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在未来的智慧城市中，城市基础设施将相互连接。联网的设备无处不在，从公共汽车，汽车到路灯，都通过物联网（IoT）链接到网络。水和电网将配备智能传感器。所有这些都应使我们的城市空间更高效，更便捷，污染更少，更安全，更宜居。

一、什么是智慧城市？

智慧城市是指使用信息和通信技术（ICT）框架来改善城市管理并鼓励经济增长的城市。ICT与连接的对象网络（IoT）进行交互，它可以接收，分析和传输有关当前状况和事件的数据。

物联网包括可用于使城市更高效或更易访问的任何设备，包括蜂窝电话，智能车辆，安全摄像机，嵌入在道路中的传感器等。

智慧城市的三个主要特征是：物理和技术基础设施，环境监测和响应能力以及为公民提供的智慧服务。

一个智慧的城市由三个层次构成。首先是技术基础，其中包括大量的智能手机和通过高速通信网络连接的传感器。第二层由特定应用程序组成。将原始数据转换为警报，见解和行动需要正确的工具，这就是技术提供商和应用程序开发人员介入的地方。第三层是城市，公司和公众的使用情况。许多应用程序只有在被广泛采用并设法改变行为的情况下才能成功。他们鼓励人们在下班时间使用公共交通，改变路线，减少能源和水的消耗并在一天中的不同时间使用，并通过预防性自我保健减少医疗保健系统的压力等。

预计到2050年，全球三分之二的人口将流向城市，超过40亿人将居住在城市中。城市化带来许多负面影响，城市政府和居民面临的主要挑战之一是交通拥堵。根据INRIX的一项研究，拥堵仅在美国每年就造成3000亿美元的经济损失，在许多大城市，驾驶员每年在交通上花费超过100个小时。

智慧城市有望改善生活质量，减少大城市地区对环境的影响，使公民更健康，更高产，并促进当地经济发展。

二、颠覆未来智慧城市的四大传感器技术

在智慧城市中，传感器，摄像头，无线设备，数据中心的网络构成了关键的基础架构，使市民能够以更快，更有效的方式提供基本服务。

当中，传感是智能基础架构的核心。传感器是城市景观中隐藏但无处不在的组成部分，是任何智能控制系统的重要组成部分。

Frost＆Sullivan的最新分析显示，新兴传感器技术将颠覆未来智慧城市。数字化和物联网（IoT）的进步正在推动传感器技术在城市之间的大规模采用，再结合人工智能（AI）和5G高速网络等关键支持技术，城市中的集成传感器网络正在推动建立互联城市生态系统，以实现公共资源的最佳利用。

传感器网络包括声学，激光雷达，雷达，3D摄像头传感器，环境传感器，流量传感器，气体传感器以及湿度和温度传感器等等。集成的传感器系统有助于与锚应用程序和集中式平台建立无缝互连的网络。为某一目的而建立的传感器网络（例如路灯）可以启用其他几个连接的应用程序，例如环境监控，公共安全，集中式网络将有助于减少重复的资金成本，并且不需要多个单独的复杂网络。

当中，未来智慧城市主要利用四大传感器技术来扩展其智慧功能——电子传感器、红外传感器、热传感器以及接近传感器&激光雷达传感器。

①、电子传感器：

电子传感器部署在环境监视传感器和速度计传感器中，这些传感器通常用于智慧城市中，以执行各种任务，例如监视电源和电流水平以进行故障检测。

②、红外传感器：

红外传感器有助于在动态和不稳定的环境中无偏见地生成数据，从而有助于智慧城市中的决策。雷达传感器可用于利用复杂的计算机数据来分析重要的考古现场信息。

③、热传感器：

热传感器对能量分布进行精确跟踪，而其他智能传感器则可以管理需求侧能量。因此，智能电网传感器有助于提高能源效率。

④、接近传感器和激光雷达传感器：

接近传感器和激光雷达传感器可以帮助开发自动车辆系统，这对于使城市完全智能化至关重要。

三、智慧城市的传感器应用

智慧城市的传感器应用方面之一是对可用资源的最佳利用。传感器可通过连通性帮助优化利用资源，告诉我们何时何地保存。这些传感器可以控制，检测和管理不必要的使用，并根据需要进行某些调整。

水管理

目前，主要城市由于管道泄漏而浪费高达50％的水。通过在每条管道上安装传感器，可以很容易地检测到漏水并进行纠正，以免造成重大损失。除此之外，只要发现雨水，公园的灌溉系统就可以自动关闭。

能源管理

传感器还启用了“高级计量基础架构（AMI）”概念，为城市的能源管理奠定了基础。城市正在考虑使用内置有相位测量单元（PMU）传感器和通信模块的“智能电表”，该模块可促进消费者和供应商之间的双向通信。对于公用事业服务提供商，它有助于在响应客户呼叫而派遣维修人员之前检查电表状态。这些检查可以防止不必要的现场工作人员派遣到客户现场。对于消费者而言，它可以以用户可以轻松理解的方式提供实时能源使用详细信息。基于此数据，用户可以更改首选项并就其使用情况做出更明智的决定，而无需等待月底的电费。

智能路灯

在城市中，即使该区域没有活动，路灯也会保持点亮状态（有时甚至在白天！）。此外，当局很难检测到任何故障和路灯被盗。使用传感器，不需要的时候灯光会变暗，当路灯出现故障或篡改时，当局几乎可以立即收到****。

废物管理

通过将传感器安装在垃圾箱中，可以在接近快满时通知市政当局。荷兰成为有史以来第一个生产“智能垃圾箱”的国家，一旦垃圾箱装满或有任何损坏，就会通过****向官员报告。

运输管理（智能停车）

传感器可以检测到最近的可用停车位在何处，从而可以减少交通量。驾驶者可通过****及时获得信息，以便他们快速找到空闲的停车位，从而节省时间和燃料。

实时污染管理

电线杆上安装的传感器可以监控城市的环境空气质量（AAQ）。市民可以监控城市每条街道上的污染浓度，或者当污染水平超过特定水平时，他们会自动发出警报。

此外，还有监控桥梁、医疗保健、智能交通等应用。

监控桥梁

在桥梁中，为了检测损坏，可以将光纤传感器用于结构监测。感测SHM的其他方法是使用带有传感器节点的WSN，这些传感器节点配备了多个加速度计，以感测桥的振动。这些传感器部署在主跨和塔架上，并收集来自风荷载的结构加速度信息。另外，还可以使用热响应以及多个传感器（例如应变仪，应变计位移和力传感器）的组合，以及使用摄像机来进行桥梁监测，例如结构裂缝检测。

医疗保健

传感器网络的最重要应用之一是医疗保健。为了促进医院或诊所的管理，可以在这些环境中将传感器用于各种应用。特别地，无线人体局域网（WBAN）是一个非常活跃的研究领域。

人体局域网由放置在人体不同部位的相互连接的传感器组成。因此，通过将传感器安装在人体内部或外部，可以远程监视一个人的生命体征。可以监测的参数示例包括心电图（ECG），呼吸，皮肤电导和皮肤温度。WBAN的优势在于它们能够将这些数据上传到远程日志记录系统，从而使执业医生可以实时查看收集到的数据。例如，如果有异常迹象，可以对心脏有问题的人进行持续监视和警报。活动监视和分类（对健康监视很有用）也可以由WBAN执行。但是，使用传感技术的医疗保健应用不仅限于WBAN。

智能交通系统

近年来，随着汽车数量的急剧增加，对有效的交通管理的需求不断增长，以避免交通拥堵并优化交通流量，尤其是在十字路口。

在智慧城市中，彼此无线连接的车辆可以相互通信，并使用决策制定来避免碰撞。使用每个车辆的时隙，在车辆之间协调交叉路口。错过时隙的车辆必须在到达交叉路口时停止并等待新的时隙。如可以通过RFID执行无线通信，基于交通标志自动控制车辆速度的系统。RFID用于车辆与交通标志之间的通信，RFID标签位于交通标志上，RFID读取器位于汽车门的侧面，霍尔效应传感器位于车轮上，用于速度控制。

四、全球十大智慧城市

到目前为止，世界上许多城市已经成为传感器技术的领导者，并开始显示出可喜的成果。总体而言，中国，东亚，欧洲和北美的城市以及中东的部分城市都拥有相对较强的技术基础。但是非洲，印度和拉丁美洲的企业则落在后面，特别是在安装传感器层这一资本密集度最高的方面。

以下是根据IESE评选出的全球十大智慧城市。

1.纽约市

纽约市连续第二年位居榜首，成为世界上最发达的智慧城市之一。纽约市人口超过850万，每天消耗10亿加仑的水。作为智慧城市计划的一部分，该市环境保护部门正在部署大型自动抄表（AMR）系统，以更好地了解用水情况，同时为客户提供每天检查用水的有用工具。该市还转向使用Bigbelly太阳能“智能”垃圾箱，该垃圾箱可监控垃圾水平并确保定期安排垃圾收集。

2.伦敦

伦敦是欧洲排名最高的城市，同时也被IESE评为世界第二大智慧城市。该市是英国的首都和人口最多的城市，并且是艺术，商业，教育，娱乐，时尚，金融，媒体，研究，旅游和交通等领域的神经枢纽。伦敦是人力资源最优越的城市，伦敦还因其流动性和交通运输，国际推广，经济，治理，技术和城市规划而受到认可。

3.巴黎

排名第三的是法国首都巴黎。该市在国际拓展以及交通和运输方面作出很多努力。

例如，该市目前正在开发“大巴黎快车”（Grand Paris Express），它将拥有127英里的全自动地铁线路和68个新车站。到2050年，该市还将用电动或天然气车辆（NGV）替代整个RATP（巴黎地区的主要公共交通运营商）的4，500巴士车队。

4.东京

根据IESE指数，东京不仅是亚洲最高级别的智能城市，还是世界上最好的第四智慧城市。作为世界上劳动生产率高的最受欢迎的大都市之一，该市在经济和人力资本方面尤其突出。东京原定于2020年举办的奥运会（今已取消），将使用人脸识别技术提高安全性，同时无人驾驶出租车有望在各地运送运动员和游客。

5.雷克雅未克

冰岛首都雷克雅未克在智能城市排名中排名第五。该市因其环保智慧城市计划而受到特别赞扬，获得了该类别的头把交椅。

例如，该市最近在大雷克雅未克地区推广了一种名为Straetó的城市公交公共交通应用程序。该应用程序已被下载85，000次，并鼓励市民更频繁地使用公交车。冰岛首都试图通过“更好的雷克雅未克”（Better Reykjavik）将公众参与其计划，该论坛是一个在线咨询论坛，市民可以在此发表有关城市服务和运营的想法。

6.新加坡

由于在技术，治理，国际推广和环境方面的努力而获得认可，新加坡被IESE评为世界第六大智慧城市。

作为其明智努力的一部分，该市实施了名为One Monitoring的运输系统，这是一个全面的门户网站，市民可以使用GPS访问从安装在道路和出租车上的监控摄像头收集的交通信息。此外，新加坡还实施了停车引导系统，可为驾驶员提供有关停车可用性的实时信息。2015年，该市还引入了智能垃圾箱作为智能废物管理计划的一部分。

7.首尔

IESE将韩国首都首尔评为全球第七大智慧城市。

根据联合通讯社的报道，首尔市政府计划到2020年将在首都安装50，000个物联网（IoT）智能传感器，以收集有关微尘，交通和其他与居民生活有关的问题的信息。此外，该市还计划引入共享停车服务，该服务使用IoT传感器让市民检查公共停车场的可用性。

8.多伦多

加拿大城市多伦多在排行榜上排名第八，在智慧城市方面也取得了长足的进步。IESE特别赞扬该市的强大治理和城市规划。作为其智慧城市事业的一部分，Sidewalk Labs（由Google的母公司Alphabet Inc.拥有）和加拿大政府机构Waterside Toronto共同致力于创建一个名为Quayside的智慧滨水开发项目。两家公司表示，该开发项目将“将具有前瞻性的城市设计和新的数字技术相结合，以创建以人为本的社区，从而达到可持续性，可负担性，流动性和经济机会方面的先例水平。”

9.香港

香港位列全球第九大智慧城市。IESE指出，这座城市在技术上的努力得到了高度评价：“这座城市的创新指数很高，几乎100％的人口拥有移动电话，并且在全球范围内拥有大量的无线接入点。在社交媒体用户数量和人均移动电话数量方面，它也脱颖而出。”例如，作为其智慧城市计划的一部分，香港还实施了新的电子身份证（e-ID）系统。

10.阿姆斯特丹

根据IESCE城市运动指数，阿姆斯特丹被评为全球第十大智慧城市和西欧第四最佳城市。特别值得一提的是，荷兰首都被评为技术第三名，国际推广第六名，城市规划第十三名。

阿姆斯特丹智慧城市（ASC）项目已经显示出希望。在一种伙伴关系中，该市与当地企业和公司合作，在城市的主要购物大街Utrechtsestraat上测试了可持续解决方案。“气候街”倡议包括节能照明，减少废物和可循环使用的有轨电车站，帮助将乌得勒支省的能源消耗减少了10％。

除了以上十大智慧城市，世界上还有很多较小的推出了各种有效的智慧解决方案，希望从中获得直接和间接的收益。例如西班牙城市桑坦德（Santander）。

桑坦德内嵌有超过12，000个传感器，可测量从集装箱中的垃圾量到可用停车位数量再到人群规模等各个方面。除了帮助政府尽可能有效地运作外，它还改变了欧洲对城市的看法。

自2010年以来，在市区内及其周围已放置了12，500个传感器。此外，警车和出租车等车辆上的传感器还可以测量空气污染水平和交通状况。这些传感器的数据流到计算机****，这些****对实时信息进行分析，并为市政官员提供了一张全景图，使他们可以调整使用的能源数量，一周内所需的垃圾收集数量以及如何将大量水洒在城市公园的草坪上。

同时，该市正在开放其数据，以便程序员可以创建应用程序，以帮助市民确定公交车的到达时间，或者让游客只需将手机对准公交车站或建筑物，即可确定谁在音乐厅表演。

此外，新加坡，纽约和东京的顶级智慧城市政府的重大投资表明，采用智能解决方案的步伐迅速。智慧城市的兴起不仅为传感器制造商创造了增长机会，而且还加速了多种支持技术的采用例如5G，机器人，人工智能和边缘计算，为智慧城市应用创造了无限的增长机会。

五、智慧城市的挑战：阻碍智慧城市发展的因素是什么？

智慧城市计划在多个方面是复杂且具有挑战性的。将大都市区转变为智慧城市的技术和物流复杂性令人难以置信。但是，除了实施方面的困难外，智慧城市还提出了深远的问题。

比如，在物联网传感器覆盖城市表面每平方米的未来中，如何保护公民的隐私和安全？市政府如何与国家主管部门，私营部门及其公民协调工作？

隐私权与安全性

通过传感器监视或控制我们的环境的想法对许多人来说是一个巨大的恐惧。

信任是智慧城市成功的关键。建设智慧城市需要高标准的透明度和监督能力，以确保合法，负责任地使用数据并符合公众利益。可以使用诸如《通用数据保护条例》（GDPR）之类的措施来确保在不牺牲效率或公共安全优势的情况下维护隐私。

IoT设备中的固有漏洞通常连接到公共网络，并且可能具有未打补丁的软件漏洞，因此它们很容易成为攻击者的目标。受损的IoT数据可用于谋取经济利益，或造成内部困境，并促进政治或黑客行为目标。城市必须保护IoT设备以防止破坏，并确保系统能够抵御网络攻击，从而避免关键服务中断。

海量数据的挑战

另一个智慧城市的挑战来自必须不断收集，分析和共享的海量数据。

一方面，存储此数据所需的物理资源以及使用该数据所需的处理能力会消耗大量的电力和空间，并在此过程中产生大量的碳排放。

另一方面，当前智能系统严重依赖于视觉数据，这些数据收集起来成本高，难以扩展且并不总是可靠的。因此，为了使智慧城市真正发挥作用，需要开发收集和处理其他类型的数据（例如音频或物理现象）的技术。

最后，有效利用大量数据的智慧城市要求广泛的无线覆盖范围和快速的传输速度，但是通常不存在必需的基础架构。5G覆盖正在推出，但尚未提供一致的速度。有效的网络覆盖将需要增加数百万个新的蜂窝塔。

治理与资金的问题

政治周期及其动态变化会影响智慧城市的发展和管理。领导层或政府观点的变化可能导致项目延迟或重组。可以帮助推进智慧城市项目的政府部门和主管部门通常彼此独立运作，因此在需要统一观点时很难取得进展。例如，确定由谁负责监督数据隐私或如何分配对智能系统的访问权限。

发展和维护智慧城市需要大量投资，而充足的资金则需要在地方，州和国家层面上进行私人和公共资源的合作。随着更多的参与方在智能项目中拥有财务和知识方面的利益，这进一步使预算的结构，责任和访问问题变得更加复杂。

此外，政府机构和私营部门组织不愿共享数据或资源可能会阻止有意义的协作并阻碍智慧城市的发展。

核心挑战——人

智慧城市创新无处不在，几乎每个大城市都至少采用了一些智慧城市属性。但是，并非所有城市都会成为智慧城市。成功的智慧城市项目需要多年的坚定努力，包括与公共和私营部门的合作，以及公民的密切参与，以确保他们对智慧项目的支持和使用。

阻碍智慧城市的不是技术，而是人。

智慧城市技术的存在，被广泛部署和迅速发展，有成千上万的成功项目可供学习，以克服技术和后勤方面的挑战并使项目取得成功。

归根结底，智慧城市项目的核心在人的方面兴衰。坚定的领导能力，有效的政策决策以及所有利益相关者之间有意义的合作，以驱动一座城市走向成功。技术，砖块和道路都会紧随其后。

结语：

事实上，智慧城市相当于一个完全无缝互连的生态系统。在这个系统里，智能传感器网络发挥着重要的作用，它们收集着所有数据并监视整个城市的健康情况。

随着全球经济发展，全球城市化正在快速推进，希望智慧城市这个梦想，可以早日在全球实现。