新型智慧城市关键使能技术与标准研究

中国信息通信研究院 北京 100191

引言

新型智慧城市作为数字中国和智慧社会的关键载体，受到国家以及社会各界的广泛关注。2020年国家出台多项政策，引导新型智慧城市的高质量发展，并在新兴技术融合、智能化管理运营等多个方面对智慧城市的数字化建设提出了明确要求。

随着全球数字化转型浪潮的到来，进一步促进了5G、大数据、人工智能、边缘计算、区块链等新兴技术的蓬勃发展，为智慧城市注入新的发展动力，已成为新型智慧城市的关键使能技术[1]。各类新兴技术将在智慧城市的智能基础设施、智能运行中枢等不同层次发挥重要作用，全面提升智慧城市的供给能力，引领和驱动城市创新发展的新路径。

新型智慧城市的高质量建设发展，依赖各类使能技术的迭代演进与融合创新。当前，国内外各标准组织不断发布各类技术标准，为新型智慧城市的标准化工作带来极大挑战。为了应对挑战，国内相关部门建立标准化协调机制，积极推动国内外新型智慧城市标准化工作，促进新型智慧城市产业创新发展。

本文首先分析我国新型智慧城市发展态势；其次将重点介绍5G、人工智能、边缘计算、物联网、大数据、区块链等新兴技术对新型智慧城市的关键赋能作用，并分析当前技术发展存在的问题；然后梳理国际与国内新型智慧城市标准化工作最新进展，并提出标准化工作面临的挑战；最后提出新型智慧城市发展建议。

1 新型智慧城市发展态势

1.1 新型智慧城市已迈入数据驱动、协同创新阶段

作为引领和驱动城市创新发展的新路径，新型智慧城市深入贯彻新发展理念，积极推动各类新兴技术与城市发展深度融合[2]。如图1所示，我国智慧城市发展主要经历三个阶段：第一阶段(2008～2011年)主要以智慧城市概念导入为基本特征，开展分散性建设；第二阶段(2012～2015年)以智慧城市试点建设为特征，结合信息化技术，推动智慧城市发展进入规范化阶段；第三阶段(2016年至今)已进入以人为本、统筹集约、协同创新的新型智慧城市发展阶段。政府将发挥统筹指导作用，各类技术全面迭代升级并实现全方位深度融合，推动智慧城市向信息化、网络化、智能化方向发展。

图1 我国智慧城市建设发展的三个阶段

1.2 新型智慧城市已纳入国家和地方发展战略

为了积极响应国家的号召，我国各省市陆续发布相关政策，积极推动新型智慧城市建设，将新型智慧城市建设作为地方信息化发展的重要举措，实现城市数字化治理，提升城市长期竞争力。如表1所示，上海市发布《关于进一步加快智慧城市建设的若干意见》，明确提出“探索建设数字孪生城市，数字化模拟城市全要素生态资源，构建城市智能运行的数字底座”；四川省成都市发布《成都市智慧城市建设行动方案(2020-2022)》，提出“融合政府、企业和社会数据，叠加实时感知数据，全要素模拟城市运行状态，打造数字孪生城市”。此外，浙江、吉林、海南、广东、河北、江苏等地也纷纷出台相关政策。

表1 全国各省新型智慧城市相关政策

1.3 新型智慧城市核心架构为创新演进奠定基础

如图2所示，新型智慧城市建设是一项庞大的系统性工程，主要由智能基础设施、智能运行平台、智能应用服务三个方面组成。

图2 新型智慧城市核心架构

1)智能基础设施是新型智慧城市发展的基石，从“端、边、云、网”四个维度构建融合感知、传输、计算、存储、分析处理为一体的智能化基础设施。端侧主要包括智能基础设施部件、智能终端等，边缘侧主要通过边缘计算技术，在数据源头或近用户侧提供各类智能化服务，云侧通过边云协同、云网协同等技术，构建集中式管理能力与后端算力支撑，端边云之间通过超高速光纤、5G、物联专网等网络实现互联互通。

2)智能运行平台是新型智慧城市智能运行的核心中枢，主要包括城市大数据平台、数字孪生城市模型平台、共性技术赋能与应用支撑平台等，向下对接智能基础设施，向上驱动行业应用的智能运行[3]。

3)智能应用服务是在智能基础设施与智能运行平台的基础上，围绕生活、生产、治理等不同应用场景，提供各类智能化的服务，包括智慧政务服务、数字工厂、数字传媒、智慧医疗、智能视频监控等。

以5G、人工智能、大数据、云计算、边缘计算、区块链、物联网等为代表的新一代信息通信技术将成为推动新型智慧城市发展的关键驱动力。与此同时，国内外各个标准组织积极推进新型智慧城市标准化工作，保障新型智慧城市各产业生态健康繁荣发展。

此外，公众在享受新型智慧城市带来的各类智能化服务的同时，也面临着诸多安全挑战。因此新型智慧城市的发展需要全面的安全保障体系，在公众隐私保护、自主可信等方面，提供网络安全防护。

2 新型智慧城市关键使能技术

技术创新将始终贯穿新型智慧城市建设的全过程，驱动新型智慧城市转型发展。新一代信息通信技术将进一步赋能智慧城市建设，提升新型智慧城市发展效能。其中，5G、边缘计算与物联网赋能智能基础设施建设，区块链为智慧城市平台提供安全可信特性，人工智能促进各类应用向智能化方向演进。本节将分别针对不同新型智慧城市关键使能技术进行介绍并分析当前技术发展存在的问题。

2.1 5G商用部署加速新型智慧城市建设

作为新一轮技术革命的关键支点，5G已成为基础设施变革、产业服务模式探索的核心驱动力，满足人们在生产生活中多样化业务需求[4]。在新型智慧城市智能基础设施中，5G作为核心的网络技术，肩负着端、边、云之间的互联互通使命，满足新型智慧城市不同行业、各类应用场景的复杂通信需求。随着5G商用步伐的加快，运营商加大5G网络建设投资，全国多个城市已实现5G全覆盖。

此外，随着5G产业体系的不断完善，5G与众多垂直行业应用实现深度融合，利用5G“高带宽、低时延、大连接”特性，赋能新型智慧城市建设的各个方面。例如：在视频娱乐应用中，电信运营商推出了5G+4K高清视频、5G+VR/AR、5G云游戏等特色服务，打造更优秀的多元化沉浸式体验；在智慧场馆应用中，多个博物馆基于5G的虚拟现实技术强化用户体验，为展览提供更多互动性。

2.2 边缘计算为智慧城市提供边缘服务能力

边缘计算是具备“云、网、边、端”基本特征的新兴技术，通过在近用户侧部署分布式计算架构，实现存储、计算等能力“下沉”，面向新型智慧城市的众多应用场景，为用户提供低时延、广连接、大带宽、智能化的服务，满足业务实时性、数据智能化处理等行业需求[5]。边缘计算为智慧城市的建设提供了高效的网络计算体系架构。

智慧城市建设处于一个从概念到逐步落地的过程，边缘计算在多种智慧城市应用场景中发挥着重要的作用。在智能交通、自动驾驶、实时监控等多种智慧城市应用场景中，不同类型的数据都需要在边缘侧处理。例如，在智慧城市安防建设中，视频监控设备与边缘计算技术融合，边缘侧不仅能够对采集的视频数据提供计算、存储资源，也能实现数据清洗、数据治理，同时能够回传中心节点进行数据分析、可视化展示，实时展示“智慧城市”治理或者服务流程和数据信息。在智慧医疗中，新型的医疗场景对当前网络环境提出了更高的要求，包括低时延、大带宽、强大计算能力和数据安全等。通过5G+MEC方式，智慧医疗可以为医疗业务提供网络、算力、安全方面的保障。

2.3 物联网奠定新型智慧城市万物互联基础

物联网作为实现行业数字化转型的重要技术手段，已经成为了智慧城市建设与发展中必不可少的通信基础[6]。简单来说，物联网利用互联网将现实生活中各类事物串联起来，并形成一个能产生大量数据的信息网络。

智慧城市的建设过程中，大多数场景都是通过把物联网作为物理基础，实现数据信息的互通互联。例如，智慧校园把感应器嵌入和安装到教室、体育场、图书馆、食堂、游泳馆、实验室等各种场合的设备当中，通过物联网技术把它们连接起来，并且与校园局域网、互联网进行互联互通，实现教育、生活与校园资源的系统整合。此外，物联网也在智慧交通、智慧医疗等领域得到广泛应用。通过物联网，把智慧城市的信息资源进行全面的整合与业务协同，实现物与物互联互通，人与物之间相互感知，更加有效地提高了智慧城市的建设与管理效率。

2.4 区块链赋能安全可信新型智慧城市

作为新兴技术，区块链是一种由多方共同维护，使用机密技术保证信息传输和访问安全，按照时间序列存储的分布链式结构数据库，其主要特征包括：分布式存储、不可篡改、多方维护、智能合约[7]。目前，以美国、德国、英国等为代表的发达国家均在加速区块链技术的布局。我国区块链技术起步稍晚，更加注重技术创新与应用。

区块链技术可以广泛应用于新型智慧城市建设的方方面面。在智能基础设施方面，结合区块链技术可以实现设备之间数据信息的高效交换，提升设备之间以及基础设施之间的协同能力；在数据治理方面，利用区块链不可篡改特性，可以实现数据共享互信和全程可追溯；在智能应用服务方面，可以与智慧医疗、智慧扶贫、智慧能源等多种智慧应用深度融合，保障应用安全，催生新型智慧城市应用服务。

2.5 人工智能构建新型智慧城市“智慧核心”

人工智能是指利用机器模拟实现或延伸人类的感知、思考、行动等智力与行为能力的科学与技术[8]。现如今，人工智能技术主要以机器学习为核心，成为新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力量，受到全球各国的广泛关注，已深度赋能医疗、交通、家居、制造、金融、零售、通信、教育等多个行业，各类人工智能应用为用户提供了个性、精准、智能的服务。

目前，人工智能技术已经应用在新型智慧城市核心架构的各个层级。在智能基础设施方面，以机器学习、机器视觉为代表的人工智能的底层技术已得到充分的应用；在智能运行平台方面，以云服务提供商、设备提供商、人工智能企业等为代表的产业各方，聚焦实际应用场景，构建各类创新平台，推动人工智能与智慧城市平台建设深度融合；在智能应用服务方面，利用人工智能与云计算、大数据等其他技术紧密结合，构建了城市大脑、智能机器人、自动驾驶等各类智慧应用场景。

2.6 新型智慧城市关键使能技术发展问题分析

新型智慧城市的高质量发展依赖于上述各类使能技术的深度融合，满足不同业务场景的差异化需求。然而，当前跨行业跨领域的应用尚处于初级发展阶段，面向特定行业的融合算法模型成熟度不高，技术融合对新型智慧城市发展的核心价值仍未充分释放。例如，区块链虽然是数据安全可信的重要技术手段，但是依然面临传统网络安全威胁，有待与网络安全相关技术进一步融合，赋能新型智慧城市安全。

3 新型智慧城市标准化进展

3.1 国际标准化进展

智慧城市已经成为国际城市发展的热潮，国际电工委员会IEC、国际电信联盟ITU、信息技术标准化技术委员会ISO/TEC JTC1纷纷开展了有关智慧城市标准研究、编辑等相关工作，并成立了相关的工作组，主要包括：ISO/TC 268 Sustainable cities and Communities(城市可持续发展技术委员会)、ITU-T SG 20 IoT and its applications including smart cities and communities (SC&C，物联网和智慧城市研究组)、ISO/IEC JTC1 WG11(智慧城市工作组)、IEC SyC Smart Cities等。

如表2所示，近年来新型智慧城市的标准化研究热点主要集中在智慧城市概念模型、智慧社区基础设施、智慧可持续城市成熟度模型、智慧可持续城市影响评估、行业数字化转型评估框架、智慧城市指标等不同方向。

3.2 国内标准化进展

如表3所示，在国家标准方面，2016年国内出台了首个智慧城市国家标准GB/T 33356-2016《新型智慧城市评价指标》，为我国智慧城市标准规范体系构建夯实基础。2017、2018两年相继发布了多个有关智慧城市建设的标准规范，包含顶层设计、平台、技术应用和数据融合等各个方面的相关标准，为我国智慧城市的健康有序发展指明方向。2019、2020两年主要从数据融合、信息安全、综合服务等方面制定了与智慧城市相关的国家标准。

在行业标准方面，CCSA TC10/WG1(总体工作组)以及CCSA TC10/WG2(应用工作组)近年来主要在人工智能、电子围网、信息共享与安全等方面陆续立项多项标准，如表4所示。

3.3 新型智慧城市标准化挑战

新型智慧城市标准化体系庞大，当前国内外标准化工作聚焦于智慧城市顶层设计、评价/成熟度模型、基础设施等较为宏观的应用与实施标准，尚未广泛关注智慧城市各个关键使能技术的标准推进。随着我国行业数字化转型步伐的加快，5G、边缘计算、区块链、人工智能等关键使能技术标准不断迭代更新。然而，传统的国内外标准制定存在周期长、更新困难等问题，使得新型智慧城市相关技术标准的制定既需发挥超前引领作用，又应满足各技术产业发展的客观需求，进而导致新型智慧城市标准化工作存在极大挑战。标准化组织亟需联合产业各方，创新新型智慧城市标准化研究的方式与方法。

表3 智慧城市国家标准

表4 CCSA智慧城市行业标准

4 新型智慧城市发展建议

1)统筹规划新型智慧城市整体布局，加速我国新型智慧城市建设。

国家应统筹规划新型智慧城市整体布局，针对不同城市的新型智慧城市建设情况，提出相应有效的建设方法和建议。各政府、各部门、各组织要积极开展新型智慧城市建设工作交流与合作，建立健全相关体制机制，以加快新型智慧城市的建设进程。另外，要做好新型智慧城市建设评价检测引导工作，为各大城市优化新型智慧城市的建设工作提供有力帮助。

2)充分融合新型关键使能技术，提升新型智慧城市建设水平。

新型智慧城市的建设应持续加强与5G、人工智能、大数据、云计算、边缘计算、区块链和物联网等关键使能技术的深度融合，充分发挥出各技术在新型智慧城市建设中核心作用。要科学合理地应用相关技术，全面地搜集、分析有关数据，为智慧城市建设与管理提供有力依据和帮助，全面提升我国新型智慧城市数字化建设水平，推动我国城市健康发展。

3)加速标准体系迭代更新，促进国际标准合作共赢。

新型智慧城市建设与发展要结合新的行业认识和需求，在顶层设计、平台、技术应用和数据融合多个方面推进相关标准化工作，制定完善新型智慧城市标准和规范，加快新型智慧城市建设技术的创新和成果转化，营造一个标准、开放、和谐的新型智慧城市建设产业生态。此外，要充分发挥国内智慧城市相关标准组织作用，以合作共赢为目的，加强与国际标准组织的合作与交流，不断地完善自身标准体系并提高自身智慧城市建设能力。

5 结语

本文重点梳理新型智慧城市的关键使能技术以及标准化工作，深入分析新型智慧城市高质量发展为技术创新和标准推进带来的诸多挑战，并提出发展建议。未来，新型智慧城市将以新一代信息通信技术赋能传统行业数字化、网络化、智能化转型升级为基础，注重物理世界与网络虚拟空间的协同交互，坚持技术创新与标准制定同步推进，引领和驱动城市创新发展。