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智慧城市中的數據融合關鍵技術與挑戰
發布時間：2017-11-03 分類：趨勢研究
截止到2016年底，中國的城鎮化率已經達到了57.35%，城鎮化建設雖然有力地促進了城市的發展，但是也帶來了一系列新的問題，比如交通擁堵、空氣污染、資源消耗等，這些都是21世紀城市發展所面臨的關鍵挑戰。為了更好的應對這個挑戰，“智慧城市”這個概念應運而生，并且一經提出就受到了廣泛的關注。
智慧城市這個概念可以追溯到20世紀90年代，在2009年IBM公司在此基礎上進一步提出了“智慧地球”戰略之后，更是受到世界各國廣泛關注，其核心主要就是利用以新一代信息技術為基礎，通過物聯化和互聯化的方式對各種數據進行動態監測、分析、整合，以更透徹的感知方式對城市進行更合理全面的調控，使城市中各個部分協調配合，在城市的經濟、交通、通信、教育、環境、能源、安全、管理、服務、文化、醫療等方面實現更高效、更便捷的運作模式，極大的提高居民生活質量，塑造良好城市整體環境，加強人和城市之間溝通的新型城市形態。
為了實現智慧城市的構想，需要有合適的技術架構來進行支撐，為此，學術界對于智慧城市技術體系架構也進行了廣泛的研究和探討，在這些技術體系架構中，數據的重要性獲得了一致的關注，普遍認為城市的智慧需要依賴對數據進行高效和合理的采集、清洗、存儲、處理以及實用的能力。
數據融合關鍵技術
智慧城市因其涵蓋的內容涉及城市的方方面面，研究的切入點即可以是一個具體的應用，也可以是城市整體的發展規劃，因此研究智慧城市技術體系架構的不同方法有著不同的側重面，比如有的重點研究包括信息化基礎設施對于智慧城市的影響，也有的從智能化服務入手。但是無論從什么角度，絕大部分的研究都認為數據及其使用才是智慧城市最為核心的研究要點之一。
對于智慧城市的數據，第一步首先是有效的獲取與感知，其核心主要是研究如何高效獲取互聯網、電信網、物聯網和各行業數據，通過研究視頻、音頻、激光、射頻定位、報警、智能圖像分析等感知技術，構建智慧城市內立體感知系統，特別是需要針對數據來源的多源、異構等特性，對獲取數據進行再組織與管理。在獲取到了有效數據之后，下一步主要工作則是對數據進行高效的傳輸，其核心內容是通過各種無線、有線的長距離或短距離通信網絡，在確保信息安全和傳輸質量的前提下，實現選定范圍內的數據互聯互通。
在有了海量的多源異構數據之后，如何高效智能化地存儲、管理和分析數據，并將有意義的信息提取出來應用于各種城市數據密集型應用成了最重要的一個挑戰，為此，需要將數據進行廣泛深度的融合，為了應對這個挑戰，出現了一系列相關的技術和解決方案，其中數據活化是一個面向智慧城市數據融合需求的技術體系，該體系通過研究數據的描述、認知、建模、關聯、演化等方法，實現海量多源異構數據的自我認知、自主學習和主動生長。
智慧城市的數據活化技術體系首先需要研究數據描述方法與描述語言、數據認知技術、關聯數據動態建模技術、數據演化與自主生長機制和數據聯網等面向海量異構數據的關鍵技術，面向數據和應用的規模性、資源分配的動態性以及資源環境的異構特征，為構建智慧城市應用提供支撐能力。
數據描述方法與描述語言的重點研究內容主要包括數據描述的共性基礎問題，如何定義通用數據特征描述規范，并研究數據的實體對象描述方法。其核心能力包括建立元數據組織、語義等模型，對元數據語法進行表示和封裝，然后進行數據抽象，將數據、數據模型和描述型元數據封裝成可唯一標識的數據實體對象，能夠支持不同層次的數據粒度大小要求。
數據的認知技術主要研究數據的底層特征識別、提取和檢索方法，基于統一完備的數據特征與語義描述，建立數據底層特征與高層語義的多粒度跨媒體數據映射，形成一個較為完整的海量數據之間語義理解和認知的技術理論方法。從海量多源異構數據的底層特征識別、提取和檢索，到上層語義理解和知識發現，通過統一完備的海量多源異構數據特征與語義描述，建立完整的數據的認知技術體系。
關聯數據動態建模方法則重點放在不同類型數據之間的數據內在關聯關系上，通過研究關聯數據的多層次建模方法，實現異構數據間關系的規范化表示、添加、刪減、重構等基本運算操作，突破數據模型的動態構建與實時更新。根據文本、圖像、視頻等各種不同數據實體之間在時間、空間、事件等方面的相互關聯、作用及影響，應用動態圖理論對數據實體之間的關聯關系進行動態建模。
數據的演化與自主生長機制主要研究具有競爭與協同特性的關聯數據主動成長機制，分析數據關聯主動識別方法的基本原理，通過建立一套基于數據特征描述規范的屬性操作運算法則，研究分析數據實體成長、演進和繁衍的基本方法。
數據聯網則是借鑒物聯網的概念，研究比數據本身所包含的信息更為重要的數據之間的關聯關系。數據聯網(Internet of Data，IOD)結合信息隱藏技術，將數據的虛擬標簽嵌入到數據實體中，虛擬標簽將用于存儲ID、元數據、日志信息、以及數據活化結果等信息，從而記錄數據從產生開始后全生命周期中的各種活動信息，為未來數據的使用提供完整的記錄。
數據融合挑戰與應對措施
數據已經慢慢變成了關系城市經濟和社會發展的戰略性資源，城市本身是典型的數據密集環境，城市的運行涵蓋環境檢測、城市交通、公共服務、居家生活、經濟商務、健康管理、公共安全等諸多方面。隨著城市數據規模呈爆發式增長，越來越多的數據帶來了大量的應用和商機，但是數據量的高速膨脹、數據無意義的冗余、數據原有關聯的割裂又對信息的充分利用形成嚴重制約，同時數據可能關于某一時間、空間、人物、事件或者對象是有聯系的，是相互關聯的，現有的數據組織和處理并未充分體現這些關聯性，而這些關聯性往往對解決城市的管理與服務問題具有重要價值。如何更充分、更智能地發揮數據的作用是智慧城市未來發展的必然趨勢，也使得數據融合成為了一個最重要的能力建設方向。為了解決數據融合的挑戰，則需要從技術創新、管理體制、標準建設與國際合作等方面進行深化建設。
首先要加強技術創新，只有技術手段的更新，才使得數據融合成為現實，為此，需要建立起領先的“智慧城市”數據融合技術概念體系，推進技術創新投入，增強技術創新能力。同時，進一步加強創新體系建設，激發技術創新的內在動力，形成一系列具有自主知識產權的技術、產品和專利。此外，大力推動基于數據融合的應用推廣，從真實應用需求角度指導數據融合技術的研究方向。
其次，數據融合的實現也以來體制機制的改革。數據融合最重要的是數據能夠共享，如何將分散在現有各處的信息化系統中的數據提取出來并共享出來，需要一系列體制機制的保障，對涉及到數據隱私性要充分進行保護，通過共享來促進數據融合技術的發展和應用的推廣，并催生新的基于數據融合的產業發展。
數據融合的推動還需要依賴強有力的標準體系進行保障，需要從實際應用出發，圍繞其結構體系的共同特征，針對術語定義、設計與實施方法、技術體系、信息分類編碼、空間定位、數據質量要求、數據描述、數據交換格式、接口規范等問題進行標準建設，提出一系列標準化的原則和具體要求。標準體系要滿足集合性、目標性、可分解性、相關性、整體性、環境適應性等要求，只有建立良好的標準體系，才能使得數據融合無論在技術發展上和共享應用上有章可循。
目前，數據融合類的標準在我國正在開展一系列工作，包括數據采集規范、數據編碼規范、開放共享要求以及知識模型等一系列標準都在制定和發布過程中，這些標準的研制在國家標準化委員會的指導下，以國家智慧城市標準化總體組為依托，在不同標準化技術委員會的支持下，以協同編制的方式開展工作，這樣才能使得數據融合的技術和標準成為一個緊密融合的體系。
最后，中國在智慧城市數據融合中的技術發展和相應的建設經驗，也需要與國內外組織尤其是標準化組織進行緊密溝通，把中國的經驗與國際進行分享，在智慧城市的核心關鍵技術發展和應用領域發出中國的聲音。
智慧城市這個概念可以追溯到20世紀90年代，在2009年IBM公司在此基礎上進一步提出了“智慧地球”戰略之后，更是受到世界各國廣泛關注，其核心主要就是利用以新一代信息技術為基礎，通過物聯化和互聯化的方式對各種數據進行動態監測、分析、整合，以更透徹的感知方式對城市進行更合理全面的調控，使城市中各個部分協調配合，在城市的經濟、交通、通信、教育、環境、能源、安全、管理、服務、文化、醫療等方面實現更高效、更便捷的運作模式，極大的提高居民生活質量，塑造良好城市整體環境，加強人和城市之間溝通的新型城市形態。
為了實現智慧城市的構想，需要有合適的技術架構來進行支撐，為此，學術界對于智慧城市技術體系架構也進行了廣泛的研究和探討，在這些技術體系架構中，數據的重要性獲得了一致的關注，普遍認為城市的智慧需要依賴對數據進行高效和合理的采集、清洗、存儲、處理以及實用的能力。
數據融合關鍵技術
智慧城市因其涵蓋的內容涉及城市的方方面面，研究的切入點即可以是一個具體的應用，也可以是城市整體的發展規劃，因此研究智慧城市技術體系架構的不同方法有著不同的側重面，比如有的重點研究包括信息化基礎設施對于智慧城市的影響，也有的從智能化服務入手。但是無論從什么角度，絕大部分的研究都認為數據及其使用才是智慧城市最為核心的研究要點之一。
對于智慧城市的數據，第一步首先是有效的獲取與感知，其核心主要是研究如何高效獲取互聯網、電信網、物聯網和各行業數據，通過研究視頻、音頻、激光、射頻定位、報警、智能圖像分析等感知技術，構建智慧城市內立體感知系統，特別是需要針對數據來源的多源、異構等特性，對獲取數據進行再組織與管理。在獲取到了有效數據之后，下一步主要工作則是對數據進行高效的傳輸，其核心內容是通過各種無線、有線的長距離或短距離通信網絡，在確保信息安全和傳輸質量的前提下，實現選定范圍內的數據互聯互通。
在有了海量的多源異構數據之后，如何高效智能化地存儲、管理和分析數據，并將有意義的信息提取出來應用于各種城市數據密集型應用成了最重要的一個挑戰，為此，需要將數據進行廣泛深度的融合，為了應對這個挑戰，出現了一系列相關的技術和解決方案，其中數據活化是一個面向智慧城市數據融合需求的技術體系，該體系通過研究數據的描述、認知、建模、關聯、演化等方法，實現海量多源異構數據的自我認知、自主學習和主動生長。
智慧城市的數據活化技術體系首先需要研究數據描述方法與描述語言、數據認知技術、關聯數據動態建模技術、數據演化與自主生長機制和數據聯網等面向海量異構數據的關鍵技術，面向數據和應用的規模性、資源分配的動態性以及資源環境的異構特征，為構建智慧城市應用提供支撐能力。
數據描述方法與描述語言的重點研究內容主要包括數據描述的共性基礎問題，如何定義通用數據特征描述規范，并研究數據的實體對象描述方法。其核心能力包括建立元數據組織、語義等模型，對元數據語法進行表示和封裝，然后進行數據抽象，將數據、數據模型和描述型元數據封裝成可唯一標識的數據實體對象，能夠支持不同層次的數據粒度大小要求。
數據的認知技術主要研究數據的底層特征識別、提取和檢索方法，基于統一完備的數據特征與語義描述，建立數據底層特征與高層語義的多粒度跨媒體數據映射，形成一個較為完整的海量數據之間語義理解和認知的技術理論方法。從海量多源異構數據的底層特征識別、提取和檢索，到上層語義理解和知識發現，通過統一完備的海量多源異構數據特征與語義描述，建立完整的數據的認知技術體系。
關聯數據動態建模方法則重點放在不同類型數據之間的數據內在關聯關系上，通過研究關聯數據的多層次建模方法，實現異構數據間關系的規范化表示、添加、刪減、重構等基本運算操作，突破數據模型的動態構建與實時更新。根據文本、圖像、視頻等各種不同數據實體之間在時間、空間、事件等方面的相互關聯、作用及影響，應用動態圖理論對數據實體之間的關聯關系進行動態建模。
數據的演化與自主生長機制主要研究具有競爭與協同特性的關聯數據主動成長機制，分析數據關聯主動識別方法的基本原理，通過建立一套基于數據特征描述規范的屬性操作運算法則，研究分析數據實體成長、演進和繁衍的基本方法。
數據聯網則是借鑒物聯網的概念，研究比數據本身所包含的信息更為重要的數據之間的關聯關系。數據聯網(Internet of Data，IOD)結合信息隱藏技術，將數據的虛擬標簽嵌入到數據實體中，虛擬標簽將用于存儲ID、元數據、日志信息、以及數據活化結果等信息，從而記錄數據從產生開始后全生命周期中的各種活動信息，為未來數據的使用提供完整的記錄。
數據融合挑戰與應對措施
數據已經慢慢變成了關系城市經濟和社會發展的戰略性資源，城市本身是典型的數據密集環境，城市的運行涵蓋環境檢測、城市交通、公共服務、居家生活、經濟商務、健康管理、公共安全等諸多方面。隨著城市數據規模呈爆發式增長，越來越多的數據帶來了大量的應用和商機，但是數據量的高速膨脹、數據無意義的冗余、數據原有關聯的割裂又對信息的充分利用形成嚴重制約，同時數據可能關于某一時間、空間、人物、事件或者對象是有聯系的，是相互關聯的，現有的數據組織和處理并未充分體現這些關聯性，而這些關聯性往往對解決城市的管理與服務問題具有重要價值。如何更充分、更智能地發揮數據的作用是智慧城市未來發展的必然趨勢，也使得數據融合成為了一個最重要的能力建設方向。為了解決數據融合的挑戰，則需要從技術創新、管理體制、標準建設與國際合作等方面進行深化建設。
首先要加強技術創新，只有技術手段的更新，才使得數據融合成為現實，為此，需要建立起領先的“智慧城市”數據融合技術概念體系，推進技術創新投入，增強技術創新能力。同時，進一步加強創新體系建設，激發技術創新的內在動力，形成一系列具有自主知識產權的技術、產品和專利。此外，大力推動基于數據融合的應用推廣，從真實應用需求角度指導數據融合技術的研究方向。
其次，數據融合的實現也以來體制機制的改革。數據融合最重要的是數據能夠共享，如何將分散在現有各處的信息化系統中的數據提取出來并共享出來，需要一系列體制機制的保障，對涉及到數據隱私性要充分進行保護，通過共享來促進數據融合技術的發展和應用的推廣，并催生新的基于數據融合的產業發展。
數據融合的推動還需要依賴強有力的標準體系進行保障，需要從實際應用出發，圍繞其結構體系的共同特征，針對術語定義、設計與實施方法、技術體系、信息分類編碼、空間定位、數據質量要求、數據描述、數據交換格式、接口規范等問題進行標準建設，提出一系列標準化的原則和具體要求。標準體系要滿足集合性、目標性、可分解性、相關性、整體性、環境適應性等要求，只有建立良好的標準體系，才能使得數據融合無論在技術發展上和共享應用上有章可循。
目前，數據融合類的標準在我國正在開展一系列工作，包括數據采集規范、數據編碼規范、開放共享要求以及知識模型等一系列標準都在制定和發布過程中，這些標準的研制在國家標準化委員會的指導下，以國家智慧城市標準化總體組為依托，在不同標準化技術委員會的支持下，以協同編制的方式開展工作，這樣才能使得數據融合的技術和標準成為一個緊密融合的體系。
最后，中國在智慧城市數據融合中的技術發展和相應的建設經驗，也需要與國內外組織尤其是標準化組織進行緊密溝通，把中國的經驗與國際進行分享，在智慧城市的核心關鍵技術發展和應用領域發出中國的聲音。
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