智慧城市“挖掘”大數據

智慧城市概念的誕生可以追溯到上個世紀90年代，1993年美國時任總統克林頓提出推進信息高速公路的計劃，到1998年美國時任副總統戈爾提出數字地球、數字城市、數字社區的概念。而隨著近年來信息化浪潮的興盛，2008年IBM公司提出了智慧地球的概念，2009年2月，美國總統奧巴馬提出信息化只有與工業化一起進步，才能解決美國當前面臨的經濟危機。

中國有關部門也于1995年宣布推進信息高速公路及建設國家“金字工程”，信息化涵蓋了國家經濟命脈的各個重要行業。1999年在北京召開了第一屆國際數字地球大會，首次成立了中國數字地球學會。中國國家總理溫家寶在任期間兩次在無錫提出物聯網、智慧中國的概念，為云計算和物聯網在國內的全面發展吹響了號角。

未來中國的發展動力是什么？“十二五”規劃中提出要四化并舉，即城鎮化、農業現代化、工業化、信息化，未來中國城市發展就是要依靠城鎮化、工業化、信息化，其發展產物就是智慧城市，目標是追求低碳、綠色、可持續發展的城市。

目前很多城市已經建成的數字城市，是把基礎地理信息、街景景象、全景影像、三維模型等數據結合在一起形成的數據庫。政府各部門和企業市民只要在政務網上注冊，就可以實現數據信息服務共享，同時有關部門如果在政府公共平臺、互聯網上通過二次開發提供各種交通、導航、旅游、文物、購物等服務，利用云計算物聯網技術就能夠實現人與人、人與機器、機器與機器的互聯互通，實現智慧城市的各種應用。

智慧城市的應用可以干什么？我們認為，城市是人類生存繁衍、經濟發展和社會交往的地方，也是享受文化生活的地方。按照這四個功能，我們提出了城市智能化，比如智慧安防、智慧環保、智慧能源、智慧城管、智慧養老、智慧國土規劃、智慧社區、智慧家居等，都是讓人們有更好的環境來生存繁衍；對于經濟發展來說，已經推動的有智慧制造、工業互聯網、物聯網等；在社會交往方面則有智慧交通、智能購物、社會綜合管理等；在文化生活享受方面，可以考慮智慧戶外流媒體、智慧教育、智慧旅游等等。目前住房和城鄉建設部門提出的智慧城市試點工程，其實質內容都包含上述這些領域。

城市中的大數據需求

在城市的建設和應用中，將產生從TB到PB（1PB=1024TB）級的海量數據，智慧城市從而進入了大數據時代。2011年，Science雜志就指出大數據時代已經到來，美國工程院院士也撰文指出大數據可以讓我們實現海量數據，一個利用大數據技術可以實現預測、建模、可視化和發現新規律的時代就要到來。目前美國政府已經正式啟動大數據研究計劃，美國總統奧巴馬表示大數據就是未來世界的“石油”，這個計劃要超過美國以前提出的“信息高速公路計劃”，可見以大數據為中心的智慧城市時代已經到來。

大數據首先體現在城市空間數據的激增。城市空間數據隨著空間傳感器資源的增多而增加。據統計，目前美國擁有185顆衛星，中國也擁有91顆衛星，這一趨勢還在不斷發展，到2020年中國將擁有200多顆衛星，衛星每天回傳的數據可以達到PB級。包括空間數據庫、信息處理和空間信息、地學知識庫資源都可以傳到網上，通過可視化的服務精神，在保證服務質量的基礎之上，利用云計算環境，實現包括計算資源、網絡資源和存儲資源的共享。

今天城市中已經擁有海量的空間大數據，由我國自主研發的天地圖軟件已經上線，目前天地圖的數據已經達到了100TB。天地圖通過傾斜相機等工具采集城市空間信息，進而建立城市三維模型，我們最近在貴陽市已經做了很多這方面的工作。通過天地圖監測技術我們能夠解決城市中的哪些問題呢？拿上海來說主要就是監測地表下沉，如果把各種雷達數據放在一起，進行數據分析和挖掘，就可以隨時隨地監測地表下沉情況。通過監測得到的數據，我們會發現不同地區下沉速度不同，有些地區每年下沉20毫米，有些只有幾毫米，特別是遠郊區和市中心的下沉情況大不相同。這些結果可以為城市建設提供決策參考。我們拿天地圖檢測到的空間數據跟上海市國土局監測到的數據進行對比，精度可以達到2.5毫米，目前通過意大利有關的檢測方法精度是3.7毫米。天地圖已經對上海、蘇州、天津、廣州等大城市的空間信息進行了監測，同時還監測了三峽大壩，未來還要監測高鐵運行情況。

另一個重要的需求領域是城市安防。2005年國務院有關部門宣布啟動平安城市建設以來，現在全國約600個城市安裝了超過2000萬個攝像頭，投資超過3000多億元。通過攝像頭可以保證城市的平安、交通的通暢，但是問題在于目前的數據量太大，現有設備難以存儲。僅以天津為例，到“十二五”期末天津城市將安裝60萬個攝像頭，按照公安部的要求這些數據將要被保留3個月，數據總量將達到4600多個PB，這比現有的整個城市空間數據量還要大。據有關部門統計，僅保存這些數據每年就要花費580多億元，相當于2012年西藏的GDP總和。同時數據量太大，也會導致信息查詢很難進行，海量的數據超過了人工處理的極限。如果監控數據發揮不了作用，城市安全就難以保障，公安部門在案件破案效率、速度、質量方面難以獲得提高。這是今天城市安防面臨的一個嚴峻問題。

目前大數據在城市各個領域都有巨大的需求，在城市交通領域同樣如此。目前中國有13億多人口，城市汽車保有量近幾年增加非常快，和交通有關的數據量也在飛速增長，達到了PB級，并且城市每天24小時都有交通流量更新，我們要把這些數據保存起來，沒有大數據的技術基本上是不可能實現的。在智慧安防領域，要實現365天×24小時城市監控，沒有大數據技術也是不行的。在智慧養老方面，現在中國超過65歲的人已達到2億～2.5億，要使老人得到及時的救護和幫助，就要把每天的變化記錄下來，需要保存的數據不可估量。在制造領域的數據量也很大。這些領域都已經離不開大數據技術。

依靠云計算與數據挖掘

可以肯定，目前城市海量的數據信息已經離不開云計算和數據挖掘技術。今天科學技術的發展已經經歷了多個階段，從最早靠經驗，后來靠理論，今天我們進入了通過數據發現知識的時代，在這一階段云計算技術應運而生。人們已經可以把計算、存儲、交互等方面的能力放在云端，按需使用，這種服務叫云計算服務。今天我們進入了以虛擬化為特點的云計算時代，出現了大批以云計算為中心的生態產業鏈，即在同一個網絡上除了自身的計算資源之外，還有一些企業提供云服務器或者集成服務。這些商業主體構成了一個云計算產業鏈條，它們無所不在，隨時隨地為大家提供服務。

遙感云就是其中一個重要例子。它把海量的遙感數據以及復雜的遙感處理與分析方法放在遠程的云計算平臺上，利用云計算平臺彈性的計算能力實現資源共享，用戶無需購買數據、不需搭建環境，也不需要買軟件，只需要選擇數據和算法后即可獲得計算結果。我們的服務不再是提供一個文件拷貝和數據共享，而是基于云計算的注冊服務。我們現在正在做的遙感云英文是OpenRS-Cloud，這是一個開放的遙感云，目前對個人用戶是不收錢的，在這里可以檢查任務進行的速度，也可以查看計算結果，把需要計算的數據輸入進去后可以直接在瀏覽器上察看到結果，用戶使用起來非常方便。現在大家已經可以上網免費體會OpenRS了。以氣候應用為例，通過該系統可以搜索下雨之前的衛星影像，還可以搜索下雨之后的衛星影像，有了這些影像以后自動生成了服務鏈條，得到遙感服務的結果。

另一個熱門應用領域是位置云。位置云將手機收到的導航衛星信號與其他定位相關的傳感器信息傳輸到云計算中心，通過實時計算，可以實現室內外高精度的手機連續位置定位和實時導航。不僅地理國情檢測員需要位置云，而且災情報告員、土地調查員和城管員都需要。通過這樣的系統把衛星定位方法、室內的傳感器定位方法、無線信號定位方法糅合在一起，就叫做混合定位。

目前我國自主開發的北斗定位系統正在研發相關的位置服務云，北斗定位系統從2012年已經全面民營化運營，目前已經有120個文字的短信報文功能。在導航定位功能方面北斗做了增強，220公里的距離內可以保證導航精度達到每秒鐘十個精度，如果是60公里內則可以實現區域三頻厘米級精密定位。在相同的條件下，如果采用GPS定位系統，信號完好率只有44%，初始化時間需要40多秒。如果采用GPS雙頻加北斗三頻，就可以保證每平面精度達到1厘米、高程精度達到3.6厘米，信號完好率達到100%，初始化時間也只有6秒，這樣的提升是非常明顯的。現在運營商已經把這個軟件運行起來，進行精密定位只收0.1～0.2毛錢，通過高精度導航性能分析，可以避免95%的誤差，精度達到了1.4米，這個成果可用于智慧交通中的車輛控制和智能駕駛。目前物資運送規定只能在慢車道行駛，但實際上很難控制物資車輛是否超速，如果有了米級精度定位就可以實現車輛控制，一旦車輛犯規，城市交通指揮中心馬上就會知道。

數據挖掘是今天離不開的另一項關鍵技術。目前現實世界看到的數據往往并不是我們需要的結果，今天我們需要的是挖掘信息或知識，找到最終結果。現在有些書籍就是專門講解如何利用大數據挖掘知識，用這種數據分析方法可以從中挖掘發現我們想要的知識。

在對平安城市視頻數據分析中，需要經常要對市民的行為進行智能分析和挖掘。這就不僅需要對視頻數據進行自動處理，從而把這些PB級的數據壓縮下來，而且接下來還要通過智能設備對人體異常行為和異常事件進行監測分析和挖掘，這是公安部門最感興趣的。比如通過對人群奔跑、翻墻、徘徊等數據進行分析挖掘，武漢市公安部門破解了一樁盜竊案件。波士頓爆炸案的兩個嫌犯被抓，主要就是人家都往外走他們卻往里走，最終被人懷疑。有個專業術語叫異動，他們的行為都屬于這一范疇，所以就被抓住了。我們曾做過一個試驗，通常人眼看監視屏幕，一個人兩個屏幕看了22分鐘，錯誤率達到95%，怎么辦呢？能不能用計算機做這類事情呢？如果計算機可以對目標進行跟蹤，不但不會出現誤差，還能自動對被監測物體中的運動目標進行檢測、分離、跟蹤，對他們的行為進行有效識別，那么就能解決很多問題了。如果有了這個軟件，視頻數據就能被充分利用，正常人隱私的活動應該會被刪去，把可疑的數據留下來，從而實現高效的處理結果。

統一規劃、分步實施

未來，智慧城市一定是基于數字城市、物聯網和云計算建立的現實世界與數字世界的融合，以實現對人和物的感知、控制和智能服務。感知是數字城市的功能，控制和智能服務是智慧的高級階段，智慧城市對經濟轉型發展、城市職能管理和對大眾的智慧服務具有廣闊的前景，使得人與自然更加協調。但是做這件事情也不是很容易，需要注意一些事項。

首先要讓大家把網絡基礎設施建好，讓大家用得好、用得起，如果網絡用不好、用不起，智慧化就等于零，這是工信部等政府部門肩負的重要任務。其次作為專家和企業的任務是抓好技術創新和攻關研究，抓住智慧城市帶來的數字服務產業發展機會，更好地實現各種智能化的應用。最后，智慧城市是在具體一個城市里進行和建設的項目，城市一把手對智慧城市的建設規劃和走向很重要，在國內外智慧城市都是一把手工程，我們要根據每個城市的特點做好頂層設計、統一規劃、分步實施。

（本文是李德仁院士在智慧城市論壇上的發言整理。）

作者簡介：李德仁，中國科學院院士、中國工程院院士。