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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(huì )在上海舉辦，成為當年世界范圍內文化交流、社會(huì )發(fā)展、尤其是城市發(fā)展議題的盛事。根據聯(lián)合國和世界銀行的統計，2010年城市人口占世界總人口的51%[1]，其中城市人口比例剛好處在超過(guò)農村人口的關(guān)鍵節點(diǎn)。因此，通過(guò)發(fā)展城市讓生活更美好就成為了世界范圍內的趨勢。 如今，十年過(guò)去了，世界范圍內城市人口的比例也從51%上漲到了55%[1]。據聯(lián)合國預測，到2050年，這一比例會(huì )進(jìn)一步提高到68%[2]�？梢哉f(shuō)，城市生活正逐漸成為人類(lèi)文明的常態(tài)。隨著(zhù)城市的發(fā)展，城市人口的集中帶來(lái)了更加便捷的生活，但同時(shí)也帶來(lái)了住房困難、出行擁堵、環(huán)境破壞、資源浪費等各種新問(wèn)題。人們希望使用新興技術(shù)解決這些城市新問(wèn)題，于是“智慧城市”的概念應運而生。在智慧城市的構想中，互聯(lián)網(wǎng)、現代工業(yè)和人工智能等新技術(shù)可以用來(lái)集成城市的系統和服務(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(wèn)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(shí)十余年的發(fā)展，一些初步的“智慧應用”慢慢進(jìn)入了城市居民的生活。以谷歌地圖（Google Map）為代表的地圖軟件，結合了地理數據與市內實(shí)景，并通過(guò)算法實(shí)現足不出戶(hù)就能了解城市、規劃路線(xiàn)。 在此基礎上，美國的優(yōu)步打車(chē)（Uber）和中國的滴滴出行整合汽車(chē)數據和用戶(hù)數據，用推薦算法幫助用戶(hù)更快搭上出租車(chē)。在安保領(lǐng)域，中國于2017年建成了監控攝像頭系統“天網(wǎng)”，2019年投入使用的攝像頭已經(jīng)突破2億個(gè)。同樣的監控網(wǎng)絡(luò )在世界其他地區也在快速部署，如美國紐約市警局與微軟公司共建的域名感知系統（Domain Awareness System）包括了大量攝像頭、傳感器，結合后臺的數據處理系統后，可用來(lái)監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），但其他大多數應用還集中在數據的收集、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(zhù)人工智能技術(shù)的發(fā)展，這些數據可以被更好地利用，從而完成推理、預測和決策，進(jìn)一步推動(dòng)智慧城市的發(fā)展。 智慧城市的應用場(chǎng)景 隨著(zhù)2012年人工智能技術(shù)的興起，很多基于深度學(xué)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(shí)現環(huán)境資源可持續，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 智慧交通系統的最大幫手來(lái)源于自動(dòng)駕駛系統。當自動(dòng)駕駛汽車(chē)成為城市交通主力時(shí)，不僅交通安全可以得到保證，而且結合了大數據和路線(xiàn)規劃算法之后，自動(dòng)駕駛汽車(chē)可以自動(dòng)避開(kāi)擁堵區域、選擇最優(yōu)路線(xiàn)。 基于此愿景，自動(dòng)駕駛汽車(chē)的研究和產(chǎn)業(yè)化正在全面展開(kāi)。2020年10月，Alphabet公司旗下的Waymo公司發(fā)布了自動(dòng)駕駛汽車(chē)的安全性能報告[3]。該報告指出，Waymo自動(dòng)駕駛汽車(chē)已經(jīng)完成了總計150億英里的模擬駕駛和2000萬(wàn)英里的公路無(wú)人駕駛，其中在過(guò)去兩年65000英里的公路實(shí)地測試中，僅發(fā)生了18次真實(shí)撞車(chē)事故和29次模擬事故，且絕大多數由另外一方不遵守交通規則所致。 這一方面表明自動(dòng)駕駛技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，可以應對相對簡(jiǎn)單的情況，但另一方面也說(shuō)明高智能自動(dòng)駕駛汽車(chē)的愿景尚未實(shí)現。 在自動(dòng)駕駛汽車(chē)真正可以完全代替人類(lèi)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(jìn)入了日常生活，如基于傳感器、攝像頭和控制技術(shù)的自動(dòng)倒車(chē)入庫功能、行人碰撞預警、前后車(chē)碰撞預警、變道預警等等。計算機通過(guò)對車(chē)速、車(chē)距、影像的綜合分析，提前幾秒對汽車(chē)行駛進(jìn)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(lái)控制交通燈。2016年，杭州“城市數據大腦”在蕭山區部分路段進(jìn)行了測試，通過(guò)人工智能算法分析車(chē)輛數據、道路監控攝像頭來(lái)智能調節紅綠燈，使車(chē)輛通行速度平均提升3%至5%，部分路段提升了11%[4]。 2. 可持續性城市 智慧城市的另一個(gè)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(guò)人工智能來(lái)輔助實(shí)現。 城市用電系統將大大受益。城市電網(wǎng)在不同季節、時(shí)段、天氣、地區具有不同程度的電力負荷，這些數據加上電力領(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(shí)現基于設備狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò )拓撲結構和實(shí)時(shí)運行等數據的電網(wǎng)健康程度評估，監測并及時(shí)發(fā)現異常用電情況。電網(wǎng)中的設備，如輸電網(wǎng)、變壓器等，也可以得到更高頻率的監控。田野機器人采集相關(guān)設備的圖像，經(jīng)過(guò)分類(lèi)算法和集成算法的分析，可以及時(shí)發(fā)現電網(wǎng)中設備的缺陷（如防震錘脫落、絕緣子缺失等）和風(fēng)險（如施工、樹(shù)木、煙火等）。 城市環(huán)境也可以被傳感器網(wǎng)絡(luò )監測。以西班牙巴塞羅那為例，政府在全市安裝了超過(guò)2萬(wàn)個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器，用于收集氣溫、濕度、污染、噪音、交通流量等各領(lǐng)域的數據信息。這些數據在未來(lái)可以結合人工智能的分類(lèi)、回歸分析，從而對污染、天氣、交通狀況進(jìn)行預測，也幫助城市管理者盡快采取適當的行動(dòng)。 垃圾分類(lèi)也可以由人工智能監管。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(jiǎn)單進(jìn)行填埋處理，則每年就會(huì )有數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(lèi)系統可以替代人工而發(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(jìn)行分析，最后通過(guò)機械系統對垃圾進(jìn)行分類(lèi)和壓縮，其內部的傳感器還可以通知用戶(hù)和垃圾清理公司來(lái)及時(shí)處理垃圾。 3. 信息服務(wù)系統 智慧城市中，城市管理者與市民之間的信息互動(dòng)將會(huì )更加高效透明。這一優(yōu)勢的實(shí)現，除了要求數據平臺的建立，還需要以區塊鏈技術(shù)為代表的信息技術(shù)的參與。 區塊鏈技術(shù)的特點(diǎn)包括分布式存儲、多方維護和不可篡改，在滿(mǎn)足了信息的有效性、真實(shí)性的同時(shí)，也提高了信息點(diǎn)對點(diǎn)傳遞的效率。 區塊鏈技術(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，智能安保系統與公安系統形成私有鏈并進(jìn)行數據傳遞，智能家居經(jīng)過(guò)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行安全通信等等，都離不開(kāi)區塊鏈保證下的數據高效傳遞。 區塊鏈還可以用于數據保護和分享。在城市的電子政務(wù)系統中，城市居民都可以及時(shí)看到政策的發(fā)布或改變、及時(shí)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。 醫療數據包含了病人的各方面隱私，病歷信息一般僅由醫院保管，不便于直接利用。在區塊鏈技術(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院之間傳遞。另外，區塊鏈也可以幫助政府和民眾在公共健康事件發(fā)生時(shí)及時(shí)做出反應。在COVID-19疫情中，中國政府推出了健康碼，每個(gè)人都可以展示自己的健康狀況、了解附近的疫情風(fēng)險。這背后，區塊鏈技術(shù)保證了數據安全和真實(shí)性，人工智能算法用來(lái)分析風(fēng)險等級。中國疫情控制得力、政府反應及時(shí)，健康碼這一信息服務(wù)系統功不可沒(méi)。 4. 居民生活服務(wù) 智能醫療一直是人工智能發(fā)展的熱門(mén)方向。微軟上線(xiàn)了Healthcare Bot，這是一款以自然語(yǔ)言處理和語(yǔ)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(guò)與聊天機器人的對話(huà)進(jìn)行簡(jiǎn)單病癥的診斷和分流。在圖像領(lǐng)域，中國的依圖科技和深�？萍嫉裙疽呀�(jīng)開(kāi)發(fā)出了基于圖像分類(lèi)和分割的智能診斷系統，幫助醫生在斷層掃描（CT）和核磁共振（MRI）圖像中快速找到肺結節、定位腦出血部位，提高了診斷效率。 在家庭中，智能家居將會(huì )逐漸替代傳統家具。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)的普及，無(wú)論是傳統的家電還是原本需要人工控制的窗簾、門(mén)窗等，都可以連接到“家庭數據大腦”中進(jìn)行分析和控制，通過(guò)Alexa、Siri等智能語(yǔ)音助手識別語(yǔ)言命令，并傳達給相應的家居設施。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(dòng)控制家電�，F在，智能設備已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)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(chǎng)景分割、行為識別、人臉識別算法，可以幫助家長(cháng)監控從嬰兒到幼兒的一舉一動(dòng)、分析嬰兒睡眠狀況，并對可能出現（如幼童爬高等）或已經(jīng)出現的危險狀況（如嬰兒口鼻遮擋等）進(jìn)行預警。 在社區中，居民將會(huì )享受到來(lái)自智能物流和無(wú)人超市帶來(lái)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(guò)1.5萬(wàn)臺機器人工作在三維倉庫和配送分揀中心內，快速完成貨物的搬運和分揀。在無(wú)人超市領(lǐng)域，亞馬遜在成功運營(yíng)了Amazon Go無(wú)人超市兩年以后，于2020年又開(kāi)放了更大的無(wú)人超市Amazon Go Grocery，不僅增加了超市面積，而且增加了貨物種類(lèi)和數量。這間著(zhù)名的無(wú)人超市融合了計算機視覺(jué)、傳感器技術(shù)和深度學(xué)習算法，可以同時(shí)監測多個(gè)物體的移動(dòng)和互動(dòng)，從而把每個(gè)人的購物影像和數據都詳細記錄下來(lái)。顧客不需要再進(jìn)行繁瑣的掃碼、付賬，只是簡(jiǎn)單地拿東西放在袋子里即可，走出超市之后就會(huì )收到精準的賬單。 智慧城市的展望與挑戰 從這些智慧城市的應用場(chǎng)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)的信息數據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(lái)的改變不止于此，城市的功能區也可能會(huì )發(fā)生改變。人工智能、自動(dòng)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(lài)人工，從而降低貨物運送到每個(gè)社區的運輸成本。再加上以5G技術(shù)和共享辦公場(chǎng)所的興起，人們將越來(lái)越多地在自己住宅附近活動(dòng)。城市自然而然朝著(zhù)多中心化發(fā)展，每個(gè)中心成為了綜合性社區，不僅只是住宅區或商業(yè)區。這樣降低了整體的出行開(kāi)銷(xiāo)，也自然而然降低了碳排放。 與此同時(shí)，城市人口的職業(yè)結構也可能會(huì )發(fā)生變化。隨著(zhù)人工智能可以完成垃圾分類(lèi)、交通調度、汽車(chē)駕駛、無(wú)人超市等功能，大量簡(jiǎn)單重復勞動(dòng)可以被替代，節省出不少人力資源。與此同時(shí)，這些人工智能的背后需要大規模的數據采集和模型的持續訓練，數據工程師、傳感器硬件工程師和人工智能工程師等崗位則會(huì )需要更多人力投入。由于人工智能參與到醫療、教育、信息管理、建筑、物業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，了解人工智能會(huì )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”地規劃出來(lái)。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此制定短期發(fā)展計劃與長(cháng)期發(fā)展計劃。短期內，城市管理者應當扶植相關(guān)的專(zhuān)業(yè)型企業(yè)，分頭利用基于深度學(xué)習的人工智能技術(shù)完成智能交通、智能醫療、智能電網(wǎng)等專(zhuān)業(yè)性應用，再“自下而上”地共同構成智能基礎設施。長(cháng)期看，人工智能技術(shù)可能在一段時(shí)間之后再迎來(lái)革命性的技術(shù)變革，但信息和數據一定是必不可少的。因此，城市管理者應當把城市管理數字化、城市數據電子化。在數字化的幫助下，未來(lái)城市還可以實(shí)現“數字孿生”，即建立物理城市的數據映射，從而對城市的規劃、城市中發(fā)生的事件進(jìn)行數據模擬和預測。這不僅可以為更進(jìn)一步的人工智能技術(shù)準備數據基礎，同時(shí)也是更為先進(jìn)的城市規劃和城市建設工具。 除了人工智能技術(shù)，智慧城市的建設也需要結合其他基礎技術(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備同時(shí)傳輸數據。一方面，人工智能算法所需要的大量數據可以傳輸到云端處理并即時(shí)返回結果，從而實(shí)現不包含計算模塊的輕量級智能設備。另一方面，城市中的基礎設施可以盡可能多地連入智能網(wǎng)絡(luò )，真正實(shí)現萬(wàn)物互聯(lián)。同時(shí)，新安裝的智能設備也可以進(jìn)一步推動(dòng)城市的數字化進(jìn)程，使城市的“數字化”和“智能化”相互輔助前行。 另外，智慧城市同樣也存在著(zhù)一些局限。不同城市的歷史、文化、規劃、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地城市的巨大差異。智能算法總會(huì )受到數據的影響，其工作過(guò)程和結果或多或少會(huì )帶有來(lái)自數據源的傾向性。 這就需要城市管理者和社會(huì )工作者對算法和數據采集進(jìn)行監督，盡量保證對整個(gè)社會(huì )所有群體的公平。同時(shí)，城市居民在享受這些算法便利的同時(shí)，不得不讓渡出自己的數據隱私權，因此這些隱私數據也應當被嚴格管理。另外，城市本身的環(huán)境限制決定其發(fā)展的上限并非無(wú)限。那么，與其發(fā)展壯大城市，國家更應當關(guān)注偏遠地區與農村地區的建設，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(chǎng)景幾乎都需要人工智能的參與。智慧城市的建設不能一蹴而就。在把人工智能技術(shù)一步一步嵌入智慧城市的過(guò)程中，城市居民慢慢地接受著(zhù)新觀(guān)念、新生活方式的洗禮，人類(lèi)社會(huì )進(jìn)而會(huì )迎來(lái)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(lái)源：貿澤電子 作者簡(jiǎn)介：王東昂是悉尼大學(xué)在讀博士。他的研究領(lǐng)域涉及了醫學(xué)圖像、人工智能、神經(jīng)科學(xué)、視頻分析等多個(gè)領(lǐng)域，并致力于在實(shí)際系統中應用人工智能技術(shù)。他曾在CVPR、ECCV等國際會(huì )議中發(fā)表過(guò)論文，并受邀長(cháng)期為IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology、IEEE Transactions on Multimedia等學(xué)術(shù)雜志和ICML、AAAI等國際會(huì )議審稿。他在機器學(xué)習和計算機視覺(jué)領(lǐng)域有超過(guò)5年的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，曾與中國、美國、澳大利亞的多家公司和機構合作開(kāi)發(fā)項目，其中包括多角度視頻中的行為識別、基于道路監控的路況預測和自動(dòng)化腦CT篩查系統。 |
