智慧城市中的“降熵”及安全探讨

陆宝华 曾伟东 赵尚伟

习近平总书记在2016年就提出新型智慧城市的概念.2020年3月，习近平总书记赴浙江考察时指出，通过大数据、云计算、人工智能等手段推进城市治理现代化，大城市也可以变得更“聪明”.信息化到智能化再到智慧化，是建设智慧城市的必由之路.在智慧城市建设中，我们要抓住关键，解决相关核心问题.

数据显示，国内有83%的地级城市、95%的副省级城市，总计超过500个城市，都提出了建设智慧城市的政府工作计划.我国已建成和在建智慧城市数量将有望超过500个.

智慧城市建设的任务应该解决关键问题，包括以下方面.

1 降低城市熵

熵是物理学中热力学的概念，在物理化学中也有这一概念，是对系统中失序状态的描述.熵越大，说明秩序越差.信息论的创始人香农利用这一概念提出了信息熵，并将信息定义为“负熵”，解释为“不确定性的减少”.当然后来有批评说，这只是给出了“信息量”的概念，而不是信息的概念.在城市中失序的问题是普遍存在的，许多事物存在大量的偶然性，大量的数据是统计概率的结果，故而存在很大的城市熵.城市越大这个熵也就越大.

降低城市熵是智慧城市建设的一项重要工作.获取各类城市要素确定的数据，是降低城市熵的关键所在.几十年以前，由于缺少相应的信息化手段，所以降低城市熵只能靠统计的结果.当今大数据时代，则完全有办法大大地降低城市熵.降低城市熵的根本途径就是获取更多的城市各类要素的数据，这些数据有些是静态的，更多的则是动态的.

1.1 全面的城市要素的感知

全面的城市要素的感知包括对自然人个人数字身份的数据、各类机构的数据、各类政府部门的数据；自然人行为轨迹的数据(目的是出行规律的记录)；各类基础设施的感知数据(包括重要建筑、港口、车站、空港、道路、场馆、供电、水、气、暖、污水处理、垃圾处理……)；相关产业的感知，包括：原料、市场(区域内、外、境外)产能、产品、劳动力、智慧资源等等；资本包括：本地资本情况；可用于本市的资本情况；可以引进的基金；银行、保险等等；物流数据；境外(城市之外)相关数据的获取；其他数据的获取.

获取这些数据的方法为：

1)对于自然人的数据，通过个人数字身份的建立不仅可以获取相关的个人信息，也是对个人隐私的一种保护，同时还可以建立相应的个人数据账户、个人征信数据等等；个人活动数据可以通过视频监控网络、移动电话的信令数据等获取.

2)获取各类基础设施及其他物品的数据，可以利用物联感知体系，包括各类传感器(非电测量的方法)、RFID(无线数据标识的方法)、二维码标识等方法.

3)其他类的数据，可以直接对接相关机构的计算机系统，可以通过交换，有偿使用或者是其他的方法，获取相应的脱敏、脱密后的数据，也可以利用某些算法，进行结果计算等等.

数据获取，有些应用和场景还需要结合相关的时间、位置等等，这样卫星导航定位的相关系统的数据也要纳入其中.

1.2 数据的汇聚与传输

数据的汇聚则需要建立相应的数据中心，这些数据一般都依赖于某些云平台进行存储和应用.而数据的传输则需要相应的网络.这些网络包括城市自建的骨干光纤网络、运营商的网络，还有以运营商为主的移动网络，也有其他的城市WiFi之类的无线网络、卫星网络等等，构成一个全面立体的网络体系.

2 预测、分析、研判、决策

数据并不等同于信息，这是降低城市熵的基础条件，但是并不能直接降低城市熵.降低城市熵还是要从数据中提取相关的信息，用这些信息来降低城市熵.

一个城市的活动基本上要依赖于2条线：生产(经济)和生活(民生).降低城市熵并不是我们的目的，而是利用降低城市熵所获取的数据，进行有效的预测、分析、研判和决策，这才是我们的目的.现在一些城市都在提城市大脑的概念，概念应该说不是错的，但是做法距离“大脑”还是比较远的，有的只能算是感知器官，有的也只能算是神经网络，就算是有一些大脑功能，其智商也是比较低的.

预测、分析、研判、决策，是要以数据为基础，同时要有科学的算法、模型，利用人工智能的各类工具和大数据分析的各类工具，对某个领域的某些方向进行预测、分析、研判和决策.这些活动确实需要大脑的功能，如果这个大脑是比较聪明的，智商比较高，那么相关的结果就会更好一些，如果相反，可能的决策是低水平的，或者是错误的.系统论的思想是可以帮助我们提高智商的.

2.1 系统论的指导意义

系统论来源于医学，这是把人看成是一个整体，一个系统与外部进行交互的理论.我国的钱学森大师提出了我国的系统工程思想.主要观点是：系统是一个整体；系统具有多要素；系统可以分为多个层次；系统中有多个任务；系统是动态的.

城市是一个复杂的系统，是由多个子系统构成的，多种要素共同来支撑这些子系统，有些要素是多个子系统共有的.用系统论的思想来建立、分析各类模型和算法，相信能获得一个高智商的城市大脑.

同时，第2代的系统论思想、第3代系统论的思想对智慧城市建设都有指导意义.

2.2 需要预测、分析、研判和决策的领域

产业分析与预测包括：产业类型、产品、产能、市场(国内外)、相关的市场约束条件分析、资本、劳动力与就业，产品历史、相关的专家智慧团队等等.

经济分析包括：金融与税收，境内外的各类政治、经济、军事等等因素的分析，资本需求与可用资本分析，国家的相关政策分析等等.

民生需求分析包括：住房、交通、个人物联网络与智慧家庭、就业情况、医疗、教育、养老及老年技能培训、殡葬、其他.

基础设施需求分析包括：供电、供水、供气、供暖、交通基础设施(路、航道、港口、空港等等)、公共基础设施、场所、城市发展、其他相关的分析.

宏观调控包括：金融资本调控、产能调控、产业聚集区调控、土地、房屋、水电资源的调控、医疗教育资源的调控、城市规划与自然资源调控、其他资源的调控等等.

2.3 监测与控制

城市中需要进行监测与控制系统很多，如：

1)城市交通的控制.城市交通控制是非常重要的，包括轨道交通的信号与系统的控制、道路与信号、流量的监测与控制、车路协同，都需要相应的监测和控制.

2)供水、电、气、暖体系的管控.用电、供水都有大量的自动控制问题，如为了保证水的卫生标准，需要向源水中投入一定量的药物.同样，对供气、供暖都需要监测和控制.北方地区的冬季供暖是能源的一大消耗，如果能智能化地进行监测和控制，就会减少能源的供给和有害气体的排放.

3)基础建筑设施的管控包括：桥梁、通过桥梁的车辆是否超重、各类建筑物等等；地下管廊(道)(线)、窨井、通信线路等等.

3 城市操作系统

如果把一个城市类比为1台计算机，城市大脑就是相关的应用系统，这个应用系统是需要操作系统支持的.建立城市操作系统，对各类资源进行管理，是非常重要的，也是非常有意义的.

城市操作系统目前的定义还不够充分.以下几项功能，是城市操作系统应该具备的：

1)对城市要素的管理.就像计算机中，对存储、输入输出、文件、程序的管理一样，城市操作系统应该对感知到的所有的城市要素进行管理.对城市应该进行标识，就像计算机那样，对各类资源进行标识.我们还可以利用GIS，BIM等平台以及卫星导航定位、遥感等，对城市进行网格化划分和标识，这些数据与感知数据相结合，就可以形成更加完善的城市基础数据.

2)对城市任务的管理.一个城市必然会有各类任务，对任务的管理也应该是城市操作系统的任务.

4 应急响应

任何一个城市，总是会有一些突发事件的，对这些事件的应急处置特别重要，特别是一些存在风险源的城市更要考虑这样的问题.如矿难、危化品生产与运输、海上救援等等，这里无法列出所有可能的突发事件.

重大疫情事件：这次的新冠病毒给我们提出一个考卷，应该说在疫情刚发生时，相关城市和相关部门，没有把这个卷子答好，根本的原因还是在于没有把相应城市熵问题解决好.实际上，我们现在也不认为这张卷子已经答满分了，可以提升的空间还是很大的.这次疫情扩散的原因，空气传播、密接是重要因素，流调也是依据这个展开的.但是，我们还是没有把大数据利用好，一些掌握数据的机构，没有发挥出真正的作用.所以，全员的核酸检测就成为最好的抓手.核酸检测是有成本的，没有接触到传染源的人是不必要进行核酸检测的.

我们完全可以依据手机的定位数据、移动基站的登录数据、城市视频监控数据等等，实现所有相关人员密接的可能性，对存在密接可能性的人员进行检测是必要的.

应急联动指挥与资源调配：应急联动是需要资源调配和指挥的，没有统一的指挥也就不可能有更好的资源调配.对于资源调配，还要注意本地与外地的协调问题.应该建立一个应急指挥系统，包括指挥体系的结构、资源调配、应急预案、相关的人员等等.

对于应急我们还要考虑到舆情控制与应急响应和群体性事件的应急响应的问题.

5 智慧城市的安全

智慧城市是一个将网络空间与现实社会完全融合的新型城市.

无论是什么样的城市，导致安全问题的2大因素是天灾和人祸.本文给天灾的定义是由于自然和自我的原因导致的安全问题；给人祸的定义是他人对其合法利益构成的侵害所导致的安全问题.

对于天灾，除了我们所讨论的应急外，还要有相应的，有针对性的防护，如：对于雷击，要有良好的接地和雷电的引流措施；对于火灾要有相应的消防报警和灭火措施等等.我们重点不讨论天灾，而是要讨论人祸的问题.

对于人祸，我们解决的方法只有1条：保证行为的正确受权.可是要做到这一点是不容易的.这里是3层意思：一是行为需要授权；二是授权应该正确；三是行为正确的授权要有保障机制.

对于智慧城市，由于网络空间与现实社会的调度融合，其安全也必须整体性地来考虑，而不能再清晰地将网络空间安全与现实社会的安全分开成2大界线分明的体系.

如何利用智慧城市的条件，重新打造和完善对现实社会的保护的打、防、管、控体系，以及如何防范罪犯利用智慧城市提供的便利条件对现实社会目标进行侵害的打、防、管、控体系，这是智慧城市安全必须解决的2大问题.

未来的杀人、放火等犯罪行为可能就是动动鼠标、敲敲键盘.同时对于一些重要的城市，还要考虑到有可能成为网络战被打击的目标.

当然，网络空间的安全与现实社会的安全还是各自有所侧重的.从网络空间安全的角度上看，有5大任务，包括：数据保护；应用系统功能的保护；网络资源的安全；人的网上行为的安全；建立通过网络对现实目标侵害的打、防、管、控体系.

6 结 语

降低城市熵与做好网络安全工作，是智慧城市中的关键工作.智慧城市安全从任务目标上，不仅仅要保护数据，更要从保护人民的生命财产安全，维护社会的稳定与国家安全作为任务目标.我们要科学建设智慧城市，搞好新基建工作.