1 智慧城市的概念

1.1“智慧地球”概念的由来

2008年11月，IBM公司总裁兼首席执行官彭明盛首次提出“Smart Earth（智慧的地球）”的概念。2009年1月，彭明盛向美国总统奥巴马提出了“智慧的地球”的战略，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施。IBM公司希望“智慧的地球”战略能掀起“互联网”浪潮之后的又一次科技革命，是继大型机、PC、互联网之后符合“十五年周期定律”的第四次科技革命。IBM公司认为，随着新一代信息技术和网络服务的发展和应用，在未来，地球上所有的物品都有可能安装并应用智能技术，几乎任何东西都可以实现数字化和互联互通，进而能向整个社会提供更加智能化的信息服务。IBM公司预计，在人类社会发展中一些意义深远的事情正在发生：每个公民、企业、组织、城市、国家、自然系统和社会系统正在实现更透彻的感应和度量、更全面的互联互通，在此基础上人类将获得更智慧的洞察，实施智慧化的创新，从而为经济和社会发展提出了一条全新思路。由于这些技术的进步，地球将变得更小，变得更加“扁平”，也变得更加“智慧”。这就是“智慧的地球”所描绘的愿景。

1.2智慧地球是信息化的一个更高发展阶段

“智慧的地球”，是站在整个人类文明发展的高度上对于信息技术如何全面改进人类生活所提出的愿景，即如何通过更加“智慧”的方式让我们的生活更美好，这是全人类共同关注的发展之道。因此，作者认为智慧地球是信息化的更高发展阶段的目标。现阶段，人类在逐步实现数字化、电子化，在持续推进网络化和信息化，在推进信息化与工业化的深度融合，并逐步实现智能化，这都是迈向智慧地球的一个个阶段。未来几十年，人类将逐步进入信息化的更高发展阶段——智慧地球。目前，世界仍处于智慧地球的初级阶段，如表1。

表1 数字化、网络化、两化融合、智能化和智慧地球的不同特征

1.3智慧城市的定义

智慧城市，英文可以译为Smart City。简单地讲，智慧城市就是城市基础部件被赋予智能，通过网络实现互联互通，在此基础上，城市所有的事物、流程、运行方式都更深入地智能化，从而促进民众生活便利、促进经济发展与提升政府效率，增强城市竞争力、实现城市可持续发展的先进的城市发展理念。

2 智慧城市的组成要素、基本原则和数学模型

2.1智慧城市的五个基本要素

图1 智慧城市的架构图

2.1.1智能化的城市部件，它构成了智慧城市的“神经末梢”

城市的房屋、交通设施、电力设施、通信设施、地下管道等城市基础设施、汽车、手机、工具等城市基础零件，通过装备芯片、传感器、RFID等技术，实现物体“智能”化，建立局部的城市物联网。

2.1.2城市互联互通的信息网络，它构成了智慧城市的“神经网络”

新一代光纤宽度网络贯通城市和乡村，移动宽带网络覆盖城乡每个区域，所有城市部件被赋予IPV6的地址，通过传感器网络和物联网接入通信网、有线电视网络和互联网。

2.1.3基于云计算的城市新型业务应用平台，它构成了智慧城市的“中枢系统”

城市数据中心通过虚拟化技术实现基础设施的公共服务，城市各种计算平台、各个行业的应用通过云计算平台来提供随需而变的服务。云计算平台将成为21世纪先进城市的基本业务平台，智能物体构成云端，互联网构成云计算的网络基础设施，虚拟化的数据资源池构成了云计算的共享基础设施，业务流程、应用和服务都基于云计算平台以服务的方式提供，如政务云、商务云、医疗云、教育云等。

2.1.4城市的海量数据，它构成了智慧城市的“血液和养料”

城市各个业务系统产生了大量数据、信息和知识，包括城市空间、人口、法人、经济、金融、文化等基础数据，这些数据之间又相互关联，构成了城市海量数据、信息和知识资源库。

2.1.5知识型的劳动者，它构成了智慧城市的“细胞和生命元”

城市的劳动者是用知识和信息技术武装的智力劳动者，这些劳动者通过信息网络构成一个个知识网络，他们与云计算和物联网平台上的智能代理来协作完成城市的各种复杂工作。城市智力劳动者通过相互协作关系所建立起来的社会组织结构是扁平化的、基于社交网络进行协作的、学习型的、快速反应的智慧型组织。这些组织体现为智慧企业、智慧政府、智慧社区等。
 

把数字城市和物联网结合起来的所形成的智慧城市将具备以下一些特征：

1）“智慧城市”是基于物联网的智能城市。物联网就是“物物相连的互联网”，其核心与基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络，它将网络用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，相互之间可以进行信息的交换和通讯。物联网的3个基本特征：①全面感知：即利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；②可靠传递：通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；③智能处理：利用云计算，模糊识别等各种智能计算技术，对海量的数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。

2）“智慧城市”面向应用和服务。无线传感器网络是无线网络和数据网络的结合，与以往的计算机网络相比,它更多的是以数据为中心。由微型传感器节点构成的无线传感器网络则一般是为了某个特定的需要设计的，与传统网络适应广泛的应用程序不同的是，无线传感器网络通常是针对某一特定的应用,是一种基于应用的无线网络，各个节点能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些数据进行处理，从而获得详尽而准确的信息，将其传送到需要这些信息的用户。

3）“智慧城市”与物理城市融为一体。在无线传感器网络当中，各节点内置有不同形式的传感器，用以测量热、红外、声纳、雷达和地震波信号等，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多人们感兴趣的物质现象。传统的计算机网络以人为中心，而无线传感器网络则是以数据为中心。

4）“智慧城市”能实现自主组网、自维护。一个无线传感器网络当中可能包括成百上千或者更多的传感器节点，这些节点通过随机撒播等方式进行安置。对于由大量节点构成的传感网络而言，手工配置是不可行的。因此,网络需要具有自组织和自动重新配置能力。同时，单个节点或者局部几个节点由于环境改变等原因而失效时，网络拓扑应能随时间动态变化。因此，要求网络应具备维护动态路由的功能,，才能保证网络不会因为节点出现故障而瘫痪。