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智慧城市讓生活更美好 2010年夏天，以“城市讓生活更美好”為主題的第41屆世界博覽會在上海舉辦，成為當年世界范圍內(nèi)文化交流、社會發(fā)展、尤其是城市發(fā)展議題的盛事。根據(jù)聯(lián)合國和世界銀行的統(tǒng)計，2010年城市人口占世界總?cè)丝诘?1%[1]，其中城市人口比例剛好處在超過農(nóng)村人口的關(guān)鍵節(jié)點。因此，通過發(fā)展城市讓生活更美好就成為了世界范圍內(nèi)的趨勢。 如今，十年過去了，世界范圍內(nèi)城市人口的比例也從51%上漲到了55%[1]。據(jù)聯(lián)合國預測，到2050年，這一比例會進一步提高到68%[2]。可以說，城市生活正逐漸成為人類文明的常態(tài)。隨著城市的發(fā)展，城市人口的集中帶來了更加便捷的生活，但同時也帶來了住房困難、出行擁堵、環(huán)境破壞、資源浪費等各種新問題。人們希望使用新興技術(shù)解決這些城市新問題，于是“智慧城市”的概念應運而生。在智慧城市的構(gòu)想中，互聯(lián)網(wǎng)、現(xiàn)代工業(yè)和人工智能等新技術(shù)可以用來集成城市的系統(tǒng)和服務(wù)、提升資源運用的效率、優(yōu)化城市管理和服務(wù)，從而解決城市問題和改善市民生活質(zhì)量。 智慧城市這一概念從2008年由IBM提出至今，歷時十余年的發(fā)展，一些初步的“智慧應用”慢慢進入了城市居民的生活。以谷歌地圖（Google Map）為代表的地圖軟件，結(jié)合了地理數(shù)據(jù)與市內(nèi)實景，并通過算法實現(xiàn)足不出戶就能了解城市、規(guī)劃路線。 在此基礎(chǔ)上，美國的優(yōu)步打車（Uber）和中國的滴滴出行整合汽車數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)，用推薦算法幫助用戶更快搭上出租車。在安保領(lǐng)域，中國于2017年建成了監(jiān)控攝像頭系統(tǒng)“天網(wǎng)”，2019年投入使用的攝像頭已經(jīng)突破2億個。同樣的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)在世界其他地區(qū)也在快速部署，如美國紐約市警局與微軟公司共建的域名感知系統(tǒng)（Domain Awareness System）包括了大量攝像頭、傳感器，結(jié)合后臺的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)后，可用來監(jiān)控和迅速打擊非法犯罪行為。 上述智慧城市的案例，已經(jīng)用到了一部分人工智能的算法（推薦算法、識別算法、預測算法等），但其他大多數(shù)應用還集中在數(shù)據(jù)的收集、聯(lián)網(wǎng)以及共享方面（如電子政務(wù)平臺、電器遠程控制、傳感器陣列等）。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，這些數(shù)據(jù)可以被更好地利用，從而完成推理、預測和決策，進一步推動智慧城市的發(fā)展。 智慧城市的應用場景 隨著2012年人工智能技術(shù)的興起，很多基于深度學習的新技術(shù)可以輔助城市居民的住房出行等日常需求，幫助實現(xiàn)環(huán)境資源可持續(xù)，幫助城市管理者更快地掌握信息并與居民溝通，居民的生活也將因此更加便利快捷。 1. 智慧交通系統(tǒng) 智慧交通系統(tǒng)的最大幫手來源于自動駕駛系統(tǒng)。當自動駕駛汽車成為城市交通主力時，不僅交通安全可以得到保證，而且結(jié)合了大數(shù)據(jù)和路線規(guī)劃算法之后，自動駕駛汽車可以自動避開擁堵區(qū)域、選擇最優(yōu)路線。 基于此愿景，自動駕駛汽車的研究和產(chǎn)業(yè)化正在全面展開。2020年10月，Alphabet公司旗下的Waymo公司發(fā)布了自動駕駛汽車的安全性能報告[3]。該報告指出，Waymo自動駕駛汽車已經(jīng)完成了總計150億英里的模擬駕駛和2000萬英里的公路無人駕駛，其中在過去兩年65000英里的公路實地測試中，僅發(fā)生了18次真實撞車事故和29次模擬事故，且絕大多數(shù)由另外一方不遵守交通規(guī)則所致。 這一方面表明自動駕駛技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，可以應對相對簡單的情況，但另一方面也說明高智能自動駕駛汽車的愿景尚未實現(xiàn)。 在自動駕駛汽車真正可以完全代替人類司機之前，一些輔助駕駛技術(shù)和道路控制技術(shù)已經(jīng)進入了日常生活，如基于傳感器、攝像頭和控制技術(shù)的自動倒車入庫功能、行人碰撞預警、前后車碰撞預警、變道預警等等。計算機通過對車速、車距、影像的綜合分析，提前幾秒對汽車行駛進行干預，可以提升交通安全性。在道路上，人工智能算法已經(jīng)可以被用來控制交通燈。2016年，杭州“城市數(shù)據(jù)大腦”在蕭山區(qū)部分路段進行了測試，通過人工智能算法分析車輛數(shù)據(jù)、道路監(jiān)控攝像頭來智能調(diào)節(jié)紅綠燈，使車輛通行速度平均提升3%至5%，部分路段提升了11%[4]。 2. 可持續(xù)性城市 智慧城市的另一個重要作用就是保護城市環(huán)境、優(yōu)化城市資源配置，這一功能也可以通過人工智能來輔助實現(xiàn)。 城市用電系統(tǒng)將大大受益。城市電網(wǎng)在不同季節(jié)、時段、天氣、地區(qū)具有不同程度的電力負荷，這些數(shù)據(jù)加上電力領(lǐng)域的知識，可以經(jīng)由人工智能算法分析得到電網(wǎng)的工作模式，并實現(xiàn)基于設(shè)備狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和實時運行等數(shù)據(jù)的電網(wǎng)健康程度評估，監(jiān)測并及時發(fā)現(xiàn)異常用電情況。電網(wǎng)中的設(shè)備，如輸電網(wǎng)、變壓器等，也可以得到更高頻率的監(jiān)控。田野機器人采集相關(guān)設(shè)備的圖像，經(jīng)過分類算法和集成算法的分析，可以及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中設(shè)備的缺陷（如防震錘脫落、絕緣子缺失等）和風險（如施工、樹木、煙火等）。 城市環(huán)境也可以被傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測。以西班牙巴塞羅那為例，政府在全市安裝了超過2萬個無線傳感器，用于收集氣溫、濕度、污染、噪音、交通流量等各領(lǐng)域的數(shù)據(jù)信息。這些數(shù)據(jù)在未來可以結(jié)合人工智能的分類、回歸分析，從而對污染、天氣、交通狀況進行預測，也幫助城市管理者盡快采取適當?shù)男袆印?br /> 垃圾分類也可以由人工智能監(jiān)管。預計至2050年，全球城市居民產(chǎn)生的垃圾量將從目前的年均20億噸增加到年均34億噸[5]。如果簡單進行填埋處理，則每年就會有數(shù)十億平方米的土地被占用，對世界環(huán)境產(chǎn)生巨大影響。智能垃圾分類系統(tǒng)可以替代人工而發(fā)揮優(yōu)勢。在芬蘭的Bin-e智能垃圾桶中，先由攝像頭采集垃圾圖片，再用訓練好的圖像識別、物體檢測算法對圖像進行分析，最后通過機械系統(tǒng)對垃圾進行分類和壓縮，其內(nèi)部的傳感器還可以通知用戶和垃圾清理公司來及時處理垃圾。 3. 信息服務(wù)系統(tǒng) 智慧城市中，城市管理者與市民之間的信息互動將會更加高效透明。這一優(yōu)勢的實現(xiàn)，除了要求數(shù)據(jù)平臺的建立，還需要以區(qū)塊鏈技術(shù)為代表的信息技術(shù)的參與。 區(qū)塊鏈技術(shù)的特點包括分布式存儲、多方維護和不可篡改，在滿足了信息的有效性、真實性的同時，也提高了信息點對點傳遞的效率。 區(qū)塊鏈技術(shù)可以幫助人工智能算法投入應用，比如智能物流中的產(chǎn)品溯源，智能安保系統(tǒng)與公安系統(tǒng)形成私有鏈并進行數(shù)據(jù)傳遞，智能家居經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)進行安全通信等等，都離不開區(qū)塊鏈保證下的數(shù)據(jù)高效傳遞。 區(qū)塊鏈還可以用于數(shù)據(jù)保護和分享。在城市的電子政務(wù)系統(tǒng)中，城市居民都可以及時看到政策的發(fā)布或改變、及時做出反饋、并看到其他人的反饋。這將極大地有利于城市管理者與居民之間的溝通。 醫(yī)療數(shù)據(jù)包含了病人的各方面隱私，病歷信息一般僅由醫(yī)院保管，不便于直接利用。在區(qū)塊鏈技術(shù)的幫助下，病人可以建立保密的電子健康檔案（Electronic Health Record），可以完整并且安全地在病人與醫(yī)院之間傳遞。另外，區(qū)塊鏈也可以幫助政府和民眾在公共健康事件發(fā)生時及時做出反應。在COVID-19疫情中，中國政府推出了健康碼，每個人都可以展示自己的健康狀況、了解附近的疫情風險。這背后，區(qū)塊鏈技術(shù)保證了數(shù)據(jù)安全和真實性，人工智能算法用來分析風險等級。中國疫情控制得力、政府反應及時，健康碼這一信息服務(wù)系統(tǒng)功不可沒。 4. 居民生活服務(wù) 智能醫(yī)療一直是人工智能發(fā)展的熱門方向。微軟上線了Healthcare Bot，這是一款以自然語言處理和語音識別技術(shù)為載體的聊天機器人，病人可以在網(wǎng)上通過與聊天機器人的對話進行簡單病癥的診斷和分流。在圖像領(lǐng)域，中國的依圖科技和深睿科技等公司已經(jīng)開發(fā)出了基于圖像分類和分割的智能診斷系統(tǒng)，幫助醫(yī)生在斷層掃描（CT）和核磁共振（MRI）圖像中快速找到肺結(jié)節(jié)、定位腦出血部位，提高了診斷效率。 在家庭中，智能家居將會逐漸替代傳統(tǒng)家具。隨著物聯(lián)網(wǎng)的普及，無論是傳統(tǒng)的家電還是原本需要人工控制的窗簾、門窗等，都可以連接到“家庭數(shù)據(jù)大腦”中進行分析和控制，通過Alexa、Siri等智能語音助手識別語言命令，并傳達給相應的家居設(shè)施。人工智能算法也可以分析日常生活的各種模式，從而直接自動控制家電。現(xiàn)在，智能設(shè)備已經(jīng)開始進入老百姓的日常生活中。以智能攝像頭為例，美國的Nanit、Cubo AI等智能攝像頭產(chǎn)品集成了場景分割、行為識別、人臉識別算法，可以幫助家長監(jiān)控從嬰兒到幼兒的一舉一動、分析嬰兒睡眠狀況，并對可能出現(xiàn)（如幼童爬高等）或已經(jīng)出現(xiàn)的危險狀況（如嬰兒口鼻遮擋等）進行預警。 在社區(qū)中，居民將會享受到來自智能物流和無人超市帶來的便利。亞馬遜的貨倉被認為是全球最高效的倉庫，其中有超過1.5萬臺機器人工作在三維倉庫和配送分揀中心內(nèi)，快速完成貨物的搬運和分揀。在無人超市領(lǐng)域，亞馬遜在成功運營了Amazon Go無人超市兩年以后，于2020年又開放了更大的無人超市Amazon Go Grocery，不僅增加了超市面積，而且增加了貨物種類和數(shù)量。這間著名的無人超市融合了計算機視覺、傳感器技術(shù)和深度學習算法，可以同時監(jiān)測多個物體的移動和互動，從而把每個人的購物影像和數(shù)據(jù)都詳細記錄下來。顧客不需要再進行繁瑣的掃碼、付賬，只是簡單地拿東西放在袋子里即可，走出超市之后就會收到精準的賬單。 智慧城市的展望與挑戰(zhàn) 從這些智慧城市的應用場景能看出，人工智能技術(shù)改變了人和信息的關(guān)系。與城市相關(guān)的信息數(shù)據(jù)成為了人工智能技術(shù)的訓練素材，而人工智能的預測、決策、判斷、擬合的能力則可以在智慧城市中廣泛應用從而更好地服務(wù)于人們的生活。 人工智能應用于智慧城市所帶來的改變不止于此，城市的功能區(qū)也可能會發(fā)生改變。人工智能、自動駕駛與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改變了物與物、物與人的連接方式，使得資源在城市中、城市間的分配不再極度依賴人工，從而降低貨物運送到每個社區(qū)的運輸成本。再加上以5G技術(shù)和共享辦公場所的興起，人們將越來越多地在自己住宅附近活動。城市自然而然朝著多中心化發(fā)展，每個中心成為了綜合性社區(qū)，不僅只是住宅區(qū)或商業(yè)區(qū)。這樣降低了整體的出行開銷，也自然而然降低了碳排放。 與此同時，城市人口的職業(yè)結(jié)構(gòu)也可能會發(fā)生變化。隨著人工智能可以完成垃圾分類、交通調(diào)度、汽車駕駛、無人超市等功能，大量簡單重復勞動可以被替代，節(jié)省出不少人力資源。與此同時，這些人工智能的背后需要大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集和模型的持續(xù)訓練，數(shù)據(jù)工程師、傳感器硬件工程師和人工智能工程師等崗位則會需要更多人力投入。由于人工智能參與到醫(yī)療、教育、信息管理、建筑、物業(yè)等各個領(lǐng)域，了解人工智能會是很多職業(yè)的必備需求。 當然，這樣完美的智慧城市不可能一蹴而就，甚至很難“自上而下”地規(guī)劃出來。由于人工智能技術(shù)的發(fā)展是周期性的，城市的管理者應該據(jù)此制定短期發(fā)展計劃與長期發(fā)展計劃。短期內(nèi)，城市管理者應當扶植相關(guān)的專業(yè)型企業(yè)，分頭利用基于深度學習的人工智能技術(shù)完成智能交通、智能醫(yī)療、智能電網(wǎng)等專業(yè)性應用，再“自下而上”地共同構(gòu)成智能基礎(chǔ)設(shè)施。長期看，人工智能技術(shù)可能在一段時間之后再迎來革命性的技術(shù)變革，但信息和數(shù)據(jù)一定是必不可少的。因此，城市管理者應當把城市管理數(shù)字化、城市數(shù)據(jù)電子化。在數(shù)字化的幫助下，未來城市還可以實現(xiàn)“數(shù)字孿生”，即建立物理城市的數(shù)據(jù)映射，從而對城市的規(guī)劃、城市中發(fā)生的事件進行數(shù)據(jù)模擬和預測。這不僅可以為更進一步的人工智能技術(shù)準備數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時也是更為先進的城市規(guī)劃和城市建設(shè)工具。 除了人工智能技術(shù)，智慧城市的建設(shè)也需要結(jié)合其他基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。比如影響最為深遠的5G技術(shù)，它可以達到4G技術(shù)傳輸速度的近20倍，并且能容納更多通訊設(shè)備同時傳輸數(shù)據(jù)。一方面，人工智能算法所需要的大量數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)皆贫颂幚聿⒓磿r返回結(jié)果，從而實現(xiàn)不包含計算模塊的輕量級智能設(shè)備。另一方面，城市中的基礎(chǔ)設(shè)施可以盡可能多地連入智能網(wǎng)絡(luò)，真正實現(xiàn)萬物互聯(lián)。同時，新安裝的智能設(shè)備也可以進一步推動城市的數(shù)字化進程，使城市的“數(shù)字化”和“智能化”相互輔助前行。 另外，智慧城市同樣也存在著一些局限。不同城市的歷史、文化、規(guī)劃、管理模式可能存在巨大差異，很多經(jīng)驗難以直接復制。比如中國需要考慮到極高的人口密度和歷史遺存，澳大利亞則需要考慮到沿海城市與內(nèi)地城市的巨大差異。智能算法總會受到數(shù)據(jù)的影響，其工作過程和結(jié)果或多或少會帶有來自數(shù)據(jù)源的傾向性。 這就需要城市管理者和社會工作者對算法和數(shù)據(jù)采集進行監(jiān)督，盡量保證對整個社會所有群體的公平。同時，城市居民在享受這些算法便利的同時，不得不讓渡出自己的數(shù)據(jù)隱私權(quán)，因此這些隱私數(shù)據(jù)也應當被嚴格管理。另外，城市本身的環(huán)境限制決定其發(fā)展的上限并非無限。那么，與其發(fā)展壯大城市，國家更應當關(guān)注偏遠地區(qū)與農(nóng)村地區(qū)的建設(shè)，讓人口聚居處皆能有人工智能所提供的便利。 總之，智慧城市給城市居民描繪了一幅方便快捷、智能高效、令人憧憬的生活圖景，而這些場景幾乎都需要人工智能的參與。智慧城市的建設(shè)不能一蹴而就。在把人工智能技術(shù)一步一步嵌入智慧城市的過程中，城市居民慢慢地接受著新觀念、新生活方式的洗禮，人類社會進而會迎來一次偉大的變革。 參考資料： [1] https://data.worldbank.org/indicator/SP.URB.TOTL.IN.ZS [2] https://www.un.org/development/desa/en/news/population/ [3] https://waymo.com/safety，報告內(nèi)容參考Public Road Safety Performance Data [4] http://www.transformcn.com/Topics/2018-12/06/content_216221.htm [5] https://datatopics.worldbank.org/what-a-waste/ 文章來源：貿(mào)澤電子 作者簡介：王東昂是悉尼大學在讀博士。他的研究領(lǐng)域涉及了醫(yī)學圖像、人工智能、神經(jīng)科學、視頻分析等多個領(lǐng)域，并致力于在實際系統(tǒng)中應用人工智能技術(shù)。他曾在CVPR、ECCV等國際會議中發(fā)表過論文，并受邀長期為IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology、IEEE Transactions on Multimedia等學術(shù)雜志和ICML、AAAI等國際會議審稿。他在機器學習和計算機視覺領(lǐng)域有超過5年的開發(fā)經(jīng)驗，曾與中國、美國、澳大利亞的多家公司和機構(gòu)合作開發(fā)項目，其中包括多角度視頻中的行為識別、基于道路監(jiān)控的路況預測和自動化腦CT篩查系統(tǒng)。 |
