5G智慧城市框架體系研究

朱惠斌

(中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518001)

國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)IBM)研究機(jī)構(gòu)于2008年首次提出“智慧星球”(Smart Planet)的概念，引導(dǎo)世界范圍開(kāi)展對(duì)智慧城市與物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的廣泛研究(1)朱惠斌、溫亮：《城域無(wú)線(xiàn)通信基礎(chǔ)設(shè)施體系及趨勢(shì)探索》，《信息通信》2020年第4期。。美國(guó)已將物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略提升為國(guó)家重點(diǎn)戰(zhàn)略，歐盟已制定促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃并組織召開(kāi)多次智慧城市區(qū)域發(fā)展會(huì)議，設(shè)定技術(shù)政策和商業(yè)需求指引。東亞國(guó)家將物聯(lián)網(wǎng)上升至國(guó)家重點(diǎn)戰(zhàn)略范圍。其中，日本U-Japan項(xiàng)目將物聯(lián)網(wǎng)作為四項(xiàng)重點(diǎn)戰(zhàn)略領(lǐng)域之一，韓國(guó)IT839戰(zhàn)略將物聯(lián)網(wǎng)作為三大基礎(chǔ)建設(shè)重點(diǎn)之一并提出建設(shè)U-city試點(diǎn)目標(biāo)。物聯(lián)網(wǎng)已成為世界新一輪經(jīng)濟(jì)科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

根據(jù)《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》和《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》，我國(guó)在《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃(2011-2015)》就明確了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)體系、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、骨干企業(yè)、規(guī)劃布局、安全保障和公共服務(wù)層面發(fā)展重心，部署關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新工程、標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)工程、重點(diǎn)領(lǐng)域示范工程和公共服務(wù)平臺(tái)工程，建立政策法規(guī)、財(cái)稅支持、技術(shù)合作和人才培養(yǎng)的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)措施。

智慧城市是提高城市運(yùn)營(yíng)效率、應(yīng)對(duì)城市收縮的重要策略(2)朱惠斌：《我國(guó)城市收縮問(wèn)題研究》，《山東行政學(xué)院學(xué)報(bào)》2020年第1期。。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)城市通過(guò)信息溝通科技建構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)系統(tǒng)，以創(chuàng)新經(jīng)濟(jì)和信息經(jīng)濟(jì)形成新型戰(zhàn)略發(fā)展驅(qū)動(dòng)。對(duì)于智慧城市研究普遍存在以下特點(diǎn)：(1)重點(diǎn)關(guān)注信息產(chǎn)業(yè)比重。信息產(chǎn)值比重提升是社會(huì)發(fā)展的顯著趨勢(shì)，但智慧城市內(nèi)涵遠(yuǎn)不止信息產(chǎn)業(yè)。(2)重點(diǎn)關(guān)注基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。由于智慧城市概念為企業(yè)首次提出，企業(yè)往往將基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與智慧城市發(fā)展理念相關(guān)聯(lián)。(3)涵蓋城市系統(tǒng)多，但導(dǎo)向不夠明確，未能明確具體抓手。從以上分析可以看出，相關(guān)研究多探討理念愿景、模型方法、問(wèn)題對(duì)策、信息技術(shù)等方面，較少涉及智慧城市的特征、驅(qū)動(dòng)機(jī)制和影響因素。

本文試圖通過(guò)文獻(xiàn)研究結(jié)合具體實(shí)踐，提出5G智慧城市系統(tǒng)的基本框架體系。智慧城市發(fā)展需關(guān)注城市作為樞紐，加強(qiáng)與周邊地區(qū)聯(lián)系，共同構(gòu)筑區(qū)域合作體系(3)朱惠斌：《粵港澳大灣區(qū)金融產(chǎn)業(yè)空間格局與分異探討》，《嶺南學(xué)刊》2019年第6期。，否則智慧城市易成為信息網(wǎng)絡(luò)孤島。區(qū)域合作體系應(yīng)以核心技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)制訂和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程為主要構(gòu)成部分(4)朱惠斌：《粵港澳大灣區(qū)視角下的深圳城際關(guān)系研究》，《深圳社會(huì)科學(xué)》2019年第6期。。從智慧城市的定義出發(fā)，以機(jī)構(gòu)、科技和個(gè)人為主要研究視角，探討基礎(chǔ)設(shè)施和科技服務(wù)整合、機(jī)構(gòu)提升和市民參與的治理模式，對(duì)我國(guó)新型城鎮(zhèn)化發(fā)展和城市發(fā)展質(zhì)量提升具有緊迫性和必要性。

一、智慧城市系統(tǒng)的起源與發(fā)展

(一)智慧城市理念演進(jìn)

智慧城市并非新創(chuàng)造的概念，數(shù)碼城市(Digital City)、智能城市(Intelligent City)、有線(xiàn)城市(Wired City)、移動(dòng)城市(Hybrid City)、信息型城市(Information City)、創(chuàng)新城市(Creative City)、學(xué)習(xí)型城市(Learning City)、知識(shí)型城市(Knowledge City)、智慧社區(qū)(Smart Community)等概念均與智慧城市有關(guān)聯(lián)。對(duì)智慧城市理念的解讀中，最具代表性和影響力的是IBM研究機(jī)構(gòu)。IBM研究機(jī)構(gòu)將智慧城市概括為技術(shù)裝備、信息聯(lián)系和科技整合系統(tǒng)。技術(shù)裝備指虛擬傳感器形成的真實(shí)事件和真實(shí)世界的數(shù)據(jù)來(lái)源，數(shù)據(jù)可通過(guò)多種流程和系統(tǒng)形成聯(lián)系。智慧城市將信息融入物質(zhì)基礎(chǔ)設(shè)施以提升便捷性、流動(dòng)性和傳輸效率，實(shí)現(xiàn)信息交互聯(lián)系，通過(guò)分享數(shù)據(jù)形成企業(yè)間多領(lǐng)域合作。城市各子系統(tǒng)包括交通、能源、教育、健康醫(yī)療、建筑、基礎(chǔ)設(shè)施、食物、水體和公共安全等領(lǐng)域，科技整合包括數(shù)碼通信網(wǎng)絡(luò)、置入科技、傳感器和軟件，通過(guò)科技整合實(shí)現(xiàn)城市各子系統(tǒng)間有機(jī)聯(lián)系。

表1 智慧城市的定義

(二)智慧城市實(shí)踐發(fā)展歷程

由IBM、CISCO研究機(jī)構(gòu)和智慧社區(qū)論壇(ICF)等報(bào)告可知，全球范圍內(nèi)正在推動(dòng)多個(gè)智慧城市項(xiàng)目建設(shè)(5)Falconer G，Mitchell S.，“Smart City Framework：A Systematic Process for Enabling Smart+Connected Communities”. Cisco Internet Business Solutions Group(IBSG)，2012，pp.22-24.。為促進(jìn)智慧城市發(fā)展，歐洲愛(ài)沙尼亞首都開(kāi)發(fā)大規(guī)模信息科技配套項(xiàng)目，普及電子政務(wù)平臺(tái)和智慧身份證應(yīng)用。北美地區(qū)雖未制定區(qū)域規(guī)劃系統(tǒng)和聯(lián)系會(huì)議制度，但民間和政府層面對(duì)智慧城市建設(shè)均有鼓勵(lì)措施。加拿大魁北克等城市通過(guò)企業(yè)權(quán)屬改革支持增長(zhǎng)中的科技企業(yè)，美國(guó)加利福尼亞州利維賽等市以提升信息流動(dòng)便捷度、改善老化電子基礎(chǔ)設(shè)施為措施，提出“提升政府、商業(yè)和居民的信息科技和工作效率”的發(fā)展愿景，促進(jìn)智慧城市可持續(xù)發(fā)展。亞洲地區(qū)中國(guó)臺(tái)灣桃園以航空大都市為發(fā)展目標(biāo)，推動(dòng)系列政府項(xiàng)目(E-桃園、M-桃園和U-桃園)；南京等地率先提出建設(shè)智慧城市的發(fā)展愿景，深圳等地則提出建設(shè)大數(shù)據(jù)時(shí)代基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展策略。

表2 全球智慧城市

二、5G智慧城市框架體系

(一)5G智慧城市系統(tǒng)核心技術(shù)

信息技術(shù)是智慧城市的基礎(chǔ)要素，智慧城市系統(tǒng)核心技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)通信和人工智能技術(shù)，涵蓋設(shè)備商、運(yùn)營(yíng)商和研發(fā)中心等機(jī)構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物與人的系統(tǒng)互聯(lián)，主要通過(guò)射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)(GPS)等信息傳感設(shè)備，按約定協(xié)議把物品與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。云計(jì)算和大數(shù)據(jù)時(shí)代，終端使用者不需了解技術(shù)細(xì)節(jié)或?qū)I(yè)知識(shí)，只需關(guān)注自己需要的資源類(lèi)型，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲得相應(yīng)服務(wù)來(lái)解決社會(huì)發(fā)展所帶來(lái)的巨量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理問(wèn)題。移動(dòng)通信指移動(dòng)設(shè)備和固定設(shè)備系統(tǒng)間的無(wú)線(xiàn)通信，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)和遠(yuǎn)程設(shè)備間的無(wú)線(xiàn)連接，包括5G移動(dòng)通訊技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感技術(shù)等。人工智能應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬人類(lèi)智能行為，包括知識(shí)獲取和智能推理等，已被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人的控制系統(tǒng)、決策系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)中。智慧城市系統(tǒng)是各種技術(shù)的集成創(chuàng)新應(yīng)用，四大核心系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信技術(shù)作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，云計(jì)算作為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式，人工智能技術(shù)則作為具體應(yīng)用系統(tǒng)，用于公共需求和營(yíng)利需求，以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，為城市居民提供多層次服務(wù)內(nèi)容。

(二)5G智慧城市系統(tǒng)重要組件

表3 智慧城市核心組件

智慧城市包括智慧交通、智慧環(huán)境、智慧醫(yī)療、智慧能源、智慧教育、智慧安全和其他領(lǐng)域。學(xué)者對(duì)智慧城市的理解包括多個(gè)層面，但核心是任何人可在任何區(qū)位獲得各種信息和實(shí)現(xiàn)交流。通過(guò)文獻(xiàn)研究，可總結(jié)出智慧城市系列基礎(chǔ)要素，主要包括機(jī)構(gòu)組件(空間管治、空間政策和空間法規(guī))、科技組件(硬件和軟件的多種基礎(chǔ)設(shè)施)以及個(gè)人組件(創(chuàng)新性、多樣化和文化教育)。

20世紀(jì)90年代智慧社區(qū)運(yùn)動(dòng)致力于拓展信息科技，其參與者、機(jī)構(gòu)管治組織協(xié)同努力使用信息科技促進(jìn)城市轉(zhuǎn)型。智慧社區(qū)指“基于開(kāi)放產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，迎合政府、雇員、市民和商業(yè)需求的創(chuàng)新服務(wù)，整合社區(qū)信息基礎(chǔ)設(shè)施”，其目標(biāo)在于創(chuàng)造城市居民的信息共享合作平臺(tái)。智慧城市是智慧社區(qū)的高階發(fā)展模式，通過(guò)大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，實(shí)現(xiàn)城市范圍內(nèi)各政府機(jī)構(gòu)、社會(huì)組織和企業(yè)組織間的快速聯(lián)系，將信息通過(guò)設(shè)備傳遞到公共資源與網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)居民工作和生活等主要活動(dòng)在線(xiàn)上完成。智慧城市具有人口、商業(yè)和政府間多重復(fù)合的社會(huì)聯(lián)系。創(chuàng)新性通常被認(rèn)為是智慧城市發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力，創(chuàng)新性人才、文化教育和知識(shí)溢出效應(yīng)對(duì)智慧城市具有重要影響作用，智慧城市是學(xué)習(xí)型城市，尤其重視教育、文化和商業(yè)間融合。

三、5G智慧城市系統(tǒng)基本研究框架

(一)智慧城市傳統(tǒng)研究框架

智慧城市傳統(tǒng)研究框架包括機(jī)構(gòu)、業(yè)務(wù)、運(yùn)輸、通訊、水和能源六個(gè)方面，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包括社會(huì)信息化程度評(píng)估和信息科技經(jīng)濟(jì)評(píng)估兩種。其中，社會(huì)信息化程度評(píng)估起源于日本，各國(guó)相繼從日本引入指標(biāo)體系并應(yīng)用。信息科技經(jīng)濟(jì)評(píng)估則應(yīng)用宏觀經(jīng)濟(jì)分析方法，借鑒波拉特和馬克魯普為代表的信息經(jīng)濟(jì)學(xué)派方法。

(二)5G智慧城市系統(tǒng)研究框架

5G智慧城市系統(tǒng)研究結(jié)合全球城市指數(shù)設(shè)施(The Global City Indicators Facility，GCIF)、美好生活質(zhì)量調(diào)查(Mercer Quality of Living Survey)和綠色城市指數(shù)(Green City Index)等國(guó)際量化指標(biāo)，對(duì)智慧城市(Smart Cities，IBM研究機(jī)構(gòu)提出)或智慧社區(qū)(Smart+Connected Communities，S+CC，CISCO研究機(jī)構(gòu)提出)進(jìn)行多維度評(píng)估。其中，IBM智慧城市研究目標(biāo)指出智慧城市建設(shè)需政府、市民和科研機(jī)構(gòu)等組織進(jìn)行通力合作。城市通過(guò)信息溝通科技(ICT)應(yīng)用以提升城市運(yùn)轉(zhuǎn)效率、減少市民生活成本和提升市民生活質(zhì)量。

在IBM研究機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上，CISCO互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)研究組(IBSG)提出較完善的智慧城市研究框架。目前世界過(guò)半人口居住于城市，對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施(交通、住房、水電和城市服務(wù))造成大規(guī)模壓力。CISCO提出的智慧城市框架(Smart City Framework)指出需重新定義城市目標(biāo)、理解城市信息要素的重要性，創(chuàng)建城市數(shù)據(jù)庫(kù)。

(三)5G智慧城市系統(tǒng)研究方法

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)智慧城市系統(tǒng)的研究方法集中于物聯(lián)網(wǎng)層面。在物聯(lián)網(wǎng)研究基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出以智慧經(jīng)濟(jì)、智慧人口、智慧管理、智慧設(shè)施、智慧環(huán)境和智慧居住為基礎(chǔ)的智慧城市研究方法。5G智慧城市的研究除沿用信息化傳統(tǒng)研究?jī)?nèi)容外，還需新增智慧城市數(shù)據(jù)庫(kù)，新傳感技術(shù)、智力決策支持模型等研究?jī)?nèi)容。

表4 5G智慧城市系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容

智慧城市系統(tǒng)研究參與主體包括政府管理機(jī)構(gòu)、社會(huì)監(jiān)督機(jī)構(gòu)、法規(guī)制定機(jī)構(gòu)、地塊開(kāi)發(fā)商和運(yùn)營(yíng)者。其中，政府管理機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)公共政策制定和資源配置。社會(huì)監(jiān)督機(jī)構(gòu)包括非盈利組織和大學(xué)科研機(jī)構(gòu)等，負(fù)責(zé)提供公共資訊和技術(shù)支持。法規(guī)制定機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)信息標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)配額指標(biāo)的編制和判定。開(kāi)發(fā)商負(fù)責(zé)基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃、建設(shè)和維修。運(yùn)營(yíng)者則負(fù)責(zé)基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營(yíng)、維修和補(bǔ)充等需求。

5G智慧城市系統(tǒng)需以跨行政區(qū)間信息融合為基礎(chǔ)，否則城市將成為僅能處理自身信息的孤島。全球化進(jìn)程正促進(jìn)區(qū)域融合發(fā)展。歐盟和北美創(chuàng)造跨國(guó)合作，以促進(jìn)中央政府和地方政府不同法規(guī)制度間的對(duì)接服務(wù)，同時(shí)增強(qiáng)可達(dá)性，分享市民和政府信息，克服文化差異(如語(yǔ)言障礙等)等層面問(wèn)題。跨國(guó)信息系統(tǒng)(Transnational Information System，TIS)涉及生產(chǎn)、運(yùn)輸和消費(fèi)等多個(gè)環(huán)節(jié)，參與方包括大學(xué)、政府機(jī)構(gòu)和國(guó)際組織，致力于克服信息共享壁壘。過(guò)往研究尚未充分理解跨界環(huán)境對(duì)智慧城市系統(tǒng)構(gòu)建和信息共享帶來(lái)的復(fù)雜和重要性，今后需加強(qiáng)對(duì)跨界機(jī)構(gòu)信息共享的關(guān)注，強(qiáng)調(diào)跨組織信息交換效率和信息共享政策環(huán)境。

圖1 5G智慧城市系統(tǒng)研究方法

四、5G智慧城市跨界合作影響因素

(一)社會(huì)變革與信息安全

全球看，美國(guó)的芝加哥因其完善的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)被稱(chēng)為數(shù)碼大都市(Digital City)，成為世界上早先的“虛擬城市”。“虛擬城市”(Virtual City)可以提高城市市民的學(xué)習(xí)、科技和創(chuàng)新能力，通過(guò)城市功能置入網(wǎng)絡(luò)空間，整體提升社會(huì)效率。智慧城市信息安全系統(tǒng)面臨基礎(chǔ)設(shè)施容量、信息安全和運(yùn)行成本等層面的挑戰(zhàn)。其中，信息科技基礎(chǔ)設(shè)施容量面臨政府系統(tǒng)間基礎(chǔ)設(shè)施整合和軟件兼容性等問(wèn)題。信息安全系統(tǒng)面臨黑客入侵者、病毒木馬、個(gè)人數(shù)據(jù)隱私和高成本安全使用措施等層面挑戰(zhàn)。運(yùn)行成本則包括信息科技專(zhuān)家咨詢(xún)、信息科技技術(shù)、設(shè)備安裝運(yùn)行和維護(hù)信息系統(tǒng)等。

(二)城市管治與基礎(chǔ)設(shè)施

智慧城市管治系統(tǒng)具備自我檢視和反應(yīng)功能，以城市管治促進(jìn)智慧城市系統(tǒng)構(gòu)建。智慧城市管治系統(tǒng)包括基礎(chǔ)設(shè)施融合、合作伙伴服務(wù)整合和整體經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整等層面。其中，基礎(chǔ)設(shè)施融合包括多設(shè)備平臺(tái)、數(shù)據(jù)強(qiáng)化計(jì)劃、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等方面。合作伙伴服務(wù)整合包括智慧城市服務(wù)和數(shù)據(jù)管理模式，強(qiáng)調(diào)私人公共合作和政府內(nèi)外部合作。整體經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整包括參與服務(wù)結(jié)構(gòu)和公共數(shù)據(jù)平臺(tái)。

表5 美國(guó)—加拿大、美國(guó)—墨西哥智慧城市信息共享特征

(三)信息共享與跨界合作

跨界合作是信息共享的重要環(huán)節(jié)，包括以貨物、人口、資本流動(dòng)為基礎(chǔ)的市場(chǎng)推動(dòng)和貿(mào)易活動(dòng)。以北美國(guó)家邊界區(qū)域跨界信息共享合作為例，經(jīng)濟(jì)、政治、文化和社會(huì)差異創(chuàng)造信息共享的復(fù)合環(huán)境，涵蓋特殊法規(guī)、語(yǔ)言障礙等多個(gè)因素。政府需要高層次的政策管理和科技系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化，國(guó)家間協(xié)議為信息共享使用提供便利。邊界區(qū)域信息共享能力對(duì)公共健康和環(huán)境管理等領(lǐng)域非常重要。

通過(guò)研究5G智慧城市的理念發(fā)展、系統(tǒng)組成、理論基礎(chǔ)、研究框架和影響因素，解讀信息溝通科技(ICT)如何通過(guò)信息科技與傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施融合，有利于實(shí)現(xiàn)智慧城市系統(tǒng)構(gòu)筑。科技進(jìn)步奠定城市功能的發(fā)展基礎(chǔ)，為市民、政府、商業(yè)和多種機(jī)構(gòu)提供更高效公平的系統(tǒng)。5G智慧城市系統(tǒng)構(gòu)建，有助于整合城市科技，通過(guò)管理、控制和優(yōu)化，探索城市開(kāi)發(fā)的新模式，促進(jìn)公平的生活環(huán)境和優(yōu)質(zhì)的生活質(zhì)量提升，發(fā)展公共參與和共享科技的城市治理模式。5G智慧城市系統(tǒng)的核心技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)通信和人工智能技術(shù)，基于機(jī)構(gòu)、科技和個(gè)人的三層次5G智慧城市系統(tǒng)基本構(gòu)架體系和系統(tǒng)方法的研究，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展驅(qū)動(dòng)、社會(huì)人文資本、政府民眾參與、信息溝通科技、自然資源管理和生活質(zhì)量保障等內(nèi)容呈現(xiàn)，鑒別跨界網(wǎng)絡(luò)的主要影響因素，為我國(guó)5G智慧城市規(guī)劃建設(shè)提供理論基礎(chǔ)。