智慧城市建设问题(二)：城市要素分析
来源 | 数据观（转载请注明来源）
作者 | 陆宝华 李晋 张永红 李学良
“城市是一个复杂的巨系统”，笔者在与多位专业人士讨论城市时，这是大家喜欢说的一句话，笔者也非常赞同。可是，我们现在的智慧城市建设项目是否遵循了系统论思想了呢？这一点，笔者真的是不敢妄言。从笔者分析过的一些所谓的智慧城市建设项目来看，至少没有完全遵循系统论的思想。
系统论诞生于国外，开始是由医学生理学的专家提出的。而我国，则是由钱学森提出并形成了基本的理论。航天工程必须遵循系统论的思想，否则就很难保证任务的成功完成。
系统论的思想主要有这样的一些观点：一是系统的整体性，系统是以一个整体与外部进行交互的；二是系统的等级性（或者称为分层性），等级之间是有联系和作用的；三是系统的多要素性，这些要素是相互作用的；四是多任务性，每一个任务都要考虑对资源（包括时间、空间）的需求；五是动态性，说明系统不是一成不变的，是时间的函数。
复杂的巨系统，就意味着这个系统应该是由多个子系统构成的，而这些子系统可能会具有共同的组成要素，子系统之间有相互的交叉和作用。
对城市要素进行分析，将这些要素映射到数字空间中来，并用直观简洁的方法进行呈现是智慧城市应该有的环节。
1.传统城市的要素
1.1 城市的主体要素
我们先从底层来谈谈城市构成的主体要素。无论是单个的人，还是一个人的群体，对于人类社会来说，是人与环境之间关系。
所以人和环境就构成了两大基本要素，但是这样对要素的分析太笼统了，必须细分。
作为人（这里主要指城市中的人）即要活在当下，也要考虑未来；既有基本的活着的需求，也有更高级生活需求；既要与环境进行交互，也不可避免地要和他人交互......
城市最初的形态，是因为有城墙，有交易才构成的。城墙的目的首先是抵御入侵，而交易则必须要保证公平。这样以人为基础，就形成了这样的一些要素：
居民：每一个在城市中居住的人，无论是何种身份，他都是一个居民；
政府：无论古今中外，每个城市都需要管理者，来统筹防御外敌入侵是内部的公平交易问题；
机构：包括企业和各类服务于居民和城市需求的各类机构。
居民、政府和机构是城市的最基本的主体要素。
1.2 城市的基础要素
1.2.1 城市资源要素
城市的资源要素，是保证城市发展的基础，一个水资源匮乏的地区，就很难聚集起大量的人群，同样一个缺少人力资源的城市，也很难在产业方面起步。资源，我们可以分为自然资源、人力资源、文化旅游资源、生态资源、资本资源等等。
1.2.1.1 城市自然资源
自然资源，是非人力干预而天然存在的资源，包括水资源、矿产资源、土地资源、地理气象资源、周边资源等等。
水是人类生存必然的物质，人类就是在水边聚焦和发展起来的。水资源已经不仅是人类生存所需的要素，也是产业发展必不可少的要素之一。
矿产资源可以产生一个城市，也可以由于资源开采、加工的兴盛而发展，还可能随着矿产资源的枯竭，而使这个城市面临窘境。
地热资源，是天然的能源宝库。
自然资源还包括地理资源，城市的地理位置优越，可以给这个城市带来不可或缺的条件。滨海城市，如果有天然的深水港，那就有得天独厚的发展空间。良好的气候条件也是城市发展所需要的条件之一。
土地资源对于一个城市发展的重要性是不言而喻的。
1.2.1.2 人力资源
人力资源是城市发展的最重要的要素，在世间万物中，人是第一宝贵的，没有人力资源就不可能有城市和城市的发展。
人力资源，可以是自然人力资源和集约化的人力资源。
自然人力资源当然是原住民为主，是由这个城市自然产生的劳动力资源。
集约化的人力资源，是本文提出的一个概念，是由于产业及其他的一些因素，相关政府的政策所推动下的某些类的人力资源的聚集。
人力资源中，人才特别是战略性人才是最为宝贵的，当年美国人就讲，一个钱学森等于美军的5个师。人才不是学历，不是资历，不是职称。要有科学的人才观，还要有科学的人才使用机制和评估机制。
1.2.1.3 文化旅游资源
文化旅游资源，一方面是自然的资源，另一方面是人文资源，往往是人文和自然相结合的资源。有故事的城市，对人有巨大的吸引力。
1.2.1.4 生态资源
生态是由自然因素与人文因素共同作用而形成的，过度的对自然资源的开发，就可能会导致生态系统的破坏，就不会有持续性的发展。总书记说过，绿水青山就是金山银山。
1.2.1.5 资本资源
资本往往是一个城市建设与发展的钥匙，是一个原作用力。之所以把资本作为资源要素，就是考虑到这样的一个要素，往往是某项经济活动的杠杆，而资本即可以是本地自有资本也可以是引进的资本。资本还要考虑是政府可以支配的资本，还是民间的资本。
这些资源都是可以转换或者是生成为数据的，这些数据对于智慧城市或者说是城市大脑来说，是极为重要的数据源。
1.2.2 城市的基础设施要素
有墙为城，有易为市。而墙也好，市也罢，都是城市的基础建设，基础设施说到底是为人、为企业服务的。
城市的基础设施资源包括两大部分，一是“路”（空、天、地），二是市政。市政基础设施包括建筑、电力、通信与网络、交通、垃圾处理、供水，污水处理、绿地、场所、管网、生态体系，甚至还包括殡仪馆及骨灰存放地等等。
而这些基础设施，除了电力及通信与计算网络之外，都是需要用各类非电测量的手段，或者是其它的方法，才能对其数据进行采集，对其相关设备的运行状态进行监控分析的。必须以物联网为基础，才能将这些城市基础设施要素映射到网络空间中来。
CIM就是以对这些城市基础设施进行映射和管理形成的。
必须指出，在这些基础设施中，通信与网络是智慧城市新基建，是基础中的基础。由于有网络资源的存在，就可以将其他地域的资源，特别是人才资源为己所用。也使得这个城市真正融入到世界的大格局之中。才能更好的在世界的大格局，对自己进行定位，城市发展会有更大的空间。
1.3 城市的保障性机构要素
教育、医疗、金融、物流、社区服务、消防应急、防灾减灾等等，都是一个城市的保障性机构要素。
一个城市的有机的运转，还需要各类保障机构进行保障，才能够使这个城市有机地运转。首先是医疗机构，包括一个人从生到死都需要医疗机构；
教育机构，从学龄前一直到成人，甚至是老年人都需要相应的教育机构；
金融业和物流业，也是居民和企业所离不开的服务机构。这些机构，有相当多数是以产业形式出现的；
社区是直接为居民服务的机构；
消防与应急，防灾减灾恰恰出现在人们最需要的时候。
1.4 公共安全要素
一个最重要的保障机构是公共安全部门，任何一个人也不愿意生活在一个无秩序的城市当中，路不拾遗、夜不闭户是人们永久性的期盼，这就需要有公安部门。公安部门是一个特殊的政府机构，是一个具有武装性质的特权部门。相应的还要有其他相关的法律实施部门、法院、检察院和司法机构。
由公安、检察院、法院和司法系统，构成一个按照统治阶段意志的法律执行体系。并按照相应的法律体系来构筑和维护社会的秩序。
1.5 辅助性要素
一个城市还会因为历史和其他的原因形成一些包括习俗在内的地域文化。我们说一方水土养一方人，就是这个道理。这些地方性的习俗文化，对于一个地方的经济建设、社会稳定是有重要影响的。对于一些规模很大的现代化城市来说，这一点并不明显。而对于一些历史沉淀比较久远的城市来说，这些因素就必须要考虑。
辅助性的要素还包括法律、政策等等。
这些要素如何形成“结构”，让城市合理、可持续发展运转起来。一种是聚集，体现为组团；一种是互通，体现为网络；一种是浸润，体现为介质，如各种软环境。
1.6 智慧城市新增要素
网络、计算资源、物联感知、卫星导航定位等，都是因为要建设智慧城市而新增的要素。
2.城市要素的全面感知
2.1 全面的要素感知
对于一个智慧城市来说，全面地感知所有的城市要素，将这些要素映射到数字空间来是一个基础性的工作。
这些感知，包括对物的感知，也要包括对人的感知。
对于“物”的感知，即要包括固定的物体，还要包括移动的物体；既要包括随着时间变化较慢的物体，也要包括那些随着时间变化较快的物体。
对于人的感知，即要包括对自然人的感知，也要包括由人构成的机构的感知，还要包括对政府的感知。
而对于自然人的感知，即要包括这个人的身份信息，还应该包括这个的行为信息。
2.2 感知要求
对于一个智慧城市来说，应该将所有重要的城市要素都映射到数字空间中去，并在数字空间中进行管理，对这些要素的感知则是第一位的需求。这些要素包括所有的主体要素，相当一部分的基础要素和其他的要素。
2.2.1 主体要素的映射
一个城市中，人是第一位的，如果一个智慧城市没有使得人的要素映射到数字空间去，那么这个城市的“智慧”是低级的。
对于人的感知，需要建立个人的数字身份。这样做的目的不仅是为了在数字空间中将自然人进行映射，同时也是为了最大程度上来保护个人的隐私。对人的身份鉴别时，可以分等级进行鉴别，只需要鉴别其需要鉴别的部分，而不鉴别其他的信息。如：一个老人进入收费的公园，只要能够证明其年龄达到了优惠的年龄段就够了。不需要知道这个人的姓名，更不需要知道这个的身份证号。新冠肺炎疫情期间，各个小区、各个交通要道都设置了查验个人身份的检查点，并要求相关人员出示身份证进行登记，同时还要记录手机号等信息。虽然说是疫情防范所需，但是实际上是居民让度出了个人的隐私信息。如果我们能有相应的数字身份，就既可以保证抗疫的需求，又不会暴露更多个人隐私。
在感知自然人的同时，还应该建立个人的数据帐户，一方面方便个人对自身数据的掌握，同时也可以在必要时对单个自然人的行为进行一定程度上的鉴别。如个人诚信记录，在自然进行某种交易时，就会有一个信任级别上的保证。再如个人的运动轨迹，也可以在特定的时期，对某个特定目标人进行轨迹查询。应该说，这次抗疫的过程中，虽然大数据起到了不小的作用，但是还没有达到理想的目标。如果我们的政府能够了解运营商的数据，那么武汉可能不用封城，青岛也不需要对那么多人进行核酸检测。
机构和政府也需要相应的数字身份，并且这个数字身份可以在一定程度上让居民进行监督。
2.2.2 城市的基础要素
1.2中，我们说明的城市的基础要素的组成部分。包括城市资源要素、城市的基础设施要素。对于城市资源要素，除了人力资源要素和资本要素外，都是以“物”的形式存在的，而城市基础设施要素，也是“物”的形式存在的。对于智慧城市，就是要将这些“物”映射到数字空间中去。
对于物的映射，应该进行分析，并不是所有的“物”都需要映射到数字空间中去的，对于物的感知需要筛选。
2.3 感知方法
2.3.1 非电测量
非电测量并不是一项新技术，应该有相当长的历史了，上个世纪初就有了非电测量。如将我们的话音信号转换成电信号（机械能转换成电能），这就有了利用“电”传输语音的可能，在工业控制中，非电测量更是普遍的应用。
所谓非电测量，就是利用对某个物理量变化时，某些材料或者是复合的材料，会对这种变化产生电学效应，就可以将非电物理量变成了电学物理量。如压敏电阻，当压力变化时，电阻值就会有明显的变化，相应的电流、电压值也就变了。光学器件就是将光（电磁波）的变化量，变成电流的变化。同样对温度、温度、速度、加速度、流量、压强等都有相应的测量元器件。
在非电测量中，有一类特殊的敏感器件——摄像头。
2.3.2 无线数字标签（RFID）技术
无线数字标签技术是利用近场无线电技术，用一个数字标签（ID）来代表某一物体或者是人的方法。
2.3.3 二维码
利用读卡器可以将二维码所代表的物，或者是人映射到数字空间中去。
2.3.4 电学物理量的直接映射
在城市中电是无所不在，用电器可以利用电学参数直接映射到数字空间中去。
可能还存在其它的映射方法。
3.智慧城市中的新要素分析
既然要建设智慧城市，就离不开数字化和网络化，必然要引进新的城市要素。
3.1 城市的网络
要建设智慧城市，没有网络肯定不行，有些城市直接使用运营商的公用网络，这当然是一个选项。但是从安全的角度来看，这个风险是比较大的。公用网络，必然与Internet是有联结的，这种联结可以引入大量的来自Internet上的攻击源。作为一个智慧城市，全面的物联感知，高度的网络化和自动化、智能化是必然的趋势，如果存在大量的攻击源，这个网络可能导致的安全后果，就不是简单的“网络攻击”了，而可能会对基础设施产生硬破坏，还有可能导致人的生命和公私的财产被侵害。杀人、放火可能就是动动鼠标，敲敲键盘就能完成的，如果网络基础设施不安全，不隐蔽后果是很预料的。
所以，对于智慧城市的网络，笔者建议还是要考虑一个城市独立的网络系统，并且以光网为骨干，辅助其他的网络资源，并且，应该划域；还要考虑网络的隐藏问题。
当然在智慧城市中，免不了使用的移动网络，特别是5G，关于这一问题，我们会单独讨论。
3.2 城市的计算问题
智慧城市会有大量的计算任务，这些计算任务可能直接会用于相应的系统控制，如车路协同的问题，并且无人驾驶正在呼之欲出。各类智慧项目，都需要算力来支撑。
算力的需求是需要进行分析的，究竟各个项目本身需要多大的算力，总体上城市需要多大算力，都是要在顶层设计时进行考虑的。当然，顶层设计的依据是各类智慧项目的计算任务。
在智慧城市中计算问题，还不仅是算力问题，还要考虑计算应该在哪里完成。特别是一些对实时控制要求比较高的应用，如果不考虑实时性可能会导致极大的损失，如温感/烟感报警器与消防设备的联动，就需要在极恰当的时刻完成。如果过早，可能还不需要自动喷淋各类消防剂，但是过晚火灾就酿成了。同样在车路协同中，对于一些突发的路面情况，如果实时性太差，就可能酿成严重的交通事故。同样还有一些控制也是要求实时性的。
同时还要考虑到一些计算任务并不影响到全局，其结果可上报，也可不上报。特别是一些常态化的情景，上报数据前一时刻与当前这一时刻没什么区别的，这样的数据上报不仅要占用计算资源，还要占用相应的存储资源。
所以在智慧城市中，要考虑端、边、分布式云计算，甚至要考虑超算。实际大量分散的个人电脑，其算力有相当一部分的闲置，这些闲置的算力是可以通过各类的协同方法、云网一体化的方法、软件定义的方法进行集约化管理和使用的。
与算力相关的是存储资源的问题，存储要考虑冷数据的存储、温数据的存储和热数据的存储，存储还要考虑相应的安全问题。
4.其他的要素
4.1 卫星资源和利用
我们城市的上空已经有大量的卫星，这些卫星可以使得我们的城市更加智慧。
资源卫星可以为我们普查相关的资源情况；通信卫星可以保证我们的一些特殊的通信需求，包括电视转播等；环境监测卫星会对我们的环境进行实时的监测，及时发现破坏环境的情况；导航卫星可以为地面的目标提供定位和导航功能；海事卫星可以为我们大量重要的移动目标提供坐标信息等。
4.2 供电
所有的智慧城市项目都离不开供电，如果供电问题没有在智慧城市建设之初就加以考虑，可能就会犯颠覆性错误。
一是供电的总电量，这些电量消耗多少化石能源，总的电费支出；二是供电的可靠性保障问题。