智慧城市及其物联网系统设计

0 引 言

物联网（IoT）是现代无线通信场景中迅速兴起的一种新概念[1]。这一概念最早于 1999 年由麻省理工提出，其基本思想为利用无处不在的事物或物体，如射频识别（RFID）标签、传感器、执行器、移动电话等为人们实时提供各式各样的有用信息。毫无疑问，物联网概念的最大魅力在于它对人们日常生活和思想行为的多方面影响。从私人用户的角度来看，物联网最大的吸引力在于对家庭生活领域的影响。智能家居将协助人们的生活起居，电子技术有利于延长平均寿命，信息获取的便利将为居民提供更高的学习能力。而这些应用场景的例子只是基于现有技术，在不久的将来，新的范式将发挥主导作用， 人们的生活将会在物联网的作用下呈现出全新的样貌。同样， 从商业用户的角度来看，物联网带来的高度自动化、机械化将大大降低生产成本，提高产品质量 ；人机一体化物流和商务管理、实时监控等概念也将成为现实。随着信息技术的革新、电力电子技术的发展、模式识别技术的兴起，物联网的概念与内涵得到了充实与发展 ：智能手机的更新换代和普及为物联网提供了更好的终端载体 ；新的传感器技术的提出为物联网提供了更好的感知手段 ；图像识别技术的发展使得物联网系统可以处理图像、视频信息，变得更加智能等。于是，物联网要实现的任务也更加多元，可以总结为实现对物品的实时智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。

物联网要实现互联设备互操作性的自动化、智能化仍需要相关知识产业的进一步开发 [2]。从物联网所需的信息流角度来看：物和物之间建立起连接，伴随着联网覆盖范围的增大， 整个信息网络中的信源和信宿也越来越多，这就对服务器与相应的数据处理技术提出了较高的要求，需要较多的资金与人才资源。而信息来源的可信程度、安全性、是否侵犯用户隐私等问题依然存在，且随着数据挖掘技术的发展，相关问题的模式也会发生变化，如何合理地处理社会与技术之间的矛盾将会是一个极具挑战性的难题 [3]。综上，物联网技术的发展需要大量人力、物力资源和社会认可，发展仍面临诸多困难。产业、信息技术革命简图如图 1 所示。

近年来，在国际金融危机背景下，各国的发展方向都逐渐转向高新技术产业。物联网、工业 4.0 的提出为新一轮信息技术革命提供了方向。各国都在把握机遇，纷纷转战融合了各种高新技术的物联网技术市场，鼓励一些工厂、研究机构或经济实体参与相关项目的开发活动，以满足与时俱进的技术要求。我国也将物联网纳入战略性新兴产业，采取了一系列政策措施促进其发展，并掀起了物联网研究和建设高潮。从而在时代潮流中寻找新一轮的生产力增长点，抢占未来国际经济发展的鳌头。

2017年，纽约市发布了《物联网指南》（IoTGuidelines）。最近，美国一些大城市也发布了类似指导方针 [4]，以根据各地实际情况制定有特色的物联网技术发展规划。美国国家标准和技术研究所（NationalInstituteofStandardsandTechnology） 计划在明年夏天发布一个关于政府部署物联网的指导手册， 力求寻找到一种在严格评估风险的前提下，抵消成本或实现公共利益最大化的物联网发展模式。而相应的风险评估和城市公共利益的最大化仍是一个宽泛的概念，缺少可行的实施方案。

1 智慧城市

智慧城市作为物联网的子概念，目前仍处于概念炒作阶段[5]。城市信息具有复杂多变的特点，而传统算法技术无法根据海量的城市信息数据来设计相应的自适应物联网系统。近年来兴起的人工智能技术为这类网络的设计提供了技术支持。

1.1 人工智能

人工智能作为一门新兴学科，发展迅速。其根本原因在于人工智能算法解决了大部分传统计算机技术无法解决的运算问题。且通过各类黑箱算法大大降低了学科门槛和操作难度，以下算法可用于简化城市模型，优化城市物联网操作，实现智慧城市：

(1) 深度学习即多层人工神经网络，主要包括输入层、隐含层、输出层三部分，可用于分类或回归，其隐含层部分则可用于特征提取与特征分析。深度学习通过梯度下降逐渐趋进于理想映射，具备极高的泛用性。

(2) 强化学习主要用于优化机器在环境中进行任务的策略。通过智能体与环境的交互，不断优化自身的动作，以取得更高的回报。通过对环境和任务的定义，强化学习可以被用于各领域处理实际问题。

(3) 数据挖掘与数据分析一直是人工智能的一项必备工作，通过对数据进行聚类，有监督、无监督训练，或是使用前文提到的神经网络和 attention机制可以实现数据的可视化， 以达到简化数据结构、实时监控数据变动的效果。

1.2 城市计算

城市化的快速发展使许多人的生活更加现代化，但也产生了交通堵塞、能源消耗和污染等问题。物联网系统在城市中的应用理应考虑这些因素，并设计符合相应城市模型的决策方案。在决策过程中人为调度调控难免受人的观测和决策能力的影响，无法将整个城市各方面的信息考虑进来。于是设计了一个基于城市模型的人工智能系统来指导城市物联网运行的方案——城市计算。城市计算指获取、整合和分析由城市空间产生的大量、异构数据的系统，例如传感器、设备、车辆、建筑物和人类等，应对城市所面临的如空气污染、能源消耗增加、交通堵塞等主要问题。通过无处不在的传感技术、先进的数据管理和分析模型，以及新的数据可视化方法，将城市感知、数据管理、数据分析和服务提供连接到一个不断重复的过程中，协调居民生活需求、城市运营系统和环境卫生情况，并将其最终稳定在一个各项共赢的框架内。共赢框架如图 2 所示。

主要过程 ：通过传感器、视频监控、空气污染检测等获取的信息，经过分类和标准化后上传到数据库。存储成时空相关的以人流、车流为主的各交通路口的数据信息，及与时间相关的能耗信息和空气质量信息。通过数据挖掘手段提取信息中的深层特征，设计相应的卷积神经网络处理图像信息，深度网络处理特征。特征间通过聚类算法可视化数据信息，以便实时监控特征的变化。最后根据处理后的数据信息设计相应的城市模型，该模型将尽可能的趋近数据层面上的城市本身。城市计算过程如图 3 所示。

                                                 图 2 共赢框架

利用强化学习算法训练智能体来平衡城市各项功能间的关系，再指导物联网系统反作用到城市本身，形成一个闭环系统。并依据城市实时返回的各项指标设计回报值，使得物联网各指令都为当前的共赢策略，从而提高物联网的工作效率和其与相应城市的协调程度。

数据分析和特征提取技术简化了城市数据结构，深度网络的泛用性为标准化后的城市信息数据处理提供了良好的模型，强化学习则可以训练得到远高于人类智慧的最优管理策略。从而使得整个城市的物联网系统更加智能。

2 结 语

近年来，在国家政策的大力扶持和业内企业的不断努力下，中国物联网产业持续良好发展势头。技术研发取得重大进展，标准体系不断完善，市场化应用稳步推进。然而，根据物联网与城市各项利益之间存在的固有矛盾，随着信息技术的不断发展，城市信息化应用水平不断提升，智慧城市建设应运而生。建设智慧城市在实现城市可持续发展、引领信息技术应用、提升城市综合竞争力等方面意义重大。本文主要介绍了智慧城市的概念，并通过新兴人工智能技术设计了城市物联网系统和其优化框架。借助人工智能技术完善城市与物联网之间的关系，有助于促进二者更好的有机融合，构建一种和谐的智能化城市环境。