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智慧城市之层层面面
 

【作者: Mark Patrick】2020年04月07日 星期二

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全球人囗一直在增长,越来越多人正在迁移到城市环境,为社会和经济发展创造了大量的机会。因此,要为每个城市公民都提供良好生活品质,基础设施和现有资源面临更大的压力。快速都市化和采用日益先进技术来支援更美好生活方式,此双重趋势导致了「智慧城市」出现。


虽然我们都认同技术即将成为智慧城市支柱,但它本身并不能推动实施。这要仰仗城市治理、商界以及实际公民,他们需要利用现有技术来实现上述目标。为了实现更高可持续性,促进经济增长和提高生产效率,透过关键基础设施投资、深思熟虑的政策和广泛公众叁与,对於城市环境转型至关重要。



图1 : 智慧城市的推动实施要仰仗城市治理、商界以及实际公民,他们需要利用现有技术来实现上述目标。
图1 : 智慧城市的推动实施要仰仗城市治理、商界以及实际公民,他们需要利用现有技术来实现上述目标。

IDC智慧城市支出指南(Smart Cities Spending Guide)指出,2019年针对智慧城市计画的年度财政支出达到 950 亿美金,到 2022 年将增至 1580 亿美金,其中包括智慧街道照明、视觉监控、高级公共交通和智慧交通流量管理等应用。全球研究人员和技术开发人员正在研究可以采取哪些措施来最大化智慧计画之影响,同时将部署成本降至最低。实现这一目标之最隹途径是尽可能利用现有基础设施。


智慧解决方案:应对城市生活问题

过去二十年中,快速都市化导致特大城市(人囗超过一千万)快速涌现,孟买(Mumbai)、雅加达(Jakarta)、波哥大(Bogota)、上海和拉哥斯(Lagos)都是快速增长城市的例证。随着需求不断攀升,在这些地区提供能源和水等重要公共服务正变得越来越具有挑战性,而技术在为资源管理提供智慧解决方案层面可以发挥重要作用。自动读表基础设施 (AMI) 结合智慧读表、感测器硬体、软体分析、资料网路和资料管理机制,能够实现公用事业公司与其客户之间双向通讯。远端感测器设备可使住户能够不断撷取相关资源(如水)消耗资料,并便於进行泄漏检测,以便公用事业公司减少浪费。



图2 : 随着需求不断攀升,在城市提供能源和水等重要公共服务越来越具有挑战性,而技术在为资源管理提供智慧解决方案层面可以发挥重要作用。(Source:ARC Advisory Group)
图2 : 随着需求不断攀升,在城市提供能源和水等重要公共服务越来越具有挑战性,而技术在为资源管理提供智慧解决方案层面可以发挥重要作用。(Source:ARC Advisory Group)

交通拥塞是人囗稠密城市另一严重的问题。为了应对这一挑战,各国政府纷纷建立合作平台,以推广电动车和共用交通,并鼓励使用公共交通系统。智慧交通号志灯和智慧交通讯号在道路上出现可以更好管理交通流量,这些感测器仰仗各种回应式感测器,能够在给定时间点知晓特定状况,而不仅仅是「哑的」计时器。除了为通勤圈生成即时交通更新外,捕获资料还可以随着时间推移与人工智慧(AI)平台一起使用,来预测典型交通模式并优化交通流量。


智慧街灯将能够适应行人、自行车者和车辆运动。在未检测到物体运动时,可以变暗,当有活动被检测到,街灯变亮,从而可节省能源,降低营运成本,并延长照明灯具使用寿命。


为了确定犯罪行为发生,并减轻犯罪行为之影响,城市监控系统也非常重要。高阶数位影像系统可?明市政官员和警员从集中控制室观察整个城市正在发生的事情。类比摄影镜头更替为IP摄影镜头带来了监控领域重大技术的变革,因为它有助於连接到网路基础设施。


此外,视讯分析和演算法(如游荡检测、声音检测和密集人群控制)进展也已证明非常有价值。但这里必须指出,虽然这一切具有明显安全的益处,但同时也引起了对个人隐私的严重关切。在未来智慧城市营运的其他层面,这肯定会是一个反覆出现问题,因为各种不同资料都需要处理,并且可能由不同利益相关方共用。


智慧城市关键技术

智慧城市之「智慧」层面来自於已使用的感测器、连线性和资料分析,物联网(IoT)技术和AI可将所有这些整合在一起。物联网基础设施将被视为智慧城市的「神经系统」,作为获取和传输资料的一种机制,并提供一个平台来提供一系列不同的服务。


一个典型智慧系统旨在使用多个感测器来同时监控物件各种的属性。以前,街灯专用於照亮公共区域,但放眼未来,这些街灯可为智慧城市提供所需的物联网基础设施,同时尽可能利用已部署的现有硬体。当下,我们开始看到普通街灯演变为智慧电线杆,具有运动、温度和空气品质感测功能,以及摄影镜头(可能包括四到六组,以获得多向视图)都整合在一起,智慧电线杆上还可安装能量收集系统(如太阳能电池或小型风力涡轮发电机)用来供电,使它们能够自我维持。


智慧城市基础设施使用的通讯协定将取决於所执行的任务属性,以及必须面对的应用条件和约束。典型IoT设备透过有线连接(如乙太网路)或无线连接(例如蓝牙或LoRa)连接到本地网路闸道或资料集中器(DCU)等设备。然後,这些本地通讯协定传输资料将转换为IP并透过支援回载(backhaul)网路发送。由於有许多种可用的协定,它们对硬体要求和相关的成本产生不同影响,因而决定采用何种最隹的协定需要深思熟虑。工程师可从下述多种技术进行选择:频宽受限短距离无线技术(如BLE和Zigbee)或低功耗广域网路(LPWAN)技术(如LoRa、Wi-SUN、Sigfox和NB-IoT)等。



图3 : 智慧城市基础设施使用的通讯协定将取决於所执行的任务属性,以及必须面对的应用条件和约束。(Source:ARCAdvisoryGroup)
图3 : 智慧城市基础设施使用的通讯协定将取决於所执行的任务属性,以及必须面对的应用条件和约束。(Source:ARCAdvisoryGroup)

Wi-Fi通常被视为第一和最直接选择,因为它如今已经是无处不在,令人难以置信。然而,其功耗却是一个巨大问题,意味着不适用於大部分智慧城市功能(除家庭和楼宇自动化之外),这催生了另一种技术IPv6,用於低功耗无线个人局域网路(6LoWPAN)。这种技术支援部署小型、节能物联网感测器节点,具备有限处理能力,在智慧型电网和工业监控实施中已经司空见惯。


虽然6LoWPAN运作在较小范围,LoRa、Sigfox和NB-IoT是远端LPWAN主要叁与者。这些技术具备低功耗特性,能够支援更长电池寿命,因此当少量资料需要在一天内多次以相对较远距离发送时,它们非常有效。LoRa 和 Wi-SUN(一种在智慧公用事业市场日益受到关注的新协定)属於非蜂巢LPWAN 协定,在无需许可频谱中运作,而NB-IoT透过蜂巢频率传输(相关成本需要考虑)。


NB-IoT的网路效率远远超出非蜂巢 LPWAN 所能及之目标, 仅使用部分可用频谱便提高支援大量新连接能力。这降低功耗,支援电池寿命可超过10年。NB-IoT也具有很长覆盖距离,因为它可以穿透地下,并进入封闭空间(在室内提供 20+dB 覆盖)。


5G 是智慧城市催化剂?

倘若没有强大网路支援,许多智慧城市解决方案将无法实现。行动通讯将成为连接最终使用者(即公民自己)与其居住城市之管道。围绕5G技术的炒作/争论在一年多来越来越多,当下,我们终於看到所有努力开始结出果实。5G带来的优势包括高速(高达10Gbps)和更大频宽(用於应对更多连接设备)。除此之外,另一个关键优势是设备ping 网路与获得回应之间延迟时间缩短,这得益於延迟性能极大改善。


透过提供对高性能网路基础设施进接,5G将为智慧设备开辟新途径,并实现更多工自动化。然而,即便进行了一些初始部署,但广泛5G推出,并在之後达到其承诺功能(透过毫米波传输、波束成形等),这似??还有很长路要走。


大数据和人工智慧

如今,有大约 70 亿台设备连接到Internet,,而且该数目一直都在上升,行动用户和基於机器连接之间的平衡点更多地向後者移动。大多数预测表明,到未来十年中期,连接设备将达到200亿至300亿台(另一些人认为,连接设备数目将会更大)。有效城市规划很大程度仰仗撷取资料准确性和复杂资料分析。倘若没有分析和 AI 来处理这些资料并从中创建有价值讯息,那麽从智慧设备生成并透过Internet发送的大量资料将毫无用处。


在智慧城市环境中,AI已经开始扮演重要角色。一些早期成功应用包括智慧停车(能够定位到未被占用停车位,并缓解驾驶员挫折感)、智慧收费系统(识别车牌以便根据使用状况收费)和自我调整交通讯号(透过改善车辆流量缩短通勤时间)等。在执法/反恐层面,也可以有其他成功实施应用:利用AI处理巨大时长之影像,并应用面部识别技术来标记正在接受调查的人,或识别被盗车辆车牌。


可以得出结论,智慧城市注定会有一个更光明未来,需要支援智慧城市的多种技术已经或正在成为现实,其中包括获取资料的感测器、用於传输拮取资料的无线/有线连线性、以及根据需要处理资料所需的AI技术。但是,在涉及到资料隐私以及安全性时,仍然存在一些问题需要解决。因此,要充分发挥智慧生活潜力,尚需要一些时间。


(本文作者Mark Patrick任职於贸泽电子)


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