包括磁盘阵列和磁带库。磁6盘阵列容量大、速度快，单阵列的容量已经能够做到PB级别（10 GB），并能进行热插拔、校验及异地备份，具有极高的可靠性和故障恢复能力。磁带库的容量更是能够达到几百PB。同时，通过将磁盘阵列及磁带库连接存储网络（SAN），可以对存储空间进行进一步的［28］扩充和配置。

云计算技术：云计算（Cloud Computing）是一种通过Internet以服务的方式提供动态可伸缩的虚拟化的资源的计算模式。狭义云计算指IT基础设施的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需资源；广义云计算指服务的交付和使用模式，指通过网络以［29］按需、易扩展的方式获得所需服务。4．数据挖掘与知识发现

如果不进行分析、整理，海量数据的用途是有限的，而且容易造成信息过载。数据分析工具通过对数据的加工，发掘其中的知识和规律，可以增加应用系统的智能。传统的数据分析方法只能获得这些数据的表层信息，而不能获得数据属性的内在关系和隐含的信息，即不能获得重要的知识。这需要新的技术来智能地、自动地分析这些原始数据，以使消耗大量财力与物力所收集与整理的宝贵的资源——数［30］据得以利用。这就是数据挖掘与知识发现技术产生的背景。

数据挖掘：数据挖掘（Data Mining）就是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的实际应用数据中，提取隐含在其中的、人们事先不知道的、但又是潜在有用的信息和知识的过程。

知识发现：知识发现（Knowledge Discovery in Database）是数据挖掘的一种更广义的说法，即从各种媒体表示的信息中，根据不同的需求获得知识。知识发现的目的是向使用者屏蔽原始数据的繁琐细节，从原始数据中提炼出有意义的、简洁的知识，直接向使用者报告。5．人工智能

人工智能（Artificial Intelligence）是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。智能生成的共性核心机制是在给定条件下的“信息-知识-智能转换”［31］，即利用计算机通过推理技术来利用和处理知识的，推理利用［32］知识和逻辑来做出决策、得出结论和解决问题。人工智能企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。

机器学习：机器学习是研究计算机怎样模拟或实现人类的学习行为，以获取新的知识或技能，重新组织已有的知识结构使之不断改善自身的性能。它是人工智能的核心，是使计算机具有智能的根本途径，其应用遍及人工智能的各个领域。

模式识别：模式识别是指对表征事物或现象的各种形式的（数值的、文字的和逻辑关系的）信息进行处理和分析，以对事物或现象进行描述、辨认、分类和解释的过程，是信息科学和人工智能的重要组成部分。

专家系统：专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。6．可视化与虚拟现实

大多数信息系统需要通过人机界面将信息展示给用户，这就涉及信息展示技术，包括数据人机交互技术、可视化技术以及虚拟现实技术等。当前，三维城市模型是许多应用领域迫切需要的，已被广泛运用于城市规划、建筑设计、无线通信等领域，如城市规划中的建筑物景观模拟、地下管线的三维显示等问题。基于可视化技术和虚拟现实技术的三维城市模型，能够多角度观察、放大、漫游、旋转、任意选定路线的飞行或地面行驶效果的动态显示及可见点的判别，能够叠加［33］影像数据对三维模型进行纹理贴合以增加模型的逼真性。

人机交互技术：人机交互技术是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术。人机交互技术是计算机用户界面设计中的重要内容之一，它与认知学、人机工程学、心理学等学科领域有密切的联系。

数据可视化技术：数据可视化主要旨在借助于图形化手段，清晰有效地传达与沟通信息，通过直观地传达关键的方面与特征，从而实现对于复杂的数据集的深入洞察。

虚拟现实技术：虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

3.3 城市智慧化发展

世界城市化、全球经济一体化和服务型经济的趋势意味着城市在其发展上、经济上和政治上获得了更多的控制权。从经济意义上讲，城市正在形成一个全球经济一体化的、以服务为基础的社会中心；在政治上，城市的职能也在变化，它有着更大的影响，同时也有着更大的责任；从科技的角度说，先进的生产力正为城市运营和发展提供更好的指导能力和管控能力。

智慧城市是在已有数字城市建设丰富实践基础上，进一步推进物联网等先进信息技术应用与全新城市运营理念的融合，以更快、更好地实现城市政府从管理到服务、从治理到运营、从零碎分割的局部应用到协同一体的平台服务的三大跨越。其本质上是体现以人为本、引领城市转型，打造现代化城市的科学理念。一个智慧城市，能够充分运用信息和通信技术等手段，感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，对包括城市基础设施、资源和环境、城市管理、社会民生、公共安全、工商业活动等在内的各种需求做出智能的响应，从而创造一个更好的生活、工作、休息和娱乐环境。

智慧城市理念将引领城市智慧化发展，通向繁荣和可持续发展，如图3-2所示。它对城市未来发展影响是多方面的，主要体现在以下方面：通过智慧化管理，全面提高城市的综合管理效率和智能化运行水平；创造良好的商业环境，推动战略性新兴产业高端化发展；引发科技创新潮流，促进社会管理和服务模式创新；提供更美好的城市智慧生活。图3-2 城市智慧化发展

3.3.1 城市智能运行

城市运行是指与维持城市正常运作相关的各项事宜，主要包括对城市公共设施及其所承载服务的管理。现代城市作为区域政治、经济、文化、教育、科技和信息中心，是劳动力、资本、各类经济、生活基础设施高度聚集，人流、资金流、物资流、能量流和信息流高度交汇。现代城市的复杂性决定了城市运行的复杂性。从参与角色上，城市运行的参与主体包括政府、企业和社会；从运行层次上，城市运行包括市级、区级、街道、社区、网格等多个层次；从专业维度上，城市运行管理包括市政基础设施、公用事业、交通管理、废弃物管理、市容景观管理、生态环境管理等众多子系统，而每个子系统又包含许多子系统，整个系统呈现出多维度、多结构、多层次、多要素间关联关系高度繁杂的开放的复杂巨系统。城市运行的复杂巨系统特性使得传统的分解、叠加方法在城市运行与管理中失效。

在智慧城市中，城市不再是若干功能的简单叠加，而是一个综合了人、交通、能源、通信、商业等多方面的智慧系统，它能迅速捕捉海量的信息，并对这些信息做出高效处理。遍布城市各处的传感网和智能设备组成物联网，对智慧正常运行和健康运行所依赖的基础设施和各类资源进行实时监控，将数据整合为城市核心系统的运行全图，提供城市智慧运行的基础。例如，在城市道路交通方面，通过建设全路网智能监控体系，开展车辆智能终端、不停车收费系统（ETC）、停车电子计费系统、“电子绿标”等智能化应用，可以通过多种方式为出行者提供全面及时的出行服务信息，加强对营运车辆的智能化管理和联动调度；在资源和生态环境方面，智能城市的生命线管理体系借助于智能电表、智能水表、智能燃气表和供热计量器具，可以形成智能的电力、水资源和燃气等控制网络；智能的节能监测体系可以实现对城市工业、交通及大型公共建筑、公共机构等主要用能行业（领域）及场所、单位的能耗监测，智能的土地、环境和生态监管体系可以实现对城市土地利用、生态环境、重点污染源、地质资源和灾害、垃圾处理等领域的动态监测。

3.3.2 产业高端发展

智慧城市建设离不开物联网、云计算等技术的支撑，每种技术又是一个庞大的体系，这必将带动与此相关的各类高新技术和新兴产业的发展。

在智慧城市建设过程中，大量的传感器将被用于数据感知和提取，由此带动集成电路、生产性服务业等产业的发展；各个领域大量的数据产生后，将通过互联网、政务网或各种专网进行数据汇集与整合，由此带动光通信、移动通信产业链各个环节的发展，以及嵌入式和平台软件应用技术的发展，为数据整合提供服务，并间接影响装备制造等高端产业的生产控制环节；完成数据的汇集与整合后，将对各种数据进行深度互联，挖掘可用信息，提供统一服务，由此带动信息应用技术及装备制造的生产控制与整体优化环节产业链的发展；在深度互联各种应用数据和平台服务的基础上，各种智能应用平台及移动终端随之诞生，由此带动应用电子、新型显示产业以及各种服务的快速发展。

以物联网为例，其涉及的技术是一个大集成：感知层包括RFID、信息编码标准、数据采集、传感器中间件、中高速短距离信息传递等关键技术；网络层涉及有线网络、互联网、无线网络等在内的各种网络信息传输技术，信息安全技术是重中之重；应用层涉及的技术非常广泛，与不同行业的应用结合需要不同的技术，数量非常庞大。通过智慧城市建设，能够带动包括物联网设备与终端制造业、基础设施服务业、网络服务业、软件开发与应用集成服务业，以及信息应用服务业等大规模产业链的形成，如表3-4所示。表3-4 物联网产业体系表

3.3.3 社会创新服务

完善的社会服务是现代社会的重要标志之一，提供公共服务是服务型政府的重要职责。现代政府强调为全社会提供公共产品和服务，包括维护性的公共服务和社会性的公共服务。维护性的公共服务主要包括维护市场经济秩序、保护财产权利和公民权利、保卫城市安全和社会安全；社会性的公共服务主要是指完善的社会福利体系和健全的社会保障制度，包括教育、医疗、卫生、环境保护、公共事业和社会保障等。

智慧城市建设作为未来城市社会发展的方向，在社会公共服务供给创新中发挥着重要作用。随着现代信息技术在城市交通、医疗、教育、文化、社会保障和社会管理领域的应用，政府提供服务的方式得到创新。维护性公共服务方面，智慧城市通过建设覆盖城市的政治中心区、轨道交通、地面公交、在建工地、餐饮企业、地下空间、公园等重点公共场所的安全视频监控网络，建设覆盖城市的人、地、物、事和组织的社会服务管理网格，建设覆盖煤矿、非煤矿山、危险化学品、烟花爆竹等重点行业（领域）生产经营单位的安全生产智能监管网络，建设贯穿全过程的食品、药品安全电子监管和追溯体系，为社会公共安全、公共卫生安全、食品安全、生产安全、消防安全、防汛抗旱、抢险救险等领域提供技术体系。社会性公共服务方面，智慧城市围绕市民需求整合公共服务，通过建设公共集成服务体系，可以多渠道（政府网站群、政务服务中心、政府服务热线等）、多层级联动（市、区县、街道、社区、行政村）集成覆盖居民生命周期的教育、医疗、卫生、劳动就业、社会保险、社会福利等各种服务。

3.3.4 居民智慧生活

生活方式是一个内容相当广泛的概念，它包括人们的衣、食、住、行、劳动工作、休息娱乐、社会交往、待人接物等物质生活和精神生活的价值观、道德观、审美观，以及与这些方式相关的方面。可以理解为，在一定的历史时期与社会条件下，各个民族、阶级和社会群体的生活模式。自人类诞生之初到现在，生产生活发生了翻天覆地的变化，而生产生活方式的每一次根本性变化，几乎都是伴随着科技的重大发现和发明而产生的。特别是历史进入21世纪，依托互联网、物联网、3G/4G、新型显示和一系列信息与通信技术应用，人类获取、传递、处理、利用和反馈信息的方式发生了深刻变革，数字化、智慧化的生活方式带给了人们更好的生活体验和工作便利。

在智慧城市的蓝图中，智能化的信息系统将覆盖医疗、食品、交通、社区生活等民生领域，深刻地影响人们的生活、娱乐、工作、社交等几乎一切行为方式。例如，智慧政务、智慧医疗、智慧交通、智慧教育、智慧社区、智能家居、“市民卡”等应用为城乡居民提供均等化、跨部门、无障碍共享的教育、医疗、就业、社保、优抚安置等基本公共服务；移动办公、在线教育和学习、数字消费、电子商务、便携式移动终端等应用，使居民省心省时，甚至足不出户，就可以直接感受最便捷智能的生活方式；公园、风景名胜区，以及图书馆、博物馆、美术馆、档案馆等文化资源的数字化，为居民带来丰富的旅游文化体验。在不久的将来，人们将拥有电子健康档案，使得居民身心健康得到及时有效护理，吃到监管系统下生产和安全可追溯的食品，获得实时的交通运营信息使得出行更为顺畅，享受智能家居带来的安全、智能、舒心惬意的家庭环境。智慧城市建设改变了人与物之间、物与物之间的联系方式，通过一系列智慧工程，将营造出更加美好的城市生活。

3.4 本章小结

信息社会是我们这个时代一个格外引人注目的关键词。从严格的理论和实践意义讲，这反映了人们对信息与通信技术变革及其与经济社会发展之间密切关系的思考、关切和期待。历史经验表明，每一场科技革命都将推动生产力发展和社会各个领域的变革。谁率先赢得了技术革命谁便占领世界经济发展的制高点，获得新一轮经济发展的话语权。智慧城市借助新一代的物联网、云计算、决策分析优化等信息技术，将人、商业、运输、通信、水和能源等城市运行的各个核心系统整合起来，使城市以一种更智慧的方式运行，进而创造更美好的城市生活。作为新一代信息技术变革的产物，智慧城市为我们描述了现代化新型城市的发展远景和蓝图。

第2篇 理论框架篇

第4章 智慧城市模型构建

与传统的城市物质或实体空间相对应，信息时代的到来赋予了城市空间的虚拟含义，形成了城市系统的信息空间。本章以系统科学视角，研究城市系统的信息空间及其遵循数据-信息-知识-智慧的转化逻辑的演讲规律。基于信息空间理论，提出智慧城市的感知、互联和智能“3I”空间，从对象、职能和信息三个维度构建其概念模型，并给出智慧城市系统的全景图。

4.1 城市信息化理论基础

4.1.1 城市系统观

系统广泛存在于自然、社会、人体和思维之中。系统科学是以系统为研究对象的基础理论和应用开发的学科组成的学科群，它着重考察各类系统的关系和属性，揭示其活动规律，探讨有关系统的各种理论和方法。系统科学理论特别是自组织理论、非线性系统理论和复杂［34］系统理论在未来将得到充分的发展。以系统的观点研究现实世界以形成系统的认识论、方法论和科学思维，这就是系统科学的任务［35］。

每一个城市都是复杂的集合体，研究城市要用系统科学的观点和方法。本文基于系统科学视角，认为城市是由相互作用的城市诸要素（组织/人、业务/政务、交通、通信、水和能源等）和子系统所构成的有机体，其边界主要以地域空间为界，由人口、经济、科技、文化等众多子系统构成，各子系统协同作用，共同服务于城市政治、经济、文化等功能目标。1．城市系统的复杂性

城市是一个国家或地区经济、政治、文化和科技的中心，城市内部各种要素的相互联系、相互作用的复杂性，构成了一个具有复杂性的巨系统——城市系统（Urban System）。城市系统的复杂性主要体现在：子系统数量巨大、层次众多、关联复杂；系统生成、发展的演化过程复杂；系统内部存在自组织的演化机制；系统与外部环境之间［36］关联复杂，等等。

随着城市的发展，现代城市的结构、规模及其外部环境日益复杂，使得城市系统的复杂性越来越高。作为现代城市系统，不仅城市自身具有复杂系统的典型特征，而且，城市与城市之间，城市与环境之间也存在动态的制衡与协调。2．城市是一个开放系统

从运动的观点看，城市系统不外是物质流（包括能量流）和信息流两种基本流动过程的交互作用过程。人们通过信息流控制着社会的产业活动过程、社会活动过程、生活和环境生态过程，并力求获得满意的社会、经济和环境生态效益。系统动力学认为，社会系统中的各种运动过程，如住宅、就业、交通、能源、物资、人才、资金等，都存在着信息反馈，而一定的系统状态与其期望状态之差则是系统决策的缘由和动力。

由图4-1可知，将一个城市进行肢解，构成要素（Agent）有GDP、城区人口、建成区面积、绿化面积、文教卫生体育社会服务、运输邮电城市公用事业及外来资金、产品、劳务等。当然，在任何既定情境中，一种要素的本质就其本身而言是没有意义的，它的意义事实上由它和既定情境中其他因素之间的关系所决定。图4-1 开放的城市系统3．城市是自组织系统

自组织系统是在一定的外部条件下，系统有序状态的自我形成、［37］自我完善、自我复制和自我催化的过程。从直观上看，城市是一定地域中各种市场力量相互交织在一起的诸多要素大规模集中的结果，因而一般城市理论把聚集效应作为城市化的根本动力。聚集的本质是分工的深化和专业化水平的提高，而分工水平和专业化程度的提高可以由城市系统内生，因此，城市发展的动力源泉来自于城市系统［38］内生力量，也就是自组织的力量。作为耗散结构的城市或城市体系的合理发展和结构优化，在于不断输入负熵流，使系统呈现新的层次和结构，推动系统的发展。

4.1.2 城市信息工程

系统工程（Systems Engineering）在系统科学体系中属于工程技术类，它是以控制理论为基础、运筹学为手段、计算机为工具的一门新兴的交叉学科。系统工程应用非常广泛，如工业、交通、农业、社［39］会、经济、环保、人口、管理、军事指挥等领域。关于系统工程，钱学森教授认为：系统工程是组织管理系统的规划、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都有普遍意义的科学方法。美国著名学者切斯纳（H．Chestnut）指出：系统工程是按照目标进行权衡、全面求得最优解（或满意解）的方法，并使各组成部分能够最大限度地互相适应。日本工业标准（JIS）规定：系统工程是为了更好地达到系统目标，而对系统的构成要素、组织结构、信息流动和控制机制等进行分析与设计的技术。《大英百科全书》（1974年）中定义：系统工程是一门把已有的学科分支中的知识有效地组合起来，以解决综合性的工程问题的技术。《美国百科全书》（1975年）中定义：系统工程研究的是怎样选择工人和机器的最适宜的组合方式［40］以完成特定目标。

城市系统工程是系统工程在城市范围的体现，其实质就是结合城市思想与系统思想并在其指导下研究处理城市整体优化演化过程中有［41］关问题的方法论。严格地说，城市系统工程是基于系统科学和城市科学理论，以城市系统及其子系统为研究对象，综合应用系统工程的观点、方法和原理，通过数学模型和计算机技术实现对城市问题研究的定量化（半定量化）、模型化以及最优化（次最优化），为现［42］代城市规划、建设、管理和可持续发展提供决策依据。

城市系统工程所研究的内容和城市系统的层次结构如图4-2所示。图4-2 城市系统研究内容的层次结构

城市系统工程的实施也是一项信息技术和智能技术的系统组织过［43］程。从研究对象来看，包括城市生态环境、城市地理、城市经济、城市交通、城市建筑、城市人口等信息工程；从功能来看，包括城市规划、城市建设、城市管理等信息工程。按照钱学森关于解决复杂性系统问题的方法论，智慧城市建设应该在系统科学的理论框架下，作为一个系统工程进行设计与实施。

4.1.3 信息空间理论

作为信息时代的必然产物，信息科学与技术的广泛应用是推动城市经济和社会发展的巨大动力。高速发展的现代信息技术，不仅推动着经济增长新方式和社会发展新模式的出现，而且促进了空间新要素的生成，即信息空间（Information Space）。

不同的时期，空间有着不同的内涵。中世纪的空间指的是定位空间，特点在地方化（Localization）；从17世纪起，空间的特点是延伸（Extension）；现代社会，空间的特点是基地（Site）。在当代，基地又取代了延伸，这里所说的基地，相当于网络中的节点。互联网络的迅猛扩张，推动着信息技术的更新换代，信息技术不仅深刻地影响了社会系统和经济结构，同时也重构了物理和虚拟空间结构形式，这就是信息空间的萌芽和产生。

信息空间是描述信息环境的一个重要概念，自20世纪70年代以来，国内外学者开展了关于信息空间的广泛研究。美国建筑学家沃尔曼从建筑学角度研究有关城市环境的信息如何被收集、组织并以有意义的方式提供给人们，提出了信息架构的概念。曼纽尔·卡斯泰尔［44］［45］和马克斯·H·布瓦索等从社会学角度研究信息空间问题，就信息空间及其对社会结构的影响进行了研究，为我们考察社会系统内的知识和信息生产与交换提供了有效工具。信息学界对信息空间的关注是在20世纪90年代后，随着信息技术的高速发展和渗透应用，关［46］［47］于计算机网络信息空间-的研究及其与传统空间融合的研究成为重要议题。我国关于信息空间的定义和结构亦有不少研究成果。［48］毕家祥基于人工智能研究提出了信息的全息空间拓扑结构；杜［49］智华提出了信息以及信息空间的一种数学描述；黄宏斌等给出了基于本体的元数模型以及信息、信息空间的数学模型和信息聚焦的数学描述，并在此基础上提出了基于本体的语义相关及信息聚焦的形［50］式化描述。

信息空间概念的形成是一个不断演变的过程，从麦克卢汉所说的“地球村（Global Village）”到威廉·吉布森的“赛博空间［51］（Cyberspace）”，再到迈克尔·海姆的“虚拟现实（Virtual Reality）”空间，以及马克斯·H·布瓦索的“信息空间（Information ［52］［53］Space）”、钱学森的“智慧大世界”等。作为传统地理空间的延伸和异化，信息空间具有跨越空间和时间的特征，是当今和未来人文地理学、计算机与信息科学不可回避的研究对象。

4.2 现代城市系统及其信息空间

4.2.1 城市信息空间的提出

信息空间普遍存在于现代信息社会，而城市作为一定区域内的政［54］［55］治、经济、文化和科技中心，是一个开放的复杂巨系统-，是人类活动的空间聚集体，也是信息的巨大载体。从知识经济的观点出发，城市可以认为是物质、能量和信息这三种资源的有机整合，对应于城市空间理论就是地理空间实体、经济文化背景和信息空间资源这三个方面，就此形成了城市的地理、经济文化和信息空间。

传统意义上的城市空间，一般不涉及非物质空间，因为人们的活动都在物质的城市空间内完成。关于传统城市空间，规划界认为城市空间是一种理性空间，本身包括建筑物和开放区域；建筑界认为城市空间指由建筑物、构筑物、道路、广场、绿化、水体、城市标志物等共同界定、围合而成空间；地理界认为城市空间就是城市占有的地域。可以说，传统城市空间主要指以实体地理空间为载体，由其上的人口、产业等相互作用形成的包含有经济空间、文化空间的复合城市空间。

而在当今信息社会，随着现代信息技术的发展，以及硬件和软件成本的不断降低，城市信息化进程逐步加快，数字城市、知识城市和智慧城市等发展理念相继提出。可以说，信息时代的到来赋予了城市空间的虚拟含义，信息空间理论是城市信息化特别是智慧城市研究的理论基础。

从20世纪90年代开始，信息技术的飞速发展，以互联网为代表的现代信息网络渗透到了城市经济和社会生活的方方面面，正日益改变着人类传播知识、交流信息、共享资源和休闲娱乐的方式，创造着新的生产、流通、运营和交易模式，对城市发展产生了重大而深远的影响。正如麻省理工学院学者威廉·米切尔所述：计算机网络像街道系统一样成为都市生活的根本，大多数经济、社会、政治、文化活动［56］转移到了电脑化空间。在21世纪我们将不仅居住在由钢筋混凝土构造的“现实”城市中，同时也栖身于由数字通信网络组件的“软城市”里。

就现代城市系统而言，海量信息要素和信息流的存在，构筑了信息社会下的城市虚拟空间。本书认为，城市系统的信息空间是信息社会化的产物，它是以城市地域空间为基础，以城市信息要素为载体，借由信息流实现城市信息纵向贯通、横向互联的虚拟空间。

4.2.2 信息空间数学表述

信息空间具备三点基本要素——信息、信息节点和节点之间的连路，如图4-3所示。图4-3 三维信息空间

因此定义三维向量为信息空间，其中，表示信息空间上的信息集；表示信息空间上的节点集；表示信息空间上节点连路集。

就城市系统而言，其信息空间主要形成于城市信息资源、信息载体、信息流和通信网络及其相互作用的过程。1．城市信息资源

从信息本身来讲，信息资源就是指文献资源和数据资源等各种媒体和形式的信息的集合，包括文字、声像、印刷品、电子信息、数据库等。借用人体工程学的概念，信息资源就好比一个城市的血液，城市信息资源根植于城市系统的构成要素。归纳来说，城市信息要素主要包括（但不限于）：人口、土地资源、劳动力与就业、从业人员、综合经济、农业生产及人均农产品产量、工业总产值、经济、商业、财政金融、交通运输、邮电、固定资产投资、供水/供电/供气、城市道路与交通、卫生、教育和文化等信息。

城市信息资源所采用的载体多种多样，其中最典型的是数据库。我国自2002年提出人口、法人单位、自然资源和空间地理、宏观经济四大基础数据库建设，目前，四大基础数据库作为城市的战略性资源，已成为城市信息化的重点。2．信息流与城市网络

城市信息空间采用网络作为其组织形式，网络好比城市的神经系统。因此，网络中的节点成为城市信息空间的基本组成元素。而作为一个完整的系统，城市信息空间的各组成要素之间必然存在着复杂联系，节点之间的这种联系必然通过线路或路径的方式表现出来，线路也是构成城市信息空间的要素。遵循“点-轴系统”的思想，于是整个城市信息空间的构造按照“点连成线，以线带面”的方法展开，节点与线路有机结合就构成了完整的城市信息空间。

在现代城市的发展当中，随着城市规模的不断扩大，城市本身对各种交互信息的传输质量和数量都有了很高的要求，同时，因为传输媒介自身成本问题的因素，以及地理空间拓展的局限性，客观要求信息空间线路的构成实现集约化、单一化、通用化，达到在提高速率、缩减成本的基础上保证不同种类信息（异质信息）在不同传输媒介上的高效传输。

4.2.3 城市信息空间架构

根据马克斯·H·布瓦索提出的信息空间（I-space）模型，信息空间由编码、抽象和扩散3个维度构成。编码和抽象的二维空间反映了数据处理和存储的方式，称为认识论空间，简称E空间；抽象和扩散的二维空间反映了知识的抽象程度与其效用之间的关系，称为效用空间，简称U空间；编码和扩散的二维空间反映了不同类型的信息和知识构成，以及在一个特定群体中分享的方式，称为文化空间，简称C空间。

对城市系统而言，E空间主要形成于城市信息采集提取的过程，U空间主要形成于城市信息系统的应用过程，C空间主要形成于信息交互共享的过程，三者共同构成了城市系统的信息空间架构。

信息技术是促进城市信息空间形成的一个先导因素，下一代通信网络、物联网、云计算等新一代信息技术正推动着城市信息空间结构［57］和层次的提升。从发展趋势看，智慧城市代表了高级阶段的信息空间。在智慧城市的信息空间中，其数据采集、信息交互、系统应用表现为透彻感知（Instrumented）、深度互联（Interconnected）、智能应用（Intelligent）的特点，如图4-4所示。图4-4 信息空间模型

因而，可以认为智慧城市的信息空间由感知空间、互联空间和智能空间构成，称为智慧城市的“3I”空间，如图4-5所示。图4-5 城市信息空间示意图1．感知空间

透彻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、系统或流程，快速获取任何所需信息并进行分析。智慧城市的感知空间需要对城市的各个领域进行全方位深度的感知并提取相关信息，其范围涉及城市的各个方面，如组织/人、环境、交通、商业、政务、通信、水和能源等，并将根据城市的发展不断拓展感知的范围。2．互联空间

互联互通是指通过各种形式的高速、高带宽的通信网络工具，将个人电子设备、组织和政府信息系统中收集和存储的分散信息及数据连接起来，进行交互和多方共享。在一个城市中，可同时存在成百上千个控制系统，每个系统执行各自的专门任务。例如，大部分红绿灯十字路口是以可编程的逻辑控制器（PLC）系统为基础的独立控制系统。因而，智慧城市的连通空间是充分共享的，需要聚集所有的单独系统，从而更好地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得以远程完成，以改变整个城市的运作方式。3．智能空间

智能应用是指深入分析收集到的数据，以获取更加新颖、系统且全面的信息来解决特定问题。智能应用需要深入到城市活动的方方面面，这些应用包括智能的公共服务、综合管理、交通、物流、城市运行指挥中心、低碳环保、制造、电网、商业、创业、食品安全、医疗、公共安全、水利、建筑、文化教育等。智慧城市的智能空间将这些系统协调在一起，全面服务于城市管理、服务以及产业和经济的发展。

4.3 城市信息化演进分析

4.3.1 城市信息空间演进规律

根据马克斯·H·布瓦索提出的信息空间（I-space）模型，信息空间由编码（Codification）、抽象（Abstraction）和扩散（Diffusion）三个维度以及由此形成的认识论空间（E-space），效用空间（U-space）、文化空间（C-space）构成。并且，新知识的创造和扩散实际上激活了I-空间的所有三个纬度，而且是以某种特定的顺序来实现的，这样一种顺序的流动或行动序列称为社会学习周期，包括六个阶段：①审视、②解决问题、③抽象、④扩散、⑤吸收、⑥影响，如图4-6所示。图4-6 信息空间演化

从信息运行全过程看，社会学习周期遵循数据-信息-知识-智慧的转化逻辑。就城市信息空间而言，这主要表现为城市通过由审视、解决问题、抽象、扩散、吸收和影响组成的学习循环，将数据提升为信息、继而为知识、再为智慧的过程。因而，城市信息空间是一个动态演进的过程。

通常来说，随着城市化进程的不断深化以及信息技术的高度发展，城市信息空间的规模不断扩展，层次不断提升。现代信息技术改变了城市信息空间中信息要素的结构，或者说影响了城市信息的采集、处理、传输、应用等运行方式，从而使数据采集、信息提取、知识积累及其向智慧的跃升更为普遍。

根据信息空间理论，编码和抽象的二维空间E空间反映了数据处理和储存的方式，主要形成于城市信息采集过程；抽象和扩散的二维空间U空间反映了知识的抽象程度与其效用之间的关系，主要形成于城市信息系统的应用过程；编码和扩散的二维空间C空间反映了不同类型的信息和知识构成以及在一个特定群体中分享的方式，主要形成于信息交互共享的过程。

从实践来看，城市信息化经历了数字化、信息化、智能化等阶段，正在向智慧化方向演进，这也是城市E空间、U空间、C空间结构和层次提升的结果。智慧城市代表了高级阶段的信息空间，在数据采集方式、交互共享程度和信息系统应用深度等方面具有三个特点，即透彻感知（Instrumented）、深度互联（Interconnected）、智能应用（Intelligent）。1．数据采集

基于传感器的系统将可见性扩展到实际运输、公用事业、水资源和城市建筑中，提供以前无法利用（不可用或数据收集成本过高）的新的实时数据源。例如，更透彻地感知人们的健康信息，更透彻地感知城市交通的客流、车流、物流等动态信息，更透彻地感知突发事件信息，这些都是开展进一步管理和服务工作的基础。2．交互共享

通过信息集成等技术，将来自单独域控制系统和其他数据源的数据连接在一起，并将这些数据转化为与事件相关的信息。在系统内部，以及系统与系统之间实现信息共享，各系统可以及时、可靠、全面地获取所需要的各项信息，降低各部门和个人获取信息的成本。3．系统应用

数学算法和统计工具针对系统集成进一步拓展，利用可用数据提供对城市事件的更深入洞察，可执行结果预测、场景建模和模拟，帮助风险管理，并使得决策过程更加充分。通过智能应用，城市生活密切相关的社会保障、医药卫生、交通运输、商业、政府管理与服务等行业的各业务环节更智能、高效，相关行业之间实现业务协同，城市整体运行水平得以提升。

概括来说，城市信息空间是一个遵循数据-信息-知识-智慧的转化逻辑的动态演进过程，以透彻感知、深度互联、智能应用为特点的智慧城市代表了高级阶段的城市信息空间。

4.3.2 从数字城市到智慧城市

数字城市和智慧城市是两个具有阶段意义的城市信息化形态。随着新一代信息技术的发展，以透彻感知、深度互联、智能应用为特点的智慧城市成为城市信息化的发展趋势和新的愿景，数字城市开始向智慧城市迈进。

数字城市源于前美国副总统戈尔于1998年提出的数字地球理念。不同学者对数字城市的概念有不同的理解和阐释，例如，数字城市是一个集信息化、数字化和网络化等为一体的巨型系统工程，是数［58］字地球建设的一个重要区域层次；数字城市是物质城市在数字［59］网络空间的再现和反映；数字城市主要的表现形式在城市政府［60］的门户网站和城市空间信息工程两个层面。

智慧城市源于智慧地球理念，它是物联网、云计算等新一代信息技术与城市现代化相融合的产物。关于智慧城市，哈佛大学商学院在“智慧城市宣言”中倡导以智慧城市、智能社区作为节点来服务于城［61］市居民的生活；维也纳理工大学区域科学中心从智慧经济、智慧人群、智慧治理、智慧流动、智慧环境、智慧居住六大坐标维度来［62］界定智慧城市；英国奥雅纳工程顾问公司认为智慧城市是有效的、互动的、有魅力、自适应和灵活的，居民不仅能够了解他们与社区乃至更广泛的城市生态系统之间的关系，而且能够积极参与城市活［63］动；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［64］出智能的响应，为人类创造更美好的城市生活；中国科学院、中国工程院院士李德仁认为智慧城市是城市全面数字化基础之上建立的可视化和可量测的智能化城市管理和运营，即数字城市＋物联网＝智慧城市。

归纳来说，城市数字化、智慧化是城市信息化发展的不同层次：数字化是把城市的所有对象（物质的、非物质的）用计算机编码表示，目的是认识城市、描述城市；智慧化是指在数字化、智能化的基础之上，对系统的各个部分赋予感知、互联、综合、分析、优化，实现城市的可感知、可调节、可调控，是城市信息化的最高层次。

根据数字城市、智慧城市的内涵和特征，以下从数据采集方式、互联程度、信息处理、系统架构、应用效果等方面对二者进行比较研究，详见表4-1。表4-1 数字城市与智慧城市比较1．对象感知

数字城市是利用数字编码技术实现城市的数字化描述，基本组成是标识物体的数字编码，智慧城市是在数字编码的基础之上，给对象赋以知识描述；数字城市的数字标识是被动的，而智慧城市的物理对象是主动的；数字城市的物理对象信息囿于某一个领域，是孤立的，智慧城市的物理对象被赋予关联，是泛在的；数字城市物理对象的编码是基于领域、地区的，智慧城市要求编码是世界性的、跨领域的。2．泛在化深度互联

数字城市的信息是孤立的、基于领域的，以条块（专业网、政务网、互联网等）进行分割，智慧城市的信息是泛在互联的；智慧城市中的对象在感知层要求能自动组网，通过物联网进行数据的汇聚、转换，而在数字城市中没有组网功能，无物联网层，其互联是基于部门的，智慧城市要求对象属性、处理过程，并可根据领域进行泛在化的深度互联。3．信息存储与处理

数字城市中的信息存储位置以信息源头产生单位为主，以关系型数据库为主，数据使用固定在单位的应用系统中；智慧城市的信息存储在云计算中心，可根据需求建立跨单位的语义关联，智慧城市数据的应用可根据智慧处理的需要就进行扩充、重组；数字城市的信息处理以满足现有业务处理过程、以单位内部需要为主，并以通知性信息、二维度表示为主；而在智慧城市中增加了智慧化处理功能，可满足普适性的（任何时间、任何地点、任何人）需要。4．信息系统架构

数字城市中的系统一般为基础设施层、数据层、应用支撑层、应用逻辑层、展示层；在智慧城市中，信息系统增加了感知层，信息在这一层进行反馈、转换，并通过汇集到达基础设施层；在智慧城市中的使用是统一分配、动态组合的，而不是由人工事先定义的；在数据层增加语义知识库，数据按用户需求定义多种视图，实现数据即服务；应用支撑层可实现对象的深度互联，并能根据要求定义多视图、多用户群的支撑平台；应用逻辑层，增加了智慧处理逻辑，利用软件即服务技术，实现多单位、多用户群的应用功能。5．用户终端与使用方式

数字城市再现物质城市，具有全面模拟和仿真物质城市的功能，具有网络化、虚拟化等特点。智慧城市改变了以桌面终端、以检索、查询为主的方式。终端是智慧化的，可按照用户的工作性质、年龄、喜好选择多种多样方式。智慧化使用是普适的，用户方式和环境千差万别，既可以是病人身上随身配置的多功能检测器，也可能是车载GPS终端，也可能是桌面计算机，或PDA，或家庭IPTV显示终端等。

总的来说，智慧城市在数据采集方式、互联程度、信息处理、系统架构、应用效果等方面有别于数字城市。根据Deakin和［65］S.Allwinkle（2007）数码共融复兴计划的四个阶段：①网站信息发布（1990s）、②在线信息服务（2000s）、③智能城市（2004/5）、④智慧城市（2005＋），智慧城市是更高层次的发展阶段，代表了城市信息化的趋势和新的愿景。

4.4 基于IS理论的智慧城市模型构建

4.4.1 智慧城市概念模型

智慧城市是一个开放的复杂巨系统，主体众多、业务多样、系统结构复杂，由多种系统所构成的有机体，是系统之系统（Systems of Systems）。因而，智慧城市需要一系列的技术和业务创新，向政府、企业和公众提供基于网络的交互信息和智能化的服务［67］。

根据智慧城市的要素和特征，从对象、业务和信息三个维度构建其概念模型，如图4-7所示。图4-7 智慧城市概念模型1．主体/对象维度

政府、企业、市民作为城市的主体，同时也是智慧城市的服务对象，满足其目标、期望、意图是建设智慧城市的目的。

政府：政府是一个城市的“大脑”，承担着维护城市安全、稳定和推动城市各项事业发展的职责，是推进智慧城市建设的主体。智慧城市的发展关键在于高效政府服务体系，即智慧政务的建设，这是解决城市病的有效手段，更是政府服务高效运行的基础。我国城市政府的典型部门包括：发展改革、教育、科技、经济信息化、公安、监察、民政、司法、财政、人力社保、国土、环保、规划、住房城乡建设、市政市容、交通、农业、水务、商务、旅游、文化局、卫生、人口计生、审计、国资、地税、工商、质监、安全监管、广电、新闻出版、文物、体育、统计、园林绿化、金融、知识产权、民防、法制、信访等部门。

企业：企业是城市发展动力的提供者，是现代城市发挥经济功能的最基本元素。在智慧城市中，企业特别是IT企业提供必要的建设和运营资金，支撑智慧产业和经济的发展。智慧应用给企业带来了机遇，使新产品、新服务乃至新产业的出现成为可能。通过对相关产业的带动和创新作用，智慧城市成为了经济增长的倍增器。

市民：智慧城市服务于社会公众群体，为常住市民、从业者、旅游者和商务来访者等提供智慧的生产生活方式。智慧城市建设应着重在与市民生活息息相关、社会关注度高的领域，实现率先突破，切实改进公众生活方式，提高民众幸福指数。2．业务/功能维度

城市业务职能是指城市在一定地域内的经济、社会发展中所发挥的作用和承担的分工，基本内容包括财务管理、社会保障、医疗卫生、教育科技、经济发展、自然资源、公共安全等。业务域是智慧城市建设的核心内容，由关系到城市主要功能的不同类型的网络、基础设施和环境等组成，包括：组织（人）、业务/政务、交通、通信、水和能源。

组织（人）：城市中组织（人）的系统涉及人和社会网络，这些包括公共安全、医疗、教育和生活质量。

业务/政务：城市的业务/政务系统代表着业务所面临的政策和管制环境，如城市的商业系统遵循着一定的行政规章和政治环境因素，包括商业计划的调节、对外开放和投资、劳工立法和产品市场的立法。

交通：城市通过交通系统提供给组织和业务/政务相互移动的能力，城市的交通运输系统包括城市路网的各个方面，如公共交通网络、海运和空运。

通信：城市通过通信系统来共享信息和沟通，城市的通信系统包括电子通信的基础架构，比如电话、宽带和无线网络。

水：城市的水系统非常重要，包括整个的水循环、水供应和水清洁。

能源：城市的能源系统正如其水系统一样重要，包括能源的产生、能源运输的体系以及能源废弃物的处理。

智慧城市以面向组织（人）服务为目的，通过各类智慧化应用系统进行城市运营、管理和服务，这些系统包括智慧公共服务、智慧社会服务、智慧教育、智慧医疗、智慧交通、智慧物流、智慧制造、智慧商业、智慧电网、智慧水利、智慧公共安全、智慧建筑、智慧环保等，涵盖核心任务和商业服务等领域，共同支撑城市更智慧地发挥其政治、经济、社会等功能。3．信息维度

信息贯穿于整个城市的业务过程。智慧城市可视为一个复杂的自感知、自调节的闭环系统，该系统包含感知、传输与互联、优化（或称智慧化处理）与反馈，以及复杂的信息流、控制流、知识流、价值流的协同优化，体现为透彻感知、互联互通、智能应用为特点。

透彻感知（Instrumented）：透彻感知好比人体的皮肤和五官。基于传感器的系统，将可见性扩展到城市各个角落，采集获取以前无法利用（不可用或数据收集成本过高）的新的实时数据源，包括水、空气、电、气、道路、桥梁、房屋、排污口、停车场、车辆、人体、工厂、医院、物流、产品、商品、视频、卫星、飞机等信息。

深度互联（Interconnected）：互联互通好比人体的神经中枢，是大脑信息传递和处理部门。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的信息及数据连接起来，进行跨领域、跨部门、跨时空的交互共享和业务协同。

智能应用（Intelligent）：智能应用好比人体的肢体，相当于人的社会分工。运用数据挖掘和分析工具、科学模型和功能强大的运算系统来处理复杂的数据分析、汇总和计算，以整合海量信息，并将特定的知识应用到特定行业、场景和解决方案中，如智慧的环境、交通、商业、政务、通信、水和能源等，更好地支持决策和行动，提升各行业的智能化程度。

4.4.2 智慧城市系统全景图

把智慧城市视为一个复杂的自感知、自调节的闭环系统，该系统包含感知、传输与互联、优化（或称为智慧化处理）与反馈，以及复杂的信息流、控制流、知识流、价值流的协同优化。从信息架构的角度讲，智慧城市包含有信息基础设施、信息资源、信息应用等部分。从空间上看，可分为硬件部分、软件部分及在前者基础上拓展的应用部分。这两种划分方法有其对应关系。城市的信息基础设施空间，也就是节点与线路对应于其硬件部分，而信息资源空间构成了其软件部分，信息应用空间建立在硬件和软件的基础之上。

智慧城市可以认为是以上三个空间的复合体，其全景图如图4-8所示。图4-8 智慧城市三维全景图

由图可见，智慧城市是一个由传感器、物联网、互联网、专业网组成覆盖全城的感知神经网络，感知末梢是各类传感器、信息阅读器、数据提取器，获取水、空气、电、气、道路、桥梁、房屋、排污口、停车场、车辆、人体、工厂、医院、物流、产品、商品、视频、卫星、飞机等的信息；通过物联网、骨干网（互联网、专业网）汇集到各部门、各系统，有些信息直接接入云计算中心进行深度关联和智能化处理，最后提供给各类终端，供城市居民、企业、政府等部门使用，实现民生领域（医疗保障、食品安全、文化教育、公共安全、建筑、水利等）、社会管理与服务领域（公共服务、交通、物流、城市综合管理、应急指挥等）、产业与经济发展领域（电网、商业、制造、创业、低碳环保等）的各种智能化的应用。

智慧城市要实现三大愿景和目标：更透彻的感知（Instrumented）、更深度的互联互通（Interconnected）、更广泛的智能应用（Intelligent）。1．更透彻的感知

城市的自然对象、人造设备、各类系统都可以植入感知器，通过感知器可以把对象的静态属性、动态属性反映出来。在智慧城市的感知空间中，基于传感器的系统将可见性扩展到实际运输、公用事业、水资源和城市建筑等领域中，提供以前无法利用（不可用或数据收集成本过高）的新的实时数据源，包括水、空气、电、气、道路、桥梁、房屋、排污口、停车场、车辆、人体、工厂、医院、物流、产品、商品、视频、卫星、飞机等信息。

对于智慧城市中需要感知的各个方面，应结合各种感知和提取设备及相关技术，收集相应的信息并进行存储与处理。在数据感知和提取过程中，各种设备根据应用需求构建不同类型的网络，采集不同范围的信息，可以是各种无线设备构成的无线网络采集，也可以是传感器、电子标签（RFID）等构成传感网络，还可以是个人计算机、掌上电脑（PDA）等。2．更深度的互联互通

在智慧城市的连通空间中，事件处理软件从原始传感器输入流中导出和业务相关的事件，集成中间件可将这些数据带入所需情景中，实现对运营系统的实际行为的洞察。通过互联化，可将来自单独域控制系统和其他数据源的数据连接起来，并结合其他存在于整个城市中的相关事件信息，将各种输入数据映射到关联事件中，形成丰富的数据源，用于改善决策。

互联互通是跨领域、跨时空的，涉及复杂的信息流、控制流、知识流等的优化与处理过程。因而，智慧城市要借助互联软件工具、互联模型和支撑各类智能应用的软件包，按照智慧性、广域性进行加工和关联。深度互联的关键在于：①事件处理和服务，包括事件和流处理、数据识别聚集和关联；②数据建模和集成，包括针对域的信息模型、可互操作的信息框架、与现有数据集成、联合数据管理；③流程整合，包括扩展现有系统并启用新的业务流程、监控业务流程等。3．更广泛的智能应用

在智慧城市的智能空间中，要求使用先进技术（如数据挖掘和分析工具、科学模型和功能强大的运算系统）处理复杂的数据分析、汇总和计算，以便整合和分析海量的跨地域、跨行业和职能部门的数据和信息，并将特定的知识应用到特定行业、特定的场景、特定的解决方案中，以更好地支持决策和行动。

智能应用主要体现在：①随需性，即按照用户的要求提供任何形式的服务；②普适性，即任何时间、任何地点的服务；③敏捷性，即提供操作上可视、便捷的服务；④综合性，即按照复杂的计算模型和数学模型，给决策人员智能的优化服务。根据这些特点，智能应用端包括：计算机终端、电话、移动手机、智能终端、交互式网络电视（IPTV）、移动视频、三维图形终端、自然界模型终端等。

智慧城市需要一系列的服务创新，向城市范围内的政府、企业和［68］居民提供基于网络的交互信息。智慧城市构建要立足于城市组织（人）、技术、经营管理三个要素，优化运行中物流、信息流、控制流、知识流、价值流，建设的一般内容是创造性地运用和发展现有的技术，建立为实现保民生、保稳定、保增长的城市运行目标所急需的复杂系统。在民生领域的应用系统包括医疗保障、食品安全、文化教育、公共安全、建筑、水利等；保障社会稳定的应用系统涵盖了公共服务、交通、物流、城市综合管理、应急指挥等领域；低碳环保、电网、商业、制造、创业等产业领域的应用系统则保证了经济的可持续增长。

4.5 本章小结

城市作为一定区域内的政治、经济、文化和科技中心，是一个开放的复杂巨系统，也是信息的巨大载体。信息时代的到来赋予了城市空间的虚拟含义。城市信息空间是一个遵循数据-信息-知识-智慧的转化逻辑的动态演进过程，以透彻感知、深度互联、智能应用为特点的智慧城市代表了高级阶段的城市信息空间。智慧城市是一个由传感器、物联网、互联网和专业网组成覆盖全城的感知神经网络，是感知空间、互联空间和智能空间的复合体。

第5章 智慧城市总体框架

作为一项庞大、繁杂、涉及面广、投入资源大、科技含量高和时间跨度长的系统工程，智慧城市的建设需要顶层设计，这是一个先进而必要的起始环节。本章以顶层设计方法论为指导，构建智慧城市“12345”框架体系，包括一个感知基础、两个技术平台、三大保障体系、四个应用领域、五个架构层次。

5.1 顶层设计方法论

5.1.1 顶层设计思想

顶层设计（Top-down Design）的概念源于系统工程，其主要思想内涵是利用系统的观点，按照科学的理论、方法和步骤，通过多视角地对系统进行整体全面分析、描述和设计，建立系统设计对象的总体架构，让对象内部的各子对象有着统一标准和架构参照，实现规划与实施一致、结构功能协调、标准规范统一、资源充分共享。顶层设计最初主要运用在自然科学和大型工程技术工程领域，在不同的领域也有不同的内涵和外延。

就信息化领域而言，顶层设计可以理解为自高端开始的总体构想，是一项工程“整体理念”的具体化。具体来说，顶层设计就是运用系统工程的原理和方法，审视系统建设中涉及的各个方面、各个层次和要素之间的关系，进行自顶向下的系统设计，确定战略目标，以及实现目标的途径，构想系统方案并确定系统的技术要求。

目前，国内外在进行信息化顶层设计时采用了很多方法，如美国政府信息化架构（Government Information Architecture，GIA）、联邦企业架构（Federal Enterprise Architecture，FEA）、信息资源规划（Information Resource Planning，IRP）、下一代运营支撑软件（Next Generation Operating Software System，NGOSS）等。

5.1.2 软件体系结构

软件体系结构（Software Architecture）亦称为软件架构，它是一系列相关的抽象模式，用于指导大型软件系统各个方面的设计［69］。根据IEEE Working Group on Architecture的解释，软件架构是“系统在其环境中的最高层概念”。从这个定义上考虑，架构不仅仅是结构，它还应包括符合系统完整性、经济约束条件、审美需求和样式；它不仅注重对内部因素的考虑，而且还在系统的用户环境和开发环境中对系统进行整体考虑，即同时注重对外部的考虑。

早在20世纪60年代，诸如E·W·戴克斯特拉就已经涉及软件架构这个概念了。1987年，John Zachman提出：“为了避免企业分崩离析，信息系统架构已经不再是一个可有可无的选择，而是企业的必需”。此后，Zachman的企业架构（EA）理论开始逐渐发展起来，现已成为许多大公司用来理解、表述企业信息基础设施的一个直观模型，为企业现在的及未来的信息基础设施建设提供了蓝图和架构。自20世纪90年代以来，部分由于在Rational Software Corporation和Microsoft内部的相关活动，软件架构这个概念开始越来越流行起来。卡内基·梅隆大学和加州大学埃尔文分校在这个领域做了很多研究。卡内基·梅隆大学的Mary Shaw和David Garlan于1996年写了一本叫做“Software Architecture perspective on an emerging Discipline”的书，提出了软件架构中的很多概念，如软件组件、连接器、风格等。加州大学埃尔文分校的软件研究院所做的工作则主要集中于架构风格、架构描述语言以及动态架构。

软件架构相关理论和标准模型主要有：“4＋1”视图模型、开放分布式系统参考模型（Reference Modal of Open Distributed Processing，RM-ODP）、统一过程模型（Unified Process，UP）、模型驱动的体系结构（Model Driven Architecture，MDA）、企业信息系统结构架构（Zachman Framework for Enterprise Architecture and Information Systems Architecture）。

5.1.3 智慧城市顶层设计

智慧城市是一个城市级的众多业务应用平台和综合信息集成的超大规模的信息化体系，因此，必须按照从顶层自上而下的顶层设计思路进行规划设计，以实现城市级各业务应用平台和系统的集成、城市综合管理和公共服务信息的交互、城市级综合数据的共享，以及应用［70］功能的协同等。顶层设计是智慧城市建设必要的首要环节。

所谓智慧城市顶层设计，其含义就是把整个城市看成一个整体，在各个局部系统设计和实施之前就进行总体架构分析和设计，从而让各个分系统有着统一的标准和架构参照。通过顶层设计架构，各分系统能够与其他系统进行信息共享或互操作，从而有效解决跨部门、跨系统的合作。

由于城市信息系统是现实城市在虚拟世界的某种映像，城市的发展不可预测，必将导致城市信息系统在设计和实现上的复杂性。因而，要完成智慧城市这一复杂的大工程，必须以软件架构作为后续工作的基石，对其软件结构进行设计和构造，从全局视觉出发，对项目的各个层次、要素进行统筹考虑，确定系统的整体结构、层次划分，以及不同部分之间的协作，要实现理念一致、功能协调、结构统一、资源共享、部件标准化。

智慧城市顶层设计的主要思路如下。（1）从全局的视角出发，围绕智慧城市核心目标，对智慧城市建设进行总体、全面的设计，确保理论一致、标准统一、功能协调、结构稳定、资源共享。（2）顶层设计要体现出理念、技术、模式的先进性，认识上要有新高度，在国际达到先进水平，国内领先水平。（3）以系统论方法为指导，顶层设计的相关成果能够对智慧城市建设具备切实可行的指导作用。

5.2 智慧城市架构体系

遵循信息化顶层设计方法，根据智慧城市发展目标、业务全景和建设内容，智慧城市总体架构按照层次原理（功能调用关系、信息之间的利用关系、设备的属性）进行设计，包括一个感知基础、两个技术平台、三大保障体系、四个应用领域、五个架构层次。

智慧城市总体架构如图5-1所示。图5-1 智慧城市总体框架图

其中包含● 一个感知基础：可感知的基础设施；● 两个技术平台：三网融合的网络平台、基于云计算的数据平台；● 三大保障体系：标准体系、安全体系、管理运维体系；● 四个应用领域：城市智慧运行、政府智慧治理、企业智慧运营、

市民智慧生活；● 五个架构层次：感知层、网络层、数据层、平台层、应用层。

5.3 智慧城市分层设计

5.3.1 感知层

感知是智慧城市的基础，是城市信息采集的关键部分。从仿生学观点来看，感知层相当于人体的皮肤和五官。通过感知层建设，可以［71］实现对城市要素、物体的透彻感知和数据采集，并对信息进行可靠、实时、安全的传输。1．感知对象与范围

智慧城市的感知层需要对城市的各个领域进行全方位透彻的感知，实时地获取城市的底层和具体信息，从而为相应的智慧城市应用系统提供有效、精准的信息分析与决策基础。

感知层的感知范围是城市中的不同区域的多种感知对象，包括城市居民的个体及各种相关群体，以及各种有形及无形的城市组成部件，涉及城市的组织/人、环境、交通、商业、政务、通信、水和能源等，并将根据城市的发展不断拓展感知的范围。

典型的城市组成部件有：● 基础市政设施：如道路、桥梁、轨道、水网、电网、管线、堤坝

等。● 基础城市实体：如厂房、住宅、学校、街区、广场、公园等。● 基础服务体系：如交通、物流、警务、城管、供电、医疗、教育。● 城市资源与环境：如地表、地质、河流、湖泊、森林、山丘、空

域、天气等。2．感知体系结构

对于智慧城市中需要感知的各个方面，结合各种感知和提取设备及相关技术，收集相应的信息，通过专用的网关并提交到网络层。在感知和提取过程中，各种设备根据应用需求，构建不同类型的网络采集不同范围的信息，可以是各种无线设备构成的无线网络采集，也可以是传感器、RFID等构成传感网络，还可以是PC、PDA等，如图5-2所示。图5-2 智慧城市数据感知体系

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

下载完整电子书