城镇化与社会发展
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“智慧城市”建设中的“物联网”之道

卢涛

摘要:面对中国日益推进的城市化进程,以“物联网”为基础的“智慧城市”的建设是实现城市经济与自然环境更加和谐、可持续发展的必由之路。本文首先介绍了“物联网”和“智慧城市”的概念,总结出了“智能+互联+协同”等智慧城市的主要特征,分析了在“智慧城市”的建设中,“物联网”的最普遍结构体系和应用形式:“感知层+网络层+应用层”;并在此基础之上调查分析了目前我国“物联网”发展和建设的现状,最后提出了针对我国“物联网”技术和产业发展战略的若干对策和建议。

关键词:智慧城市 物联网 发展现状 对策建议

一 引言

工业化与城市化是中国经济未来20年发展的两大主线。不仅在中国,对于全球而言也是如此。过去30年,世界上平均每年有1%的人口迁往城市;未来15年,将有3亿人口进入城市,100万人以上的大城市将超过221座,将出现8座人口超过1000万的特大城市。中国大城市的数量将超过欧洲大城市的总和。2012年前后,中国的城市人口将首次超越农村人口;未来40~50年内,中国城市人口总量将净增6亿;2013年,中国将有50%的人口生活在城市;并且,这一进程还会持续20~25年;到2040年,我国城市化水平将达到80%。这一前所未有的城市化进程,给城市的发展带来少有机遇的同时,也对城市规划和管理、社会稳定与安全、城市可持续发展等提出了严峻挑战。

在中国城市化进程持续深入的同时,世界和我们还面临着金融危机带来的前所未有的经济挑战:城市财政收入下降,城市生活成本与工作成本提高,绿色生态城市的呼声高涨,工业化与信息化融合的变革,创造工作岗位的压力,民生问题需要解决,城市运营与服务水平亟待提高。长期以来,城市管理的各个部门通过运用信息技术手段努力提升城市管理与服务的水平。但是,以职能划分为特征的城市信息化还处于自发零散、各自为战的局面,因而其实施的效果也相对有限,在面对城市产业转型、提升城市综合竞争力、实现城市可持续发展、推进政府服务升级等全局问题的解决上捉襟见肘,更无法适应未来城市迅猛扩张所带来的运营与服务需求。城市的管理者们迫切需要找到一种更具智慧的新方法,以更快、更好地实现从管理到服务,从治理到运营,从零碎分割的局部应用到协同一体的平台服务的三大跨越。

基于“物联网”的“智能+互联+协同”智慧城市理念的提出,是在已有“数字城市”建设的丰富实践基础上,进一步推进先进信息技术应用与全新城市运营理念的融合,从而推动城市规划建设上台阶,城市公共服务上水平,为创新城市运营模式提供的新方法、新思路。

以“物联网”为基础的“智慧城市”这一新思路的提出,不仅是对现存问题的小修小补,更是站在现代城市运营、“强市”持续发展的高度,对城市基础设施的前瞻布局,对先进技术和人才的战略投资,对更多服务型工作岗位、培育有竞争力的现代信息服务行业的创造,从而构建响应21世纪发展需求,实现城市经济与自然环境更加和谐、可持续发展的理想家园。

二 “物联网”与“智慧城市”

(一)什么是“物联网”

“物联网”(Internet of Things,简称IOT),在技术上也叫传感网,是指通过射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。通俗来讲就是“物与物相连的互联网”,可以实现物与物之间的智能连接,为未来家庭生活和办公提供便利。物联网被看作是全球信息产业继计算机、互联网之后的第三次革命性浪潮,有望在十年内大规模普及,发展成为全球下一个万亿元级规模的新兴产业之一。

针对新一轮的信息产业革命浪潮,2008年11月,IBM公司首席执行官彭明盛(Sam Palmisano)首次提出“智慧的地球”(Smarter Planet)这一概念,其战略核心就是“云计算(CC)+物联网(IOT)”的结合。2009年1月28日,刚上任的美国总统奥巴马在和工商领袖举行的圆桌会议上也对包括物联网在内的智慧型基础设施建设给予了积极回应。欧盟、日本和韩国则分别提出了“欧洲物联网行动计划”、“i-japan战略:2015”和“韩国物联网基础设施构建基本规划”,这些都是从国家层面提出的重大信息产业发展战略。中国针对即将到来的物联网信息产业浪潮,提出了“感知中国”的发展战略。2009年8月7日,温家宝总理在考察“无锡物联网产业研究院”(原名中国科学院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心)时,指示要加快物联网研究,把传感系统和3G中的TD技术结合起来,尽快建立“感知中国”中心。

(二)什么是“智慧城市”

在“智慧的地球”理念推动下,针对各个城市的“智能+互联+协同”的“智慧城市”概念的提出,使城市有机会通过利用新的“智能”解决方案和管理实践加快实现可持续繁荣,有助于加快城市的改进和变化,并为城市实现其战略目标提供新的视角。

“智慧城市”是指充分借助物联网、传感网,包括智能楼宇、智能家居、路网监控、智能医院、城市生命线管理、食品药品管理、票证管理、家庭护理、个人健康与数字生活等诸多领域,把握新一轮科技创新革命和信息产业浪潮的重大机遇,充分发挥信息通信(ICT)产业发达、RFID相关技术领先、电信业务及信息化基础设施优良等优势,通过建设ICT基础设施、认证、安全等平台和示范工程,加快产业关键技术攻关,构建城市发展的智慧环境,形成基于海量信息和智能过滤处理的新的生活、产业发展、社会管理等模式,面向未来构建全新的可持续发展的城市形态。

智慧城市,不是城市信息化、“数字城市”的简单升级。智慧城市是围绕城乡一体化发展、城市可持续发展、民生核心需求,将先进信息技术与先进的城市经营服务理念进行有效融合,通过对城市的地理、资源、环境、经济、社会等系统进行数字网络化管理,对城市基础设施、基础环境、生产生活相关产业和设施的多方位数字化、信息化的实时处理与利用,构建政府、企业、市民三大主体的交互、共享平台,为城市治理与运营提供更简捷、高效、灵活的决策支持与行动工具,为城市公共管理与服务提供更便捷、高效、灵活的创新应用与服务模式,从而推进现代城市运作更安全、更高效、更便捷、更绿色。

图1 智慧城市,实现城市可持续发展

(三)“智慧城市”的特征

智慧城市通过发挥空间信息承载应用这一技术手段的巨大潜力,以精细化管理理念大幅提升现代化城市管理与服务水平,推进城乡一体化协调发展。通俗地讲,智慧城市就是“智能+互联+协同”,具体来说有如下几个主要特征。

1.智能:更深入的智能化

遍布各处的传感器和智能设备组成“物联网”,对城市运行的核心系统进行测量、监控和分析。城市拥有海量的信息资源,通过分布在城市重要基础设施、城市公共环境中部署的传感系统、自动监测和监控设施的联网,以及分布在城市中各个角落的个人、组织、政府信息系统,实现城市海量信息与数据的实时收集与存储。构建如个人信息、法人信息、地理信息、统计信息城市基础数据库,以及如城市重大基础设施智能监测信息、治安与道路实时监测信息等城市应用数据库。这些数据库构成了现代城市精细化管理运营不可或缺的信息基础。

2.互联:更全面的互联互通

“物联网”与互联网系统完全连接和融合,将数据整合为城市核心系统的运行全图,提供智慧的基础设施。通过城市高带宽的固定网络、无线网络、移动通信网络,各类运行维护及数据平台得以实时在线连接起来,从而可以帮助用户从全局的角度分析并实时解决问题,使得工作、任务通过多方协作、远程操作成为可能,彻底地改变城市管理与运作的方式。

3.协同:更有效的交换共享,更协作的关联应用

通过管理体制的创新保障,构建身份认证、目录交换、结算清分、信用评估等技术平台的体系性建设,确立信息系统之间的层次性,从而促进分布在城市不同角落海量数据的流转、交换、共享、比对,为应用提供良好的协同工作环境。数据的交换共享将极大推动城市治理运营的良性循环。

表1 利用物联化、互联化和智能化使城市核心系统更具“智慧”的实例

资料来源:IBM商业价值研究院分析。

在互联互通网络,数据交换与共享基础上,以政府、城乡居民、企业的互动为核心构建公共管理与服务平台,可以为用户提供整合式的协同服务——政府协同办公、城市协同治理、面向城乡居民的协同式服务、面向企业的协同式管理等。

智慧城市这个由多重先进信息技术支撑,以政府、城乡居民、企业的互动为核心的新生态系统,通过智能化的物联网与互联网为城市管理与运营提供了整体规划与系统的解决方案,为城市管理与运营提供更智能、更高效,响应更及时、更灵活的决策支持系统与公共管理服务手段,从而实现城市更高的生活质量、更具竞争力的商务环境和更大的投资吸引力。

三 “智慧城市”中“物联网”的应用体系结构

现阶段,中国移动主推的M2M(“Machine to Machine”,即“机器到机器”)是在“智慧城市”建设中“物联网”的最普遍应用形式。“感知层”“网络层”“应用层”是中国移动对物联网的结构划分。物联网的应用有三个层次,一是传感网络,即以二维码、RFID、传感器、摄像头为主,实现“物”的识别;二是传输网络,即通过现有的互联网、广电网、通信网或者下一代互联网,实现数据的传输和计算;三是应用网络,即输入输出控制终端,包括手机、电脑等终端。物联网的体系架构如图2所示。

图2 物联网的体系架构图

资料来源:中国移动通信研究院:《全方位展开应用实践》,《世界通信》2009年第11期封面专题报道。

“感知层”解决的是人类世界和物理世界的数据获取问题。可进一步划分为两个子层,首先是通过传感器、数码相机等设备采集外部物理世界的数据,然后通过RFID、条码、工业现场总线、蓝牙、红外等短距离传输技术传递数据。也可以只有数据的短距离传输这一层,特别是在仅传递物品的唯一识别码时。在实际上,这两个子层有时很难明确区分开。感知层所需要的关键技术包括检测技术、短距离有线和无线通信技术等。

“网络层”解决的是感知层所获得的数据在一定范围内,通常是长距离的传输问题。这些数据可以通过移动通信网、国际互联网、企业内部网、各类专网、小型局域网等网络传输。特别是当三网融合后,有线电视网也能承担物联网网络层的功能,有利于物联网的加快推进。网络层所需要的关键技术包括长距离有线和无线通信技术、网络技术等。

“应用层”解决的是信息处理和人机界面的问题。网络层传输而来的数据在这一层里进入各类信息系统进行处理,并通过各种设备与人进行交互。这一层也可按形态直观地划分为两个子层。一个是应用程序层,进行数据处理,它涵盖了国民经济和社会的每一领域,包括电力、医疗、银行、交通、环保、物流、工业、农业、城市管理、家居生活等,也包括支付、监控、安保、定位、盘点、预测等,可用于政府、企业、社会组织、家庭、个人等。这正是物联网作为深度信息化的重要体现。另一个是终端设备层,提供人机界面。物联网虽然是“物与物相连的网”,但最终是要以人为本的,最终还是需要人的操作与控制,不过这里的人机界面已远远超出现时人与计算机交互的概念,而是泛指与应用程序相连的各种设备与人的反馈。

在各层之间,信息不是单向传递的,可有交互、控制等,所传递的信息多种多样,这其中关键是物品的信息,包括在特定应用系统范围内能唯一标识物品的识别码和物品的静态与动态信息。此外,软件和集成电路技术都是各层所需的关键技术。

四 我国“物联网”的发展现状

目前,我国信息化进程尚未完成人与人广泛互联互通的阶段,离“物联网”的显著特征还具有比较长的距离。

(一)政府部门积极推动物联网发展

2009年8月,温家宝总理在考察无锡高新微纳传感网工程技术研发中心时指出,要积极创造条件,在无锡建立中国的传感网中心(“感知中国”中心),发展物联网;同年11月在首都科技界大会再次提出发展物联网。各部门、各地区积极响应,纷纷出台各项举措,推动物联网发展。《国家中长期科学与技术发展规划(2006~2020年)》和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将传感网列入重点研究领域。工业和信息化部开展物联网的调研,将从技术研发、标准制定、推进市场应用、加强产业协作四个方面支持物联网发展。无锡市大力建设国家传感网创新示范区(国家传感信息中心),在物联网人才引进、资金、税收、土地等方面对相关企业进行大力支持,吸引了中科院、清华大学、北京邮电大学、中国移动、中国联通、中国电信等企事业单位在无锡设立机构。北京着手启动物联网的规划工作,市经济和信息化委员会与中关村管委会成立中关村物联网产业联盟。其他地区也从制定规划、设立相应机构等方面着手推动物联网的发展。

(二)国内形成了RFID、M2M、传感网等丰富的物联网应用

虽然物联网的概念在我国最近才得到广泛关注,但物联网的应用很早就在我国得到开展,目前主要以RFID、M2M、传感网三种形态为主。在RFID方面,2009年中国RFID产业市场规模达110亿元,相比2008年增长36.8%,已用于物流、城市交通、工业生产、食品追溯、移动支付等领域,特别是随着3G网络开始运营,各运营商推出了移动支付方式,如中国移动于11月宣布采用RFID技术的SIM卡,在星巴克和上海世博园园区内可以通过手机终端刷卡消费。在M2M方面,电信运营商积极开展M2M应用。如中国移动从2004年开始发展M2M业务,2008年M2M终端数量发展了229万部,目前已超过300万部,预计未来年增长率将超过60%,在智能楼宇、路灯监控等方面得到广泛应用。国内在传感器网络方面则处于发展的初级阶段,基本上还是依托于科研项目、科研成果的示范,使用的协议也还是专用协议。

(三)全社会对物联网的内涵尚未达成共识

虽然物联网受到全社会的普遍关注,但目前全社会对“物联网”的概念和技术架构缺乏统一的清晰描述,对它的内涵尚未达成共识。有的认为物联网就是传感网;有的认为物联网必然与RFID相关;有的认为EPC网络就是物联网;有的认为物联网不是网络,而是应用;还有的认为物联网太过遥远,只是一个概念。笔者提出以下观点:物联网广义上是深度信息化,狭义上是此深度信息化的承载网络,这其中的“深度”体现在与当前信息化的三大显著不同特征上。这仅是一家之言,还需要与业内人士共同探讨,不断发展完善。

(四)编码方式落后,统一的编码体系尚未形成

在物联网系统中,唯一识别码是非常重要的关键点。不过,我国的物品编码建设还需要不断加强。一方面,我国各企事业单位的编码方式较为落后,体现在设计编码较为随意,没有考虑到编码的科学性、可扩展性、兼容性等;另一方面,我国很多领域还未形成统一的编码方案,已形成统一编码方案的领域也处于宣传和推广阶段,各行业、各单位编码呈现各自为战的局面,多数编码体系不仅跨行业无法使用,就是在本行业内不同企业间都无法通用。

(五)数据采集信息化水平低

物联网发展的关键因素之一是数据采集技术的突破和融合应用,但是在数据采集领域,我国的信息化水平还很低,体现在以下方面。

第一,很多场合的数据采集还是通过人工观察得来,传感器、仪器仪表等设备远未达到无所不在的普及程度。

第二,现有的数据采集设施很多还是传统的机械式、电气式设备,还未改造成电子化设备,设备的智能化水平较低,如我国的智能仪器仪表还很少。

第三,很多数据采集设施还需要人的直接操作,如零售业广泛采用的是需要售货员操作的激光条码扫描器等。

第四,数据采集设施多数还是孤立运行的,所采集的数据直接提供给人工查看、处理,或者进一步由人工录入信息系统,并未与信息系统直接互联互通并进行处理,从而无法给人类提供更大的便利和作用。

(六)标准化进程有待推进,其中传感网标准建设开始起步

物联网所联通的物品多种多样,所采用的通信方式也很多,要实现广泛的互联互通,特别需要有统一、规范的标准,包括通信协议、程序接口等。目前,不仅在国内,而且在全球,物联网所涉及的很多领域都尚未建立统一的标准,如短距离通信技术协议众多,包括蓝牙、Wifi、红外数据传输、ZigBee等。物联网中如何有效整合各种协议或进行有效兼容,尚未取得一致意见。在众多领域中,我国传感网标准建设开始起步。全国信息技术标准化技术委员会组建了传感器网络标准工作组,积极开展传感网标准制定工作,并争取国际标准的主导权。自2007年ISO/IECJTC1成立传感器网络研究组(SGSN)以来,全国信息技术标准化技术委员会先后四次组织国内的专家参加SGSN工作会议,并承办了SGSN的第一次会议。2009年9月,传感器网络标准工作组通过中国国家成员体向ISO/IEC JTC1提交了关于传感网信息处理服务和接口的国际标准提案。

(七)信息产业大而不强

作为信息化的进一步推进阶段,物联网的发展仍然有赖于信息产业的自主创新发展,但我国信息产业“大而不强”,自主创新能力较弱。首先,我国的信息产业处于世界产业链的低端。我国信息产业的高速增长,是建立在外资大规模进入、三资企业在产业发展中占据主导地位的基础之上的,本土企业主要从事技术含量和附加值较低的产品加工制造。其次,核心技术和关键装备主要依赖进口。集成电路设计总体水平不高,真正根植于中国的大规模集成电路制造体系尚未形成;核心材料及设备等行业仍处于起步阶段;基础软件严重依靠国外企业。最后,本土企业竞争力与跨国公司相比仍有较大的差距,具有国际竞争力的企业或企业集团很少。

五 我国物联网的研究与发展战略的若干建议

虽然国外发达国家关于物联网的研究才刚刚起步,而我国的物联网研究和开发与国外发达国家基本上是同时开始的,但是,我国物联网产业基础薄弱,目前市场化水平较低,现阶段物联网产业的发展中仍然存在不少障碍,如产业内部结构不合理,缺乏关键性核心技术和标准,技术创新能力不强,缺少物联网高端人才等。借鉴美欧日韩等国制定的物联网产业发展战略计划,并结合我国物联网产业发展的实际情况和面临的机遇与挑战,我们从中得到如下启示。

(一)加大对物联网研发(R&D)的投入,高度重视参与物联网国际标准的制定,加快物联网核心技术的研发和创新

美、欧、日、韩等国的物联网发展战略都强调研发投入。物联网具有多种新技术交叉衍生融合创新的特性,它不同于以往电信网络、计算机网络等产业的特点和发展路径,持续的创新和新技术的不断涌现与融合应用是物联网产生和发展的源动力。研究与开发(R&D)投入是物联网产业快速发展的关键因素,我国在制定物联网产业发展战略和政策时,也应该以推动核心技术发展、抢占产业制高点为要务。我国在物联网产业的核心技术及其研发方面还与世界水平有较大差距,在技术研发上加大投入应该是目前亟待解决的一个问题。根据我国物联网产业发展现状,有选择地发展核心技术,在某些领域实现技术领先是可能的,即从本国实际出发、结合自身优势、突出特色、重点突破。

物联网产业是新兴的朝阳产业,具有高投入、高风险、高收益性的特点,发展物联网产业需要大量的资金支持。物联网关键技术和标准的研发投入不仅需要政府的推动,更需要企业的共同努力。因为从美欧日韩等国的物联网发展战略来看,政府对物联网产业研发投入是对产业界的补充,而不是代替产业界,企业是物联网产业研发和产业化的主体。所以,增强我国物联网产业的研发实力,一方面要靠增加政府的财政投入,同时借鉴国外税收支出的经验注意采用间接的减免税来推动物联网的研发与产业化,注重向重点企业和关键技术倾斜以优化财力支持的结构。另一方面是要深化科技体制改革,培育企业在技术开发中的主体地位,增强企业在政府税收、信贷、产业政策引导下自主研发及对引进技术消化创新的积极性。另外,要加紧建立健全新兴产业风险投资机制,完善资本市场对物联网产业发展的支持作用,鼓励风险资本在物联网产业的投资。

(二)以我国现有的创新产业示范科技园区为基础,建设一批国家物联网产业基地

美国重视走产学研合作的道路,建立科技园区,从体制上加强大学、科研机构和产业界的合作。自硅谷崛起以来,科技园的发展已成为当代经济、科技和社会发展的强大动力。美国成功的科技园无疑都是以著名的研究性大学为依托,利用大学的科研与人才优势创建高科技园区,发挥高新技术的辐射作用。美国四所一流的研究性大学——斯坦福大学、加州大学伯克利分校、哈佛大学、麻省理工学院,它们的“产—学—研”合作中心是较为成功的范例。前两者在硅谷的发展中功不可没,后两者则是美国128公路地区高新技术产业发展的重要技术支撑。因此,我国应该依托已经形成的各地创新产业示范科技园区,进一步扩大物联网产业的总量规模,遵循电子信息产业区域聚集的发展规律,注重物联网产业发展综合环境和配套体系的建设,使我国成为世界性的物联网产业制造基地。同时,通过以点带面的基地战略实现全国物联网产业的优化布局和技术结构的升级。

(三)坚持产用结合,以抓“专项”的思路进一步促进物联网的核心技术和重点产品的发展

在我国信息产业的发展历程中,利用“专项工程”的方式抓重大核心技术和重点产品的发展都取得了巨大成功。例如,我国的“彩电国产化专项”“汉字激光照排系统专项”“大型数字程控交换机专项”等一系列重大专项工程的成功实施,使我国信息产业在发展过程中不断取得新的突破,为国家经济建设和社会发展也做出了巨大贡献。例如,在近几年实施的“移动通信专项”工程中,国家三年内只投入6.5亿元启动资金,却为企业新增50多亿元销售收入,为国家新增200多亿元利税,国产手机份额从0跃升到30%,催生了数家较有实力的国内手机厂商,使得国内电信设备采购成本降低了30%以上,带动12家跨国公司在华设立移动通信研发中心,这是非常成功的经验。国家应继续采取“专项工程”的方式,将纳米技术、智能嵌入技术、无线传感技术等物联网的关键核心技术列为优先发展的重点,并在政策和资金上给予重点扶持。

(四)重视物联网技术研究开发高级人才的培养

物联网产业是新兴的高新技术产业,对高技术研发人才的依赖程度大,从移动通信领域最近毕业的博士、硕士学位论文选题来看,我国物联网产业方面的高端技术研发人才十分匮乏,而且现有人力资源可开发与利用的环境也不理想。一是高端科技人才开展科学研究和科研开发所需要的资金、设备、场地等条件不充足,相关激励政策不到位;二是没有建立产学研结合和技术成果转化为生产力的有效机制。

首先,应从高等教育抓起,在高校中增设和物联网技术与应用、物联网工程等相关的专业,培养更多的物联网研发和应用的高层次人才。我国教育经费投入虽然已有很大的提高,但还是严重不足,而且现行的教育制度主要是应试教育,难以培养出创新型人才。所以,政府应该加大教育经费的投入,改革教育体制,大力培养创新型人才。而对于现有的物联网研发人员,要加强培训,不断拓宽其研究领域,改善其知识结构。要重视产学研的合作,建立合理的相关机制,形成科研院所和创新企业间人才与资金的良性循环,有效地在第一时间把科学技术转化成生产力。

其次,要建立有效的人才激励机制。目前,我国高科技人才的流失现象非常严重,对科技人员利用效率也不高。为了改善这种状况,我们必须建立一整套完善的高科技人才引进、培养、使用、评价和激励机制。加大对有突出贡献人才的奖励力度,鼓励科技人员以成果、专利入股,把企业技术创新的风险同经营者和职工的利益挂钩,充分调动和激发科研人员的智慧与创新潜力。同时,还应创造条件吸引海外留学人员归国工作,使他们更好地发挥自己的聪明才智,为发展物联网产业做出应有的贡献。

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作者简介

卢涛 男

所属博士后流动站:中国科学院大学管理学院

合作导师:周即中

在站时间:2009.06~2011.06

现工作单位:中国科学院大学管理学院

联系方式:lutao@gucas.ac.cn