智慧城市主要支撑技术有哪些？

文章转载自：灯杆智慧说

在新型城镇化建设深入推进、“数字中国”战略持续实施、“双碳”目标加快落实、数字技术与实体经济深度融合、数字化转型全面提速的背景下，智慧城市建设迎来新机遇。智慧城市的建设，不是一朝一夕就能实现，这背后离不开相关企业、科研单位和政府部门的努力，当然同样需要众多新兴技术的加持，主要有以下几个方面。

空间信息技术

空间信息技术为智慧城市的城市信息数据化提供了有效途径和有力保障。通过空间信息技术(3S技术)与计算机技术可以数字化城市信息,从而实现对城市的管理、规划和建设。如使用遥感(RS)手段采集地表观测数据,借助全球导航卫星系统(GNSS)技术采集城市人或物的轨迹数据等,最后利用地理信息系统(GIS)的方法对采集城市空间数据进行整合和分析。总之,3S技术为数字城市建设过程中信息的挖掘与分析提供了重要技术支撑。

GIS技术,是在计算机硬/软件系统支持下,对整个或部分地球表层(包括大气层)中的地理数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。GIS技术已被应用于城市活动中的各个方面,涉及城市交通、自然资源考察、环境评估、自然灾害预报、国土管控与规划、军事公共安全、水力发电、公共服务设备管理等。它为数字城市庞大数据的存储、管理和运维提供有效的载体。

RS技术,从广义上常被界定为不直接与目标物体接触,而是从较远距离获取目标对象的信息并完成识别的数据采集手段。近年来,遥感逐步向“空天地一体化”方向发展,全方位地从多途径获取空间信息,该领域的研究应用也由最初单一且简单的遥感资源向多种时间分辨率和多种数据来源类型进行转化、整合及分析,由研究静态事物向动态观测地表信息转变。RS技术也因为具备多传感器、多时相和高分辨率等优势,在大面积获取城市空间数据等方面发挥着不可比拟的作用,为“数字城市”的建设提供了快速、及时、准确“获取和更新空间数据”的功能,为其发展与建设带来了源源不断的“鲜活”数据。

GNSS技术,是能在地球表面或近地空间的任何位置为用户提供全天候的三维空间位置、时间信息及速度的空基无线电导航定位系统。GNSS主要是由全球各个卫星导航系统组成,比如国之重器——北斗卫星导航系统(BDS)、全球定位系统(GPS)、格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)和伽利略卫星导航系统(Galileo)。GNSS技术能够提供全方位的目标定位和位置服务,是数字城市定位服务的重要技术支撑。

数据库技术

数据库技术,是用计算机协助进行数据管理的一种方法,其关键在于研究组织与保存数据的形式,以及高效获取与操作处理数据的方式。经历了三大发展时期:人工管理时期、文件系统时期、数据库系统时期。它深入研究并解答了计算机中数据合理分布和存放的难题,减少数据的重复存储,能够共享数据,提高数据利用效率,供用户快速检索数据。

城市基础数据库的存储容量、检索速度、数据可靠性与可更新性、获取便利性以及操作自动化水平等,可以从根源上决定城市的信息化程度。因此,数据库在城市建设过程中的作用不容忽视。它能够提供整个城市各方面的信息,做到资源整合,帮助用户系统管理、快速检索所需数据,为各部门互联互通提供一个平台,加速数据与信息的快速流通与高效利用,是我国数字城市建设的重要战略基础。

虚拟现实技术

虚拟现实(virtual reality,VR)技术,是对三维图形环境与目标的再现,并将视、听、触等感知用图表和动画的方式表现出来的一种科学技术。其实现关键在于环境建模、三维制作、立体显示、系统开发等,能够为城市景观设计、城市环境信息全面展示及智能融合提供互联网远程观览等。

VR技术可以实现在计算机中构建城市建筑模型、自然环境、地物等,从而真实、生动地反映城市景观特色,使城市信息得到全面展示,在复现现实世界的同时,可以实现实时的人机互动,辅助城市规划设计,加快设计速度,为数字城市的建设提供虚拟模型,规避设计风险,为政府、企业及个人进行合理规划设计提供科学依据。

计算机网络技术

计算机网络技术,指通过网络协议把世界上散布在各个地理位置,且具备相互独立功能的计算机系统,利用通信装置和线路连接起来,共同构成数据链路,实现信息共享和传递的网络系统。在共享硬/软件及数据资源的基础上,可以对数据资源进行集中处理、管理与维护,由计算机和网络两部分组成。

计算机网络技术,为数字城市建设提供了一个既强大又安全的通信网络平台,整合通信资源,连接各类公共数据,实现信息共享,能够快速响应数字城市发生的各类事件,辅助政府高效决策。

物联网技术

物联网的深入普及,5G商业的成功落地,信息传输速率和容量的迅猛发展,使得智慧城市场景中的万物互联成为可能。1999年,“物联网”首次被提及,并定义为“把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来,实现智能化识别和管理”。物联网(internet of things,IoT)的重点技术包括:电子传感器技术、射频识别技术(radio frequency identification,RFID)、嵌入式技术、网络通信技术。智慧城市的建设借助互联网网络信息基础设施,通过构建统一的城市数据管理平台,把横向应用的交通运输、医疗、政务等大数据资源集成一起,多方面进行优化,形成了全新且完整的智慧城市生态系统,构造了崭新的城市形态。凭借物联网技术,能够全面感知与统计城市各类信息,彼此相互连接,用户可以通过网络进行交互通信与远距离控制,形成智慧城市的神经网络体系,使得城市具备了和人类一样能够快速响应、优化调控及智能感知的功能,加速城市环境下各层面的智慧化进程。

云计算技术

云计算技术,是支持异构设施协同工作的一种分布式计算技术。它利用互联网“云”把大量的数据计算分解成无数个小的运算过程,并利用多个服务器构成的系统管理和计算这些子过程,将结果反馈给用户。云计算技术具备了高度虚拟化、动态可扩展、按需配置、可操作性高、可靠性高、性价比高及扩展性强等特点。换言之,计算能力可以当作一种商品在互联网上流通,如同水、电、煤气一般获取便利且价格低廉。凭借云计算,可以在短时间内实现对成千上万的数据的处理,达到规模强大的网络服务水平。云计算按业务模式可分为三类：软件(应用)即服务(software as a service,SaaS)、平台即服务(platform as a service,PaaS)、基础设施服务(infrastructure as a service,IaaS)。IaaS、PaaS、SaaS服务可以实现数据的有效存储和计算。

城市海量数据的处理与分析,是在云计算的网络架构下的数据中心平台上实现的。而通过云计算环境,对城市规划建设过程进行了基础资源的集约规范化管控,有效提升了资源利用率,可优化资源调配,降低部门资源成本,促进城市信息化建设的蓬勃发展,并为政府部门决策、中小企业发展、社会公众服务等创造了良好的平台。

时空大数据技术

时空大数据是指基于统一的时空基准(空间参照系统与时间参照系统),存在于空间与时间中,并与位置直接定位或间接时空分布密切相关的大规模海量数据集。其重点建设内容是建立地上地下互通、室内室外联动及虚实融合的整体空间;可以汇集社会感知的同步数据、专题数据及城市规划数据,进行时空化操作与分析,搭建时空大数据平台,优化政策执行流程,并行处理多样化海量信息,辅助政府部门决策。

智慧城市建设中主要有以下时空大数据技术作为支撑:第 一,云计算+GIS技术,具备资源的可池化,站点的可调度性,使用的可监控性,服务的可度量性,用户的可租用性等特点。第二,大数据分析与云GIS的融合技术,能够实现数据的收集与保存、处理与分析、挖掘、数据可视化及融合等功能,完成从数据的现状描述到诊断的全过程知识性服务。第三,时空大数据可视化技术,通过优化调度云环境中的数据,进行大数据的统计和分析,实现多模态、全空间的时空大数据自适应可视化。作为一个复杂的空间综合体,城市的发展涉及国土规划、交通环保、水利电力等多种类时空大数据,只有利用大量的多类型、动态化时空地理大数据所构建的城市智能模型才能更加合理和更加科学。其关键在于多源数据的合理可视化,海量数据的实时同步性,数据的及时更新,以及挖掘数据背后隐藏的信息含义与展示。

实景三维技术

三维空间的建立是数字孪生城市建设的重要内容,实现城市信息的实时感知与城市模型的实景可视化亦是重中之重。如三维GIS的实景可视化功能,具备了源自逼真的空间模型与高效的人机交互体验的较强空间真实感,为城市三维实景的建设奠定了良好的技术基础。而城市实景三维技术为数字孪生城市构建了统一的数字底板与多维空间基底,为城市的数字重构提供了大量完整性好、现势性强、准确性高的时空数据。

随着三维GIS的延伸发展与深入应用,集成BIM+GIS的模式发展为热点技术。BIM可以看作是一个存储智能建筑信息的数据库,其中建筑的特征(语义和几何形状)、行为及其关系,可以通过面向对象的方式来表达。BIM具备可模拟、能优化、可协调及可视化等特点,应用渗透到水电、市政、交通等多个领域,协助管理城市建筑的信息,促进其可持续发展。BIM技术凭借其数据全开放可视化与共享的优势,推动信息化成为智慧城市建设过程中关键节点,为建筑的合理规划和智慧城市的深入应用提供了良好的条件。

CIM为数字孪生城市的建设与管理提供模型基础,它所表达的是城市全部要素的信息,需要迭代城市整个生命周期过程中所有要素的信息,驱动数字孪生城市的蓬勃发展。与BIM不同,CIM把目标对象的范围从单个建筑物的水平扩展到整个城市的标准,完成对城市中所有要素及其时空信息的数字化与智能化表达。但是CIM需要攻克的关键点在于如何搭建一个融合了设计、管理、计算与评估的平台,来整合城市信息数据。而BIM+GIS模式的出现,将有力推进城市数字化平台的构建,驱动数字孪生城市建设过程中CIM的快速发展。

人工智能技术

人工智能(artificial intelligence,AI)技术,即通过科技手段生产类脑思考、甚至超越人脑思维的机器,类比数字孪生城市中的AI为城市大脑,为城市提供学习与思考、分析与判断等功能。在科技发展和场景多样化的背景下,人类活动所产生的数据量急剧增大,其计算也愈加复杂,使得AI在数字孪生城市建设中的地位越发稳固。主要体现在:一是充分利用AI算法构建对象仿真、智能仿真、分布交互仿真、虚拟现实仿真等模型,模拟预测城市运行状态与趋势,测试处于不同环境中的城市运行情景,及时响应城市紧急突发事件,以提供城市规划、管理与决策科学参考依据;二是通过集成AI+深度学习(deep learning,DL)技术,深度挖掘和自主学习海量实时数据,完成自动决策,实现反向智能控制,推动城市智慧发展。目前,AI需要解决的难点在于如何在小样本或无样本的情况下,实现自主学习,搭建半物理仿真的模型机制,解决在未来实景中实现对突发事件的合理响应与决策这一难题。

为使AI在智慧城市建设与管理中的作用最大化,需与5G/6G物联网紧密结合,两者相互赋能,建立物联网网络,形成如同传递与感知信息的神经元,覆盖于城市表层,衍生出无限可能。人工智能为智慧城市向数字孪生城市转化赋能,为智慧城市建设奠定算法基石,逐步应用于各个领域,如汽车自动驾驶,智能医疗,计算机图像识别、语音识别等,是城市智慧化建设与管理的重要利器,亦是必不可缺的技术之一。