智慧城市的技术与挑战探讨

姚传山 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

1 背景介绍

据联合国统计，全世界居住在城市地区的人口已从1950年的30%（7.51亿）急剧增加到2018年的55%（42亿）。据估计，到2050年，全球68%（69亿）的人口将集中在城市中心，这一趋势可能会持续下去。城市化的城市利用规模经济成为集中社会、经济和政治力量的创新中心。它还导致许多复杂的城市挑战，例如犯罪、交通拥堵、废物产生、水和能源需求高、空气和噪声污染、获得医疗保健、住房和教育的机会不平等以及财富不平等。为了应对城市化所带来的巨大挑战，“智慧城市”已成为一种普遍的概念，既可以解决城市和经济增长的问题，又可以解决这种增长所带来的环境和社会问题。

虽然已经有许多关于智慧城市的文章和报告，但关于什么是智慧城市的普遍定义尚未形成广泛共识。大多数定义的共同主题是利用信息和通信技术（ICT）作为支持城市发展、增强城市服务的推动者，增加利益相关者获取信息的机会。利用这一主题作为一个定义要素，智慧城市正在全球迅速崛起，在全市范围内投资于信息和通信技术，以推动技术创新，支持新兴产业的发展，刺激更强劲的经济，保持可持续的环境，并提高市民的生活质量。据悉，目前全球有1000多个智能城市项目在建。例如，中国的智慧城市试点项目已从2012年的90个城市发展到今天的500多个城市。在美国，政府机构启动了一系列以可再生能源、能源效率、废水和水管理、交通和流动、社区复原力为中心的高效益智慧城市项目、农业和制造业。最近的一项调查显示，美国有100多个城市正在积极参与智慧城市项目。城市，无论大小，都在竞相变得智能和可持续，通常在其官方网站上展示其智慧城市愿景和投资重点，以吸引市民和企业。

智慧城市解决方案的市场机会无疑是巨大的，但同样复杂。所有形式的数字技术都在为各种智慧城市项目大肆宣传。示例包括互联网技术（例如，光纤，5G），传感器（例如，摄像头，LiDAR），虚拟/增强现实，云服务（例如，分析）和融资（例如区块链）。通过数字化连接，智慧城市结合了来自建筑环境和人员的各种数据集，以查明城市需求，制定有效管理资产和资源的战略以及优化运营和服务。到2022年，智慧城市项目的支出预计将增长到1580亿美元。全球对智能城市的热情使一些人甚至估计到2026年市场潜力将达到3.5万亿美元。科技公司，例如英特尔、思科、IBM、Verizon、通用电气、爱立信、西门子、西门子、Alphabet、阿里巴巴、百度和腾讯都渴望将其公司叙述与智慧城市解决方案保持一致。例如，大量的电视广告、印刷广告和公司网站都使用智慧城市来突出其核心技术和解决方案。这些无疑增加了公众对智慧城市的认识。但是，这是一把双刃剑，他们可能还会夸大公众对智慧城市的期望，而又无法充分反映出新智慧城市解决方案引入的一些社会关注问题。

本文的目的是有选择地回顾智慧城市领域的技术趋势，并讨论智慧城市采用者将不可避免地面临的许多挑战。

2 智慧城市技术示例

利用创新来解决城市问题的愿望并不新鲜，许多例子可以追溯到古代。在21世纪的背景下，信息通信技术、固态传感器的快速发展和计算能力的指数增长，都加速了过去20年在城市中的技术部署。许多文章和出版物都是关于智能城市技术以及它们如何应用于解决之前强调的广泛的城市问题。由于不可能详尽无遗，本文的目的不是回顾智能城市技术的所有进展，而是提供一些示例，说明这些技术的一些典型应用。

对于城市来说，最常被引用的问题可能与交通、环境可持续性、能源和自然资源保护、医疗和教育有关。为了缓解交通拥堵，提高公共安全，许多城市正在试验各种技术，如智能停车系统和交通信号实时响应用户需求。智能手机应用程序现在可以帮助查找、预订和支付停车位。安装在街道和交叉口的传感器和摄像机用于监控交通，而收集的道路状况数据用于帮助交通控制，并在必要时加快应急响应。城市正朝着为道路和公路配备路边连接的方向发展，以提出旨在减少交通、改善公共安全和促进应急服务的解决方案。

电动汽车以及配备了连通性和自动驾驶系统的汽车的到来，在交通和出行领域引起了公众的极大兴趣。车辆的电气化也将运输系统与电网连接起来，使车辆成为智能电网中的存储元素。而且将连通性和传感技术集成到交通基础设施系统中也被认为是智慧城市的首要任务。智能出行技术有潜力改变未来城市的交通格局，促进就业和经济增长，并支持环境和节能。

在环境可持续性和能源保护领域，有关将“智慧”特性纳入废物、水和能源系统的倡议已被广泛报道。例如，装有自动压路机和无线传感器的智能插座可以提高废物收集能力，并提醒收集器更好地进行服务管理。同样，智能水表为居民提供直接和实时的用水反馈，而智能水管理系统正被用于城市环境中，以抗旱和加强绿色基础设施。除了鼓励采用可再生能源系统外，智能能源管理还可以利用从传感器收集的数据来监测能源使用情况，预测用户需求，并向用户提供反馈，间接影响他们采用节约能源的做法，公用事业公司可以快速响应不断变化的消费者需求，改善对电网可再生资源的管理，并促进紧急响应，以便在停电期间恢复服务。

随着城市数字化连接的日益紧密，教育机构和医疗保健提供者可以利用ICT来改善其服务的提供。例如，在教育中，在线辅导、自适应学习帮助和协作学习平台的出现在很大程度上是由于高速互联网通信的出现。通过将增强现实与虚拟学习相集成，现在可以提供教育内容，以便在在线学习平台中也包括现实世界的体验式学习。在医疗保健领域，远程医疗和远程医疗服务（例如，家庭远程患者监视以及临床医生与患者之间通过手机，平板电脑或台式计算机进行的视频会议）正在兴起。确实，智能健康信息平台和医疗应用程序将促进远程连接的家庭护理服务。随着人口老龄化的增长，智能健康信息平台和医疗应用技术不仅可以促进远程连接的家庭护理，而且可以改变游戏规则，帮助医生预防疾病，促进健康并改善生活质量。

3 面临的一些挑战

可以肯定的是，智慧城市技术将从根本上改变社会的面貌：好的和坏的。随着城市越来越多地配备传感器和数字连接，人们希望服务提供商能够利用收集到的城市数据，在促进可持续性和安全性的同时，更好地最大限度地利用有限的资源。这就引出了一个问题：智能城市解决方案的意外（负面）后果是什么，如何最好地缓解这些后果？

对于当前的数字技术现状，最常见的挑战之一可能是与网络安全和隐私相关的风险。尽管安全的挑战并不是新的挑战，但新的挑战是公共资产与网络的连接迅速扩展，从而增加了与网络攻击相关的风险。随着网络犯罪和数据盗窃的增加，智慧城市必须准备好应对所有安全威胁。否则，智慧城市的弊端将很快超过其优势。最近对政府机关（以及学校和企业）的“勒索软件”攻击强烈提醒人们，城市在连接和数字化时面临着风险。

随着城市在街道、高速公路和公共聚集区安装了传感器和摄像头，这些技术也带来了自身的弱点。同样，不良行为者可能会破坏薄弱的安全防御，故意让这些传感器提供“不良”数据和错误信息，以欺骗系统的全球控制。即使是简单的传感器信息窃听也会暴露出可能被不法分子利用的物理漏洞。这些趣闻轶事都得出了同样的结论：智能城市的每一个功能要素都必须确保安全，而与安全漏洞相关的风险则必须被充分界定。

虽然与智能城市相关的传感器和信息平台收集的数据将为社区成员带来许多好处，但这些好处的成本可能会损害隐私和公平。近年来，公众对如何在公共领域正确使用面部识别技术的争论日益激烈。一方面，利用摄像机跟踪公众，识别面部特征，可以增强公共安全。一些被引用的好处包括减少交通拥堵、抓捕罪犯和威慑违法者。然而，有人仍然担心这些技术对他们隐私的影响。因而，围绕这些复杂问题的讨论是必要的，并将使社区能够以符合其文化和价值观的方式寻求智慧城市解决方案。最终，在一些棘手的问题上达成共识，比如这些数据应该保留多久，在什么情况下（如果有的话）应该允许公共数据由谁使用，何时（如果有的话）应该允许机器学习等数字技术做出法律决定？隐私和公平的问题甚至超越了数据。在智能城市数据上执行的分析同样复杂，以便与社区的价值观相协调。

当私人实体参与智慧和可持续的城市发展时，数据隐私问题也远远超出了政府的范畴。收集哪些数据以及如何使用和保护这些数据是需要在智能城市项目中协调解决的最紧迫的问题。公共政策通常涉及冗长的审议，涉及到各种各样的城市利益相关者。但是，私人政策往往步伐较快，可能不足以在继续进行之前征求各种观点。高科技公司领导的许多备受瞩目的项目因缺乏公众参与和决策透明性而受到批评，这些决策对于如何通过传感器和智慧城市解决方案公开公共隐私至关重要。无论项目负责人是公共实体还是私人实体，人们普遍认为，早于当前技术前景的当前一组隐私保护措施可能不足以完全解决智慧城市技术带来的潜在风险。正确和合法地使用智慧城市技术对公民和决策机构都构成了真正的挑战。

在智慧城市项目中经常被忽略的另一个挑战是，紧张的物理基础设施系统是许多智慧城市解决方案的基础（例如，新的交通服务仍依赖于道路建设）。对传感和数字连接的公共投资也可能需要对急需更新的物理基础设施进行再投资。而矛盾的是，如果街道上满是坑坑洼洼，水被污染物污染，桥梁濒临倒塌，一座城市就不会那么“智慧”。不过，这些棘手的问题有一些非常令人兴奋的答案。例如，智能基础设施很可能会鼓励更多的私人投资进入物理基础设施领域。有关研究已经开始探索将基础设施投资标记化的方法，同时探索基于数据智能基础设施为基础设施所有者创造收入流的新方法。

4 结语

数字技术在其转型中起主要作用的智慧城市无疑将成为城市居住的未来。本文回顾了智慧城市项目中的技术趋势样本，并讨论了有关网络安全，网络隐私和基础设施投资的一些挑战。城市化是智慧城市的前提，有利于推动创新和经济发展，而城市发展也对社区的社会和文化方面产生了重大影响。工程师和智慧城市开发者需要深入了解智慧系统以及相关的收益和风险。理想情况下，智慧城市不仅是一个拥抱技术和经济增长的地方，而且是一个人文、生态无害且宜居的城市。