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智慧城市方案架构IBM

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2020年4月19日
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智慧的城市解决方案架构
一、智慧的城市介绍
城市正面临众多挑战，这些挑战威胁着城市的长期可持续性。这些挑战可能影响城市的经济、商业和居民，涵盖诸如交通、水资源、能源、通信在内的核心基础设施。城市必须全面解决这些挑战，才能建设并维护一个可持续的城市环境。
作为智慧地球的核心计划，智慧的城市关注城市面临的各种问题。在本文件中，我们对城市和智慧的城市定义如下：
城市
城市是指一起生活工作的个体集合，她们相信集体联合的产出大于个人产出的简单相加。城市一般有卫生、公用事业、土地使用、住房、安全、交通等先进的系统。这种近距离关系极大促进了人与商业之间的互动，使参与其中的双方获益。
智慧的城市
智慧的城市属于城市的一种，能够平衡社会、商业和环境需求，同时优化可用资源。 智慧的城市使命就是要提供各种流程、系统和产品，促进城市发展和可持续性，为其居民、经济以及城市赖以生存的生态大环境带来利益。经过应用信息技术（IT）规划、设计、建造和运营城市基础 设施，改进生活质量和经济福利， 正是经过这个方面对智慧的城市进行定义。关键城市组件指出了建设智慧城市的关键
城市组件及其结果。
表 1 关键城市组件

我们确定了六类城市能够利用智慧的城市模型。 这些城市能够分为两大类（品质生活和商业发展）：
品质生活
l 精心的城市
此类城市旨在为居民、游客和产业创造最佳城市环境，致力于市区设计、能源和水资源管理以及建设高效易用的交通体系。
l 健康/安全的城市
此类城市经过本地医疗网络、疾病管理与防御、社会服务、食品安全、公共安全、市民信息 隐私保护方面的创新，解决居民健康与安全问题。
l 可持续的城市
此类城市投资于环境可持续计划，经过提高能源、交通、废物、用水管理及建筑/建设效率， 为居民提供更干净、更环保的生活工作环境。
商业发展
l 数字创新城市
此类城市经过对网络互联及通信（包括WiFi和WiMAX）的战略投资，实现自身智能化，吸引 产业及高科技领域的尖端企业入驻，构建人力知识资本。
l 商业城市
此类城市经过打造某一行业的本地优势，建设基础设施与服务，支持持续发展，保持竞争实 力，从而将自身确立为地方、区域或国家的商业经济发展中心。
l 文化/传统中心
此类城市投资文艺、旅游，或将自身打造成世界级的商务会议或体育赛事举办场地（如奥运 会或世界杯），从而吸引游客及居民。
以上城市类型能够根据实际情况使用智慧的城市模型。用于协助这些城市发展的技术，有些已经 存在，有些正在定义和创造。很多情况下，智慧的城市不但仅是一个模型，而是一种现实。智慧 的城市使用技术整合 显示了智慧的城市如何运用技术整合推动城市管理。

图 1 智慧的城市使用技术整合
从智慧的城市使用技术整合 中能够看出，城市各个领域都需要内部优化。这些领域需要在城市 层面上互联并优化，实现城市目标。确定了三种趋势（基于技术），能够帮助城市实现此目标：
l 更透彻的感应和度量：必须经过第三方或城市本身拥有的现有或新型基础设施，了解城市活动。
l 更全面的互联互通：受监督活动之间构建一定程度的联系，树立全局观。
l 更深入的智能洞察：从原始数据入手，将其转化为信息，再经分析，创造洞察能力实现。
本指南意在供IT架构设计师及专家使用，让她们理解并欣赏智慧的城市概念。指南提供了详尽的 细节，帮助您理解智慧的城市概念并将其与您的客户相关联，从而塑造客户思维模式，激励您发 现具体的商机。
本指南主要关注智慧城市的技术层。它承认社会/经济体系的重要性，但这些问题不是本指南的 讨论重点。在本指南中，我们解释了每个城市领域的主要元素和特征。该指南为城市面临的挑战 和意义深远的智慧的城市解决方案之间架起了一座桥梁，成为连接二者的第一通道。指南展示了指南展示了产品集成如何使这些解决方案成为可能，为今天正在进行的智慧城市解决方案提供示范。
指南各章节讨论了智慧的城市中各个领域可能具有的特征、架构要求及关联程度。城市指挥中心展示了如何才能够整合这些领域，从全局观点将城市作为单一实体近乎实时地进行管理和优化。
智慧城市背景介绍
1、智慧城市的定义
智慧城市就是运用信息和通信技术手段感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，从而对包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出智能响应。其实质是利用先进的信息技术，实现城市智慧式管理和运行，进而为城市中的人创造更美好的生活，促进城市的和谐、可持续成长。
智慧城市是以互联网、物联网、电信网、广电网、无线宽带网等网络组合为基础，以智慧技术高度集成、智慧产业高端发展、智慧服务高效便民为主要特征的城市发展新模式。智慧化是继工业化、电气化、信息化之后，世界科技革命又一次新的突破。利用智慧技术，建设智慧城市，是当今世界城市发展的趋势和特征。
“智慧城市”的理念就是把城市本身看成一个生态系统，城市中的市民、交通、能源、商业、通信、水资源构成了一个个的子系统。这些子系统形成一个普遍联系、相互促进、彼此影响的整体。在过去的城市发展过程中，由于科技力量的不足，这些子系统之间的关系无法为城市发展提供整合的信息支持。而在未来，借助新一代的物联网、云计算、决策分析优化等信息技术，经过感知化、物联化、智能化的方式，能够将城市中的物理基础设施、信息基础设施、社会基础设施和商业基础设施连接起来，成为新一代的智慧化基础设施，使城市中各领域、各子系统之间的关系显现出来，就仿佛给城市装上网络神经系统，使之成为能够指挥决策、实时反应、协调运作的“系统之系统”。智慧的城市意味着在城市不同部门和系统之间实现信息共享和协同作业，更合理的利用资源、做出最好的城市发展和管理决策、及时预测和应对突发事件和灾害。
2、智慧城市总体目标
以科学发展观为指导，充分发挥城市智慧型产业优势，集成先进技术，推进信息网络综合化、宽带化、物联化、智能化，加快智慧型商务、文化教育、医药卫生、城市建设管理、城市交通、环境监控、公共服务、居家生活等领域建设，全面提高资源利用效率、城市管理水平和市民生活质量，努力改变传统落后的生产方式和生活方式。经过若干年的努力，将城市建成为一个基础设施先进、信息网络通畅、科技应用普及、生产生活便捷、城市管理高效、公共服务完备、生态环境优美、惠及全体市民的智慧城市。
3、智慧城市特征
（1）全面感测：遍布各处的传感器和智能设备组成“物联网”，对城市运行的核心系统进行测量、监控和分析；
（2）充分整合：“物联网”与互联网系统完全连接和融合，将数据整合为城市核心系统的运行全图，提供智慧的基础设施；
（3）激励创新：鼓励政府、企业和个人在智慧基础设施之上进行科技和业务的创新应用，为城市提供源源不断的发展动力；
（4）协同运作：基于智慧的基础设施，城市里的各个关键系统和参与者进行和谐高效地协作，达成城市运行的最佳状态。
4、智慧基础主要组成部分
（1）智慧的基础设施包括信息、交通和电网等城市基础设施。现代化的信息基础设施就是要不断夯实信息化或智能化发展的基础设施和公共平台，让市民充分享受到有线宽带网、无线宽带网、3G移动网、无线宽带网以及智能电网等带来的便利。另外，还要整合城市周边交通环境资源，实现出行成本更低廉、更便捷，形成智慧交通框架。
（2）智慧政府：政府要逐步建立以公民和企业为对象、以互联网为基础、多种技术手段相结合的电子政务公共服务体系。重视推动电子政务公共服务延伸到街道、社区和乡村。加强社会管理，整合资源，形成全面覆盖、高效灵敏的社会管理信息网络，增强社会综合治理能力，强化综合监管，满足转变政府职能、提高行政效率和规范监管行为的需求，深化相应业务系统建设。要加快推进综合政务平台和政务数据中心等电子政务重点建设项目，完善城市管理、城市安全和应急指挥等若干与维护城市稳定和确保城市安全运行密切相关的信息化重点工程，使城市政府运行、服务和管理更加高效。
（3）智慧服务民生：完善、高效的城市公共服务是智慧城市的出发点和落脚点。智慧城市公共服务涉及智慧医疗、智慧社区服务、智慧教育、智慧社保、智慧平安和智慧生态等方面。
5、智慧城市重点建设领域。重写

智慧城市由关系到城市主要功能的不同类型的网络、基础设施和环境六个核心系统组成：
（1）组织系统：公共安全、健康和教育，这些是能否给市民提供一个高质量的生活的重心；
（2）业务/政务系统：工商业与市民所面临的政策和管制环境；
（3）交通系统：城市经过交通系统提供给组织和业务/政务相互移动的能力；
（4）通讯系统：城市经过通讯系统来共享信息和沟通；
（5）水和能源系统：城市也将为经济和社会活动提供两个必要的公用设施—水和能源等。
国内智慧城市建设情况
建设智慧城市是一个渐进式的过程，所需要时间对有的城市来说可能需要两三年，而有的城市则需要 甚至更久。但在建设智慧城市的过程中既能够全面推进，也能够重点突破。当前国内已经提出建设智慧城市的城市中，有的是创新推进智慧城市建设，提出了“智慧深圳”、“智慧南京”、“智慧佛山”等；更多的是围绕各自城市发展的战略需要，选择相应的突破重点，提出了“数字南昌”、“健康重庆”、“生态沈阳”等，从而实现智慧城市建设和城市既定发展战略目标的统一。
当前国内智慧城市建设主要分以下几类：
1、创新推进智慧城市建设
这类城市将建设智慧城市作为提高城市创新能力和综合竞争实力的重要途径。
深圳将建设“智慧深圳”作为推进建设国家创新型城市的突破口，以建设智慧城市为契机，着力完善智慧基础设施、发展电子商务支撑体系、推进智能交通、培育智慧产业基地，已被有关部委批准为国家三网融合试点城市，并提出 实现宽带无线网覆盖率达到100％，组建华南地区的物联网感知认证中心等。
南京将提出要以智慧基础设施建设、智慧产业建设、智慧政府建设、智慧人文建设为突破口建设“智慧南京”。将“智慧南京”建设作为转型发展的载体、创新发展的支柱、跨越发展的动力，以智慧城市建设驱动南京的科技创新，促进产业转型升级，加快发展创新型经济，从根本上提高南京整体城市的综合竞争实力。
沈阳是全国著名的重工业基地，近年来致力于创新从老工业城市向可持续发展的生态城市转型。为此，沈阳市政府与IBM合作，借助“智慧城市”建设，创新运用绿色科技和智慧技术，以互联网和物联网的融合为基础，为沈阳市生态化建设提供一套完整的方法论，努力实现打造“生态沈阳”的战略目标。
2、以发展智慧产业为核心
武汉城市圈完善软件与信息服务发展环境，加快信息服务业、服务外包、物联网、云计算等智慧产业的发展，推进信息化建设,促进城市圈的综合协调和一体化建设，从而实现加快构建武汉两型社会的战略目标。
昆山高新技术产业发达，生产了全球1/2的笔记本电脑和1/8的数码相机，以此为基础提出了要大力发展物联网、电子信息、智能装备等智慧产业，支撑智慧城市建设。
宁波将以建设6大智慧产业基地为重点，加快推进智慧产业发展。6大基地分别为：网络数据基地、软件研发推广产业基地、智慧装备和产品研发与制造基地、智慧服务业示范推广基地、智慧农业示范推广基地、智慧企业总部基地等。
3、以发展智慧管理和智慧服务为重点
昆山智慧城市建设重点包括智能交通、智慧医疗、服务型电子政务等方面，从而为城市运营和管理提供更好的指导能力和管控能力。昆山作为全国百强县之首，经济发达，可是城市建设管理水平相对滞后，因此昆山经过实施“城市控管指挥中心”、“政府并联审批”、“城市节能减碳”等三大“智慧城市”软件解决方案，解决城市管理的现实问题。
佛山市为了打造“智慧佛山”，提出了建设智慧服务基础设施十大重点工程：即信息化与工业化融合工程、战略性新兴产业发展工程、农村信息化工程、U-佛山建设工程、政务信息资源共享工程、信息化便民工程、城市数字管理工程、数字文化产业工程、电子商务工程、国际合作拓展工程。
4、以发展智慧技术和智慧基础设施为路径
上海在新推出的《上海推进云计算产业发展行动方案》，即“云海计划”中将“智慧城市”建设所需要的云计算提供非常优秀的基础条件，推出适合本土的云计算解决方案，在智慧技术基础上充分支持上海“智慧城市”建设。
杭州因地制宜提出了建设“绿色智慧城市”，把“绿色”和“智慧”作为城市发展的突破路径，着力发展信息、环保和新材料等为主导的智慧产业，加强城市环境保护，从而实现建设“天堂硅谷”和“生活品质之城”的城市发展战略目标。
南昌提出把打造“数字南昌”作为智慧城市建设的突破重点，经过实施数字南昌综合指挥调度平台、智能交通系统、市政府应急系统、“数字城运”、“数字城管”等重大工程，提升城市运行监测和城市公共信息服务水平，从而率先在中部地区建成具有区域竞争力“数字城市”的战略目标。
5、以发展智慧人文和智慧生活为目标
成都提出要提高城市居民素质，完善创新人才的培养、引进和使用机制，以智慧的人文为构建智慧城市提供坚实的智慧源泉。
重庆提出要以生态环境、卫生服务、医疗保健、社会保障等为重点建设智慧城市，提高市民的健康水平和生活质量，打造“健康重庆”。
上海世博会的主题是“城市，让生活更美好”，借助现代信息通讯技术（ICT），打造出智慧城市的新样板，向全球展示了未来智慧人文和智慧生活的新方向。

二、智慧的城市主要概念
智慧的城市远不只是高度集成的技术集合。城市要进化，就必须利用并优化其经济能力、实物资 产、文化、政治意愿、科技以及商业环境。
在传统意义上，城市由各司其职的独立部门建立并管理。要成为智慧的城市，必须从根本上改变 这个观念。必须将城市视为由多个互联互通的子系统构成的单一体系，而非各个独立的领域。
的方法就是经过运用技术，优化这些独立领域，将她们实时互联，保证重大的城市活动能够经过全局方式得到管理。
从技术观点来看，智慧的城市有以下主要领域：
l 智慧的水资源
l 智慧的能源
l 智慧的公共安全
l 智慧的废物处理
l 智慧的建筑
l 智慧的交通
不论在传统的城市管理上还是建设的权利划分上，这些都是独立的领域，有各自的运作目标，如传统城市运作方式所示。

图 2 传统城市运作方式
迄今为止，很少有人关注如何从全面整合、互联互通的全局观点去管理城市。智慧的城市方法就 是优化这些领域，并将信息汇集到城市指挥中心（CCC），如建立城市指挥中心（CCC）的智 慧的城市 所示。

图 3 建立城市指挥中心（CCC）的智慧的城市

技术层面
智慧的城市架构基于技术及面向服务的架构（SOA）原则。我们参照如技术层面所示的技术层，考虑智慧的城市解决方案的架构。

图 4 技术层
城市包含来自多个供货商的遗留系统和技术。该参考架构保证了系统间互联互通的实现。
三、智慧的城市具有的价值
本指南的目标对象为面向客户的技术解决方案团队。能够利用本章节描述城市 IT 和工程部门的 技术价值。解决方案最终必须引起城市决策者的共鸣，所谓决策者包括市长、核心规划者、区域 发展局、立法机构、城市特别工作组（包括市场营销、灾难恢复、特别工程等）以及非政府组织
（NGO）。为取得最佳效果，最初目标对象应理解全盘观察城市的概念，懂得全面进步的城市理
想对市民、产业以及总体经济持续发展的必要性。
经过技术创新满足城市需求
确定了城市领导人必须实现的九个社会、经济和环境理想，从而保证城市繁荣和持续发展。
这些理想并非各自为政，市长和机构官员们在设置长期、短期城市目标的过程中，经常需要同时 应付多重问题。这些理想更多的是定义了城市未来，使其更具可持续性，吸引最佳的人力资本和 产业，并在日益全球整合的社区中更具竞争力。城市理想 显示了城市理想。

技术价值
能够为解决实施这些城市理想所面临的技术问题提供重要价值。智慧的城市团队由来自
各个业务部门的业务和技术专家组成，从而能够从不同视角全面考虑问题。过去一百年中， 在为客户开发创新技术解决方案方面，证明了自己的行业领袖地位；智慧的城市也不例外。

技术价值： 城市理想 展示了如何帮助创立智慧的城市。一如既往地以智慧的地球理
念为背景发展其专业技术，让城市拥有更透彻的感应和度量、更深入的智能洞察且更加一体化。

四、智慧的城市架构
我们对于智慧的城市解决方案的架构方式与智慧的地球更透彻的感应和度量、更全面的互联互 通、更深入的智能洞察主题相协调，如走向智能化。如图所示。

图 5 走向智能化
为了更好地理解上述主题，我们对其定义如下：
l 更透彻的感应和度量
基于传感器的系统将我们的可视性扩展到现实世界的交通、公用事业、水资源和建筑，提供 以前无法获得或收集成本异常昂贵的全新实时数据源。
l 更全面的互联互通
事件处理软件从传感器输入的原始数据流提取业务相关事件，与此同时，集成中间件将这些 事件置于所需的业务背景之下，实现对现实世界运行系统实际行为的全新洞察。事件也能够 来自专门的输入渠道，这一点在在智慧的公共安全一节中有所论述。
l 更深入的智能监测和洞察
可视化配合业务规则及分析的运用，能够优化这些运作系统。不论是改进交通流量，最大化使用水电公用事业，还是在这些基础城市进程中实现创新，都能用到。
架构层功能性角色
最后，能够将我们智慧的城市解决方案描述为三个逻辑层，与这些主题一一对应，提供各项功能（见表4）：
表 4 逻辑层

智慧的城市解决方案架构
从智慧的城市高级参考架构（层）可见，智慧的城市解决方案架构由三个层面组成。更透彻的感 应和度量层面能够与传感器直接交互，例如用测量水质，或经过智慧的电网解决方案中的数据采集与监控系统（SCADA）等现有的行业系统，与传感器间接交互。该层面也能够支 持分布式操作逻辑，利用网络优势实现快速响应，同时进行过滤与汇总，减少向上游发送事件请求进一步处理所占带宽。
更全面的互联互通层面一般根据接近实时的处理约束添加事件服务，这些服务将传感器输入与业 务相关事件一一对应。此类事件能够是检测不符合规定的水质测量方式，也能够是对公用设施网络进行故障定位。本地分析与特定领域数据模型也能够在这一层面发挥作用。
更深入的智能洞察层面在更广范围内处理业务相关事件，往往经过某个基于SOA的模型与多个遗 留应用程序及资产管理系统进行交互。该层面一般还包括面向人员的各种功能，经过可视化、仪表板与工作流程编排来实现。
图 6 智慧的城市高级参考架构（层）
打造智慧的城市解决方案
从参考架构到客户交付的一一对应，智慧的城市解决方案基本上是从标准的软件产品组合开 始构造的。
智慧的地球与传统IT解决方案的主要区别在于需要专门的设备/系统接口与物质世界交互，而且往 往要与各领域的合作伙伴协作交付。智慧的城市拥有更多互联互通的系统、更多跨越全城网络皆 可获得的数据、更多嵌入式分析及情报，为城市工作人员提供更为深刻的洞察力，并能更好地掌 控城市运作。
解决方案一经获得，便能够利用事件处理、规则引擎、可视化、监控、信息管理、优化、流程编 排和资产管理工具这一完整的组合，并应用到这些新领域中，如资产协调 所示。

图 7 资产协调
解决方案代表性组件
在下面有关智慧的城市具体解决方案的章节中，会介绍更全面的技术。
更具有一般代表意义的解决方案组件示例包括：
● 更透彻的感应和度量
● 更全面的互联互通
● 更深入的智能洞察

图 8 支持智慧的城市的技术

五、智慧的交通
有效且高效的交通体系对于一个城市的感知度、可用性及经济发展而言至关重要。城市交通体系——不论是公共的还是私人的——都能在城市的旅行体验和环境影响方面，对城市生活的成本和质量起到重大作用。
特别是在城市环境下，修建全新的交通基础设施是一个成本高昂且干扰民众正常生活的长期过程。新的交通基础设施会影响旅行习惯，促使个人优化出行，引发需求和使用的转移，导致产生新的瓶颈和拥挤区域。
单纯建造基础设施并不是适当之举，不能在市内实现快速安全、划算可用的通行。新基础设施确实需要，但必须应用智慧或明智的交通管理和使用方式，才能最好地利用现有和将来的输送能力。
必须将市内不同的交通模式及相关设施作为一个全局交通网络来处理，并将其与CCC相连接。这样旨在使每个交通资源的能力实现最大化，将负荷分配到不同的交通模式，实现居民自由移动，避免对任何一种交通模式造成无法接受的使用和拥堵程度，而与此同时，其它模式却使用率不足。
解决城市交通问题的智慧方法本质上有两方面；搜集、分析和利用有关城市交通网络如何运作的信息，以及利用各种“杠杆”控制交通体系并影响旅客行为，如智慧方法两大方面所示。

图 11 智慧方法两大方面
智慧的交通遵循的架构模式与智慧城市的其它领域相同。正如智慧的交通架构所示，其架构由三个层面组成：传感器、操作和企业。在传感器层，与各个离散的交通功能相关联的传感器（及促动器）被集成起来，用于收集信息，处理源自特定功能的事件。交通功能将包含交通管制、自动化停车场、公共汽车、有轨电车、地铁和数字监控等。
智慧的交通架构显示了智慧的交通高级参考架构。

图 12 智慧的交通架构
来自传感器的数据在传感器层进行适当利用，并能够在分配至操作层之前用多种方式对其进行处理，例如聚集、关联、融合或充实等。操作层包含与特定交通能力的运作和监督相关联的那些功能：提供公共汽车服务、管理停车场和管制交通等。这些操作对时间非常敏感；必须能够接受来自传感器的数据，并有足够的时间进行处理，以便应对交通网络内随时出现的商机和问题。
操作层（见智慧的交通架构）之上是企业层。企业层汇集了与提供和管理交通服务相关的状态、业务流程、历史数据、分析、预报以及其它工具。企业层内可能存在多个“子层”，经过交通方式（如公共汽车、火车、有轨电车、地铁、自行车或步行）或功能（如停车管理和交通管制）反映组织职责。 这些“子层”组合在一起，提供整个城市交通服务的全局视角，然后在适当情况下，呈现给公共服务部门员工、商业交通合作伙伴以及广大旅客。
整合并利用交通信息
在许多城市，不同交通体系的信息按交通方式、管理职责区域和地域界线而分开单独显示。对现有及新数据资源进行整合并绘制涵盖整个交通网络的通用运营图是智慧交通的基础。
能够应用分析模型，利用从交通网络中收集的信息来预测交通流量和运输量、计算行程时间及具体站点的公共汽车到站时间。IBM研究中心开发的交通预测工具即是该模型的一个范例，这个工具能够准确预测长达一小时后的交通速度情况或个别路段的通行率。可访问以下地址获取有关该交通预测工具的更多信息：可将业务规则应用到上述预测中，用于确定预测的通行率或车辆速度是否造成堵车，是否需要采取某种交通管理措施。同时也可应用更深入的模型来确定要考虑的适当道路指示，例如市内交通和公共运输绩效的政策目标。
向旅行者提供正确可信的信息形式上是一种授权，既可增加她们的满意度，也能够鼓励她们为实现个人旅行目的做出正确决策。全面了解旅行中可选择的交通工具，并结合从多渠道（网络、手机、公用信息站、短信服务及其它工具）获得的当前交通网络状况，旅行者能够做出明智的选择。
扩充基本的旅行规划服务使旅行者能够登记一整天的旅程，这为城市交通当局创造了实时散布更新信息及建议的机会。例如，如果交通堵塞中断某公交线路，可向旅行者发送信息，建议其考虑其它替代服务重新规划旅程。这种建议能够基于旅行者的预计位置或实际所在位置（如果旅行者注册了支持GPS功能的设备）。这种方法为城市交通当局影响旅行者行为创造了机会，能够根据需求在可用的交通能力范围内更好地分配旅行者。
同时还能够间接散布信息，例如在公交站点发布公共汽车实时到达时间，利用各种路边标志提供堵车警告或预计行程时间。
整合、利用并散布城市交通网络运行状况及智慧的交通功能，例如整合的交通控制系统、公共汽车或有轨电车的车载智能设备、公共运输的动态调度及智能停车等，为最大程度发挥当前城市交通基础设施的潜能提供了平台。电子道路收费及综合收费管理等其它功能也能够加入到此解决方案中。
电子道路收费
电子道路收费（ERP）经过在一天中使用部分或全部城市道路网络，特别是在具体时间或时间段，对过往车辆进行收费。道路使用收费旨在实现以下两个目的：
● 改变在经济上对私人和公共交通的平等对待，向公共交通倾斜
● 作为额外收入来源，为城市交通网络改进提供资金
最常见的电子道路收费为道路通行费，驾驶员因使用某具体道路设施而支付费用，例如高速公路或桥梁。这个趋势正向自由出入道路通行费发展，这样会自动检测车辆，并经过车载设备或使用视频技术识别车牌来辨别车辆。收费标准可根据一天内的具体时间或该具体资源的使用水平而定。
当前已有一些城市实施了拥堵收费方案，例如伦敦、斯德哥尔摩、新加坡、都柏林和瓦莱塔（马耳她）。拥堵收费方案对进入市区特殊地段或地区的车辆收费，收费标准也会因一天内的具体时间和交通状况而定。这些方案也是比较典型地使用车载设备或车牌识别来辨别车辆并收费。
某些国家或地区、省、市正在研究基于GPS的道路使用收费方案。在这些地区，根据行驶里程数向驾驶员收费，收费因道路类型、一天内具体时间及其它因素而不尽相同。
各种形式的ERP一般有高级别的架构模型，带有运营支持系统（OSS），它包含与车辆识别相关的路边基础设施，还带有业务支持系统（BSS），这涉及ERP方案运作的等级、计费、帐户管理、客户关系管理、财务管理、实施及其它方面。
综合收费管理
自动售检票系统（AFC）使旅行者无需现金购票，用提前充值的智能卡即可取代现金的使用。更精密的系统则将智能卡与信用卡或银行账户相关联，当余额减少到某限定额度时自动按照设定金额为智能卡充值。此类系统也为运输经营者带来好处，她们无需再处理现金交易，也有效地避免了员工欺诈行为的发生。我们可能需要提高收入保障活动的水平，确保旅行者每次旅行都能切实使用智能卡。
AFC为个别运输方式提供了方便，而综合收费管理（IFM）方式则有可能为旅行者和城市交通当局均带来益处。有了IFM，普通AFC系统可广泛应用于市内多种交通方式：公共汽车、有轨电车、地铁、火车，甚至ERP和停车场。这个解决方案使旅行者能够在市内各种交通方式中使用单一支付方式，经过至少避免了交通工具换乘中的一个障碍提供了灵活性，如综合收费管理解决方案所示。

图 13 综合收费管理解决方案
除了为旅行者和城市交通当局带来方便外，综合收费管理方案还为各层次的旅行模式提供商业智能：从单个智能卡持卡人一直到来往社区与市区之间的众多人流。这有助于制定未来公共交通系统和整体交通战略规划。
IFM还为影响旅行者行为创造额外的机会，城市交通当局可实施价格政策，使公共交通在价格上更能吸引乘客；可根据全程计费、为一日或一周内的交通总费用设置上限、在非高峰期自动折扣或按照持卡人年龄段或状况进行优惠。综合收费管理系统还为政策变动提供余地，并能使用业务规则将新政策迅速付诸实施，使公共交通运营能在多变的城市交通需求和压力下实现灵活变通。
当前已有若干城市实施了综合收费管理系统，包括新加坡（Symphony Card for ePayment）、伦敦（Oyster Card）和香港。
智慧的交通方案具有以下四个关键特点：
● 每秒钟经过传感器的成百上千甚至成千上万次事件均能得到测量。例如，监控城市中穿行的 辆公交车的方位和状态每秒能产生 200 － 400 个事件，这根据每辆公共汽车报告其方位的频率而定。
● 若干个网络上部署了大量传感器和分布式设备，网络偶然会出现不稳定现象及边缘低宽带。
● 城市交通网络活动因数量级的不同而产生多种需求，取决于一周内的具体某一天和一天内的具体时间。另外，体育赛事或恶劣天气也会增加这一影响。
● 保留交通网络详细数据所需的大数据库内的大量数据，可支持运营和战略规划使用的分析和统计模型。
智慧的交通解决方案要求服务器基础架构能够从物理上以及经过虚拟化资源和存储介质（它们也同样能够进行扩展）灵活进行扩展，而且有效管理大量数据。
六、智慧的公用事业
电力系统电网是最后实现自动化的一项重要基础设施。尽管基础电网的电磁技术原理并没有改变，但对电网可观测性和控制的需求却发生了变化。（此电力章节略）
七、智慧的水资源
水是地球上生命最重要的元素之一。水元素在我们的环境中储量丰富，但却是最容易被污染的资源，正因为如此，智慧的水资源将是保护我们智慧的地球上重要的组成部分。
在探讨智慧的水资源架构需求之前，我们要了解水资源影响城市生活的方式，了解城市与水资源的关系，这非常重要。水资源在与市民产生关系的过程中将会经历一个虚拟的生命周期：
● 城市水源：城市用水可经过脱盐处理而来，可来自雨水的收集，来自井水、湖水、水库，或者从其它来源购买（如从其它水力公用事业或者其它水厂运送而来）。
● 水资源的消耗：水资源可用于个人消耗、工业开发利用、市政消耗（街道清扫）以及对水力运输业、旅游或科学研究（水力科学或相关领域如波浪发电）的支持。
● 废水的处理和处理：从市政用水的处理、雨水的处理、下水管道的管理到工业废水的处理， 水资源的生命周期将是城市对市民和环境所承担职责的重要部分。
正因如此，智慧的水资源体系绝对是智慧的城市和智慧的地球的优先关注领域。
虽然水资源的生命周期易于描述，但每一个周期阶段都必须紧密结合。水资源的生命周期 显示了水的完整生命周期，目的是实现真正意义上的闭环控制。按照功能和架构两方面把水资源的周期进行分解，能够帮助大家更好地理解整合要求，同时也能与更高级的智慧的城市建立联系。

图 15 水资源的生命周期
水源
水资源来源的各个方面的确与大多数公用事业相同，但每个因素的优先级别可能会因城市的地理位置、城市人口的多样性和整体市政的经济结构发生显著的变化。举例来说，一个滨海城市很可能严重依赖当地的旅行业及其沿海水路交通，相反，一个工业城市则必须依靠可靠的水资源来支持它的商业供应链。
水资源来源的各个因素包括：
● 地点
水源地的信息，包括河流径流、水源混合要求以及水源成本的信息。
● 时间
大部分情况下，水资源会大量获取。不论是经过降水还是购买或处理所得，最重要的是要了解水预期进入系统的时间。
● 对象
对于任何预处理手段或水安全使用限制来说，水资源的整体特点至关重要。一场大的降雨将大幅提高水位，可是也可能带来能够预计的污染。
● 花费
水资源的储量极其重要，特别对于均衡城市运转成本而言。如果能够保证一英寸高的降水量，那么水脱盐的花费将大幅下降（脱盐过程极为昂贵）。
消耗
关于水资源的消耗，正如水有多种多样的利用方式，检测和控制水资源的措施也很多。如果海滩不安全的话，一定要告知游客。港务局长一定要掌握水位高度和风暴信息。工业用户要明确标注水的成分，以便更好了解额外的水处理方法和可能的产品影响。农民要掌握水的成本，知道怎样获取水资源，这样她们才能决定何时需要订水，怎样最好地利用所购买的水。而为广大市民提供尽可能多的信息，则能够帮助养成更好的用水习惯。
处理或处理
首先需要了解的是，这里所说的“水处理”是个不恰当的名称。水在使用之后，都会以这样或那样的方式返回到水源中。不论是蒸发、处理、再次循环，还是直接倾倒，水（包括我们留在水中的物质）都会重新进入循环周期而且改变生命周期中水源的性质。正因为如此，我们必须要不断尽可能地控制好所返回的水质。水进入处理厂后所进行的只是适当的处理流程，如果公众意识到水供应的闭环特性，相信能够更积极地改进用水习惯。
水资源可能影响城市经济成本的主要方式包括洪水、水质、水的安全性、与水有关的商业活动和水力发电。
架构
整个架构以“能源解决方案框架”为基础，如智慧的水资源架构 所示。水资源的确具有闭环生命周期。为了能够不断地整合资源并进行闭环控制，我们利用了一个开放的结构。这一架构是物理及逻辑整合的基础，由此IBM能够很好地运作，并能最大限度地利用客户的投资。

图 16 智慧的水资源架构
架构方法就是从“水域”内各处捕获数据。然后，会将重要事件信息发送到CCC。
内陆水
内陆水即内陆水道、河流、湖泊和分布系统的总称。内陆水会对城市生活产生很大影响的有沿海洪灾、水质、供给平衡和分布系统管理等因素。
架构方法就是使用从“水域”（如水资源管理示例 所示）内各处捕获到的数据。然后，会将重要事件信息发送到CCC。

图 17 水资源管理示例
沿海水资源管理
沿海水资源会影响到城市生活的主要有洪灾、水质、安全、商业活动及水力发电。智慧的城市管理水资源主要就是将从内陆水和沿海水域收集的数据信息整合起来。处理沿海水域信息时同样会采用整体的宏观方法，因为这些信息采集自多个水域。
这一解决方案能够应对沿海水域管理中的所有问题。这一解决方案当前已被部署到沿海水域中，水域与水流传感器平台系统及现有的国家海洋数据监测系统相连。收集到的信息会被集中到一个中央数据库中，而其中十分重要的事件信息会被传送到CCC。

八、智慧的建筑
不论是商品楼还是居民楼，肯定都不只是一个住所那么简单。可能您觉得高耸入云的大楼代表着社会的进步，可能您在家里有专门的寓所供娱乐休闲，但不论怎么说，这些建筑都有两个共同点：
● 它们是地球上温室气体（GHG）排放最多的一员
● 它们也是地球上能源使用效率最低的一员
鉴于此，国际社会当前正在竭力提高建筑物内的能源使用效率。麦肯锡近期的一份报告显示，经过努力提高商品楼和居民楼内能源使用效率，到2030年可将二氧化碳的排放量降低710到870兆吨。3
建筑物往往是复杂的多系统实体。为了确保其安全舒适并方便用户居住，建筑物内往往囊括多个系统，如供暖和空调系统、照明系统、通信系统、安全系统、出入控制系统、娱乐系统及其它各种控制和维护系统。为了实现对能源最高效的利用，这些系统必须协同运作，可惜现实差强人意。但当前经过利用新的智能洞察技术能够实现这一点。“智慧的建筑”这一理念就是指将管理数据中心的数据收集及监控、集中优化分析及分布控制等方法应用到建筑这个层面。
解释智慧的建筑这一理念：“智慧的建筑将主要的系统都集中到一个公共网络上。系统间的信息和功能都会共享，用于提高能源使用效率，使系统运行更有效，使住户更满意。”
建筑系统整合
智慧的建筑中需要整合的系统 中列出了为了优化整个建筑或建筑群而需要整合的各个系统。当前，这些系统大都是在独立运作。

图 18 智慧的建筑中需要整合的系统
讨论系统整合之前，我们先来看一下这些系统能够分成的三大类：（智慧的建筑中需要整合的系统）：
● 第一种是建筑内部的各种传统的系统。它们与建筑物息息相关。供暖和空调系统使住户更加舒适，安全和防火系统能够确保大家的安全。总之，这些都对建筑物都至关重要。但问题是这些系统都在独立地运作。就个体而言它们可能都运作良好，但如若能与其它系统合作效率应当能够更高。实现系统优化的前提是必须先收集各种传感器数据，以便能够更规范和合理地做出决策。利用最先进的IT技术来实施这一解决方案。
● 第二种是建筑外部的系统。它们能够提供各种重要的信息，能帮助前瞻性及应对性地优化有关建筑的各项运作和措施。公用事业连接包括了某些智慧的公用事业功能。天气情况也是一个重要的外部因素。如果充分加以考虑，能够大大地提高住户舒适度，也能降低能耗。
● 第三种是管理和服务系统，它们能够大大提高建筑物管理者及用户的效率。它们能够优化功能提高客户的满意度，进而提高利润率。收集到的传感器数据能够供收费时参考，也可方便规划，进而决定建筑的哪些地方需要完善和改进。另外，这些系统还有报告功