以城市虛擬映像構建智慧城市新型數(shù)據(jù)應用

■ 文 /謝 耘

謝耘，神州數(shù)碼控股有限公司首席科學家，博士，入選“科技北京百名領軍人才”。

虛擬映像將從根本上改變傳統(tǒng)的信息應用的基本模式，特別是數(shù)據(jù)應用的模式。

信息技術進入21世紀第二個10年后，在超大規(guī)模集成電路技術的推動下，實現(xiàn)了歷史性跨越。由于芯片處理能力不再成為瓶頸，信息技術的應用開始了爆炸性增長。信息技術應用不再是簡單依附寄生于物理世界的信息化或數(shù)字化，而是借助互聯(lián)網(wǎng)，在物理世界之外構建一個與物理世界有著復雜關系與作用的、相對獨立的虛擬世界。這個虛擬世界正在以日新月異的速度發(fā)展膨脹。

真實與虛幻并存于世

人類在上萬年的文明史上，第一次生活于雙重世界之中。網(wǎng)絡化的虛擬世界是以混亂的面目出現(xiàn)的。隨著它的逐步進化，虛擬世界將逐步形成自己的特定結構。在這個人類自己創(chuàng)造出的虛擬世界中，人必然是核心的主體。但是，人不可能隱形到虛擬網(wǎng)絡世界之中，所以人將以一種“虛擬映像”的形態(tài)存在，包括由人組成的復合體，如企業(yè)組織、城市等，都將在虛擬世界中有自己的映像。人以及由人構成的復合主體組織與城市的虛擬映像構成了虛擬世界的基礎核心結構。

主體的虛擬映像，是信息/數(shù)據(jù)對主體的一種全面的描述。從信息/數(shù)據(jù)的角度來看，這三類主體的虛擬映像的結構，既有總體上相同的特點，也有具體的不同之處。這些在量級上有巨大差別的虛擬映像，都包括了相應的主體所擁有的所有信息的總和，而且是這個主體“感受”到并且活動于其中的“真實”的虛擬世界——它既包括了主體所處的外部環(huán)境，也包括了主體的自身狀況。它們之間的差別主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.信息/數(shù)據(jù)量的差異。很明顯，個人擁有的信息/數(shù)據(jù)量與一個城市擁有的信息/數(shù)據(jù)量是有巨大差異的。這將導致建立虛擬映像時所采用的具體處理方式有所不同。

2.主體所處的外部環(huán)境的不同。組織型主體企業(yè)的外部環(huán)境非常復雜，個人的要相對簡單很多。對體量最大的城市而言，如果把城市的自然與人文環(huán)境看作城市自身的組成部分的話，它的外部環(huán)境反倒顯得比較簡單。

3.主體自身狀況的差別。個人的自身狀況是最簡單的，而且很多內(nèi)容并不需要投影到數(shù)字映像之中。企業(yè)的自身狀況則要復雜得多，包括了人、財、物等，而且很有必要投影到數(shù)字映像中，以便有效地支撐企業(yè)的活動。顯而易見，城市的自身狀況是最為復雜的。

因此，個人的虛擬映像更多的是關于主體對外部的感知，城市的虛擬映像則主要是對主體自身的狀態(tài)描述，企業(yè)則兩者兼具。

以上不同的特點，導致不同類型的主體的虛擬映像具有不同的結構特征。同一類主體的虛擬映像具有相同的基本數(shù)學結構，可以構成基礎性產(chǎn)品用來解決一大類問題，就像關系型數(shù)據(jù)庫那樣。

對于城市這樣由大量各種類型的實體（包括物質的和非物質的）構成的主體，構造其虛擬映像，既有巨大的困難，也有容易之處。困難在于整個系統(tǒng)的高度錯綜復雜，容易則在于對這些實體，我們已經(jīng)有比較豐富完整的、可以利用借鑒的認識。

構建城市的虛擬映像

在建立城市（或城市的一個區(qū)域）的虛擬映像的時候，主要包括以下幾個主要內(nèi)容：

1.相對外部其他環(huán)境，確定映像所反映的主體是誰，確定主體明確的邊界。這是主體相對外部而言的。

2.確定主體內(nèi)部包括哪些類別的實體及實體的粒度，確定出最基本的不在此映像中做進一步分解的實體。基本實體可以構成高層復雜實體，但基本實體不被再分解。實體的最小粒度取決于映像以后可能需要支撐的應用類型。

3.建立實體的多維度描述，即一個實體的映像，包括高層實體分解為基本實體的結構、實體的屬性特征以及實體動態(tài)活動的記錄等。

4.確定不同實體之間的關系。這種關系一類是站在一個實體的視角看到的映像的結構，另一類是站在整體的角度通過對實體之間關系的描述，反映主體整體的某些方面的特征。

5.對超越局部實體的那些主體的整體性特征進行描述。

6.映像的整體結構應該是站在映像之外或映像之上看到的結構，應該是多視角、多維度的。這是映像最為關鍵的宏觀整體結構。

這種方法與軟件設計中的面向對象的方法有許多類似的地方，但它們之間還是有本質差別的。面向對象的軟件設計，局限于某個應用范圍內(nèi)做對象的抽象與描述，目的是支撐應用的實現(xiàn)，是微觀層面的方法 ：建立主體映像，則是對一個完整獨立的主體做內(nèi)部實體的抽象與描述，目的是完成對主體相對準確完整的描述，是超越具體應用之上的宏觀處理。

從另外一個角度來看，主體的虛擬映像是一種對信息/數(shù)據(jù)的管理方式。它不同于傳統(tǒng)的按照應用來管理信息/數(shù)據(jù)的方式，而是按照主體來管理信息/數(shù)據(jù)。因此，它將從根本上改變傳統(tǒng)的信息應用的基本模式，特別是數(shù)據(jù)應用的模式。

由于信息/數(shù)據(jù)按照主體建模的方式來管理，信息/數(shù)據(jù)應用出現(xiàn)了一些變化。首先，信息/數(shù)據(jù)不再是被不同應用割裂的孤島，而是按照主體有機地整合在一起。其次，信息/數(shù)據(jù)按照主體的有機整合，使圍繞主體構建全面服務與這個主體的融合應用成為可能。應用不再僅僅解決痛點問題，而是全面服務于對象。再次，由于信息/數(shù)據(jù)按照主體有機整合，并結合主體的自身內(nèi)在結構，對信息/數(shù)據(jù)的深度挖掘使用成為可能。

基于虛擬映像建設智慧城市

以智慧城市中城市管理系統(tǒng)為例，讓我們一同來看一看用城市虛擬映像構建應用與傳統(tǒng)方法有什么本質的不同。

城市管理系統(tǒng)是由建立在物聯(lián)網(wǎng)之上的各個不同的應用系統(tǒng)構成的。傳統(tǒng)的做法是不同的應用系統(tǒng)通過自己的物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對城市狀況的實時感知，在此基礎上完成對城市運行的有效管理。一個典型的應用系統(tǒng)基本運作過程就是，屬于本系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)感知到的信息/數(shù)據(jù)被實時采集后，計算機將自動對信息/數(shù)據(jù)作處理分析。按照事先設置好的各種條件，一旦發(fā)現(xiàn)某個條件被滿足，系統(tǒng)就會觸發(fā)后續(xù)處理程序。系統(tǒng)將作相應的反應，包括報警、啟動預案等。

這樣的系統(tǒng)，信息/數(shù)據(jù)與應用直接相連，信息/數(shù)據(jù)直接服務于應用。但是，如果仔細分析不難看出，不同的城市管理系統(tǒng)所獲取的信息/數(shù)據(jù)并不是只對自己的應用系統(tǒng)有意義。例如，交通路況信息/數(shù)據(jù)，不僅可以用于交通管理，還可以用于追捕犯罪嫌疑人。如果把這些信息/數(shù)據(jù)整合在一起，就可以構成一個城市的（部分）虛擬映像。所以，城市管理系統(tǒng)可以按照一個新的思路來建設，即將各種物聯(lián)網(wǎng)感知的信息/數(shù)據(jù)集中整合在一起，構成一個城市的（部分）虛擬映像。在這個映像之上，再構建各種城市管理的應用。

當我們以城市這個主體的虛擬映像為基礎來構架城市管理系統(tǒng)的時候，信息/數(shù)據(jù)與應用之間形成了松耦合關系，彼此相對獨立。物聯(lián)網(wǎng)獲取的信息/數(shù)據(jù)，首先被整合為一個城市的虛擬映像，反映城市自身的實際狀況。各種應用建立在虛擬映像之上，并從中獲取自己需要的信息/數(shù)據(jù)加以利用。信息/數(shù)據(jù)與應用之間被適當解耦，正體現(xiàn)了非結構化信息/數(shù)據(jù)應用的基本特征。將信息/數(shù)據(jù)與應用適當解耦，既能保證虛擬映像的穩(wěn)定性，又能保證虛擬映像對應用未來發(fā)展的適應性，使得虛擬映像與應用可以相對獨立地不斷發(fā)展完善，信息/數(shù)據(jù)的利用更加充分，應用的開發(fā)也更加靈活。

這種做法在具體的技術層面會帶來不少好處。例如，信息/數(shù)據(jù)匯集在“城市虛擬映像”層次，減少了信息/數(shù)據(jù)的冗余，有效降低了信息/數(shù)據(jù)的不一致；徹底解除了孤島式/煙囪式應用對于信息/數(shù)據(jù)的鎖定，使每個應用能夠獲得更加完整的信息/數(shù)據(jù)支撐，避免因信息/數(shù)據(jù)集成的需求導致應用的頻繁升級；每個應用的處理結果能夠反映到“城市虛擬映像”中，簡化了應用集成及應用間的交互。更為重要的是，這個虛擬映像不僅可以更加有效地支撐傳統(tǒng)的縱向應用，而且能夠支撐新型的、跨行業(yè)領域的綜合性信息/數(shù)據(jù)應用，如對城市運行狀態(tài)與發(fā)展趨勢的綜合分析、模擬及預測等宏觀層面的信息/數(shù)據(jù)應用。

如果我們把智慧城市中與信息/數(shù)據(jù)相關的應用綜合地考慮進來，以城市虛擬映像為基礎，可以構建一個更加完整的體系。該體系以不同的服務對象為中心，以平臺化的、針對不同對象的全面融合服務為基本特征。整個系統(tǒng)的核心是一個城市比較完整的虛擬映像，包括了組成城市的不同實體和物理及虛擬環(huán)境的描述。在這個映像之上，是基于這個映像的基礎共性服務，如基本的信息/數(shù)據(jù)共享交換、基礎性的信息/數(shù)據(jù)分析等，它們構成了各個應用平臺所謂“大數(shù)據(jù)”應用的基礎。這樣構造出來的體系，將從根本上改變原來應用孤島式的建設方式，使系統(tǒng)成為一個以主體為基礎，以服務對象為核心的有機整體。今天的IT技術已經(jīng)讓這樣的系統(tǒng)建設成為可能。

隨著虛擬世界自身深層結構的逐步形成，主體的虛擬映像將成為它的核心與基礎，在虛擬世界中的信息/數(shù)據(jù)基本應用模式將發(fā)生深刻的變革。新的理念、新的模式、新的方法、新的技術、新的產(chǎn)品、新的服務將陸續(xù)出現(xiàn)，整個產(chǎn)業(yè)將發(fā)生質的變化。