智慧城市的网络物理社会系统

工程2（2016）156研究iCity大数据-透视智慧城市作为网络物理社会系统克里斯汀·G 预言家波士顿大学信息与系统工程中心，Brookline，MA 02446，USAARt i clEINf oA b s tRAC t文章历史记录：2016年4月30日收到2016年6月6日修订2016年6月13日接受2016年6月30日在线发布保留字：智慧城市信息物理系统数据驱动控制新兴的智慧城市原型是一个城市环境，为交通、能源分配、医疗保健、环境监测、商业、商业、应急响应和社会活动提供新一代创新服务。为这种环境启用技术需要将智能城市视为网络物理系统（CPS），包括新的软件平台和对移动性，安全性，安全性，隐私和大量信息处理的严格要求。本文确定了智慧城市的一些关键定义特征，讨论了将其视为CPS的一些经验教训，并概述了一些基本的研究问题。© 2016 The Bottoms.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是CCBY-NC-ND下的开放获取文章许可证（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍截至2014年，地球上54%的人口居住在城市地区，预计到2050年这一比例将达到66%。这一增长将使城市人口增加25亿人[1]。同时，现在有28个特大城市（每个城市都有1000万人或更多），居住着4.53亿人，约占世界城市人口的12%。预测表明，到2030年将有41个以上的特大城市城市地区的管理和可持续性已成为当今社会面临的最严峻挑战之一。因此，城市正在寻找通过变得“智能”来确保其公民的可持续、舒适和经济可行的未来的方法新兴的智慧城市原型是一个城市环境，为交通、能源分配、医疗保健、环境监测、商业、商业、应急响应和社会活动提供新一代创新服务。“智慧城市”一词被广泛用于描述上述总体愿景，以及支持它的知识内容。智慧城市的技术基础设施基于传感器和执行器网络，这些传感器和执行器通过以下方式嵌入在城市地形之外，与无线移动设备交互（例如，智能手机），并拥有一个基于互联网的骨干网与云服务。通过这种网络物理系统（CPS）收集和流动的数据可能涉及交通状况，停车位占用率，空气/水质信息，桥梁，道路或建筑物的结构健康状况，以及城市资源的位置和状态，包括运输车辆，警察或医疗保健设施。这种环境产生的应用程序几乎是无穷无尽的，每天都在发明和部署，为面向特定用户群体和城市居民的巨大新业务和商业机会铺平了道路实现这样的智慧城市环境需要网络物理基础设施与新的软件平台相结合，并对移动性、安全性、安全性、隐私和大量信息（所谓的“大数据”）的处理提出严格要求。流行的范例是“云”，其中大部分数据驻留并驱动各种新颖且不断发展的应用，具有实时响应和严格的安全期望。值得强调的是，智慧城市基础设施的最终价值电子邮件地址：cgc@bu.eduhttp://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.02.0122095-8099/© 2016 THE COVERORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/engC.G. Cassandras/Engineering 2（2016）156-158157而不是简单地收集和共享数据（图1）。这需要平衡地理解这种模式的一个主要挑战是需要将广泛分布的异构设备集成到一个公共的软件环境中。例如，嵌入电力线或建筑物的供暖、通风和空调（HVAC）组件中的摄像机和不同类型的传感器这一过程可以被视为与20世纪80年代和90年代初发生的过程平行，当时互联网发展到将数据、语音、视频和专门应用程序集成到统一的环境中，并且出现了用于各种工业和商业部门的软件平台。类似地，在互联网正在快速发展的CPS领域中，人们期望出现新的平台，其由移动性以及大量数据的安全和安全处理来在这个被称为物联网的新现实中，正如我们所知，ternet很可能只是一个更大网络的一个组成部分。尽管互联网最终只不过是用于将分组从一台计算机传输到另一台计算机的结构，但在智能城市中，数据从异构传感设备流向服务器，并且相反地，命令流向执行有用的实时操作（例如，控制交通信号灯或HVAC部件，以及调度用于关键医疗保健或紧急需求的资源在目前的环境中，每个新创建的智慧城市应用程序都需要自己独特的方式来适应和访问其用户。现在缺少的是--也是未来的定义--是一个底层的公共平台，它允许这些应用程序在这个环境中成为即插即用的组件。2. 定义智慧城市智慧城市没有一个普遍接受的定义，但有几种努力正在出现，试图捕捉智慧城市所代表的多维和多学科性质。以下给出了一些这样的定义，这些定义来自不同的来源：政府机构、工业组织、技术领导者和学术界。(1) “一个在[经济、人、治理、流动性、环境和生活]方面以前瞻性方式表现良好的城市，建立在自我决定、独立和有意识的公民的禀赋和活动的巧妙结合之上。”[3]第一章(2) “Smart [3]第一章(3) “日立的可持续智能城市愿景旨在实现对全球环境和生活方式安全的关注-通过基础设施的协调，通过协调基础设施实现的可持续智能城市包括两个基础设施层，支持消费者[4]美国(4) “WeFig. 1. 智慧城市的网络物理基础设施。通过参与式治理”。[5]《中国日报》所有这些定义智慧城市的尝试都有一些共同的元素。总而言之，智慧城市是[6]：①可感知的（传感器感知环境），②可连接的（联网设备将感知到的信息带到Web上），③可访问的（关于我们环境的信息被发布并可由用户在Web上访问），无处不在的（用户可以在任何时间和任何地点访问信息，同时移动），可社交的（获取信息的用户可以通过他们的社交网络发布信息可共享（共享不仅限于数据，还包括物理信息，当它们处于自由状态时可以使用的cal对象），以及可视/增强（物理环境被改造，信息不仅可以通过移动设备被个人看到，而且可以在物理场所（如路标）看到）。值得注意的是，这些定义中没有前面提到的关于智慧城市“闭环”的观点。这方面尚未被广泛认为是CPS的最终价值3. 将智慧城市视为CPS的经验教训我们在波士顿大学为智慧城市建立网络物理基础设施的工作帮助我们确定了几个问题，为研究提供了一些指导原则。此外，在波士顿市部署智慧城市应用程序的努力从负责协调此类部署的城市管理部门和最终用户本身提供了宝贵的反馈一些关键的观察结果总结如下。(1) “Smart” 如图所示。 1，将作为智慧城市的CPS视为一个闭环系统是极其重要的，在某些情况下是至关重要的。简单地收集和传播数据给用户组实际上可能弊大于利。例如，今天的“智能停车”技术基本上通知驾驶员哪里有停车位;因此，通常情况下，多个驾驶员聚集在几个可用空间的地方，从而造成额外的交通拥堵，因为被吸引到该区域的驾驶员(2) “意外后果定律”找到了肥沃的158C.G. Cassandras/工程2（2016）156in smart聪明cities城市.当人们获得大量的新数据和服务时，他们会表现出惊人的能力，以前所未有的创新方式使用为特定目的开发的服务。当一个人不断开发新的能力，并以简单、直观、易用的方式使它们广泛可用时，这种有益的“非预期后果”原则因此，创建几个应用程序，建立一个用户友好的平台来积累和传播数据，在促进创新方面具有显著的放大能力。(3) 人类在智慧城市中的作用技术本身并不能改变一个城市或一个社区;必须包括必要的机制，为使用技术和容纳“当涉及到对共享资源的有效管理时，在个人和社会的最佳状态之间存在着根本性的冲突。城市环境中的交通控制是这一事实的一个主要例子，因为个体驾驶员寻求实现他们认为是自己的目标，这通常与在给定时间点使整个驾驶员群体受益的目标不一致[8]。虽然技术提供了实现社会（或全球）最优的手段，但人们不能在真空中强加它理解和尊重人类行为是CPS的关键组成部分;事实上，CPS应该更准确地被称为网络物理社会系统。这一措辞也暗示了市政府在制定和实施必要政策以提供激励并为智慧城市提供CPS技术的最终价值方面4. 智能城市从系统和控制理论的角度来看，智慧城市是一个高度动态的随机混合系统[9]，其中的许多问题只能通过多学科方法成功解决，将工程，计算机科学和社会科学的研究人员聚集在一起以下概述了将上述智慧城市愿景转化为现实的一些主要研究领域。(1) 传感和合作数据收集。显然，这是智慧城市的起点，事实上，也是任何CPS的起点。这里的一个关键挑战是我们感兴趣的数据源的高度不均匀和分布式性质，以及负责与它们交互以及以合作方式彼此交互的传感设备的高度不均匀和分布式性质传感器网络可以被视为一个控制系统，包括三个主要任务：覆盖控制，数据源检测和数据收集。这三项任务之间的相互作用是重要的，并定义了重要的权衡。(2) 数据收集和处理过程中的安全性、保密性和能源管理。如图1所示，数据收集和处理的整个过程都受到约束--有些是严格的物理约束（如有限的能量，主要是在无线网络设置中），有些是由法律、文化和经济原则和规定强加的。(3) 动态资源分配。最终，智慧城市的大部分城市环境的高度动态性要求超越传统算法的新的资源分配机制例如，当更好的资源可能变得可用时，将诸如停车位的资源提交给位于许多分钟或数小时之外的车辆是没有意义的，而车辆是可用的。在运输中[7]。经典性能优化问题中的“响应时间”或“延迟”的传统概念许多能源感知资源也是如此，例如电动汽车（EV）：它们在交通网络中的存在开辟了新一代的路由和调度问题[8]。(4) 数据驱动的控制和优化。部分由于智能城市环境中大量数据（大数据）的可用性，有机会开发新的控制和优化方案，这些方案由实时数据和复杂的离线模型驱动。此外，涉及流量或对某些资源的需求的随机过程的复杂性可以说使得这种数据驱动机制成为绝对必要，并且激发了对软件平台的需求，该软件平台打破了当今存在的技术和机构孤岛，并且使得能够有效地积累、存储和向具有创新潜力的任何人传播数据(5) 互联自动驾驶汽车（CAV）。新一代车辆的出现CAV有可能降低能源成本，以及不必要的排放，并改变典型驾驶员的行为和城市居民对驾驶的整体态度，这在很大程度上是不可预测的。因此，迫切需要量化CAV带来的运输效率的提高，以及它们对网络物理基础设施其他组成部分的(6) 跨学科研究。如前所述，如果没有市民的参与和合作，仅靠技术无法改变一个城市。智慧城市实际上是一个由人、技术、组织和信息组成的社会技术生态系统因此，这个生态系统的适当设计和管理需要汇集工程师，生态学家，经济学家和社会科学家，提供丰富的跨学科研究机会。引用[1]世界人口日益城市化，超过一半的人生活在城市地区。纽约：联合国; c2016 [引用于2014年7月10日]。可查阅：http://www.un.org/en/development/desa/news/population/world-ur-banization-prospects-2014.html。[2]Vesco A，Ferrero F，editors.智能城市发展中的社会、经济和环境可持续性研究手册。Hershey：IGI Global; 2015.[3]Giffinger R ， Fertner C ， Kramar H ， Kalasek R ， Pichler-Milanović N ，Meijers E.智能城市：欧洲中等城市排名。最终报告[互联网]。格拉茨：AssetOne Immobilienentwicklungs AG; [引自2007年10月]。可从以下网址获得：http://www.smart-cities.eu/download/smart_cities_final_report.pdf[4]杨志华，李志华.日立Hitachi Rev 2012;61（3）：111-8。[5]Meijer A，Bolívar MPR.治理智能可持续城市：扩大对社会技术协同作用的搜索。在：2013年EGPA年会论文集; 2013年9月11日至13日;爱丁堡，英国;2013年。[2014年2月8日]。可查阅：https://www.scss.tcd.ie/disciplines/information_systems/egpa/docs/2013/BolivarMeijer.pdf。[6]焦卡河智慧城市的大数据[演讲]。In：Smart Cities Industry Summit; 2012 Sep25-26; London，UK; 2012. [2014年2月8日]。地址：北京市朝阳区朝阳区朝阳路108 号 使 某 人 失 去 控 制 。 futuretext. c om/wp-c on te n t/up-loads/2012/09/informa-smart-cities-ajit-jaokar. pdf.[7]Geng Y，Cassandras CG.基于资源分配和预约的新型“智能停车”系统。IEEETrans Intell Transp 2013;14（3）：1129[8]放大图片作者：Pourazarm S，Cassandras CG，Wang T.交通网络中能量受限车辆的最优路径选择与收费。Int J Robust Nonlin 2016;26（6）：1325- 50.[9]Cassandras CG，Lygeros J，editors.随机混杂系统Boca Raton：CRC Press;2006.