大數據與智慧城市

辛妍

利用大數據改進城市規劃和管理，努力提供人性化的服務，最終使城市更有吸引力、更宜居、更可持續發展和更綠色

數字技術在過去十年間覆蓋了我們的城市，并已經成為大型智能基礎設施的支柱。隨著寬帶光纖和無線通信網絡的推廣，移動電話和平板電腦的使用變得越來越便宜。與此同時，開放式的數據庫不斷提供各種數據和各類信息，其數量之大令人震驚，比如每天我們能產生2.5×〖10〗^18個字節的數據，當今世界上90%的數據都是在過去的兩年產生的，每分鐘谷歌會收到超過2百萬條搜索請求，等等。這些數據有的是來自于社交媒體網站發的貼子、移動信號和網上采購交易，但越來越多的是來自于對象上的傳感器。這些傳感器可以被安裝在燈柱上，也可以被放置在摩天大廈中。以此為基礎，越來越多的傳感器和數字控制技術都與價格便宜、功能強大的計算機相結合。早在1997年，建筑師和城市規劃師、Mike Batty教授就曾預言說，到2050年，我們周圍的一切都將會是某種形式的計算機。而現在，這已經開始成為現實，因為我們的城市已經迅速地變成了一個大的“露天計算機”。

今天，我們生活在一個高度儀器化和數字互聯的世界，在某種程度上說，這使得網絡世界和物理世界之間的邊界越來越模糊。同時，這種儀器化和互聯使得有關城市、物理基礎設施、服務和人與人之間的交互信息變得實時可用。而智慧城市作為系統的系統，正在利用大數據，致力于改善物理基礎設施，改進規劃和管理，努力提供人性化的服務，最終使城市更有吸引力、更宜居、更可持續發展和更綠色。

據世界銀行估計，到2030年，全球將有2/3的人口生活在城市。為此，世界各地的城市都面臨著不斷增長的人口和日益嚴峻的氣候變化的雙重挑戰。為確保未來城市的安全，并能讓人們在其中健康地生活和工作，全球范圍內都正在建立智慧城市的概念，并實施相應的舉措。大數據的爆發影響到很多行業，城市也不例外——城市坐擁數據寶庫，因為這些數據可以轉化為新的、更深刻的見解，從而提高公民的經驗水平，并更好地指導政府決策。比如美國印第安納州的South Bend政府就利用大數據分析，準確預測哪個區域可能會遇到污水溢出，進而采取必要的行動，將實際污水溢出數量從以前的每年27起減少到1起，在基礎設施維修方面節省近1.2億美元，并同時改善了城市的整體生活質量。

本文將探討智慧城市中大數據的分類，ICT的作用及面臨的挑戰，并闡述世界上一些智慧城市如何有效地利用大數據，以及智慧城市中的大數據的隱私與安全問題，以期促進我國更好的利用大數據建設智慧城市。

智慧城市中大數據的分類

通常城市是為了適應峰值基礎設施需求而建設的，但實際需求數量或需求模式卻鮮為人知。以電為例，電力部門只是負責用電纜傳輸電力，并希望電網維持正常運轉，但卻并不知道、也并未關注這些電實際上用在何處。如果存在一個系統，能夠明確指出這些電具體用在哪里，至少就能在節約能源方面優于現有的系統。就供電而言，提供最后5%的峰值需求遠比提供最初95%的電力成本更高、污染更嚴重，因為通常只有到最后關頭，那些老舊的、效率較低的電廠才會被啟用。如果能夠預見需求，那么，就可以適當的關閉系統中的一部分，而致力于提高系統的其他部分的運行效率。這樣，不僅可以節約大量的能源，而且能夠降低由其帶來的環境污染。同樣的，如果能夠追蹤到從某一地點到另一地點的實際流動人數，并分析得出每天的模式有何不同，就能重新配置相應的交通運輸系統，提高運輸效率。

數據和信息遍布我們的城市，它們來自于不同的數據源，呈現出各種不同的形式、間隔度、動態性和質量。對于當今智慧城市的利益攸關者而言，這些數據是最具擴展性的資源，因此關于信息空間的知識，對于創建智慧城市至關重要。有些學者將智慧城市中產生的這些數據分為三類：硬數據（hard data）、軟數據（soft data）和復合數據（compound data），如下圖所示。

圖下方的金字塔代表城市中的“硬數據”，包含三個層面：第一個層面主要是從物理世界的傳感器收集得來的測量數據；第二個層面是“原子數據（atomic data）”，它們由物理事件組成，與特定條件下的人類互動有意義地結合在一起（比如交通數據）；第三個層面是通過對“原子數據”的數學操作產生的數據，通常被用于獲取更有意義的信息。這類數據包括城市指標、元數據或關鍵績效指標（KPI）等。

圖上方倒金字塔頂端的數據代表著智慧城市的思想領域，它們來自于社會中的人類互動，被稱為“軟數據”。這些數據結構性較差，需要更專門的統計和分析處理。這類數據的第一層面由“多重數據”主導，即信息由人類的社交互動產生，例如位置數據、來自移動設備的傳感器數據、公民報告和公民標記等；第二個層面是文本數據，例如Twitter上的消息等；最后，這兩個金字塔的交叉部分是城市中的“復合數據”，是硬數據和軟數據的組合，包括鏈接的數據、社交媒體數據和結構化的數據。

其中，復合數據是當前大數據中最令人感興趣的數據類別，它含有很多社交媒體信息、網絡日志數據和文本數據的組合，以及來自Twitter、Facebook等社交媒體的數據等。

要充分利用所有這些關于城市的數據，并產生對公民有價值的服務，就必須讓大數據變小，也就是說能讓公民易于訪問這些數據。在智慧城市的框架中，它所提供的服務的基本成分就是數據。隨著對大數據的需求與日俱增，到2013年，大數據驅動的在硬件、軟件及相關服務上的支出達到2320億美元。要讓智慧城市基于數據提供增值服務，就有必要將產生自社交媒體的數據整合到開放數據戰略中，用以部署最合適的大數據技術，使數據能在便于訪問的結構中被提取、標準化、存儲、分析和可視化。否則，劣質數據將會對政府造成巨大的損失。以美國為例，跨政府和企業的劣質數據讓其經濟每年損失約3.1萬億美元。

智慧城市中的ICT

現代社會需要公共行政部門更多地直接與公民進行溝通，從公民的角度來看存在的問題，并對公民的需求及時做出反應。為此，現代技術就成為了非常有價值的工具，因為它們除了是豐富的信息來源，更是我們日常活動的有機組成部分。

面對種類繁多、形式多樣的大量數據，市政當局和城市規劃者可能很難確定切入點和起始點。但有一點是明確的：要改善生活質量，每一步都要從分析數據、并使其有意義開始。智慧城市的成功在很大程度上歸功于良好的治理，這種治理不是集中于在道路或燈柱上放大量的傳感器，而是集中于使用技術，將公眾參與融入到決策過程當中。今天，信息和通信技術（ICT）正在推動城市向智慧城市的發展和轉型，最終目標是提高公民、企業和當局的意識，改善生活質量，同時也使得城市發展可持續。下圖正說明了ICT如何驅動城市向智慧城市轉型，從中又面臨哪些挑戰。

首先，有了ICT的支持，數據變得可擴展，并能在線訪問。在智慧城市中，每天有數以百萬計的消息通過成百上千的設備（如移動電話、電器儀表、氣象站等）進行交換。通過匹配這些設備上所產生的信息，可以增強智慧城市的管理。例如，故障設備會造成能源或水的損失，通過實時將從用戶水/電表上測量的消費值與從其他公共事業系統上測量的數值相匹配，就可以減少這種損失。正因為如此，實時處理數據就變得更加重要，而傳統的先存儲再處理的方法——即各公司檢索數據，并為預防將來某天需要訪問這些數據而將其存儲起來——可能將不再適用。

其次，ICT促使形成分布、平行式的思考方式。智慧城市由若干個獨立的網絡組成，因此不存在一個集中的應用程序來囊括所有的設備交換信息。同時，ICT設備共享了大量的信息，使得信息并行處理成為一種必要行為。為此，要分析設備上所交換的信息，并充分利用這些信息，就需要將分析向更接近信息來源的方向推進。

再次，ICT需要并能夠驗證、評估和保護數據。通常，價格便宜、有資源約束的設備主要用于建立形成智慧城市物聯網的網絡。但不幸的是，這類設備測量和報告的數據（例如，能源消耗讀數）通常比較雜亂，并且有信息損耗。造成這一問題的原因并不僅限于設備本身，也有可能是由公民（可能是惡意的）自身造成的。例如，由于有些用戶想少交電費，就可能會惡意操作，而使電表的消耗讀數不正確。因此，ICT必須采用驗證方案、評估方案和安全對策，以確保信息的使用者不會被不正確、局部或惡意的數據誤導。

如今，世界各地的城市都在使用ICT方面取得了巨大進步，為公民提供新的服務，對更多的公民需求做出快速及時的反應，并增加了政府機構的透明度。可以說，ICT幫助城市變得更有效率。

大數據在智慧城市中的應用

城市信息學是一門新興學科，它研究大數據和城市的交叉部分，用大數據來學習和提高大城市的動態，因此它是一個涉及多學科的領域。城市信息學的潛在好處包括實時系統監控、管理和優化等，例如管理交通、煤氣、水和電的流量；監測橋梁和管道的狀況；規劃新的公共交通線路和公用配電系統；監測公眾健康，和管理應急響應等。

迄今為止，城市信息學的最大的嘗試之一是紐約大學（New York University，NYU）的一個新的研究中心——城市科學進展中心（Center for Urban Science and Progress，CUSP）。該中心旨在通過廣泛的傳感器和由此產生并篩選的海量信息來把握紐約的脈搏，從而改善紐約市的生活質量。與其他中心不同的是，紐約大學的城市科學進展中心專注于物理、生物和信息傳感的融合。目前，該中心有眾多的合作伙伴，包括十個業界合作伙伴（其中包括微軟、施樂公司和IBM等），有四個國家實驗室參與，并與五個學術機構建立了伙伴關系。

在美國和全球的其他城市也有城市信息學中心。比如作為歐洲數據最密集的城市，西班牙北部海岸港口城市桑坦德（Santander）就有城市信息學中心。三年前，該市獲得了歐盟委員會800萬歐元的資助，于是歐洲的大學和電信運營商聯合在市區安裝了各種類型的固定和移動傳感器，共計大約1.8萬個。除了用于監測空氣污染、噪音和其他環境條件，傳感器還會在垃圾箱需要清空或路燈燒壞時有所指示，甚至可以指示當附近沒有人時，哪里的路燈需要并可以被關掉。而那些埋在路面下的傳感器也有其獨特的用途，它們可以檢測露天停車位，并將信息轉發至安裝有數字顯示器的主要路口，用以幫助引導司機尋找最近的停車位。.

智慧桑坦德（SmartSantander）項目的主要研究人員、Cantabria大學的Luis Mu？oz教授指出，最開始，項目的目標只是讓研究人員可以使用傳感基礎設施，同時向居民提供一些有用的服務。但后來，智慧桑坦德項目開發了智能手機應用程序，讓居民能夠報告如坑洼一類的問題，并跟蹤政府的響應，以使道路更平坦，交通更順暢。使用智能手機，居民可以利用由位于全市旅游景點、商店、公交車站等處的2600個光學和無線標簽組成的“增強現實”系統，方便地在線獲得關于這些地點的各類相關信息。

世界各地大大小小的城市都在利用大數據——如交通統計、能源消耗率和GPS地圖——啟動項目，以提高各自社區的生活質量。在伯明翰，燈柱裝有傳感器，可以傳輸有關云覆蓋的信息，以提供超本地的氣象預報；在挪威，有超過4萬個公交車站有twitter，讓乘客能夠留下他們的經驗信息；在倫敦，市長辦公室開始給每棵樹設置標簽，讓人們可以了解它們的歷史；在麻省理工學院的Senseable城市實驗室，西雅圖的5000個垃圾被進行地理標記并在全國各地跟蹤了三個月，以驗證回收是否真的有效。可以說，對象上的傳感器讓人們以全新的方式講述城市的生活故事。

當然，最成功的案例之一可能是在2012年倫敦奧運會期間，負責運行倫敦公共交通網絡的公共當局機構“倫敦運輸（Transport for London）”。在使用者增加25%的情況下，該機構使用收集自閉路電視攝像機、地鐵卡、移動電話和社交網絡的實時信息，確保火車和公交路線只能有有限的中斷，從而保證順暢的交通。

在電力消費方面，美國西雅圖市與微軟和埃森哲（Accenture）合作了一個試驗項目，以減少該地區的能源使用。該項目收集并分析從市區建筑物管理系統中得來的眾多數據集，通過預測分析，找出哪里可以減少能源使用，或者根本不需要能源使用。項目的目標是將該地區的電力消耗減少25%。

在交通擁堵方面，2012年，法國里昂市與IBM的研究人員聯手建立了一個可以幫助減少道路上的交通擁堵的系統，使用實時交通路況報告來檢測和預測交通擠塞。如果運營商看到可能會發生交通堵塞，就可以相應地調整交通信號，以保持平穩的車流。該系統在緊急情況下尤其有用，比如在救護車前往醫院的途中。隨著時間的推移，系統中的算法將從最成功的建議中“學習”，并將這些知識應用到將來的預測當中。

另外，在城市中尋找停車位，尤其是在大城市中，毫無疑問是令人頭痛的問題。目前有一種為iOS和Android設備開發的應用程序，可以追蹤多個城市的停車位。用戶只需要輸入地址或所在的鄰里，就可以得到附近的可用車庫和停車位的價格和可用時間的信息。并且，該應用程序還會實時跟蹤可用性，實時更新。目前美國已經有七個城市應用此程序，包括華盛頓、紐約、芝加哥、巴爾的摩、波士頓、密爾沃基（Milwaukee）和新澤西州的紐瓦克市（Newark）。

在城市規劃方面，利用3D可視化的數據，政府可以看到城市在任何時刻的運行情況，這種以新的方式來呈現數據的方法無疑帶來了令人震驚的效果。比如在德國，3D可視模型可以向人們展示一條新鐵路線將會給周圍帶來怎樣的影響。這就如何在一個游戲環境中，人們可以把它放在iPad上，隨時縮放3D模型。以前，任何人如果想要涉足城市規劃，就必須要去一趟市政廳，去看那些他們可能并不理解的地圖。而現在，只需要一個應用程序就可以搞定一切。更多的視覺沖擊力能徹底改變如何構建城市，它能使決策過程更透明、更民主，設計過程更具包容性。

智慧城市中大數據的安全問題

不管喜歡與否，我們已經開始與我們所生活的城市進行互動，不論是通過短信知道剛剛經過的商店可以提供20%的折扣，還是使用智能手機上的位置傳感應用程序得知最近的咖啡吧在哪兒。智能城市的核心功能正是需要收集大量的數據，這些數據關系到我們生活的方方面面，發生在每一天的每分每秒。比如人們在上網的時候，可能很自然的就單擊了“是”這個選項，但是卻并沒有意識自己分享的所有東西都可以被別人收集。再比如一個人從自己的車上走下來要去一家大型連鎖超市，那么甚至在他下車前，就已經進入了攝像頭的視角；當他的手觸摸店門時，他的圖像可能已經通過公司的服務器傳送給了全世界；當他進入到超市里邊時，大數據將會提供一份關于他個人的完備的客戶信息，包括購買歷史、社交媒體賬號、公共記錄，甚至是他的鞋碼等。可以說，我們就如同盲目地走進了全時被監控著的社會。

本質上說，我們正在建立物理世界的數字拷貝，而這將產生深遠的影響：它改變了世界的運作方式，很神奇；但同時，它也很可怕，因為在公共場所、移動設備上和主要零售商店中獲取的大量個人數據并沒有被共享回個人，使得我們每個人的信息變得越來越透明。也就是說，雖然智慧城市中大數據的收集有巨大的價值，但也會引起巨大的倫理問題。例如，近年來，在關于智能電表和智能電網的影響的爭論中，一個重要的組成部分就是對隱私和安全的擔憂，而這些擔憂也同樣適用于智慧城市中的大數據。當智慧城市成為現實時，個人或許將無法控制他們被監控的方式，也不能控制從他們身上收集的信息將被如何處理和使用。如果是這樣，那將與智慧城市的預想完全背道而馳。

因此，在智慧城市中，大數據所帶來的隱私和安全問題將會越來越受到重視。或許城市會創建自己的隱私保護章程，以紓緩公民的憂慮。但是，其實更大的挑戰來自于數據安全，而目前智慧城市的倡導者仍未充分解決這一問題。城市系統日益復雜，在其基礎設施建設的新領域中，儀器儀表的使用越來越多，同時系統之間的相互依存性日益增加，所有這些都令城市在面對惡意攻擊、系統故障或極端氣候事件時變得更加脆弱。為此，城市的領導者必須要確保新系統能夠抵御這些威脅，并使其成為城市戰略的一部分。并且，未來所有由智慧城市啟動的可能，象改善生活質量或提高能源效率等，都應當建立在信息處理的有效性和用戶的隱私保障方案之上。

公民是智慧城市重要的利益攸關者、消費者和大數據的生產者。最終，我們希望城市能夠通過這些數據來適應市民，而不是限制他們。同時，城市是大數據真正影響的區域。城市規劃者和行政機構需要合適的工具來消費城市產生的所有數據，并將其轉化為行動，以提高人們的生活質量。在這種情況下，大數據不只是曇花一現或營銷炒作，對于選擇住在城市中的人來說，它是一種現象，將對生活質量有著直接的影響。明天的城市是在今天建立起來的，而它們的建設離不開大數據。