中国工程院院士郭仁忠:智慧城市该如何建

来源:《中国科学报》2020年10月22日

智慧城市建设中,来自计算机、通信、物联网、物流、交通、城市规划等各领域的专家学者都在踊跃参与。这是一个新的领域,存在不少问题,需要思考。

这场“狂欢”有几个特点。一是学术跨界。检索近几年智慧城市的相关论文发现,与计算机系统架构和网络通信有关的约占19%,与计算机理论相关的约占12%,与电子电器工程相关的约占33%,与地理信息测绘有关的约占19%。

二是热度长期持续。从2011年至今,智慧城市的研究热点只在新冠肺炎疫情严重时出现小低谷,此外都保持着较高的社会关注度。互联网数据中心(IDC)的一项分析认为,未来5年,中国在智慧城市方面的投入,每年将保持15%~16%的增长,远高于GDP增长率。

三是概念迭出。城市是一个“复杂巨系统”,横跨文理工,融合天地生,涉及产学研。各领域专家的思想和观点,必然会刻上其专业或工作背景印记。不同领域的专家有不同的视角和诉求,因此认识和理解的智慧城市也千差万别。目前,相关的概念有城市大脑、数字孪生、大数据平台、操作系统、中枢神经系统、城市信息模型(CIM)等。

尽管概念很多,但不同观点背后有着相同的逻辑,建设智慧城市,必须回答一个关键问题:智慧城市究竟该怎么建?

无限智慧工程重复“昨天的故事”

经常能看到,一个路口装十几个摄像头,甚至几十个。为什么要装这么多摄像头?因为这些设备的产权主体不同,相关部门的系统独立,因此摄像头、传感器等设备也是独立的。

很多城市的智慧城市建设规划得很好,其建设原则、建设目标、建设规划描述得美轮美奂,具体的任务落实单位也有十几个,非常具体、详细。遗憾的是,其工作模式十分传统。

智慧城市建设会催生智慧交通、智慧应急、智慧安防、智慧城管、智慧社区、智慧教学等。这么多各自独立的“智慧”,其实只是无限的智慧工程重复“昨天的故事”。这样的智慧城市建设不过是给传统的、部门化的信息系统贴上了“智慧”的标签。

过去信息化的逻辑是线下业务在线化,比如管理信息系统、规划信息系统、土地管理系统等,都用系统化的、规范化的软件工程来开发,是以单一业务或部门业务为需求导向的系统。其结果是出现了功能和用户非常明确,“纵向耦合、横向隔离”的信息系统。

这些信息系统,从城市感知到信息传输、数据处理再到最后应用,相当于“自己吃菜自己种”,是典型的自给自足模式。纵向耦合、横向隔离的部门信息化,导致信息孤岛化、应用重复化。

数据需要“上架”

中国工程院院士王家耀认为,智慧城市是城市信息化的高级阶段。这是个非常准确的概念。城市信息化的高级阶段不是某些部门的信息化,而是一个“复杂巨系统”的信息化。按照以往做软件工程的方法进行智慧城市建设将面临两大挑战。一是复杂性难以处理。各部门的业务流程是非常清晰的,但把城市所有职能放一起,没人能理得清,没有模型能把城市的功能全部集成起来。二是创新难以预见。智慧城市究竟能干什么,实际上还说不太清楚。有了大数据,还要从数据里面发现知识、发现规律,投入使用。这是个创新的过程,但创新的东西难以预见。

因此,智慧城市建设的首要问题,是复杂的数据和业务无法按照软件工程的方法集成,形成数据库,形成信息系统。同时,新技术、新数据会产生新的需求,这些需求或许暂时想不到,也不可能预先设计一个流程图或逻辑框架。

既然智慧城市是城市信息化的升级版,那就把复杂问题简单化,思考城市是怎么发展起来的。城市建设是个逐级推进的过程,其基础设施与商业开发应分别进行。比如,先把道路、水、电管网完成,然后进行商业开发。智慧城市建设也应该遵从这个逻辑,先建信息基础设施,然后再建相关的应用系统。

传统智慧城市建设分为城市感知、数据获取和应用开发三个层次。但仅有这个三层架构还不够,还需要在其中加个数据平台,形成“感知—数据—平台—应用”四层结构。其中,数据平台就像超市的“货架”,各种商品到超市后要“上架”才方便人们寻找。数据平台要在一个开放的开发框架下,“向下屏蔽复杂异构世界,向上赋能开放多元应用”,把过去部门化的信息系统从纵向耦合,使其变为横向耦合,“以开放性包容复杂性、保障创新性”。

这个系统可以称作“智慧城市操作系统”。在这个四层结构中,下面的三层是信息基础设施。智慧城市建设的顶层设计、统筹规划主要在下面三层进行。上面的应用层内容很多,人类无法穷尽,也无法做顶层设计,而是要调动公众的智慧,让用户和科研人员从这个“超市”获得数据,根据特定需要加工、开发应用。

基于GIS的城市操作系统

城市数据是十足的“大数据”,其特点是多元异构、时空交错。如何建大数据平台、怎么把它组织起来、怎么“上架”是个重要问题。其实,最好的办法是利用三维地理信息系统(GIS)模型,因为所有数据都发生在城市的地理空间中,所有数据都有其位置属性。所有数据都可以用位置属性这个“关键词”进行关联,进行管理。

这个基于三维地理模型的操作系统是智慧城市“基础之基础、核心之核心、关键之关键”。它必须是可视化的、可仿真的、可模拟的。有了这样一个“超市”,数据集成后就可以做很多分析,比如通过摄像头了解某区域的人口分布,进行空间管理,遇到紧急情况可用系统来优化疏散,缩短避险时间,如做立体仓储、商场热力图,建设云端博物馆,进行数字化体验式购物等。

基于三维地理模型的智慧城市操作系统是智慧城市建设的基本逻辑,但并非唯一逻辑。智慧城市建设可以遵循不同的逻辑智慧城市也不应仅坚守一个平台。

(作者系中国工程院院士,记者张双虎据其在2020GIS软件技术大会上的发言整理)

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