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智慧的城市及其创新挑战
迈林迪.纳帕汉德, 古鲁都斯.巴纳瓦, 柯林.哈里森, 朱里.帕偌斯克和罗伯特.莫里斯
摘要
向更智慧的城市转型将需要创新规划、管理和运营。世界各地正在进行的几个项目说明了这一转变的机遇和挑战。
城市正在经历前所未有的社会经济危机。由于需求超过水，能源，交通，医疗，教育和安全等方面的需求，城市的发展和迁移正在给城市基础设施带来巨大的压力。为了降低成本，提高效率，提高公民预期的生活质量，同时平衡预算，城市正日益关注信息和通信技术（ICT）和新的工作实践。
关键词 智能家居；ZigBee；传感网络
向更智慧的城市转型将需要创新规划、管理和运营。巴西，美国，丹麦，韩国和其他国家正在进行的几个项目说明了这一转变的机遇和挑战。
需要智慧的城市
全世界的城市迫切需要在管理基础设施和资源方面变得更加智能，以满足公民现有和未来的需求。城市化经济增长，技术进步和环境可持续性的同时发展趋势是推动这一新的紧迫性的动力。
城市化
现在全世界有超过50％的人口居住在城市。联合国预测，到2050年，由于目前的城市人口和农村地区的人口增长，这一数字将上升到70％。[1] 这个增长的一部分将在27个超过一千万人口的特大城市，但是超过一半的增长将发生在目前人口不足50万的城市。城市基础设施已经面临压力，甚至难以提供基本服务，而新兴城市将面临新的发展挑战。
经济增长
目前排名前100的城市聚集体占全球国内生产总值的25％。通过把人们聚集在一起，城市激发创造力和创业精神，进一步刺激经济活动。虽然发达国家在城市投资不足，但据估计，到2030年，发展中国家将需要40万亿美元用于新的城市基础设施，这带来了巨大的创新机会。
技术进步
信息通信技术的进步彻底改变了人们的生活。二十亿人使用互联网; 移动用户超过50亿。[2] 全世界有300亿个RFID标签，每个人拥有10亿个晶体管，每个成本只有千分之一。[3] 普遍的传感和网络，无线连接以及更便宜，更小的计算机的融合使智能控制系统变得更加容易，并赋予人们更多的权力。
环境可持续性
有证据表明，人类活动造成了前所未有的环境变化，人口增长很快将世界自然资源压到突破点。全球变暖，空气污染，土地退化，淡水人均可用率下降，粮食短缺以及生物多样性减少是一些最为严峻的挑战。城市的首要任务包括维持水，能源和食品供应，管理废弃物（95％的城市仍将未经处理的污水倒入水中）以及减少温室气体排放。
与流行观点相反，城市生活往往比郊区和农村生活更环保：居民消耗更少的能源和生活空间，并且使用更少的能源来运输。在发达社会，城市居民对化石燃料的依赖较少，徒步旅行多于那些生活在人口较少地区的人们。
智慧城市转型
一个城市可能需要十年才能变得真正的聪明。有时，推动转型的动力是从自然灾害，即将发生的大规模事件，或大规模的政府投资中恢复过来。在其他时候，有远见的城市领导人激励公民和企业界将他们的能源和资源引入这样一个项目。
评定
一旦决定转型，城市必须评估其需求和创新机会，制定明确的目标，优先考虑发展工作，并制定让城市规划者，信息通信技术顾问和居民评估进展的指标。
IBM和其他组织已经创建了几个工具来促进这个过程[4]， 包括智慧城市评估工具，可操作业务架构和市政参考模型。研究人员可以使用IBM的组件业务模型将城市划分为独立的运营单位，并将其智慧城市成熟度模型应用于各种领域，从社区服务和公共安全等居民导向服务到道路等结构功能维护和交通管理。
评估应该足够灵活，让城市选择对他们来说最重要的领域，并提供一些预测成本和衡量进展的手段，例如各个机构如何整合业务和共享数据。将成熟度模型应用于众多城市也揭示了可以帮助指导投资策略并预测采取特定方法的结果的共同模式。例如，在没有智能交通政策的情况下大力投资于公路扩建，可以减少公共交通的使用。
一个“系统体系 ”
如图1所示，在最高层次上，一个智慧的城市整合和优化了一系列相互依存的公共和私人系统，以达到新的有效性和效率水平。这些系统越来越多地是信息的生产者和彼此信息的消费者，尽管交互也可以是间接的。因此，一个智慧的城市可以被看作是一个“系统体系”
智慧的城市转型依赖于使用强大的分析技术来从真实世界的事件中提取见解，从而改善城市业务流程。这些过程可以大致分为计划，管理和操作。
规划 一个更智能的城市为城市规划者提供工具，利用各种不同的人类行为信息来帮助配置资源 - 土地，水，交通等 - 随着城市的发展。城市生态系统的整体建模为战略发展，绩效评估，新出现的最佳实践的确定以及倡议的整合提供了量化支持。分析来自其他可比城市的数据可以帮助规划者校准城市动态模型并比较其相对进展。
管理 一个更智能的城市可以通过提供机构间计划干预的可见性来协调基础设施管理活动 - 道路＃设备的创建和维护以及其他资产。例如，电力公司在街道路口下更换电缆，可以为交通管理者提供在同一地点更换信号以节省资金的机会。通过提供一个时间维度，更智能的城市数据可以揭示每个领域的历史观点，并能够展示其发展方式。
操作 一个更智能的城市将多个数据源集成在一起，以实时表示城市域之间的相互依赖关系。例如，电力公司可以将基于历史使用模式（周假日，当地天气，重大事件等）的近期需求的复杂模型与可能影响未来需求的实时交通信息相结合。因此，如果意识到傍晚出站通勤的重大延误可能会让公用事业项目的需求延迟，因为这些通勤者迟到了。电力公司同样可以使用实时天气数据来预测暴雨中损坏的电缆的位置。
图2 里约热内卢的运营中心集成了动态的实时数据和多个系统，以改善危机和运输管理
示例更加智能的城市
各种规模，地理和经济的城市例子说明了智慧城市转型的不同方面。
巴西里约热内卢
里约热内卢每年夏天都会面临强降雨的后果，包括山体滑坡和洪水。2010年4月，该地区经历了几十年来最严重的一场暴雨，其中泥石流造成200多人死亡，数万人无家可归，造成超过130亿美元的损失（http：// en.wikipedia。 org / wiki / ApriL2010JRio_de_Jaiieiro_ floods_and_mudslides）。造成的混乱，生命损失和财产破坏激发了州和市政府在里约实施先进的信息通信技术能力，以更好地管理灾难和紧急事件以及计划中的具有国家重要性的事件。
利用来自该城市选择举办2014年世界杯和2016年夏季奥运会的大量货币投资，在里约市长Eduardo Paes的富有远见的领导下，该市开始实施一项雄心勃勃的计划，将多个系统连接起来，以改善危机和运输管理。
里约运营中心[5] 于2010年12月开放。如图2所示，它包括一个事件管理系统，将帮助城市做好洪水相关事件的准备和应对工作，以及多个机构可以协调的过程管理系统以及基于来自天气传感器，视频监控和现场人员的动态数据的智能决策，覆盖在综合地理信息系统（GIS）上。随着这个系统的发展，研究人员可以将来自运输系统，建筑物以及可能的能源，水和其他子系统的数据整合到里约运营中心，创建一个真正的闭环系统。
迪比克，爱荷华州
迪比克市是经济危机促使转型的智慧城市的一个例子。随着上世纪80年代木工业的消亡，这座6万人的城市已经发展成为一个充满活力的可持续发展中心，利用信息通信技术为公民和城市管理优化资源和运营。这导致了美国最快的城市经济转机之一，拥有多元化的劳动力和本地工业，使水，能源和建筑物可持续发展。
2006年，迪比克创造了三大主题的可持续发展模式：经济繁荣，社会文化活力和环境完整性。该模型基于11个核心原则，包括能源，水和其他资源的智能使用;绿色建筑、合理的流动性和更多的社区知识。
三年后，Dubuque与IBM合作，成为智慧城市可持续发展管理的生活实验室，使用智能仪表监测家庭用水和用电情况，并为居民优化个人消费提供指导和激励。[6]。
图3显示了公民用于综合可持续管理的仪表板
迪比克一直是将公民置于智慧城市转型的中心，这是一个常常被忽视的重要方面。该市还将规划，管理和运营相结合，以尽量减少碳足迹，并鼓励经济增长。
博恩霍尔姆丹麦
国际研究人员在丹麦的博恩霍尔姆（Bornholm），一个拥有4万蚂蚁的岛屿，正在开发一个将电动汽车（EV）整合到当地电网的系统，该电网主要依靠可再生能源风力发电。如图4所示，EDISON系统 - 使用可持续能源和开放网络的分布式和集成市场中的电动汽车（www.edison-net .dk） - 包括公共和个人充电站网络以及集成技术来管理电动车以及负载平衡，帐单等。
除了减少二氧化碳排放外，电动汽车还可以充当辅助存储设备，在需要时将电力送回电网。丹麦的海上风电占丹麦电力的20％，作为将这个数字提高到50％的长期战略的一部分，政府希望到2020年在全国范围内部署20万辆电动汽车[7]
松岛国际商业区的方案，韩国
首尔是韩国首都，拥有先进的信息通讯技术基础设施，为其超过2400万市民提供廉价，超高速的宽带接入服务。*除了加速国家经济发展之外，治理^导致世界上最先进和高效的电子政务。[8]这一转型带来的诸多好处之一是提高了透明度 - 在线披露所有政府合同的投标显着减少了腐败。
图4.在Itie丹麦的Bornholm岛上，EDISON项目 - 电动汽车在利用可持续能源和开放网络的分布式和整合市场 - 正在开发一个将电动汽车集成到当地电网的系统，该电网主要依靠可再生风力发电
松岛国际商务区（www.songdo.com）是一个无处不在的生态（u-eco）城市，位于首尔以西40英里，位于仁川经济自由区的填海区。松岛国际商业区将于2015年建成，包括80,000间公寓，5000万平方英尺的办公和零售空间（包括国内最高的68层东北亚贸易中心），医院，艺术和会议中心，学术综合体以及600英亩的开放空间，成为历史上最大的私人房地产开发项目。
计算机的广域网络将连接松岛IBD的结构，为公民和企业提供各种数字服务。例如，每间公寓的每个房间都配有控制照明，温度和媒体访问的面板; 20000个住宅单位将采用网真技术。一个绿色，先进的数据中心将有助于管理城市生活的各个方面，从交通管制到用水和能源使用，再到循环利用。
其他更智能的城市
全球许多其他城市和地区正在利用技术创新来改善其规划，管理和运营。
图5显示了智慧城市作为相互关联的城市系统的闭环的理想。这些系统可以用功能进行
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