智慧城市的技術與挑戰探討

姚傳山 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

1 背景介紹

據聯合國統計，全世界居住在城市地區的人口已從1950年的30%（7.51億）急劇增加到2018年的55%（42億）。據估計，到2050年，全球68%（69億）的人口將集中在城市中心，這一趨勢可能會持續下去。城市化的城市利用規模經濟成為集中社會、經濟和政治力量的創新中心。它還導致許多復雜的城市挑戰，例如犯罪、交通擁堵、廢物產生、水和能源需求高、空氣和噪聲污染、獲得醫療保健、住房和教育的機會不平等以及財富不平等。為了應對城市化所帶來的巨大挑戰，“智慧城市”已成為一種普遍的概念，既可以解決城市和經濟增長的問題，又可以解決這種增長所帶來的環境和社會問題。

雖然已經有許多關于智慧城市的文章和報告，但關于什么是智慧城市的普遍定義尚未形成廣泛共識。大多數定義的共同主題是利用信息和通信技術（ICT）作為支持城市發展、增強城市服務的推動者，增加利益相關者獲取信息的機會。利用這一主題作為一個定義要素，智慧城市正在全球迅速崛起，在全市范圍內投資于信息和通信技術，以推動技術創新，支持新興產業的發展，刺激更強勁的經濟，保持可持續的環境，并提高市民的生活質量。據悉，目前全球有1000多個智能城市項目在建。例如，中國的智慧城市試點項目已從2012年的90個城市發展到今天的500多個城市。在美國，政府機構啟動了一系列以可再生能源、能源效率、廢水和水管理、交通和流動、社區復原力為中心的高效益智慧城市項目、農業和制造業。最近的一項調查顯示，美國有100多個城市正在積極參與智慧城市項目。城市，無論大小，都在競相變得智能和可持續，通常在其官方網站上展示其智慧城市愿景和投資重點，以吸引市民和企業。

智慧城市解決方案的市場機會無疑是巨大的，但同樣復雜。所有形式的數字技術都在為各種智慧城市項目大肆宣傳。示例包括互聯網技術（例如，光纖，5G），傳感器（例如，攝像頭，LiDAR），虛擬/增強現實，云服務（例如，分析）和融資（例如區塊鏈）。通過數字化連接，智慧城市結合了來自建筑環境和人員的各種數據集，以查明城市需求，制定有效管理資產和資源的戰略以及優化運營和服務。到2022年，智慧城市項目的支出預計將增長到1580億美元。全球對智能城市的熱情使一些人甚至估計到2026年市場潛力將達到3.5萬億美元。科技公司，例如英特爾、思科、IBM、Verizon、通用電氣、愛立信、西門子、西門子、Alphabet、阿里巴巴、百度和騰訊都渴望將其公司敘述與智慧城市解決方案保持一致。例如，大量的電視廣告、印刷廣告和公司網站都使用智慧城市來突出其核心技術和解決方案。這些無疑增加了公眾對智慧城市的認識。但是，這是一把雙刃劍，他們可能還會夸大公眾對智慧城市的期望，而又無法充分反映出新智慧城市解決方案引入的一些社會關注問題。

本文的目的是有選擇地回顧智慧城市領域的技術趨勢，并討論智慧城市采用者將不可避免地面臨的許多挑戰。

2 智慧城市技術示例

利用創新來解決城市問題的愿望并不新鮮，許多例子可以追溯到古代。在21世紀的背景下，信息通信技術、固態傳感器的快速發展和計算能力的指數增長，都加速了過去20年在城市中的技術部署。許多文章和出版物都是關于智能城市技術以及它們如何應用于解決之前強調的廣泛的城市問題。由于不可能詳盡無遺，本文的目的不是回顧智能城市技術的所有進展，而是提供一些示例，說明這些技術的一些典型應用。

對于城市來說，最常被引用的問題可能與交通、環境可持續性、能源和自然資源保護、醫療和教育有關。為了緩解交通擁堵，提高公共安全，許多城市正在試驗各種技術，如智能停車系統和交通信號實時響應用戶需求。智能手機應用程序現在可以幫助查找、預訂和支付停車位。安裝在街道和交叉口的傳感器和攝像機用于監控交通，而收集的道路狀況數據用于幫助交通控制，并在必要時加快應急響應。城市正朝著為道路和公路配備路邊連接的方向發展，以提出旨在減少交通、改善公共安全和促進應急服務的解決方案。

電動汽車以及配備了連通性和自動駕駛系統的汽車的到來，在交通和出行領域引起了公眾的極大興趣。車輛的電氣化也將運輸系統與電網連接起來，使車輛成為智能電網中的存儲元素。而且將連通性和傳感技術集成到交通基礎設施系統中也被認為是智慧城市的首要任務。智能出行技術有潛力改變未來城市的交通格局，促進就業和經濟增長，并支持環境和節能。

在環境可持續性和能源保護領域，有關將“智慧”特性納入廢物、水和能源系統的倡議已被廣泛報道。例如，裝有自動壓路機和無線傳感器的智能插座可以提高廢物收集能力，并提醒收集器更好地進行服務管理。同樣，智能水表為居民提供直接和實時的用水反饋，而智能水管理系統正被用于城市環境中，以抗旱和加強綠色基礎設施。除了鼓勵采用可再生能源系統外，智能能源管理還可以利用從傳感器收集的數據來監測能源使用情況，預測用戶需求，并向用戶提供反饋，間接影響他們采用節約能源的做法，公用事業公司可以快速響應不斷變化的消費者需求，改善對電網可再生資源的管理，并促進緊急響應，以便在停電期間恢復服務。

隨著城市數字化連接的日益緊密，教育機構和醫療保健提供者可以利用ICT來改善其服務的提供。例如，在教育中，在線輔導、自適應學習幫助和協作學習平臺的出現在很大程度上是由于高速互聯網通信的出現。通過將增強現實與虛擬學習相集成，現在可以提供教育內容，以便在在線學習平臺中也包括現實世界的體驗式學習。在醫療保健領域，遠程醫療和遠程醫療服務（例如，家庭遠程患者監視以及臨床醫生與患者之間通過手機，平板電腦或臺式計算機進行的視頻會議）正在興起。確實，智能健康信息平臺和醫療應用程序將促進遠程連接的家庭護理服務。隨著人口老齡化的增長，智能健康信息平臺和醫療應用技術不僅可以促進遠程連接的家庭護理，而且可以改變游戲規則，幫助醫生預防疾病，促進健康并改善生活質量。

3 面臨的一些挑戰

可以肯定的是，智慧城市技術將從根本上改變社會的面貌：好的和壞的。隨著城市越來越多地配備傳感器和數字連接，人們希望服務提供商能夠利用收集到的城市數據，在促進可持續性和安全性的同時，更好地最大限度地利用有限的資源。這就引出了一個問題：智能城市解決方案的意外（負面）后果是什么，如何最好地緩解這些后果？

對于當前的數字技術現狀，最常見的挑戰之一可能是與網絡安全和隱私相關的風險。盡管安全的挑戰并不是新的挑戰，但新的挑戰是公共資產與網絡的連接迅速擴展，從而增加了與網絡攻擊相關的風險。隨著網絡犯罪和數據盜竊的增加，智慧城市必須準備好應對所有安全威脅。否則，智慧城市的弊端將很快超過其優勢。最近對政府機關（以及學校和企業）的“勒索軟件”攻擊強烈提醒人們，城市在連接和數字化時面臨著風險。

隨著城市在街道、高速公路和公共聚集區安裝了傳感器和攝像頭，這些技術也帶來了自身的弱點。同樣，不良行為者可能會破壞薄弱的安全防御，故意讓這些傳感器提供“不良”數據和錯誤信息，以欺騙系統的全球控制。即使是簡單的傳感器信息竊聽也會暴露出可能被不法分子利用的物理漏洞。這些趣聞軼事都得出了同樣的結論：智能城市的每一個功能要素都必須確保安全，而與安全漏洞相關的風險則必須被充分界定。

雖然與智能城市相關的傳感器和信息平臺收集的數據將為社區成員帶來許多好處，但這些好處的成本可能會損害隱私和公平。近年來，公眾對如何在公共領域正確使用面部識別技術的爭論日益激烈。一方面，利用攝像機跟蹤公眾，識別面部特征，可以增強公共安全。一些被引用的好處包括減少交通擁堵、抓捕罪犯和威懾違法者。然而，有人仍然擔心這些技術對他們隱私的影響。因而，圍繞這些復雜問題的討論是必要的，并將使社區能夠以符合其文化和價值觀的方式尋求智慧城市解決方案。最終，在一些棘手的問題上達成共識，比如這些數據應該保留多久，在什么情況下（如果有的話）應該允許公共數據由誰使用，何時（如果有的話）應該允許機器學習等數字技術做出法律決定？隱私和公平的問題甚至超越了數據。在智能城市數據上執行的分析同樣復雜，以便與社區的價值觀相協調。

當私人實體參與智慧和可持續的城市發展時，數據隱私問題也遠遠超出了政府的范疇。收集哪些數據以及如何使用和保護這些數據是需要在智能城市項目中協調解決的最緊迫的問題。公共政策通常涉及冗長的審議，涉及到各種各樣的城市利益相關者。但是，私人政策往往步伐較快，可能不足以在繼續進行之前征求各種觀點。高科技公司領導的許多備受矚目的項目因缺乏公眾參與和決策透明性而受到批評，這些決策對于如何通過傳感器和智慧城市解決方案公開公共隱私至關重要。無論項目負責人是公共實體還是私人實體，人們普遍認為，早于當前技術前景的當前一組隱私保護措施可能不足以完全解決智慧城市技術帶來的潛在風險。正確和合法地使用智慧城市技術對公民和決策機構都構成了真正的挑戰。

在智慧城市項目中經常被忽略的另一個挑戰是，緊張的物理基礎設施系統是許多智慧城市解決方案的基礎（例如，新的交通服務仍依賴于道路建設）。對傳感和數字連接的公共投資也可能需要對急需更新的物理基礎設施進行再投資。而矛盾的是，如果街道上滿是坑坑洼洼，水被污染物污染，橋梁瀕臨倒塌，一座城市就不會那么“智慧”。不過，這些棘手的問題有一些非常令人興奮的答案。例如，智能基礎設施很可能會鼓勵更多的私人投資進入物理基礎設施領域。有關研究已經開始探索將基礎設施投資標記化的方法，同時探索基于數據智能基礎設施為基礎設施所有者創造收入流的新方法。

4 結語

數字技術在其轉型中起主要作用的智慧城市無疑將成為城市居住的未來。本文回顧了智慧城市項目中的技術趨勢樣本，并討論了有關網絡安全，網絡隱私和基礎設施投資的一些挑戰。城市化是智慧城市的前提，有利于推動創新和經濟發展，而城市發展也對社區的社會和文化方面產生了重大影響。工程師和智慧城市開發者需要深入了解智慧系統以及相關的收益和風險。理想情況下，智慧城市不僅是一個擁抱技術和經濟增長的地方，而且是一個人文、生態無害且宜居的城市。