2020年，智慧城市的發(fā)展在明顯加速，城市發(fā)展理念已經由技術為先向以人為本轉變，國家先后出臺政策和標準文件，明確了智慧城市作為我國城鎮(zhèn)化發(fā)展和實現城市可持續(xù)化發(fā)展方案的戰(zhàn)略地位，以及“推進智慧城市建設”的任務。
國家政策的陸續(xù)出臺，持續(xù)刺激著各地對智慧城市的建設需求，也對促進智慧城市和相關行業(yè)的發(fā)展具有起到了極大的積極作用。
此外，在研究界，關于前沿技術的應用、隱私安全的保護、信息網絡技術融合、以及綠色人文的理念正成為普遍關心的問題，智慧城市的發(fā)展大討論正上升到頂層設計、下沉到城市基礎信息模型......學界和工業(yè)界的努力，給為選擇智慧城市的建設方向選擇帶來了新的思路。
有鑒于此，京東數科整理了當前10大智慧城市領域研究熱點，捕捉到最前沿的技術思潮和發(fā)展理念，關注學術專家的思想體悟，引領下一個智慧城市新時代。
1.數字孿生-城市發(fā)展新路徑
作為未來智慧城市的發(fā)展路徑，數字孿生在過去一段時間內成為該領域的絕對熱門。倡導這一發(fā)展理念的是李德仁院士。
所謂數字孿生，是指充分利用物理模型和物聯網傳感器采集的全生命周期的運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間完成映射，從而反映相對應的實體對象的全生命周期過程。
簡單來講，就是通過物聯網、人工智能等手段將物理實體和系統(tǒng)的屬性、狀態(tài)、功能和行為映射到虛擬世界，形成高保真的動態(tài)。
而數字孿生城市，就是讓物理城市的所有動態(tài)靜態(tài)的要素數字化，在網絡空間再造一個與之對應的虛擬城市。在這一基礎上，當公共疫情再次發(fā)生時，就可以用網絡空間的數字孿生城市的監(jiān)控來代替對物理城市的封城。
數字城市的最高階段是數字孿生的智慧城市。李德仁院士此前提到，隨著物聯網技術的不斷發(fā)展升級，室內導航衛(wèi)星定位等將帶來技術保障，應在公共場所建立高精度定位系統(tǒng)，在發(fā)生重大公共衛(wèi)生事件時，精準跟蹤確診者或疑似患者的密切接觸者，用這種方式取代“封城”，將減少無人空間的損失，更好保證人民正常的生產生活和健康安全。
“具有深度學習能力、虛實融合、迭代進化的數字城市，相比于工業(yè)制造的產品生命周期，城市的生命周期更長，效益將更大。”
點評：從工業(yè)走向城市，數字孿生將面臨更加復雜的局面，因此建設節(jié)奏也會相對緩慢。但不可否認的是，數字孿生是一條新興技術路徑，是城市智能化的前沿模式。
2.時空大數據平臺-城市信息實時可控
時空大數據平臺建設這兩年一直很火，包括很多智慧城市政策文件、城市群協同發(fā)展文件都明確提出這一點。
作為智慧城市領域泰斗級人物，王家耀院士是地圖學與地理信息工程專家，中國工程院院士，河南大學教授，河南省時空大數據產業(yè)技術研究院院長，主要從事“地圖制圖學與地理信息工程”學科專業(yè)教學與科研工作。
王家耀院士剛開始提出來“時空大數據”的時候很多人不理解，有的人甚至反對。“所有的大數據都是時空大數據，這是我基本的觀點。”時空大數據，指基于統(tǒng)一的時空基準(空間參照系統(tǒng)、時間參照系統(tǒng))，活動(運動變化)于時間和空間中與位置直接(定位)或間接(空間分布)相關聯的大數據。
時空大數據平臺是把分散和分割的大數據匯聚到一定的平臺上。時空大數據平臺是大數據的核心價值。
王家耀提出一個通用時空大數據平臺，這個平臺怎么用？采用“通用時空大數據平臺+”的模式來解決它的應用問題，所謂“+”就是+民用、+軍用。把民用的很多數據融合在這個平臺上，來構建新型智慧城市的“智腦”，構建政府綜合決策支持系統(tǒng)、各部門業(yè)務系統(tǒng)等等。
從目前信息技術發(fā)展的水平來看，時空大數據平臺構建可以采用四種既有共性又有特性的技術體制。包括：
基于網絡服務(Web Service)的空間信息共享和空間數據互操作技術模式；
基于網格服務(Grid Service)的信息資源共享與協同工作(協同解決問題)技術模式；
基于云計算的時空信息服務模式；
基于網格集成與彈性云的“混合式”時空信息服務模式。
這四種模式都是采用面向服務的體系架構(SOA)，都是解決共享與服務的問題，但是共享的程度和服務的范圍、方式是不完全相同的。網絡服務與網格服務的技術標準有相同的，也有不同的，網絡服務與網格服務的大趨勢是兼容或“融合”，但標準是統(tǒng)一的國際或國家標準，服務提供方、請求方都必須清楚；而云服務標準可以是內部統(tǒng)一的，用戶不必清楚。
點評：智慧城市的本質是促進信息資源的集約化，讓城市信息和測繪地理信息高度融合。城市信息千變萬化，更新頻率超級迅速，掌握時空數據成為必然。
3.基于GIS的城市操作系統(tǒng)-突破目前GIS發(fā)展局限
所有數據都是對對象的描述，所以城市問題是空間問題，必須表達空間關系。據此他指出，智慧城市的操作系統(tǒng)非GIS莫屬。
作為智慧城市領域的領軍人物，中國工程院院士、深圳大學智慧城市研究院院長郭仁忠一直秉持這一觀點。
目前的GIS平臺尚不能全面勝任智慧城市的全部需求。未來應以GIS平臺為核心，打造智慧城市的操作系統(tǒng)。這是一項非常重要的工作，其核心要素和能力為：數據集成與融合、可視化表達以及開放式的二次開發(fā)環(huán)境。
城市數據是十足的“大數據”，其特點是多元異構、時空交錯。如何建大數據平臺，怎么把它組織起來，怎么“上架”是個重要問題。其實最好的辦法是利用三維地理信息系統(tǒng)(GIS)模型，因為所有數據都發(fā)生在城市的地理空間中，所有數據都有其位置屬性。所有數據都可以用位置屬性這個“關鍵詞”進行關聯，進行管理。
這個基于三維地理模型的操作系統(tǒng)是智慧城市“基礎之基礎、核心之核心、關鍵之關鍵”。它必須是可視化的、可仿真的、可模擬的。有了這樣一個“超市”，數據集成后就可以做很多分析，比如通過攝像頭了解某區(qū)域的人口分布，進行空間管理，遇到緊急情況可用系統(tǒng)來優(yōu)化疏散，縮短避險時間。比如做立體倉儲、商場熱力圖、建設云端博物館、進行數字化體驗式購物等。
基于三維地理模型的智慧城市操作系統(tǒng)是智慧城市建設的基本邏輯，但并非唯一邏輯。智慧城市建設可以遵循不同的邏輯，智慧城市也不應僅堅守一個平臺。
點評：虛擬城市環(huán)境是我們進行智慧城市建設的數字基礎，也是空間基礎，是智慧城市建設不可或缺、必須完成的工作。
4.BIM與CIM-虛實交互的建設
BIM是指建筑信息模型(Building Information Modeling)，簡單地說，BIM就是貫穿從建筑的設計、施工、運行直至終結的建筑全壽命周期，將各種信息始終整合于一個三維模型信息數據庫中。
借助BIM這個高度集成的三維模型，極大地提高了建筑工程的信息化程度，為建筑工程項目涉及的各方人員提供一個工程信息交換和共享的平臺。
然而，BIM在提供精確的地理位置、建筑物周邊環(huán)境整體展示和空間地理信息分析上存在不足，而三維GIS(地理信息模型)正好可以對這些不足進行補充，完成建筑物的地理位置定位及周邊環(huán)境空間分析，完善大場景的展示，使得信息更完整及全面。通過和GIS技術進行融合，BIM的應用范圍從單一建筑物拓展到建筑群以及道路、隧道、鐵路、港口、水電等工程領域。
BIM整合的是城市建筑物的整體信息，而GIS則整合及管理建筑物的外部環(huán)境信息，它們的融合創(chuàng)建了一個包含城市大量信息的虛擬城市模型。因而，引出了CIM的概念。
CIM是指城市信息模型(City Information Modeling)，是以城市信息數據為基礎，建立起三維城市空間模型和城市信息的有機綜合體。從狹義上的數據類型上講，CIM是由大場景的GIS數據+BIM數據構成的，屬于智慧城市建設的基礎數據。基于BIM和GIS技術的融合，CIM將數據顆粒度精確到城市建筑物內部的單個模塊，將靜態(tài)的傳統(tǒng)數字城市增強為可感知的、實時動態(tài)的、虛實交互的智慧城市，為城市綜合管理和精細治理提供了重要的數據支撐。
在2019年，國家提出加快構建部、省、市三級CIM平臺建設框架體系。也是在同一年，國家發(fā)改委29號令提出城市信息模型(CIM)納入“鼓勵類”產業(yè)。這兩大信號助推了CIM的強勢發(fā)展。
同濟大學吳志強院士對CIM的定義進行了做出了進一步的拔高，提出城市智慧模型(City Intelligent Model)。吳院士指出，BIM是單體，CIM是群體，BIM是CIM的細胞。要解決智慧城市的問題，僅靠BIM這個單個細胞還不夠，需要大量細胞再加上網絡連接構成的CIM才可以。
點評：CIM背后的本質就是數據模型加算法，整套方法論都是由數據驅動的，它是城市數據的集成和動態(tài)的分析?；贑IM的新型智慧城市建設方法論能夠設計出一套頂層設計注重協同、多元利益相關主體交互參與、改變政府主導單一建設的新模式。
5.城市5G-從民眾走向產業(yè)
移動通信從第一代到現在5G來了從1G到5G，整個移動通信的發(fā)展十年一代，每一代都是前一代速率的1000倍。1G到4G是面向消費者的，5G擴展到產業(yè)互聯網和智慧城市的應用，有三大應用場景：增強移動寬帶場景，低功耗廣覆蓋場景和低時延高可靠場景。
5G和4G相比，峰值速率提高了30倍，用戶體驗速率提高了10倍，頻譜效率提升了3倍，無線接口延伸減少90%，連接密度提高10倍，能效和流量密度各提高100倍，支持移動互聯網和產業(yè)互聯網的各方面應用。另外5G推動了人工智能跟物聯網的結合，5G擴展了物聯網的能力。
另外5G開拓了8K視頻的應用，不單是分辨率的提升，每個像素的編碼也增加了，動態(tài)范圍擴展了。5G的高帶寬低時延可以直播8K視頻，并且可以把運動場上多個攝像機位的信號同時播出來，組成360度的場景，使得場外觀眾有跟坐在運動場上一樣的感受，可以隨心所欲看到每一個角度的視頻。
5G有更大的應用，包括電網、港口、煉油廠、建筑公司、冶金企業(yè)、機械加工企業(yè)、化工企業(yè)都可以應用。
站在今天推廣5G的前沿地帶，中國工程院院士，光纖傳送網與寬帶信息網專家，中國互聯網協會理事長鄔賀銓做出了很大貢獻。他是中國工程院院士，光纖傳送網與寬帶信息網專家，是中國最早從事數字通信技術研究的骨干之一，多年連續(xù)參加ITU-T網絡標準研究組會議，多次參與了中國通信發(fā)展的決策。
點評：原來4G之前的網絡基本上都是設備廠商和運營商共同打造的一張網，提供的一種標準化的運營或流量服務，但5G不僅僅要講好流量的故事，還要轉向以多樣化的、多層次的、多模式并舉的價值經營。正如德國的化工巨頭巴斯夫講過的一段話：有了5G網絡，我們可以自己決定網絡的質量，還能保證數據的可用性、機密性和完整性。
6.智能建筑-回到宜居的本質
智能建筑是集現代科學技術之大成的產物。
其技術基礎主要由現代建筑技術、現代電腦技術、現代通訊技術和現代控制技術所組成。主要面向辦公樓、商業(yè)綜合樓、文化、媒體、學校、體育場館、醫(yī)院、交通、工業(yè)建筑、住宅小區(qū)等新建、擴建或改建工程，通過對建筑物智能化功能的配備，實現高效、安全、節(jié)能、舒適、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的目標。
通過將建筑物的結構、系統(tǒng)、服務和管理根據用戶的需求進行最優(yōu)化組合，從而為用戶提供一個高效、舒適、便利的人性化建筑環(huán)境。
在我國，由于智能建筑的理念契合了可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)和諧發(fā)展理念，所以我國智能建筑主要更多凸顯出的是智能建筑的節(jié)能環(huán)保性、實用性、先進性及可持續(xù)升級發(fā)展等特點，和其他國家的智能建筑相比，我國更加注重智能建筑的節(jié)能減排，更加追求的是智能建筑的高效和低碳。這一切對于節(jié)能減排降低能源消耗等都具有非常積極的促進作用。
隨著我國社會生產力水平的不斷進步，計算機網絡技術、現代控制技術、智能卡技術、可視化技術、無線局域網技術、數據衛(wèi)星通信技術等技術水平的不斷提升，智能建筑將會在未來我國的城市建設中發(fā)揮更加重要的作用，將會作為現代建筑甚至未來建筑的一個有機組成部分，不斷吸收并采用新的可靠性技術，不斷實現設計和技術上的突破，為傳統(tǒng)的建筑概念賦予新的內容。
孟建民院士是這一領域代表人物，他指出中國城市的歷史演進過程中面臨的交通擁堵、城市廢棄物劇增、城市人口亞健康、環(huán)境污染、自然災害、公共事務效率低下等城市問題的根本，在于現在智慧城市建設的核心問題是缺乏“以人為本”的頂層規(guī)劃。
由此，他還提出基于“健康、高效、人文”三要素，通過“全方位思考”、“全過程統(tǒng)合”、“全專業(yè)協同”的“三全方法論”實現對工程實踐的“廣度、深度和精度”的全覆蓋，這是一套指導踐行智慧城市的有效方法和路徑。
點評：當今建筑界對“未來”的討論常常被“人工智能”、“人機協作”、“虛擬現實”等新技術和新概念所牽制，卻缺少對“未來”更深層次、更全方位的思考。因此需要更加關注未來地球的生態(tài)變化、人類本身的成長、氣候的演變等因素，并基于此設計未來建筑。
7.數字視網膜-從看清到看懂
當提起“數字視網膜”這一概念，人們首先能想到的當屬中國工程院高文院士。
所謂數字視網膜，即類比于人類視網膜，對傳統(tǒng)攝像頭乃至視覺計算架構進行演進與革新，從而能夠更加智能地支持城市大腦，服務智能安防、城市精細管理等智能應用。
視網膜的一個特性，是它隱藏在大腦和雙眼之間，沉默著充當人類智慧與世間萬物的翻譯。我們的視網膜，其實并沒有傳遞給大腦真實的畫面和色彩，而是對這些“數據”進行了優(yōu)化，讓我們的大腦直接處理可感可理解的視覺信息。
當然，數字視網膜并非真的要做一種仿生視網膜的硬件，而是希望能夠改變目前攝像頭只能看或者單一鏈路識別的功能。讓攝像頭本身擁有一定的AI處理能力，能夠對識別到的車、人、場景進行主動特征提取。
更為具體的來說，傳統(tǒng)攝像頭只是把拍攝到的視頻數據壓縮后上傳到云端進行存儲，再做分析識別處理；而數字視網膜則要求在攝像頭端對拍攝視頻進行高質量視頻編碼和視覺特征提取編碼，對壓縮編碼過后的視頻流進行本地存儲的同時按需上傳到云端，而所有的緊湊特征流同步實時同步到云端，從而既能夠保證高效的存儲，又能夠便捷地支撐大數據查詢分析，與此同時支持在端-邊-云之間進行面向智能視頻編碼和特征分析的深度學習模型自適應遷移、壓縮、更新與轉換。
簡而言之，數字視網膜就是這樣一種包含視頻編碼流、特征編碼流和模型更新流的可伸縮端-邊-云端邊云協同視覺計算架構。
這一概念從正式提出至今，才不過兩年，然而從最初構想，前期實踐，到理論基礎構建卻花了近五年的時間。即使到現在，數據視網膜的技術框架也仍然在不斷完善當中，但其影響卻將是顛覆性的。
點評：當前計算機視覺技術的發(fā)展如日中天，迎來全盛時期，數字視網膜提供的思路值得借鑒。傳統(tǒng)的攝像頭無法短時間內被替換，加上城市攝像頭體系本身與后加入的AI大腦，二者其實存在著無法忽視的“代溝”，未來城市，需要一場“數字視網膜”安裝手術。
8.城市區(qū)塊鏈-重要產業(yè)的可信與協同
2019年下半年，區(qū)塊鏈再次進入人們的視野，成為實體經濟、金融資本和社會輿論共同追逐的焦點。一夜之間，似乎區(qū)塊鏈技術正要引領全球新一輪技術變革和產業(yè)變革。
然而，剛滿十歲的區(qū)塊鏈技術在自主創(chuàng)新上需要有哪些重要突破？區(qū)塊鏈如何在促進數據共享、優(yōu)化業(yè)務流程等方面發(fā)揮作用？區(qū)塊鏈技術應該如何引導并加強安全風險防控？
區(qū)塊鏈是一個記賬系統(tǒng)，根據應用場景以及用戶需求，分為公有鏈、聯盟鏈、私有鏈三種。中國工程院院士、計算機應用專家陳純認為，要爭取我國在區(qū)塊鏈技術發(fā)展上的主動權，就要大力發(fā)展國產自主可控的區(qū)塊鏈技術平臺，包括對聯盟鏈和公有鏈核心技術的研究，積極參與國際競爭。
他認為，當前聯盟鏈還存在四個方面需要繼續(xù)突破的核心技術。包括高性能的共識算法、高效智能合約引擎，能夠提高共識效率與安全性；區(qū)塊鏈全面支持我國的加密算法和標準；聯盟自治管理機制和高效的熱備切換機制，這是聯盟鏈以后的關鍵技術；聯盟鏈要方便適用于各場景，必然支持多種編程語言的使用。同時，還需要支持多類型、多組織形式的數據可信存儲，支持跨鏈協同等。
西方區(qū)塊鏈的發(fā)展基本上是基于金融創(chuàng)新帶動別的行業(yè)創(chuàng)新，而中國除了金融創(chuàng)新外，更重要的是在各個行業(yè)的應用。
當前，中國正在加快支持區(qū)塊鏈技術在金融、民生、政務、工業(yè)制造等領域的應用落地，重點分析區(qū)塊鏈技術能夠解決的業(yè)務痛點以及在不同場景下的適用度，共同建設更加完善的產業(yè)應用生態(tài)，努力使區(qū)塊鏈成為數字經濟發(fā)展的新動能和社會信用體系的重要支撐技術。
點評：區(qū)塊鏈技術是近幾年受到爭議較大的技術，專家預測這項技術會革新傳統(tǒng)業(yè)務的流程，但目前需要普及解決的是大眾對于區(qū)塊鏈技術本身的信任問題。當前，金融業(yè)務最先上鏈，但其他業(yè)務上鏈趨勢不太明顯，未來，只有與物聯網技術的結合，才有可能發(fā)揮區(qū)塊鏈的最大產業(yè)價值。
9.智能城市操作系統(tǒng)-AI與大數據技術“集大成者”
作為“城市計算”的靈魂人物，鄭宇教授在學術界和工業(yè)界的思想與成果備受關注。
京東數科旗下的京東城市在業(yè)界率先推出“智能城市操作系統(tǒng)”，管理智能城市中的各項資源，支撐公共安全、能源、交通等各類垂直應用，并通過連接政府、企業(yè)和城市居民，幫助城市管理者進行頂層設計，洞察城市歷史、掌控城市現狀、預測城市未來，構建智能城市的開放生態(tài)。
這一操作系統(tǒng)正是基于城市計算理念而生長出來的。
“智能城市操作系統(tǒng)”包含時空數據引擎、時空AI引擎、基于聯邦學習的數字網關技術以及京東城市莫奈可視化平臺等諸多前沿科技。時空數據引擎歸類城市中的萬千數據，解決數據標準化的問題，處理速度比傳統(tǒng)數據平臺快10—100倍；時空AI引擎將算法進行模塊化、積木式輸出，解決不同場景下智能應用的開發(fā)問題，極大降低開發(fā)成本；基于聯邦學習的數字網關技術，通過用戶隱私保護的聯合建模機制和多源數據融合算法，能夠解決隱私保護的問題。
京東城市已經為雄安、南通、天津、南京、福州、宿遷等近30座城市提供技術服務，并承接數字雄安和信用城市等一系列國家戰(zhàn)略任務，為提高城市運轉效率和人民生活水平，確保城市生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展做出了巨大的貢獻。
點評：由于智慧城市是一個跨系統(tǒng)交互的大系統(tǒng)，是“系統(tǒng)的系統(tǒng)”，不是硬件的堆疊與軟件的重復建設，而業(yè)界智慧城市賽道的玩家大多是云計算模式、系統(tǒng)集成模式、單點AI技術模式，唯獨缺乏基石層面的操作系統(tǒng)模式。京東城市提供的正是城市級的Windows，從點線面結合做頂層設計，用大數據和人工智能提取數據的智能，解決城市的問題。
10.城市視覺智能引擎-用AI擴展“眼界”
說到智慧城市，無人不知“ET城市大腦”，而ET城市大腦的視覺計算項目，就是華先勝帶領做的項目。他目前是達摩院城市大腦實驗室負責人。
他研究的方向是城市視覺智能引擎。
依托于阿里云分布式計算和存儲平臺，利用先進的視頻圖像、圖形學處理技術和深度學習算法，建立城市級人工智能模型，實現對整個城市視覺數據的接入、計算、分析、索引和挖掘，并賦能公共安全、交通、市政綜治、商業(yè)、司法、園區(qū)、電力能源、醫(yī)療教育等各個行業(yè)場景。
該引擎具有以下特點：
1)數據接入：支持視頻圖像數據的接入、編轉碼與分片服務，支持槍機、球機等點位的實時上線/下線，適配各種接入協議，如GB28181，GBT1400視圖庫等。
2)視覺搜索：支持對視頻中的目標和事件等建立索引，支持高維向量、屬性等半結構化/結構化數據的高效搜索，具備特征量化、異構加速等高效索引技術。
3)數據計算：自研世界領先的檢測、識別及分割等計算機視覺算法，支持數十萬路級別的實時視頻分析和千倍加速的離線視頻分析，支持序列計算、圖譜計算及圖形計算。
作為被業(yè)界公認的“視覺識別和視覺搜索領域的國際級權威學者”，華先勝實際上也將城市大腦的視覺計算能力拖到了前途更廣的延長線上，驅動著這一技術的發(fā)展。
點評：打通城市數據管道，發(fā)掘數據價值，構建城市新的基礎設施，視覺AI技術功不可沒。此外，城市視覺智能引擎同時為學術界和工業(yè)界提供了開放靈活的AI算法研發(fā)與技術落地平臺，從企業(yè)走向業(yè)界，視覺智能也從安防場景走向市政綜治、商業(yè)、電力、醫(yī)療等場景，邊界在不斷擴大。
綜合來看，以上這些前沿技術的研究、典型成果的落地，代表著智慧城市已經步入深水區(qū)，不再是炒概念、喊口號的初級階段，技術真正走進場景發(fā)揮作用，而背后這一批頂級專家也正將智慧城市大船帶到更遠。
