智慧城市与物联网技术

智慧城市与物联网技术摘要：进入21世纪以来，我国城镇化建设取得了举世瞩目的成就，城镇化步伐不断加快，城市人口急剧膨胀，同时各种各样的问题也相继暴露出来。为了破解“城市病”困局，“智慧城市”应运而生。智慧城市综合采用了包括射频传感技术、物联网技术、云计算技术、移动通信技术在内的新一代信息技术，实现对城市各领域的精确化管理。物联网被称为世界信息产业中继计算机、互联网之后的第三次浪潮。本文通过查阅相关文献后，对物联网技术在智慧城市建设领域应用方面作了综述，着重强调物联网的关键技术和应用领域两方面的内容。关键词：智慧城市；物联网；信息技术1990年代以来，随着信息技术的快速发展和普及，许多欧美城市提出智慧城市的概念，即通过信息和通讯技术在城市中的广泛应用来增加城市管理的效率，推动城市可持续和公平发展，提高人民的生活质量。近些年，智慧城市的概念逐渐引起国内城市规划研究和管理者的关注，越来越多的城市也在引进智慧城市的发展思路，积极地进行实践探索。1、智慧城市概述1.1智慧城市的概念 “智慧城市”的概率源自于国际商业机器公司(IBM)“智慧的地球”的愿景。所谓“智慧的地球”，简而言之，就是在各行各业中充分利用新一代的IT技术，把传感器嵌入和装备到全球的各个角落，将电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成所谓“物联网”，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。在此基础上,人类可以以更加精细和动态的方式管理生产生活,达到“智慧”状态。 自2008年IBM公司首席执行官彭明盛提出“智慧的地球”愿景以来，智慧技术正在加速向各个各行各业渗透，如智慧的医疗、智慧的交通、智慧的电力、智慧的食品、智慧的货币、智慧的零售业、智慧的基础设施，甚至智慧的城市，地球因此变得越来越智能化。由此可见，“智慧城市”是IBM公司“智慧的地球”的一个重要组成部分。 在IBM公司的《智慧的城市在中国》白皮书中，“智慧城市”被定义为是这样的一个城市：“能够充分运用信息和通信技术手段感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，从而对包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求作出智能的响应，为人类创造更美好的城市生活。”1.2智慧城市总体模型架构 智慧城市的建设模型主要由感知层、网络层、平台层和应用层4个层级构成，如图1-1所示。感知层主要侧重于信息的感知和检测，通过全国覆盖的感知网络透明、全面地获取各类信息；网络层由覆盖整个城市范围的互联网、通信网、广电网和物联网融合构成，实现各类信息的广泛、安全传递；平台层各类应用支撑公共平台和数据中心构成，实现信息的有效、科学处理；应用层则涵盖智慧服务、智慧交通、智慧教育、智慧家居、智慧医疗、智慧商业等各个领域的综合、融合应用。这些应用与城市发展水平、生活质量、区域竞争力紧密相关，并推动城市可持续发展。图1-11.3智慧城市的特征 从目前国内外智慧城市的建设实践以及城市发展趋势来看，智慧城市主要有以下几方面的特征。泛在物联通过通信网、互联网、物联网及智能传感设备(RFID、传感器、二维码等)将城市公共设施物联成网，对城市运行的核心系统进行实时感测，并安全可靠地将各种采集信息和控制信息进行实时、准确的传递。泛在物联是城市公共设施的全面物联，它以基础通信网络的泛在化、实体化为依托，以实现城市公共设施的泛在通信、泛在协同为目的，是智慧城市的首要特征和构建智慧城市的先决条件。充分整合智慧城市实现了物联网与互联网系统完全的连接和融合，能够将海量数据整合为城市核心系统的运行全图。智能处理利用超级计算机、云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化控制。激励创新鼓励政府、企业和个人在智慧的基础设施上进行科技和业务的创新应用，为城市提供源源不断的发展动力。协同运作基于智慧的基础设施，城市中的各个关键系统和参与者进行和谐、高效的协作，达到城市运行的最佳状态。高度关注城市功能智慧城市的建设首先要有明确的定位，智慧城市的应用需与城市定位紧密结合。现阶段，我国智慧城市的功能主要分为两类：一是宜居型智慧城市，此类智慧城市旨在通过智能化改造提高公共服务和居民的便利性；二是产业促进型智慧城市，其各项服务和技术都是为企业发展服务的，目前主要集中在新老工业园区和新兴卫星城市。1.4国内外智慧城市发展现状与趋势(1)智慧上海 上海市在《“十二五”规划纲要》中明确提出了“创建面向未来的智慧城市”战略，要求相关部门、产业大力实施信息化领先发展和带动战略，加快建设以数字化、网络化、智能化为主要特征的“智慧城市”。这是上海市关于城市发展的新思维，更是提高上海城市综合竞争力的战略选择。 重点内容 感知交通：依靠传感技术、信息技术、计算机处理技术、通信技术、控制技术、人工智能等综合集成技术，实现整个交通系统的“智能化”。 感知物流：整合和规范物流资源，建立智能物流体系，降低物流成本，提升企业综合竞争力。 感知医疗：建立基于物联网技术的分级医疗体系（家庭-社区-医院）和资源共享平台，实现城乡医疗资源和服务的一体化。 感知农业：在农业生产、流通、消费以及农村经济、技术、社会等各层面各环节，运用泛在网络通信等现代科学技术，推进精准农业、智能农业和生态农业的发展。 感知电网：通过智能控制，对区域发电、变电、配电、用电和调度各个环节，实现“电力流、信息流、企业流”的高度融合，构建经济高效、节能环保、安全可靠的现代化区域智能交配电网。 (2)智慧新加坡 新加坡的“智慧国”计划大致可分为以下6个阶段。 第一阶段（1980-1985年）：国家电脑化计划。第二阶段（1986-1991年）：推行“国家IT计划”，建立贸易网、法律网和媒介网等。第三阶段（1992-1999年）：IT2000—智慧岛计划，建设覆盖全国的高速宽带多媒体网络Singapore

ONE。第四阶段（2000-2003年）：推行“Infocomm21计划”。改计划主要包括:促进电信市场自由化、构建宽带和无线通信基础设施、创建知道信赖的电子商务中心等。第五阶段（2003-2006年）：推行“互联新加坡计划”，使新加坡被称为IT应用最好的国家(全球经济论坛,2005）、技术准备力排名第一（世界经济论坛，2005）、电子政务水平排名第三（埃森哲，2005）。第六阶段（2006-2015年）：自2006

年开始，新加坡启动了具有重要战略意义的“智慧国2015计划”的实施，期望通过该计划来提升新加坡在未来10

年中的竞争实力和创新能力，利用无处不在的信息通信技术将新加坡打造成一个智慧的国家、一个全球化的城市（主要目标：通过资讯通信丰富国民的生活；通过资讯通信加强经济竞争力和创新力；加快资讯通信产业的发展，并提高产业竞争力）。2智慧城市的内涵2.1智慧城市的基本内涵技术基础：以物联网技术及承载它的互联网、移动通讯网、光通讯网等网络的多样化组合为基础，综合应用各种新一代信息技术。建设途径：广泛深入地推进基础性信息网络设施与应用型信息系统的开发建设，深入地推进各类信息资源开发利用。通过典型应用、行业推广等方式，逐渐提高城市的信息化、智能化水平。努力方向：形成信息技术高度集成、信息应用深度整合的网络化、信息化和智能化城市。2.2智慧城市的构成 智慧产业：人的智慧与人工智能相结合，进行研发、创造、生产、管理等活动，形成有形或无形智慧产品以满足社会需要的产业；蕊片研发、软件开发、系统集成、动漫、创意设计等都属于智慧产业范畴。智慧服务：为企业、市民提供信息服务；为市民提供其随时、随地、随需可获得的

“衣食住行乐财教医”等信息服务；为企业提供方便、快捷的审批、投融资、信用信息等服务。智慧管理：培养一种欢迎和包容“群体智慧”以及广泛社会生态系统的组织文化和流程；更加多元化的、更加社会性的、更迅速的和更多预测性的协作方式。智慧民生：市民在工作、生活中可获得一站式、互动式、高效率的信息服务；家居生活可实现远程化智能化管理。智慧人文：充分的智慧城市专业人才的支撑；全社会对智慧城市广泛的认知；健全的智慧城市建设的体制机制；丰硕的智慧城市建设成果和文化成果。智慧技术（物联网）：海量信息数据的搜集和存储、数学模型优化分析和高性能计算技术；实现所有系统的感知、互联互通乃至智能化。智化与慧化技术均十分重要。3.智慧城市的实现（关键技术：物联网）3.1物联网的定义 物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。其英文名称是：“Internetofthings（IoT）”。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮（图3-1）。物联网是互联网的应用拓展，与其说物联网是网络，不如说物联网是业务和应用。因此，应用创新是物联网发展的核心，以用户体验为核心的创新2.0是物联网发展的灵魂。图3-1

3.2物联网的核心技术物联网感知技术物联网体系结构物联网通信技术物联网网络技术物联网显示技术物联网数据处理技术物联网管理技术物联网安全与隐私物联网测试与验证技术等重点：RFID、MEMS传感器、移动通讯、光纤传感、光通讯、海量智能数据处理技术（超级计算机、云计算、机器学习）、新一代显示技术…3.3物联网的重点核心技术3.3.1RFID技术图3-2无线射频识别技术（RadioFrequencyIdentification,RFID），或称射频识别技术，是一种非接触式自动识别技术。它是利用射频方式进行非接触双向通信，以达到自动识别目标对象并获取相关数据，具有精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷等许多优点。示意图如图3-2图3-2工作原理RFID技术的基本工作原理：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（ActiveTag，有源标签或主动标签），解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。优势RFID是一项易于操控，简单实用且特别适合用于自动化控制的灵活性应用技术。可自由工作在各种恶劣环境下：短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可以替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体；长距射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。射频识别系统主要有以下几个方面系统优势：读取方便快捷：数据的读取无需光源，甚至可以透过外包装来进行。有效识别距离更大，采用自带电池的主动标签时，有效识别距离可达到30米以上；识别速度快：标签一进入磁场，解读器就可以即时读取其中的信息，而且能够同时处理多个标签，实现批量识别；数据容量大：数据容量最大的二维条形码（PDF417），最多也只能存储2725个数字；若包含字母，存储量则会更少；RFID标签则可以根据用户的需要扩充到数10K；使用寿命长，应用范围广：其无线电通信方式，使其可以应用于粉尘、油污等高污染环境和放射性环境，而且其封闭式包装使得其寿命大大超过印刷的条形码；标签数据可动态更改：利用编程器可以向标签写入数据，从而赋予RFID标签交互式便携数据文件的功能，而且写入时间相比打印条形码更少；更好的安全性：不仅可以嵌入或附着在不同形状、类型的产品上，而且可以为标签数据的读写设置密码保护，从而具有更高的安全性；动态实时通信：标签以与每秒50～100次的频率与解读器进行通信，所以只要RFID标签所附着的物体出现在解读器的有效识别范围内，就可以对其位置进行动态的追踪和监控。3.3.2MEMS传感器MEMS是微机电系统,是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS系统优点：微机电系统是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米级，自八十年代中后期崛起以来发展极其迅速，被认为是继微电子之后又一个对国民经济和军事具有重大影响的技术领域，将成为21世纪新的国民经济增长点和提高军事能力的重要技术途径。微机电系统的优点是：体积小、重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定等优点。微机电系统的出现和发展是科学创新思维的结果，使微观尺度制造技术的演进与革命。微机电系统是当前交叉学科的重要研究领域，涉及电子工程、材料工程、机械工程、信息工程等多项科学技术工程，将是未来国民经济和军事科研领域的新增长点。3.3.3移动宽带技术3G（3rd-Generation，第三代）移动通信。3G移动通信系统具有两个主要特点：一是实现了全球漫游；二是实现了高速数据传输和覆盖全球的宽带多媒体服务，即除了普通通话业务，还可以传输图像，提供可视电话业务。４G（4th-Generation，第四代）移动通信。数据传输速率超过100Mbit/s，这个速率是3G移动电话速率的50倍。随之而来的高清晰电视电影节目将推动手机新的应用模式。此外，4G通信技术集成了不同模式的无线通信协议，移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。5G（5th-Generation，第五代）移动通信。数据传输速率可以达到一秒10个G的速度，5G将渗透到物联网等领域，与工业设施、医疗器械、医疗仪器、交通工具等深度融合，全面实行万物互联，有效满足工业、医疗、交通等垂直行业的信息化服务需要。4.智慧城市应用体系4.1智能交通管理4.1.1城市交通特点 (1)交通拥挤越来越严重 随着国民经济的高速发展和城市进程的加速，一些大城市平均人口增长速度过快，新的交通需求不断增长，道路交通量也随之急剧增加。(2)交通污染日趋严重交通污染已成为城市空气质量恶化的主要污染源。交通系统产生的大气污染物包括一氧化碳、氮氧化物，非甲烷碳氢化物及其它有害物质。随着国内经济的发展，城市机动车增长引起的尾气污染已经逐渐取代煤烟型污染，随着汽车拥有量的继续做增长，汽车尾气还将进一步加剧城市大气污染的程度。交通方式组合不合理城市道路交通的参与者主要是公共汽车、出租车、电动车、自行车、行人等、电动车和自行车是主要的交通方式，是“绿色”交通工具，但是不适合长距离出行，不适合炎热、寒冷和山地城市使用。在私人汽车、出租车、电动车数量快速增长的同时，公共汽车在整个城市交通中的比重越来越小，在一定程度上加剧了交通的恶化。同时，由于小汽车占用交通资源多、自行车不易管理等因素的存在，城市交通现状也将更加严峻。4.1.2具体平台与应用(1)综合交通信息平台 综合交通信息平台是智能交通系统的信息枢纽，其功能定位是：从各应用系统中提取需要的共性信息，并运用统计分析、数据挖掘等技术对信息进行综合处理、存储和利用。为各应用系统提供全方位的信息交换和共享服务。主要功能包括：信息采集，信息处理，信息存储、信息服务。 (2)道路交通监控系统 道路交通监控系统是实现城市交通管理现代的重要应用系统，实现道路交通状况监测、交通信号控制、交通违章管理。交通应急管理等功能。(3)交通信息服务系统交通信息服务系统综合运用多种高新技术，通过文字、语音、图形、视频等多媒体形式实时动态地提供与出行相关的各类交通信息，使出行者（包括司机和乘客）从出发前、出行过程中直至到达目的地的整个过程中，随时能够获得有关道路交通情况、所需时间、最佳换乘方式、所需费用以及目的地各种相关信息等，从而指导出行者选择合适的交通方式、出行路线和出发时间，以最高的效率和最佳的方式完成出行过程。智能公共交通系统智能公共交通通过应用各种先进技术实现公交路线规划、公交监控调度、公交信息发布等的信息化和智能化，通告公交管理水平和服务效率、智能公交系统包括公交线网规划决策支持子系统、公交车辆监控调度子系统和公交信息服务子系统。公路交通管理系统公路交通管理系统实现公路路政管理、设施维护、行业信息管理及应急救援管理等业务的智能化信息化管理、该系统由公路路政管理系统、公路交通监控系统和应急救援管理系统组成。道路运输综合管理系统道路运输综合管理系统用于实现道路管理的信息化、效率化和智能化。4.2智慧物流(1)供应链网络优化智慧的供应链通过使用强大的分析和模拟引擎来优化从原材料至成品的供应链网络。这可以帮助企业确定生产设备的位置，优化采购地点，亦能帮助制定库存分配战略。使用后，公司可以通过优化的网络设计来实现真正无缝的端到端供应链，这样就能提高控制力，同时还能减少资产、降低成本(交通运输、存储和库存成本)、减少碳排放，也能改善客户服务(备货时间、按时交付、加速上市)(2)提供供应链可视性供应链的每个成员都应当能够追溯产品生产者以及产品成分、包装、来源等特征，也应当能够向前追踪产品成分、包装和产品的的每一项活动，这变得越来越重要。要设计一个具有对整个价值链可追溯性的供应链，公司必须创建流程和基础架构来收集、集成、分析和传递关于产品来源和特征的可靠信息，这应当贯穿于供应链的各个阶段(从农场到餐桌)。它将不同的技术解决方案整合起来，使物理供应链(商品的运动轨迹)和信息供应链(数据的收集、存储、组织、分析和访问控制)能够相互集成。有了这样的供应链可视性，公司就能保护和推广品牌、主动地吸引其他股东并降低安全事故的影响。4.3智慧医疗4.3.1医疗行业存在问题 医疗行业作为事关民生的重要行业，在这些年的发展过程中主要存在以下几方面问题。医疗资源有限大型医院作为整个社会比较稀缺的资源，拥有齐全的门诊科室，先进的医疗设备，并集中了全行业技术水平最高的从业人员，相比于中小医院杂乱的就诊过程，大型医院更为规范化，患者的体验也更为舒适。然而，大型医院一般仅设置在人口密集区域，并且数量较少，对于其他区域或者更远区域的患者来说，到大医院就诊是一件非常困难的事情。医患关系紧张部分医院过度诊断、过度治疗，甚至造成医疗事故，导致医患关系非常紧张。未能对药品等资源进行有效监督患者和行业监管机构缺乏一个队对药品和器械进行跟踪和溯源追查的管理系统。患者不能对自己使用的药品和器械进行跟踪查询，不知道自己是否购买了高价药品或者过期药品，也不知道自己使用过的一次性器械是否会在回收后继续流向市场。信息不能共享不同医院之间目前基本上不能实现信息共享，在一家医院的检查结果到另一家医院，基本上需要重新进行检查，不仅个患者带来了经济损失，而且还让患者的心理更加受创。未能有效建立网上医疗目前，网上医疗只能实现简单的问询、保健咨询等服务，或者变相为药品、器械等广告和购买服务。4.3.2具体平台与应用 （1）医院信息系统 医院信息系统主要实现医院内部的信息化管理，通过对医院内部以及分支机构之间复杂临床信息的整合，从而提供以病人为中心的完整视图以及提高临床信息的再利用能力。其核心要点是通过标准化的医疗信息模型，搭建以病人为索引的集成框架，使得医院内的各种应用功能之间实现紧密的信息共享以及流程整合。 （2）区域卫生信息系统 区域卫生信息系统以电子健康档案为中心，通过区域卫生信息平台，构建统一的居民电子健康档案。实现健康信息在区域内不同卫生机构间共享利用，实现各机构间的业务协同，从而提高医疗卫生的业务质量和效率，增强医疗卫生行业的透明度。 （3）临床与科研信息系统 目前的医疗信息数据复杂并且海量，分散在各个医疗信息系统中，数据分析方案不完善，缺乏统一的以病人为中心的数据模型。通过智慧系统可实现：诊断方案分析，临床决策支持，临床研究分析，病人安全措施，医疗成本效益分析等。 （4）医疗信息你数据库 医疗信息数据库作为其他子系统建设的基础，和其他各子系统的关键是既相互独立有相互依赖。（5）医疗资源管理系统医疗机构采购了众多的药品以及器械等医疗资源，从卫生管理机构以及患者的角度出发都有需求，要对这些资源形成一个可追踪、可溯源的信息系统。即可实现使用者通过RFID或者其他识别码对医疗资源进行追踪查询，患者能够查询自己使用的药品来源、供应厂家、价格信息等内容远程医疗在物联网技术发展到一定程度，即可实现患者与医生的非接触治疗。患者通过远程的测量仪器，对患者的身体特征进行诊断，并通过网络传输各医生查看，医生通过数据分析对患者进行病症判断。4.4智慧家庭4.4.1智慧家庭的特征（1）家庭网络化智慧家庭着重解决了家庭内部多种终端之间的物理连接，实现了家庭内部终端的物联网。智慧家庭以传统的家电技术为基础，在其上增加各种信息给功能、扩展功能后再与新生的物联网技术整合，从而形成新的家庭应用。（2）覆盖面广不同于其他行业的应用系统，智慧家庭更多的是面向个人和家庭用户，主要以满足家庭成员的需求为目的，注重的方面也更多地体现在舒适性等方面。智慧家庭的功能应用基础上涵盖了目前家庭中常用应用，覆盖了家电、电脑、安全等多个家庭用户关注的功能模块。智慧家庭是一种融合了通信行业、家电行业等多种行业，跨越不同领域后形成的产业，是一个需要不同行业配合发展的产业。（3）控制远程化随着通信网络的发展以及传统家庭功能的增强，原有传统家庭各项控制（如空调开启、安防控制）逐步从本地控制向远程控制演化。（4）接口开放性智慧家庭是一个集成了众多设备和厂家的综合性应用，不同设备之间需要向彼此开放自己的接口，从而使得自己能够接入到家庭网络内。4.4.2典型智慧家