人工智能在智慧城市中的應(yīng)用展望
—— 人工智能與智慧城市觀察（上）

◆ 段文鋒 / 文

智慧城市的發(fā)展是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等現(xiàn)代信息通信技術(shù)(Information Communications Technology, ICT)。國(guó)務(wù)院和國(guó)家相關(guān)部委相繼出臺(tái)了《國(guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃（2014-2020年）》《關(guān)于促進(jìn)智慧城市健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》《“十三五”國(guó)家信息化規(guī)劃》等一系列支持政策和推進(jìn)智慧城市建設(shè)和發(fā)展的規(guī)劃。人類在經(jīng)歷了工業(yè)化、電氣化、信息化三次工業(yè)革命后，即將迎來以智慧化為特征的第四次工業(yè)革命。人工智能作為智慧化的核心技術(shù)，被寫入2017年《政府工作報(bào)告》：一方面要加快培育新材料、人工智能、集成電路、生物制藥、第五代移動(dòng)通信等新興產(chǎn)業(yè)，另一方面要應(yīng)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)加快改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，把發(fā)展智能制造作為主攻方向。2017年7月8日，國(guó)務(wù)院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，標(biāo)志著人工智能正式上升為國(guó)家戰(zhàn)略。習(xí)近平總書記在十九大報(bào)告中再次強(qiáng)調(diào)要推動(dòng)“互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能”的發(fā)展。目前，智慧城市的發(fā)展如火如荼，未來的智慧城市必須融合人工智能技術(shù)，推進(jìn)智慧城市的發(fā)展進(jìn)入全新的智能時(shí)代。

一、人工智能的定義和發(fā)展過程

人工智能(Artificial Intelligence,AI)是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人類智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門科學(xué)，它的研究范圍包括自然語言處理、圖像識(shí)別、專家系統(tǒng)等，涉及數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、語言學(xué)、心理學(xué)等多門學(xué)科，至今已有60多年的發(fā)展歷程。

（一）人工智能1.0時(shí)代（20世紀(jì)50～60年代）

1956年夏天召開的達(dá)特茅斯會(huì)議首次提出和定義了“人工智能”的概念，真正意義上的人工智能浪潮第一次席卷了世界。這時(shí)期的人工智能研究主要應(yīng)用搜索和推理這兩個(gè)主要的工具來解決問題，搜索樹等暴力計(jì)算方法奠定了現(xiàn)代人工智能系統(tǒng)處理信息的基礎(chǔ)。人工智能1.0時(shí)代的很多研究結(jié)論僅僅是停留在理論階段，并沒有得到實(shí)例的驗(yàn)證，但是這些理論為后來的人工智能的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，并且搜索樹與自然語言相結(jié)合的成功掀起了人工智能的第二次發(fā)展浪潮。

（二）人工智能2.0時(shí)代（20世紀(jì)70～80年代）

人工智能研究在20世紀(jì)70年代曾經(jīng)變得蕭條，但隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，80年代Eliza程序的出現(xiàn)再次將人類的目光吸引到人工智能上。人工智能2.0時(shí)代開始出現(xiàn)專家系統(tǒng)，這是一種人工智能系統(tǒng)，將某個(gè)領(lǐng)域大量專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，以編程的方式集中到軟件并存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中去。專家系統(tǒng)可以根據(jù)已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家向人們提供建議。但是，專家系統(tǒng)需要不斷向它灌輸知識(shí)，缺乏快速獲取和更新知識(shí)的途徑，因此人工智能2.0時(shí)代進(jìn)入發(fā)展瓶頸期。

（三）人工智能3.0時(shí)代（20世紀(jì)90年代）

人工智能3.0時(shí)代，結(jié)合各種學(xué)習(xí)方法，通過優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)等方式集成學(xué)習(xí)系統(tǒng)，使得計(jì)算機(jī)對(duì)自然語言的理解獲得更好的效果。因此，機(jī)器學(xué)習(xí)(machine learning, ML)作為人工智能3.0時(shí)代的重要特征越來越受到學(xué)者的重視。機(jī)器學(xué)習(xí)分為有監(jiān)督學(xué)習(xí)和無監(jiān)督學(xué)習(xí)，其中涉及各式各樣的分類方法，經(jīng)典算法有決策樹法、正則化法、樸素貝葉斯算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。雖然人工智能3.0時(shí)代機(jī)器學(xué)習(xí)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但計(jì)算機(jī)如何自己選擇合適的特征量成了人工智能繼續(xù)發(fā)展的又一道難題。

（四）人工智能4.0時(shí)代（21世紀(jì)～）

2006年，杰弗里?希爾頓(Geoffrey Hinton)提出了深度學(xué)習(xí)(Deep Learning, DL)概念，即模擬人腦分析學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，屬于無監(jiān)督學(xué)習(xí)的一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法。深度學(xué)習(xí)的重點(diǎn)在于深度，它比機(jī)器學(xué)習(xí)更看重縱向傳輸，即在某個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深度計(jì)算，找到輸入點(diǎn)到輸出點(diǎn)的最長(zhǎng)路徑。互聯(lián)網(wǎng)將世界徹底連接到一起，也讓海量數(shù)據(jù)的獲取成為可能，深度學(xué)習(xí)正是依托這些海量數(shù)據(jù)尋找特征量，建立學(xué)習(xí)模型，讓人類開始進(jìn)入人工智能4.0時(shí)代。

當(dāng)下，我國(guó)人工智能技術(shù)的發(fā)展和研究與國(guó)外基本同步，在算力、數(shù)據(jù)上都沒有差距甚至要優(yōu)于國(guó)外，但是在算法的研究上與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有一定的差距，需要加大人力和財(cái)力的投入，進(jìn)一步加強(qiáng)作為基礎(chǔ)研究的算法研究。

二、智慧城市發(fā)展趨勢(shì)

（一）“互聯(lián)網(wǎng)+”成為智慧城市助推器

2015年3月5日，李克強(qiáng)總理在政府工作報(bào)告中首次提出“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃。智慧城市作為連接供給兩側(cè)的生命體，一端連接著與城市息息相關(guān)的人民群眾，另一端連接著與城市休戚與共的管理部門。因此，智慧城市涉及的服務(wù)非常廣泛，需要處理各種信息，每一項(xiàng)服務(wù)系統(tǒng)都涉及信息的感知、傳輸和分析決策。“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)以行業(yè)應(yīng)用為切入點(diǎn)，通過開放互聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)合作的模式加速智慧城市的發(fā)展，利用互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展帶來的紅利和優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)和促進(jìn)智慧城市的發(fā)展全面邁上新的臺(tái)階。

（二）PPP成智慧城市運(yùn)營(yíng)新模式

目前，智慧城市的運(yùn)營(yíng)一般有四種模式：①政府投資和運(yùn)營(yíng)，企業(yè)僅參與建設(shè)；②政府與企業(yè)合資并一起建設(shè)與管理；③政府僅統(tǒng)籌規(guī)劃，企業(yè)投資建設(shè)；④企業(yè)負(fù)責(zé)建設(shè)運(yùn)營(yíng)，政府、公眾購(gòu)買服務(wù)。智慧城市是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到政府、企業(yè)、民眾等多元主體，需要大量資金和技術(shù)投入。智慧城市的發(fā)展模式趨向由早期的政府作為單一的投資主體轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚴袌?chǎng)多渠道獲取多元化投資。在眾多的模式中，政府和社會(huì)資本合作(public-private partnership, PPP)模式已成為投資、融資的主流。根據(jù)智慧城市項(xiàng)目?jī)?nèi)容和特點(diǎn)，整合社會(huì)資源，優(yōu)化社會(huì)資本，激發(fā)和引導(dǎo)民間的投資熱情，讓更多的社會(huì)資金和力量投入到智慧城市的發(fā)展中來。

（三）信息安全成智慧城市戰(zhàn)略重點(diǎn)

智慧城市實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)互通、信息共享、決策智能，但同時(shí)具有的信息開放性特點(diǎn)也增加了智慧城市的信息安全風(fēng)險(xiǎn)。信息安全輔助智慧城市的發(fā)展，具有支撐作用。如何對(duì)信息系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，如何強(qiáng)化信息系統(tǒng)安全監(jiān)控平臺(tái)的建設(shè)，將是整個(gè)智慧城市發(fā)展的重中之重。2016年3月，全國(guó)人大通過《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》，提出加強(qiáng)現(xiàn)代信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。2017年6月1日《中華人民共和國(guó)網(wǎng)絡(luò)安全法》正式實(shí)施，明確了對(duì)關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行的要求。這些法律法規(guī)的頒布和實(shí)施，為智慧城市的信息安全保障提供了法律基礎(chǔ)，也必將為智慧城市的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

三、人工智能在智慧城市發(fā)展中的滲透

當(dāng)前，人工智能發(fā)展處于4.0階段，通過深度學(xué)習(xí)算法使機(jī)器模擬人類的智能。習(xí)近平總書記在十九大報(bào)告中指出，要“深化供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革”，“加快人工智能和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合”。智慧城市作為連接供給兩側(cè)的生命體，深度融合人工智能發(fā)展大致包括下面幾個(gè)方面。

（一）“吃”的方面

人們吃的食物涉及種植、制作和用餐的過程。在種植方面，可以通過人工智能系統(tǒng)，在無人培養(yǎng)基地對(duì)蔬菜、糧食等實(shí)現(xiàn)智能控制溫度、控制水分、控制養(yǎng)分、控制環(huán)境等，并根據(jù)條件和環(huán)境的不同及時(shí)調(diào)整變量參數(shù)，實(shí)現(xiàn)智能、高效的種植過程，節(jié)省大量的資源；可以利用人工智能系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)食材情況，及時(shí)調(diào)整保存環(huán)境；機(jī)器也可以預(yù)先調(diào)節(jié)參數(shù)幫助人們切菜、炒菜，烤面包等，減輕人的負(fù)擔(dān)，甚至在用餐的過程中，也可以實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人的配餐、送餐和智能調(diào)節(jié)環(huán)境，給人的生活體驗(yàn)帶來滿足感。

（二）“穿”的方面

可穿戴設(shè)備和人工智能技術(shù)的融合給人們的生活帶來了新的科技體驗(yàn)和生活便利。智慧城市要實(shí)現(xiàn)透徹、全面的感知，需要強(qiáng)調(diào)感知對(duì)象的豐富性，具體到包括個(gè)人生理、群體活動(dòng)等。通過可穿戴設(shè)備的使用，人們既可以將自己當(dāng)作感知系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，又可以及時(shí)方便地和其他節(jié)點(diǎn)相聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)無時(shí)不在的全面體驗(yàn)。不僅如此，人工智能還可以對(duì)個(gè)人的穿衣搭配給出建議，結(jié)合不同的時(shí)裝給出個(gè)性化的建議，使得每個(gè)人都能擁有自己的專屬造型師，為人們的生活帶來個(gè)性化和幸福感。

（三）“住”的方面

家庭是個(gè)人生活的一個(gè)重要場(chǎng)所，智能家居可以為個(gè)人提供定制化、主動(dòng)式的服務(wù)。通過物聯(lián)網(wǎng)，人們可以全面感知家中的環(huán)境和其他需要監(jiān)測(cè)對(duì)象的情況，了解家中發(fā)生的一切，可以遠(yuǎn)程控制家庭智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)諸如打開空調(diào)、放好洗澡水等功能；當(dāng)人在家時(shí)，家里每個(gè)家具可以通過Zig Bee等技術(shù)相互連接，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)諸如冰箱的自動(dòng)訂貨、食物過期預(yù)警等功能。可以說，人工智能技術(shù)為人們提供了一個(gè)清新的生活環(huán)境，提升了住房的舒適性。

（四）“行”的方面

隨著城市人、車和路的矛盾日益突出，以人工智能為核心的智慧交通系統(tǒng)(intelligent traf fi c system,ITS)幫助實(shí)現(xiàn)了高效交通管理。美國(guó)的谷歌公司、我國(guó)的百度公司以及清華大學(xué)等企業(yè)和單位都在研究基于人工智能系統(tǒng)的無人駕駛汽車，世界上其他很多公司、企業(yè)都在投入巨額經(jīng)費(fèi)研究無人駕駛智能系統(tǒng)，例如已經(jīng)被Intel收購(gòu)的MOBILEYE系統(tǒng)。在道路交通方面，人工智能系統(tǒng)可以根據(jù)道路交通情況，協(xié)調(diào)人、車和路整個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息的及時(shí)調(diào)整，規(guī)劃道路的交通，例如紅綠燈的智能轉(zhuǎn)換等。人工智能在交通出行方面的應(yīng)用，給人們的生活帶來真正的便利。

四、人工智能在智慧城市發(fā)展中的展望

智慧城市的核心是用一種更加智能的辦法實(shí)現(xiàn)人與系統(tǒng)、人與人、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的交流，在“全面感知”、“安全傳遞”的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)“智能處理”。智慧不僅僅體現(xiàn)在透徹的感知系統(tǒng)，最重要和核心的是更加全面和深入地實(shí)行智能化處理。

通過先進(jìn)感知設(shè)施的連接，智慧城市感知的海量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，安全可靠傳遞，使所感知的數(shù)據(jù)充分整合起來形成具有海量數(shù)據(jù)的大系統(tǒng)。人工智能可以基于海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，洞察數(shù)據(jù)背后的規(guī)律，以可視化、可交互方式為人們提供智能決策。這種海量數(shù)據(jù)系統(tǒng)的智能處理一方面使智慧城市的系統(tǒng)和單元有序、有效地發(fā)揮各自的作用，解決目前普遍存在的“信息孤島”現(xiàn)象；另一方面，智能決策的綜合集成、人性化的服務(wù)和體驗(yàn)感知可以幫助實(shí)現(xiàn)智慧城市讓人類生活更美好、更幸福的目標(biāo)。例如，基于交通管理系統(tǒng)感知和獲取的大數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)模型分析交通數(shù)據(jù)時(shí)間序列，對(duì)不同的道路交通狀況加以預(yù)測(cè)，以便交通部門及時(shí)調(diào)整管理手段，提升公眾普通出行的滿意度。

同時(shí)，智慧城市還應(yīng)該將人工智能領(lǐng)域最新的技術(shù)和應(yīng)用場(chǎng)景，例如智能語音識(shí)別、智能圖像識(shí)別、智能自然語言處理等，更好地融入到智慧城市的發(fā)展中去，實(shí)現(xiàn)人和城市之間的交流和互動(dòng)，既讓人感知到智慧城市帶來的生活便利，也讓城市更好地感知人類、理解人類，相互之間實(shí)現(xiàn)自然互動(dòng)。在弱人工智能到強(qiáng)人工智能的發(fā)展過程中，智慧城市始終要利用人工智能的嶄新技術(shù)，讓人們的生活更便捷、更舒適、更幸福。

五、結(jié)語

隨著城市發(fā)展不斷深化和人民生活需求日益提高，城市智慧化的需求越來越強(qiáng)烈。智慧城市的發(fā)展不僅需要公眾意識(shí)的提高，還需要借助最新的信息技術(shù)。隨著人工智能技術(shù)的進(jìn)步，人工智能必然會(huì)與智慧城市更加深入地融合，改變城市生產(chǎn)方式和人們的生活方式，造福整個(gè)人類。

（略）