新型智慧城市關鍵使能技術與標準研究

中國信息通信研究院 北京 100191

引言

新型智慧城市作為數字中國和智慧社會的關鍵載體，受到國家以及社會各界的廣泛關注。2020年國家出臺多項政策，引導新型智慧城市的高質量發展，并在新興技術融合、智能化管理運營等多個方面對智慧城市的數字化建設提出了明確要求。

隨著全球數字化轉型浪潮的到來，進一步促進了5G、大數據、人工智能、邊緣計算、區塊鏈等新興技術的蓬勃發展，為智慧城市注入新的發展動力，已成為新型智慧城市的關鍵使能技術[1]。各類新興技術將在智慧城市的智能基礎設施、智能運行中樞等不同層次發揮重要作用，全面提升智慧城市的供給能力，引領和驅動城市創新發展的新路徑。

新型智慧城市的高質量建設發展，依賴各類使能技術的迭代演進與融合創新。當前，國內外各標準組織不斷發布各類技術標準，為新型智慧城市的標準化工作帶來極大挑戰。為了應對挑戰，國內相關部門建立標準化協調機制，積極推動國內外新型智慧城市標準化工作，促進新型智慧城市產業創新發展。

本文首先分析我國新型智慧城市發展態勢；其次將重點介紹5G、人工智能、邊緣計算、物聯網、大數據、區塊鏈等新興技術對新型智慧城市的關鍵賦能作用，并分析當前技術發展存在的問題；然后梳理國際與國內新型智慧城市標準化工作最新進展，并提出標準化工作面臨的挑戰；最后提出新型智慧城市發展建議。

1 新型智慧城市發展態勢

1.1 新型智慧城市已邁入數據驅動、協同創新階段

作為引領和驅動城市創新發展的新路徑，新型智慧城市深入貫徹新發展理念，積極推動各類新興技術與城市發展深度融合[2]。如圖1所示，我國智慧城市發展主要經歷三個階段：第一階段(2008～2011年)主要以智慧城市概念導入為基本特征，開展分散性建設；第二階段(2012～2015年)以智慧城市試點建設為特征，結合信息化技術，推動智慧城市發展進入規范化階段；第三階段(2016年至今)已進入以人為本、統籌集約、協同創新的新型智慧城市發展階段。政府將發揮統籌指導作用，各類技術全面迭代升級并實現全方位深度融合，推動智慧城市向信息化、網絡化、智能化方向發展。

圖1 我國智慧城市建設發展的三個階段

1.2 新型智慧城市已納入國家和地方發展戰略

為了積極響應國家的號召，我國各省市陸續發布相關政策，積極推動新型智慧城市建設，將新型智慧城市建設作為地方信息化發展的重要舉措，實現城市數字化治理，提升城市長期競爭力。如表1所示，上海市發布《關于進一步加快智慧城市建設的若干意見》，明確提出“探索建設數字孿生城市，數字化模擬城市全要素生態資源，構建城市智能運行的數字底座”；四川省成都市發布《成都市智慧城市建設行動方案(2020-2022)》，提出“融合政府、企業和社會數據，疊加實時感知數據，全要素模擬城市運行狀態，打造數字孿生城市”。此外，浙江、吉林、海南、廣東、河北、江蘇等地也紛紛出臺相關政策。

表1 全國各省新型智慧城市相關政策

1.3 新型智慧城市核心架構為創新演進奠定基礎

如圖2所示，新型智慧城市建設是一項龐大的系統性工程，主要由智能基礎設施、智能運行平臺、智能應用服務三個方面組成。

圖2 新型智慧城市核心架構

1)智能基礎設施是新型智慧城市發展的基石，從“端、邊、云、網”四個維度構建融合感知、傳輸、計算、存儲、分析處理為一體的智能化基礎設施。端側主要包括智能基礎設施部件、智能終端等，邊緣側主要通過邊緣計算技術，在數據源頭或近用戶側提供各類智能化服務，云側通過邊云協同、云網協同等技術，構建集中式管理能力與后端算力支撐，端邊云之間通過超高速光纖、5G、物聯專網等網絡實現互聯互通。

2)智能運行平臺是新型智慧城市智能運行的核心中樞，主要包括城市大數據平臺、數字孿生城市模型平臺、共性技術賦能與應用支撐平臺等，向下對接智能基礎設施，向上驅動行業應用的智能運行[3]。

3)智能應用服務是在智能基礎設施與智能運行平臺的基礎上，圍繞生活、生產、治理等不同應用場景，提供各類智能化的服務，包括智慧政務服務、數字工廠、數字傳媒、智慧醫療、智能視頻監控等。

以5G、人工智能、大數據、云計算、邊緣計算、區塊鏈、物聯網等為代表的新一代信息通信技術將成為推動新型智慧城市發展的關鍵驅動力。與此同時，國內外各個標準組織積極推進新型智慧城市標準化工作，保障新型智慧城市各產業生態健康繁榮發展。

此外，公眾在享受新型智慧城市帶來的各類智能化服務的同時，也面臨著諸多安全挑戰。因此新型智慧城市的發展需要全面的安全保障體系，在公眾隱私保護、自主可信等方面，提供網絡安全防護。

2 新型智慧城市關鍵使能技術

技術創新將始終貫穿新型智慧城市建設的全過程，驅動新型智慧城市轉型發展。新一代信息通信技術將進一步賦能智慧城市建設，提升新型智慧城市發展效能。其中，5G、邊緣計算與物聯網賦能智能基礎設施建設，區塊鏈為智慧城市平臺提供安全可信特性，人工智能促進各類應用向智能化方向演進。本節將分別針對不同新型智慧城市關鍵使能技術進行介紹并分析當前技術發展存在的問題。

2.1 5G商用部署加速新型智慧城市建設

作為新一輪技術革命的關鍵支點，5G已成為基礎設施變革、產業服務模式探索的核心驅動力，滿足人們在生產生活中多樣化業務需求[4]。在新型智慧城市智能基礎設施中，5G作為核心的網絡技術，肩負著端、邊、云之間的互聯互通使命，滿足新型智慧城市不同行業、各類應用場景的復雜通信需求。隨著5G商用步伐的加快，運營商加大5G網絡建設投資，全國多個城市已實現5G全覆蓋。

此外，隨著5G產業體系的不斷完善，5G與眾多垂直行業應用實現深度融合，利用5G“高帶寬、低時延、大連接”特性，賦能新型智慧城市建設的各個方面。例如：在視頻娛樂應用中，電信運營商推出了5G+4K高清視頻、5G+VR/AR、5G云游戲等特色服務，打造更優秀的多元化沉浸式體驗；在智慧場館應用中，多個博物館基于5G的虛擬現實技術強化用戶體驗，為展覽提供更多互動性。

2.2 邊緣計算為智慧城市提供邊緣服務能力

邊緣計算是具備“云、網、邊、端”基本特征的新興技術，通過在近用戶側部署分布式計算架構，實現存儲、計算等能力“下沉”，面向新型智慧城市的眾多應用場景，為用戶提供低時延、廣連接、大帶寬、智能化的服務，滿足業務實時性、數據智能化處理等行業需求[5]。邊緣計算為智慧城市的建設提供了高效的網絡計算體系架構。

智慧城市建設處于一個從概念到逐步落地的過程，邊緣計算在多種智慧城市應用場景中發揮著重要的作用。在智能交通、自動駕駛、實時監控等多種智慧城市應用場景中，不同類型的數據都需要在邊緣側處理。例如，在智慧城市安防建設中，視頻監控設備與邊緣計算技術融合，邊緣側不僅能夠對采集的視頻數據提供計算、存儲資源，也能實現數據清洗、數據治理，同時能夠回傳中心節點進行數據分析、可視化展示，實時展示“智慧城市”治理或者服務流程和數據信息。在智慧醫療中，新型的醫療場景對當前網絡環境提出了更高的要求，包括低時延、大帶寬、強大計算能力和數據安全等。通過5G+MEC方式，智慧醫療可以為醫療業務提供網絡、算力、安全方面的保障。

2.3 物聯網奠定新型智慧城市萬物互聯基礎

物聯網作為實現行業數字化轉型的重要技術手段，已經成為了智慧城市建設與發展中必不可少的通信基礎[6]。簡單來說，物聯網利用互聯網將現實生活中各類事物串聯起來，并形成一個能產生大量數據的信息網絡。

智慧城市的建設過程中，大多數場景都是通過把物聯網作為物理基礎，實現數據信息的互通互聯。例如，智慧校園把感應器嵌入和安裝到教室、體育場、圖書館、食堂、游泳館、實驗室等各種場合的設備當中，通過物聯網技術把它們連接起來，并且與校園局域網、互聯網進行互聯互通，實現教育、生活與校園資源的系統整合。此外，物聯網也在智慧交通、智慧醫療等領域得到廣泛應用。通過物聯網，把智慧城市的信息資源進行全面的整合與業務協同，實現物與物互聯互通，人與物之間相互感知，更加有效地提高了智慧城市的建設與管理效率。

2.4 區塊鏈賦能安全可信新型智慧城市

作為新興技術，區塊鏈是一種由多方共同維護，使用機密技術保證信息傳輸和訪問安全，按照時間序列存儲的分布鏈式結構數據庫，其主要特征包括：分布式存儲、不可篡改、多方維護、智能合約[7]。目前，以美國、德國、英國等為代表的發達國家均在加速區塊鏈技術的布局。我國區塊鏈技術起步稍晚，更加注重技術創新與應用。

區塊鏈技術可以廣泛應用于新型智慧城市建設的方方面面。在智能基礎設施方面，結合區塊鏈技術可以實現設備之間數據信息的高效交換，提升設備之間以及基礎設施之間的協同能力；在數據治理方面，利用區塊鏈不可篡改特性，可以實現數據共享互信和全程可追溯；在智能應用服務方面，可以與智慧醫療、智慧扶貧、智慧能源等多種智慧應用深度融合，保障應用安全，催生新型智慧城市應用服務。

2.5 人工智能構建新型智慧城市“智慧核心”

人工智能是指利用機器模擬實現或延伸人類的感知、思考、行動等智力與行為能力的科學與技術[8]。現如今，人工智能技術主要以機器學習為核心，成為新一輪科技革命和產業變革的重要驅動力量，受到全球各國的廣泛關注，已深度賦能醫療、交通、家居、制造、金融、零售、通信、教育等多個行業，各類人工智能應用為用戶提供了個性、精準、智能的服務。

目前，人工智能技術已經應用在新型智慧城市核心架構的各個層級。在智能基礎設施方面，以機器學習、機器視覺為代表的人工智能的底層技術已得到充分的應用；在智能運行平臺方面，以云服務提供商、設備提供商、人工智能企業等為代表的產業各方，聚焦實際應用場景，構建各類創新平臺，推動人工智能與智慧城市平臺建設深度融合；在智能應用服務方面，利用人工智能與云計算、大數據等其他技術緊密結合，構建了城市大腦、智能機器人、自動駕駛等各類智慧應用場景。

2.6 新型智慧城市關鍵使能技術發展問題分析

新型智慧城市的高質量發展依賴于上述各類使能技術的深度融合，滿足不同業務場景的差異化需求。然而，當前跨行業跨領域的應用尚處于初級發展階段，面向特定行業的融合算法模型成熟度不高，技術融合對新型智慧城市發展的核心價值仍未充分釋放。例如，區塊鏈雖然是數據安全可信的重要技術手段，但是依然面臨傳統網絡安全威脅，有待與網絡安全相關技術進一步融合，賦能新型智慧城市安全。

3 新型智慧城市標準化進展

3.1 國際標準化進展

智慧城市已經成為國際城市發展的熱潮，國際電工委員會IEC、國際電信聯盟ITU、信息技術標準化技術委員會ISO/TEC JTC1紛紛開展了有關智慧城市標準研究、編輯等相關工作，并成立了相關的工作組，主要包括：ISO/TC 268 Sustainable cities and Communities(城市可持續發展技術委員會)、ITU-T SG 20 IoT and its applications including smart cities and communities (SC&C，物聯網和智慧城市研究組)、ISO/IEC JTC1 WG11(智慧城市工作組)、IEC SyC Smart Cities等。

如表2所示，近年來新型智慧城市的標準化研究熱點主要集中在智慧城市概念模型、智慧社區基礎設施、智慧可持續城市成熟度模型、智慧可持續城市影響評估、行業數字化轉型評估框架、智慧城市指標等不同方向。

3.2 國內標準化進展

如表3所示，在國家標準方面，2016年國內出臺了首個智慧城市國家標準GB/T 33356-2016《新型智慧城市評價指標》，為我國智慧城市標準規范體系構建夯實基礎。2017、2018兩年相繼發布了多個有關智慧城市建設的標準規范，包含頂層設計、平臺、技術應用和數據融合等各個方面的相關標準，為我國智慧城市的健康有序發展指明方向。2019、2020兩年主要從數據融合、信息安全、綜合服務等方面制定了與智慧城市相關的國家標準。

在行業標準方面，CCSA TC10/WG1(總體工作組)以及CCSA TC10/WG2(應用工作組)近年來主要在人工智能、電子圍網、信息共享與安全等方面陸續立項多項標準，如表4所示。

3.3 新型智慧城市標準化挑戰

新型智慧城市標準化體系龐大，當前國內外標準化工作聚焦于智慧城市頂層設計、評價/成熟度模型、基礎設施等較為宏觀的應用與實施標準，尚未廣泛關注智慧城市各個關鍵使能技術的標準推進。隨著我國行業數字化轉型步伐的加快，5G、邊緣計算、區塊鏈、人工智能等關鍵使能技術標準不斷迭代更新。然而，傳統的國內外標準制定存在周期長、更新困難等問題，使得新型智慧城市相關技術標準的制定既需發揮超前引領作用，又應滿足各技術產業發展的客觀需求，進而導致新型智慧城市標準化工作存在極大挑戰。標準化組織亟需聯合產業各方，創新新型智慧城市標準化研究的方式與方法。

表3 智慧城市國家標準

表4 CCSA智慧城市行業標準

4 新型智慧城市發展建議

1)統籌規劃新型智慧城市整體布局，加速我國新型智慧城市建設。

國家應統籌規劃新型智慧城市整體布局，針對不同城市的新型智慧城市建設情況，提出相應有效的建設方法和建議。各政府、各部門、各組織要積極開展新型智慧城市建設工作交流與合作，建立健全相關體制機制，以加快新型智慧城市的建設進程。另外，要做好新型智慧城市建設評價檢測引導工作，為各大城市優化新型智慧城市的建設工作提供有力幫助。

2)充分融合新型關鍵使能技術，提升新型智慧城市建設水平。

新型智慧城市的建設應持續加強與5G、人工智能、大數據、云計算、邊緣計算、區塊鏈和物聯網等關鍵使能技術的深度融合，充分發揮出各技術在新型智慧城市建設中核心作用。要科學合理地應用相關技術，全面地搜集、分析有關數據，為智慧城市建設與管理提供有力依據和幫助，全面提升我國新型智慧城市數字化建設水平，推動我國城市健康發展。

3)加速標準體系迭代更新，促進國際標準合作共贏。

新型智慧城市建設與發展要結合新的行業認識和需求，在頂層設計、平臺、技術應用和數據融合多個方面推進相關標準化工作，制定完善新型智慧城市標準和規范，加快新型智慧城市建設技術的創新和成果轉化，營造一個標準、開放、和諧的新型智慧城市建設產業生態。此外，要充分發揮國內智慧城市相關標準組織作用，以合作共贏為目的，加強與國際標準組織的合作與交流，不斷地完善自身標準體系并提高自身智慧城市建設能力。

5 結語

本文重點梳理新型智慧城市的關鍵使能技術以及標準化工作，深入分析新型智慧城市高質量發展為技術創新和標準推進帶來的諸多挑戰，并提出發展建議。未來，新型智慧城市將以新一代信息通信技術賦能傳統行業數字化、網絡化、智能化轉型升級為基礎，注重物理世界與網絡虛擬空間的協同交互，堅持技術創新與標準制定同步推進，引領和驅動城市創新發展。