“十四五”时期智慧城市感知体系发展趋势

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摘要

在“十四五”时期新基建以及智慧城市建设的背景下,分析了城市感知体系的现状、存在问题以及发展趋势,结合国内相关实践及实际案例,提出了感知体系的技术架构以及深化发展的总体建议。

关键词： 新型智慧城市; 传感器; 物联网; 物联感知平台; 全域感知体系

0 引言

近年来,技术创新日益活跃,《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》指出,要建设数字中国,推进网络强国建设,打造通信网络基础设施、感知融合基础设施等新型基础设施。推进市政公用设施、建筑等物联网应用和智能化改造。

目前,物联感知体系架构从传统的设备、网络两层架构,扩展至设备、网络、平台、边缘计算、应用五层体系架构,并逐步扩大产业范畴。城市感知是智慧城市的基础支撑,传统的城市物联网更重视感知设备、网络,对收集到的感知数据是简单加工。当前,智慧城市建设进入新一轮发展期,随着5G、云计算、大数据、人工智能(Artificial Intelligence,AI)技术的加速应用,城市感知体系也在向数字化、网络化、平台化和智能化方向重构升级。

1 智慧城市感知体系发展背景

城市物联感知体系作为数字中国、智慧社会、数字政府和网络强国建设的重要内容,是实现城市管理“精准感知、快速反应、科学决策”的关键基础设施,是支撑国家治理体系和治理能力现代化、实施创新驱动发展战略、带动经济高质量发展的有效手段。

1.1 政策规划为城市物联感知体系设计指明方向

中央网络安全和信息化委员会印发的《“十四五”国家信息化规划》提出,统筹建设物联、数联、智联三位一体的新型城域物联专网,加快5G和物联网的协同部署,提升感知设施的资源共享和综合利用水平。工业和信息化部(简称“工信部”)发布的《“十四五”信息通信行业发展规划》指出,积极推动环境监测、治安、消防应急救援等典型场景的智能感知设施和多功能杆柱统筹布局和共建共享。实施智能化市政基础设施改造,建设城市道路、建筑、公共设施融合感知体系,协同发展智慧城市与智能网联汽车。工信部、国家互联网信息办公室、科技部等多个部委发布《物联网新型基础设施建设三年行动计划(2021—2023年)》,将感知终端纳入公共基础设施统一规划建设,搭建综合管理和数据共享平台;建立“感知终端+平台+场景”的智能化服务。从上述政策法规文件可以看出,“十四五”时期感知体系建设将突出“集约共享、高效智能、快速响应、多方协同”等特点。

1.2 数字技术的持续演进为物联网发展提供驱动力

低功率广域网(LPWAN)技术、短距离通信技术、工业以太网、LTE-V等相关通信技术的逐渐成熟和推广应用,提升了物联网的连接能力。特别是5G具有高带宽、低时延、大连接的特性,推动新一代物联网的承载网络逐步向5G迁移。大数据处理技术和能力不断提升,人工智能研究方法和应用技术发展迅速,推动物联网向智能物联(Artificial Intelligence of Things,AIoT)模式演进。随着物联网、大数据、人工智能、云计算、边缘计算、新一代通信技术、区块链等技术深度融合,物联网在产业升级、城市治理、惠民服务等领域的应用场景更加广阔[1]。

1.3 多地先试先行探索城市感知体系建设

北京、上海、河北等地区先试先行,纷纷打造广泛感知、综合感知、智慧感知的全域感知体系,全面提升城市精细化治理能力和水平。北京市围绕“四梁八柱深地基”的总体框架布局,以物联感知为基础,数据创新为纽带,人工智能为驱动,实施“一个平台、一套台账”,建立物联、数联、智联三联一体的新型智慧城市感知体系,支撑城市的智慧感知服务,辅助政用、民用、商用,成为全球超大城市感知体系的领导者。

上海市遵循“统筹规划、共建共享”的原则,构建城市运行生命体征指标体系,统筹规划布局城市的“神经细胞”,科学部署视频监控、感知预警、智能控制等感知终端,打造“物联、数联、智联”的城市数字底座。

河北省以视频监控为突破口,建成了综合视频监控平台,整合秸秆焚烧、森林防火、铁路护理、国土资源、水务管理等视频监控资源;利用现有通信铁塔资源,统筹部署新建摄像头;打造智能分析中心,为河北省生态环境厅、水利厅、应急管理厅等单位提供视频服务。

2 城市感知体系建设存在的问题

目前,经过十几年的智慧城市建设,各地均规划或建设了一定规模的物联网项目,其建设重点主要在设施管理、生态监测、交通运输、远程抄表等领域。然而,建设城市级物联感知体系仍然处于探索起步期,在体系架构、标准规范、功能模块、业务范围、运管模式等方面需要进一步完善,各行业、部门存在感知设备缺乏统一管理、感知设备标准不一、感知数据融合困难、运营模式不清晰等较为显著的问题[2]。作为我国智慧城市建设的领头羊,十多年来,北京、上海等城市规划建设了一批物联网项目,全市感知体系的建设在城市公共安全防护、城市管理等领域取得了一定成效,但仍面临“条块分割、烟囱林立、纵强横弱、重建轻养、感知孤岛”等一系列亟待解决的问题。

缺乏统筹规划建设布局。当前的感知终端以各单位根据业务线条需求自建为主,导致物联感知设备存在大量重复建设的情况,难以实现“共建共享”。

终端的管理模式尚不清晰。具体表现为感知终端缺少统一台账、各管理部门对“家底”掌握不清、管理职责不明确、破损率较高、维护成本高等问题[3]。

传输网络“碎片化”现象突出。一些政府部门根据业务需求独立组网,导致重复建设,缺乏对于原有网络的充分利用,网络安全保障能力有待加强。

缺少统一的技术管理平台。感知体系的建设涉及多品牌智能终端,设备的协议、编码方式和数据交换方式缺乏统一标准,无法有效地获取、整合与利用;人工智能技术应用占比较少,难以满足市域治理能力现代化的更高要求[4]。

3 城市级感知体系发展趋势

“十四五”时期,我国加快建设数字中国,新型基础设施体系建设统筹推进,治理体系与治理能力现代化加速提升,物联网、云计算、人工智能、智能芯片和新一代移动网络应用技术不断突破,新一代信息技术体系加速重构智慧城市建设路径与方式,城市感知体系发展呈现五大趋势。

终端智能化。随着大数据、云计算、边缘计算、智能芯片和人工智能等技术的融合发展,物联网操作系统不断完善,感知终端具备全要素数据采集、大数据分析、人工智能实时处理能力,推动城市向认知智能迈进。

连接泛在化。短距离、远距离通信技术和低功耗广域网技术的不断发展和应用,为城市感知网络提供了大范围、大规模、低时延的通信连接能力,使得“实时感知、海量连接”的全域感知目标有了可行性和技术基础[5]。

服务平台化。伴随平台化的软件架构深入发展与统筹管理的体制机制改革加速创新,城市物联网体系由“烟囱林立”的自建物联网系统,向“统筹集中”的平台化城市级物联感知平台迈进,统一提供感知数据汇聚、处理、共享、交换等服务,进一步提升数据价值与终端管理能力,催生出更多应用模式与形态[6]。

管理可视化。随着智慧城市加速建设,时空数据底座加快构建,高精度城市信息模型不断完善,感知终端可精准映射于数字空间,并进行可视化运维管理。

建设集约化。在新基建的背景下,国家政策大力支持智慧杆塔研发及建设,为通信设备与传感器集约部署提供挂载载体,从而规避重复建设产生的巨大资源浪费,扫除前端设备和后端数据的共享障碍。

4 “十四五”时期智慧城市感知体系架构

城市感知体系框架自下而上由5部分构成:感知层、边缘层、网络层、平台层、应用层(见图1)。

图1

图1   城市物联感知体系架构

感知层:利用射频识别读取器、传感器、卫星定位终端、图像采集设备等,对目标对象进行实时感知,及时获取各类传感器与图像数据,进行分析处理,实现对目标对象的状态监测和行为控制。

边缘层:部署边缘计算节点,可提供低时延的分布式边缘计算能力,满足不同场景对于高算力的需求。边缘计算节点还可以实现数据的本地化处理和存储,减少数据传输的成本和风险,保障数据的安全和隐私,提高数据的质量和效率。

网络层:集成融合5G、窄带物联网(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)、Wi-Fi6等无线网络以及传统有线网络为逻辑一体的骨干网络体系,建立一张低延迟、高速率的城市感知网络,形成统一的网络安全体系,实现对城市感知数据的高效传输和管理。

平台层:依托行业(部门)感知系统,实现行业内各类管理对象与感知设备的接入、解析和管理,并与城市级平台对接注册,向上供给解析后的数据;城市级感知管理和服务平台提供城市各类感知对象、感知设备和资产的统一编码赋码功能,通过建立一体化感知设备台账管理系统,可以实现各类设备资产信息、感知采集数据的即时共享和有效整合,并对数据进行智能分析计算,同时向行业系统、上层应用共享数据。

应用层:根据各行业的实际业务需要,对实时获取的各类感知数据进行综合处理和分析计算,为政府、企业和个人提供更加精准化、智能化的服务,并构建城市画像,展现城市感知全景图。

5 深化城市级感知体系建设的建议

5.1 推进感知终端共建共享

统筹规划城市感知载体。城市应以物联感知载体为抓手,系统规划全市感知载体节点,明确重点感知终端载体牵头部门,合力推进感知设备集约部署。相关行业管理部门应加强统筹协调力度,试点推进智慧杆塔等可综合承载多种设备和传感器的感知底座基础设施建设[7],推动照明、道路监控、交通指示、安防、通信、环保监测等多方需求“多杆合一”,实现资源共享,减少重复建设[8]。

实行感知终端建设审查机制。各行业主管部门应牵头编制行业感知终端建设规划和指南,明确重点工作任务,统筹指导行业内感知终端建设工作。行业内各部门应按照任务安排,开展具体的感知终端部署方案设计,并将部署方案报行业主管部门审核,方案审核通过后方可纳入城市信息化建设任务。

强化城市感知终端共建共用。各部门应充分利用已建感知终端开展业务工作,对于其他部门已经建设并可复用的感知终端,应由信息化主管部门统筹推动共享使用服务,不得重复建设。

5.2 建设一套感知终端台账

开展城市感知终端统一编码。组织开展感知终端全面摸底普查,并对感知终端开展统一编码工作,做到“一终端一标识”,统筹建立和明确感知终端的类型,统一基础身份编码、统一地理编码、建设时间、权属单位、业务属性等基础信息要素。

推进感知终端全面记录。各部门应充分梳理本部门已建感知终端情况,在感知终端普查和统一编码工作的基础上,建立感知终端清单,形成一套城市感知终端“台账”。

5.3 打造泛在物联感知网络

优化布局感知网络。统筹规划布局城市物联感知传输网络,打造固定与移动融合、宽带与窄带网络结合的物联网络接入能力,构建数联、物联、智联三位一体的新型城域物联专网。完善政务感知网络规划建设和布局,充分依托政务外网传输、汇聚和分发各部门感知数据,避免政务感知网络重复建设。在政务感知网络不能满足需求时,各部门可根据业务应用需求,合理选择公用感知网络进行数据传输。

加强网络安全保障。构建实名认证体系,逐步推进城市感知网络的IPv6应用改造。城市感知数据采集网中的每个感知设备分配唯一的IPv6地址。通过IPv6地址统一在线管理感知终端和台账,实现任意终端的安全溯源寻址。

5.4 构建城市统一感知管理服务体系

建设一体化感知服务平台。实现感知终端的设备接入、台账管理,感知数据的汇聚共享、感知分析计算资源的调配、感知数据的融合分析等。平台提供感知数据传输共享、自动清洗、分析透视和流转分发等功能,为感知数据汇聚融合等提供支撑,不断加强城市物联感知,实现数据规范化、流程化,推进常态化治理。

加强感知数据开放共享。统筹建立一个全市范围的感知数据库,接入各部门感知生产库,实现核心感知数据的汇聚和全量感知数据的汇通,综合向全市提供感知数据服务。感知服务平台汇集各行业部门开放的数据资源,形成感知数据专区,按需向社会机构开放。

6 结束语

城市感知体系是智慧城市的基础支撑,但目前各地在建设过程中还存在体系架构不清、实施路径不明等问题,需要在统筹管理、集约建设、协同联动等方面加强探索。随着国家出台了一系列政策文件,各类信息技术也在不断升级,为感知体系建设提供了明确的指导和坚实的基础,有助于各方更全面地了解感知体系建设的目标、原则和方法。未来,感知体系建设将更加完善和稳固,为城市治理和服务提供更快速的响应和更有效的决策。