物联网技术和人工智能系统设计的分析

随着全球人口的不断增长，越来越多的人口正移居到城市中，为社会和经济发展创造了大量机会。基础设施建设和现有物质资源在为每个公民提供高质量的生活的过程中将面临越来越大的挑战。城市化进程的加速及越来越先进的技术能够支持更好的生活方式，导致了“智慧城市”的出现。虽然我们都觉得科技将成为智能城市发展基石，但它本身无法驱动智慧城市的布局。要做到这一点，将取决于政府、企业界以及市民三者的结合。他们需要利用现有的技术来实现这个目标。关键的基础设施投资，需要深思熟虑的政策和广泛的公众参与度，这都将是城市环境转型的关键——以便实现持续的高水平，用以促进经济增长和提高生产力。根据IDC的《智慧城市支出指南》报告指出，2019年，智慧城市的年度财政支出计划将达到950亿美元，到2022年将增至1580亿美元，其中包括智能室外照明、视频监控、先进公共交通和智能交通管理系统等四个方面。全球的研究人员和技术开发人员正在研究如何最大限度地发挥智慧城市的作用，同时有计划的将成本控制在最低水平。那么，实现这一目标的最佳方法是尽可能利用现有的基础设施进行改造。

智能解决方案：解决城市生活问题

在过去20年里，城市化进程的加速导致了大城市的迅速发展（人口超过1000万的城市如北京、广州和上海）。随着需求不断上升，在这些地区提供能源和水资源供给等问题越来越具有挑战性。科技可以在为资源管理提供智能解决方案方面发挥重要作用。AMI系统结合了智能电表、传感器硬件、软件分析、数据网络和数据管理机制，使公用事业单位与客户之间能够进行双向通信。

远程传感技术的发展可以为居住者提供对水等资源消耗数据的实时访问，有助于建立可靠的数据模型，这样公用事业公司就可以减少资源浪费。交通拥挤也是人口高密度城市的另一个重要问题。为了解决这一问题，中国政府建立了协作平台，用以宣传人们对绿色出行和共享交通的认识，并鼓励使用公共交通工具。例如：最近，上海道路上推出智能交通灯和智能交通信号灯可以更好地管理和控制交通流量。这将依赖于各种响应灵敏的传感器，而不仅仅是简单的定时、计数器。

除了为通勤者生成实时交通更新信息，随着时间的推移，所获取的数据可以与人工智能 （AI）平台一起用于预测典型的交通模式和优化交通流量。智能路灯可以适应行人、自行车和车辆的移动。当检测不到位移时，它可以变暗，当需要活动时，它可以变亮。从而节省能源，降低运行成本，延长照明设备的使用时间。

为减少犯罪的产生，进而减少犯罪对社会的影响，城市监控也非常重要。先进的数字影像系统帮助警察从集中控制室观察整个城市的情况。将模拟摄像机替换为IP高清摄像机带来了监控领域的重大技术变革，因为它可以连接到互联网络基础设施。此外，视频分析和算法（如声音检测和人流控制）的发展也证明了其巨大的应用潜力和价值。

尽管这里必须指出，虽然所有这些都有明显的安全好处，但同时也引起了对个人隐私的严重关切。这在未来智慧城市运营的其他方面肯定是一个反复出现的问题（因为各种不同的数据集都被编译，可能在不同的利益群体之间共享）。

科技的智慧城市智慧城市的“智能化”方面来自已经采用的传感器、连接性和数据分析。物联网（IoT）技术和人工智能的工作就是将方方面面结合起来。物联网的基础设施相当于智能城市的“神经元”，作为数据获取和传输的机制，并提供一个平台，在此平台上可以提供一系列不同的服务。典型的智能系统是使用多个传感器进行系统设计，以便于同时监测各种状态。以前，街灯只用于照明公共区域，但随着技术的发展，这样就可以为智慧城市提供所需的物联网基础设施，同时尽可能的利用现有硬件条件。今天，我们开始看到普通的路灯演变成智能灯杆——具有动态、温度和空气质量传感功能，加上摄像（以四个或六个为一组方式获得多维度的视角）都被包含其中。还可以安装能量收集器（如太阳能电池或小型风力发电机）为这些设备提供电能，使其能够维持设备的正常运转。

智慧城市基础设施使用的通信协议将取决于所传输和处理的信号类型以及应用条件。典型的物联网设备通过有线连接（例如以太网）或无线连接（例如蓝牙或LoRa）连接到本地网络——网关或数据连接单元（DCU）。这种通过本地通信协议传输的数据然后被转换成IP并通过支持的回程网络。由于有许多可供选用的通信协议，以及与硬件需求和相关成本有关的影响，决定最佳的通信协议可能需要重点考虑。

工程师也可以根据需求选择带宽有限的短距离无线技术（如BLE和Zigbee）或低功耗广域网（LPWAN）技术（如LoRa、Wi-SUN、Sigfox和NB-IoT）。Wi-Fi通常是最主要和直接的选择，因为它应用广泛、技术成熟。然而，由于该技术的功耗问题，意味着它不适用于大部分智慧城市功能（智慧家庭和智能建筑是主要的例外）。为了弥补Wi-Fi的缺陷，产生了另一种技术，称为低功耗无线网络（6LoWPAN）上的IPV6。6LoWPAN协议能够处理小型节能的物联网传感器节点。在智能电网和工业监控实施中，这已经得到广泛的应用。

虽然6LoWPAN的工作范围较短，但LoRa、Sigfox和NB-IoT是长距离LPWAN的主要参与者。由于这些协议功耗较低，实现了更长的电池使用寿命。因此当一天中需要多次发送相对较长距离的少量数据时，它们非常有效。LoRa和Wi-SUN这种新兴的协议，在智能公用事业市场中越来越受欢迎。这些协议属于非蜂窝LPWAN协议的范畴，可以在无许可频谱中工作，而NB-IoT则通过蜂窝频率传输（需要考虑相关成本因素）。NB-IoT所能提供的网络效率远远超出非蜂窝式LPWAN所能达到的水平——仅使用可用频谱的一部分就可以支持大量新连接的容量。这可以有效降低功耗，从而支持超过10年的电池寿命。NB-IoT的覆盖范围也很广，可以达到地下和封闭空间（室内提供20+DB的覆盖范围）。

5G是智慧城市的催化剂

如果没有强大的网络支撑，智能城市许多解决方案都将无法实现。移动通信网将成为连接最终用户与居住城市之间的通道。5G技术的推广已经持续了一年多。现在，我们终于看到它即将商业化运作。5G所带来的优势包括提高网速度（最高10Gbps）、高带宽、低延时以及高可靠性。这可以用于处理更多设备接入。除此之外，另一个主要的好处是设备PING网络和它得到响应之间的延迟时间很短。

通过提供对高性能网络基础设施的访问，5G将为智能设备的应用开辟了新的途径。这样，更多任务将由系统自动来完成。然而，尽管有一些最初的设施部署，但5G网络的商用和它所承载的全部功能（通过毫米波传输、波束形成等）仍有较长的路要走。

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大数据和人工智能

今天，有70亿台设备连接到互联网，而且这个数字一直在上升——随着移动用户和基于设备的连接之间的平衡越来越趋向于后者。根据预测统计，到下一个十年中期，将有200亿到300亿台设备，这些数字可能会更大。高效的城市规划高度依赖于数据采集的准确性和复杂的数据分析。如果没有数据分析和人工智能来处理并从中创造有价值的信息，那么智能设备通过网络发送的大量数据将毫无用处。

在智慧城市建设中，人工智能已经发挥了重要作用。其中，智能停车、智能收费系统和自适应交通信号灯等都是主要的应用方面。另外一个成功的案例是在执法/反恐方面，也看到了其他成功的应用案例——使用人工智能技术通过视频录像和面部识别来标记正在接受调查的人，或者识别被盗车辆的车牌。总之，未来肯定会有一个更智慧的社会出现。

但是，还是需要有更多更先进的技术来实现这一目标。例如用于获取数据的传感器、用于传输其捕获的数据的无线/有线连接技术，以及用于根据实际需求处理这些数据的智能化系统。然而，在涉及数据隐私以及安全性时，仍有一些问题需要解决。因此，要充分发挥智慧城市的全部潜力还需要进一步的努力。

作者：平珏

平珏先生现任贸泽电子亚太区技术行销经理，曾任菲尼克斯电气（中国）有限公司产品市场经理等职务。具有10多年的产品应用、解决方案、市场开发、市场应用、产品评估的专业经验；覆盖工业自动化、人工智能、工业机器人等领域。毕业于上海交通大学，获得通信工程学士学位及控制工程硕士学位。
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