1 智慧城市的概念

1.1“智慧地球”概念的由來

2008年11月，IBM公司總裁兼首席執行官彭明盛首次提出“Smart Earth（智慧的地球）”的概念。2009年1月，彭明盛向美國總統奧巴馬提出了“智慧的地球”的戰略，建議新政府投資新一代的智慧型基礎設施。IBM公司希望“智慧的地球”戰略能掀起“互聯網”浪潮之后的又一次科技革命，是繼大型機、PC、互聯網之后符合“十五年周期定律”的第四次科技革命。IBM公司認為，隨著新一代信息技術和網絡服務的發展和應用，在未來，地球上所有的物品都有可能安裝并應用智能技術，幾乎任何東西都可以實現數字化和互聯互通，進而能向整個社會提供更加智能化的信息服務。IBM公司預計，在人類社會發展中一些意義深遠的事情正在發生：每個公民、企業、組織、城市、國家、自然系統和社會系統正在實現更透徹的感應和度量、更全面的互聯互通，在此基礎上人類將獲得更智慧的洞察，實施智慧化的創新，從而為經濟和社會發展提出了一條全新思路。由于這些技術的進步，地球將變得更小，變得更加“扁平”，也變得更加“智慧”。這就是“智慧的地球”所描繪的愿景。

1.2智慧地球是信息化的一個更高發展階段

“智慧的地球”，是站在整個人類文明發展的高度上對于信息技術如何全面改進人類生活所提出的愿景，即如何通過更加“智慧”的方式讓我們的生活更美好，這是全人類共同關注的發展之道。因此，作者認為智慧地球是信息化的更高發展階段的目標?，F階段，人類在逐步實現數字化、電子化，在持續推進網絡化和信息化，在推進信息化與工業化的深度融合，并逐步實現智能化，這都是邁向智慧地球的一個個階段。未來幾十年，人類將逐步進入信息化的更高發展階段——智慧地球。目前，世界仍處于智慧地球的初級階段，如表1。

表1 數字化、網絡化、兩化融合、智能化和智慧地球的不同特征

1.3智慧城市的定義

智慧城市，英文可以譯為Smart City。簡單地講，智慧城市就是城市基礎部件被賦予智能，通過網絡實現互聯互通，在此基礎上，城市所有的事物、流程、運行方式都更深入地智能化，從而促進民眾生活便利、促進經濟發展與提升政府效率，增強城市競爭力、實現城市可持續發展的先進的城市發展理念。

2 智慧城市的組成要素、基本原則和數學模型

2.1智慧城市的五個基本要素

圖1 智慧城市的架構圖

2.1.1智能化的城市部件，它構成了智慧城市的“神經末梢”

城市的房屋、交通設施、電力設施、通信設施、地下管道等城市基礎設施、汽車、手機、工具等城市基礎零件，通過裝備芯片、傳感器、RFID等技術，實現物體“智能”化，建立局部的城市物聯網。

2.1.2城市互聯互通的信息網絡，它構成了智慧城市的“神經網絡”

新一代光纖寬度網絡貫通城市和鄉村，移動寬帶網絡覆蓋城鄉每個區域，所有城市部件被賦予IPV6的地址，通過傳感器網絡和物聯網接入通信網、有線電視網絡和互聯網。

2.1.3基于云計算的城市新型業務應用平臺，它構成了智慧城市的“中樞系統”

城市數據中心通過虛擬化技術實現基礎設施的公共服務，城市各種計算平臺、各個行業的應用通過云計算平臺來提供隨需而變的服務。云計算平臺將成為21世紀先進城市的基本業務平臺，智能物體構成云端，互聯網構成云計算的網絡基礎設施，虛擬化的數據資源池構成了云計算的共享基礎設施，業務流程、應用和服務都基于云計算平臺以服務的方式提供，如政務云、商務云、醫療云、教育云等。

2.1.4城市的海量數據，它構成了智慧城市的“血液和養料”

城市各個業務系統產生了大量數據、信息和知識，包括城市空間、人口、法人、經濟、金融、文化等基礎數據，這些數據之間又相互關聯，構成了城市海量數據、信息和知識資源庫。

2.1.5知識型的勞動者，它構成了智慧城市的“細胞和生命元”

城市的勞動者是用知識和信息技術武裝的智力勞動者，這些勞動者通過信息網絡構成一個個知識網絡，他們與云計算和物聯網平臺上的智能代理來協作完成城市的各種復雜工作。城市智力勞動者通過相互協作關系所建立起來的社會組織結構是扁平化的、基于社交網絡進行協作的、學習型的、快速反應的智慧型組織。這些組織體現為智慧企業、智慧政府、智慧社區等。
 

把數字城市和物聯網結合起來的所形成的智慧城市將具備以下一些特征：

1）“智慧城市”是基于物聯網的智能城市。物聯網就是“物物相連的互聯網”，其核心與基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡，它將網絡用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，相互之間可以進行信息的交換和通訊。物聯網的3個基本特征：①全面感知：即利用RFID、傳感器、二維碼等隨時隨地獲取物體的信息；②可靠傳遞：通過各種電信網絡與互聯網的融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去；③智能處理：利用云計算，模糊識別等各種智能計算技術，對海量的數據和信息進行分析和處理，對物體實施智能化的控制。

2）“智慧城市”面向應用和服務。無線傳感器網絡是無線網絡和數據網絡的結合，與以往的計算機網絡相比,它更多的是以數據為中心。由微型傳感器節點構成的無線傳感器網絡則一般是為了某個特定的需要設計的，與傳統網絡適應廣泛的應用程序不同的是，無線傳感器網絡通常是針對某一特定的應用,是一種基于應用的無線網絡，各個節點能夠協作地實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息，并對這些數據進行處理，從而獲得詳盡而準確的信息，將其傳送到需要這些信息的用戶。

3）“智慧城市”與物理城市融為一體。在無線傳感器網絡當中，各節點內置有不同形式的傳感器，用以測量熱、紅外、聲納、雷達和地震波信號等，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等眾多人們感興趣的物質現象。傳統的計算機網絡以人為中心，而無線傳感器網絡則是以數據為中心。

4）“智慧城市”能實現自主組網、自維護。一個無線傳感器網絡當中可能包括成百上千或者更多的傳感器節點，這些節點通過隨機撒播等方式進行安置。對于由大量節點構成的傳感網絡而言，手工配置是不可行的。因此,網絡需要具有自組織和自動重新配置能力。同時，單個節點或者局部幾個節點由于環境改變等原因而失效時，網絡拓撲應能隨時間動態變化。因此，要求網絡應具備維護動態路由的功能,，才能保證網絡不會因為節點出現故障而癱瘓。