．智慧城市：推動智慧城市的技術趨勢概覽

5 Smart City Technology Trends

5 大智慧城市技術趨勢

IEEE

技術趨勢論文目的，在突出塑造我們周圍世界，並影響 IEEE 成員日常工作生活的關鍵技術。它們提供了一個技術領域的高級概述和足夠的資訊，讓 IEEE 成員瞭解即將到來的技術。

本文是該系列的一部分，重點關注智慧城市，重點介紹推動其成長的幾個關鍵技術趨勢。

背景

根據聯合國人口基金的數據，2014 年，世界上 54% 的人口居住在城市地區，約 33 億人口。到 2030 年，大約 66％的人口（即 50 億人）將生活在城市地區。這不僅代表著我們如何建設和管理城市，面臨的巨大挑戰，而且也同時存在，有著改善數十億人生活的重大機會。

面對這一挑戰，世界各地的工程師都在轉向新技術 —— 例如網路實體系統、5G 和數據分析 —— 尋找新的方法和解決方案，以改善城市交通、水和廢棄物管理、能源使用，以及許多其他支撐城市運作，和城市居民生活方式的基礎設施問題。

智慧城市有很多定義，從只關注基礎設施的定義，到更關注讓公民和社區採取更智慧行動的定義。雖然沒有一個定義適合所有城市，但我們在本系列中使用的一個有用的定義，來自國際電聯：

可持續智慧城市是一個創新型城市，它利用資訊和通信技術 (ICT) 和其他手段，來提高生活品質、城市營運和服務效率，以及競爭力，同時確保滿足當代經濟、社會和環境方面，和子孫後代的需求。

這個定義強調，智慧城市不僅僅是一個利用新技術的城市，而是一個複雜的生態系統（圖 1），由許多利益相關者組成，包括公民、城市當局、當地公司，以及行業和社區團體。

應該強調的是，所謂智慧城市的地理邊界，可能比城市本身更寬，聚集了多個治理機構和市政當局，來定義大都市或區域範圍內的服務。

圖1.智慧城市作為複雜的生態系統。

在本報告中，我們關注正在塑造智慧城市發展，技術趨勢的方式。然而，重要的是要確保在考慮應用技術解決問題時，要考慮到人和制度方面的因素。從本質上講，智慧城市的一個基本目標，是為其整個生態系統創造價值，無論這種價值是財務、生活品質、健康、教育，還是時間。智慧城市創造的價值，可以使用定量和定性指標進行評估。

智慧城市科技生態系統

從技術的角度來看，智慧城市生態系統是一個複雜的生態系統，包括許多技術領域。主要參與者在多個領域展開業務，提供補充（有時重疊）其他參與者的解決方案。

那些有能力的公司，正在朝著一個融合點努力，在那裡他們可以為城市技術需求，提供端到端的解決方案。然而，大多數參與者缺乏實現這一目標的規模，必須與其他技術領域的合作夥伴合作。

為了可視化技術生態系統，我們可以確定五個關鍵技術分組（大致基於 Frost and Sullivan 報告 3），如圖 2 所示。

圖 2. 智慧城市的技術生態系統。

與智慧城市實際上是由一系列利益相關者組成的複雜生態系統大致相同，在智慧城市中開發和佈署新服務通常需要一種整體的技術佈署方法。由於城市是由許多子系統構成的，例如交通、健康和能源，需要一種系統的系統方法來推理和解決城市及其公民的需求。

雖然一些大公司能夠自行開發和佈署有效的智慧城市服務，但這不是常態。相反，成功的智慧城市佈署更有可能需要許多公司共同努力，將解決方案和技術結合起來，包括低級感測器/執行器、有效的數據通信、數據收集和分析，以及特定領域的應用程序，例如醫療保健，能源和運輸。

關鍵技術挑戰和推動因素

支撐不斷成長的智慧城市市場的是一系列廣泛的 ICT 趨勢，這些趨勢使能源、交通和城市規劃等關鍵領域能夠利用新技術為城市和公民提供智能解決方案。在下一節中，我們重點介紹了一些關鍵趨勢及其對智慧城市的影響。

網路和通信

與智慧城市相關的許多技術趨勢的關鍵，是底層通信基礎設施，它使智慧城市能夠連接基礎設施、設備和人員，並收集數據並向無數端點提供服務。智慧城市技術和服務生態系統的複雜性，需要一種整體的網路和通信方法，為一系列需求提供支持，從基礎設施監控到數位媒體企業的骨幹網，從家庭安全到全市交通監控。這些多樣化的需求，決定了任何智慧城市都將包含一系列技術，從低頻寬無線技術（如藍牙 LE 和 ZigBee）到用於骨幹網需求的專用光纖。

將影響未來智慧城市發展的一些關鍵技術趨勢包括：

低功耗廣域網技術

在藍牙 LE、ZigBee 和 WiFi 等個人/局域網技術之間，找到技術領域的利基；許可蜂窩網路，例如現有的 3/4G，以及向 5G 的演進；坐技術，如 LoRaWAN 和不斷發展的 802.11ah。這些技術使用未經許可的頻譜，並專注於低功耗和成本。雖然有些人認為它們是佈署 5G 網路之前的權宜之計，但它們引起了很多人的興趣，並進行了大量試驗，包括日本的 NTT、法國和澳洲的 SigFox，以及美國的 Comcast。

推動城市採用的一個主要吸引力，是能夠提供全市範圍的服務、免費、資金成本相對較低。例如，非營利組織採取的一種方法組織物聯網。

3/4G 演進

儘管圍繞 5G 標準的製定開展了大量活動，但預計它們要到 2020 年才能全面佈署。與此同時，許多重要舉措都集中在現有蜂窩技術的中期演進上。3GPP 聯盟正在開展多項活動，包括 CAT-1（和 Cat-0）以及即將推出的 CAT-M1 和窄頻長期演進 (NB-LTE)。這些標準專注於物聯網場景，包括更高的能源效率、成本降低和更好的滲透/密度，所有這些對於物聯網場景都至關重要智慧城市。

5G 網路

下一代網路 (5G) 是密集技術（和商業）活動的主題一些重大舉措正在進行中。5G 目的在解決未來智慧的一些關鍵需求具有更高頻寬、交付和性能保證、適應性、能源效率的城市，和即時能力。5G 仍然是一個不斷發展的領域，對其長期發展進行了大量討論目標和技術。

5G 空間的這種複雜性和快速變化率使其很難提供更多的簡要概述。有關 5G 的更全面探索，請參閱作為本系列的一部分發布的 IEEE 5G 行業趨勢論文。

不管 4G 的演進和最終向 5G 的過渡如何，滿足結合多種演進技術需求的兩個關鍵技術趨勢，是軟體定義網路 (SDN) 和網路功能虛擬化 (NFV)。顯然，隨著營運商和用戶應對跨越多種技術的需求，這種複雜的網路環境構成了挑戰。

一種解決方案是採用 SDN 和 NFV 技術，允許網路營運商

使用 SDN 混合和匹配服務，並將更多智慧推入他們的網路（邊緣。

虛擬實體系統和物聯網

虛擬實體系統和物聯網（通常定義為實體設備與網路的連接和虛擬表示）對於智慧城市的發展非常重要。雖然傳統城市基礎設施的許多部分已經被監控多年，例如交通、水和電力，但這種監控通常使用專有技術並作為單獨的孤島進行維護。物聯網正在從根本上改變這種情況。

城市基礎設施，其中一些傳統上可能受到監控，現在正在使用開放標準協議（如 IP 和 HTTP）進行連接，並透過 REST 等網路技術進行訪問。較低的「連接」成本允許感測擴展到城市基礎設施的更多部分，並實現更高保真度的感測。

一個很好的例子是能源管理。雖然傳統上，許多城市已經能夠（透過公共或地方公用事業）測量和監控一些城市能源使用情況，但越來越多的私人和商業建築正在透過智慧電錶連接起來，這反過來又使微電網技術的採用成為可能。

這種更好的感測（和驅動）趨勢不僅僅是感測城市基礎設施，如道路和下水道。物聯網技術的成本和可訪問性使私營公司能夠檢測實體基礎設施並使用設備，包括許多公民現在攜帶的智慧手機。例如，汽車製造商越來越多地不僅感知汽車本身，還感知其周圍環境、交通狀況，甚至在發生事故時提供感知數據。

土木工程公司正在佈署感測，來監測隧道和橋樑等結構的壓力或路面品質。公民透過佈署低成本的感測器，來跟蹤參與空氣污染和噪音情形，或者只是將他們的智慧手機用作行動感測器平台。

顯然，感測的這種成長是由有線和無線通信支撐的，低功耗網狀網路和最終轉向 5G 是關鍵技術趨勢。

雖然物聯網正在推動我們如何感知和控制周圍世界的革命，但在智慧城市環境中，有一些技術趨勢和問題，正在推動我們利用物聯網的方式。

正在生成的大量數據，正在推動其自身對捕獲和儲存，數據所需的平台，以及分析即時數據所需的工具和技術的需求。接下來，我們將探索支持智慧城市平台的雲技術，以及大數據技術的趨勢。

雲和邊緣計算

雲計算對智慧城市的發展產生了重大影響，影響了城市管理和提供服務的方式，並使更廣泛的參與者能夠進入智慧城市市場。雲計算，通常定義為計算即服務的交付，為城市等組織提供了降低成本和提高效率的方法。

由於法律和隱私問題，城市一直不願將公共雲服務的全部優勢用於核心服務，但許多城市已經使用私有雲服務，有些已經嘗試基礎設施為其現場工作人員，提供身份服務和設備管理，用於數據分析，並改進其客戶記錄管理 (CRM) 系統，以管理公民互動。

推動智慧城市採用雲解決方案的第二個因素是城市在開始佈署和利用物聯網技術時生成、捕獲和分析的數據大量增加。新的基礎設施感測，與私人數據源和公民數據相結合，意味著城市現在可以訪問大量的即時數據源。

雖然在城市中使用雲基礎設施的例子很多，但智慧交通是一個先導案例。台灣利用雲計算，來處理來自其高流量的智慧交通系統。

雖然雲計算是智慧城市解決方案的既定組成部分，但一個新興趨勢是透過邊緣（也稱為霧）計算增強雲計算。邊緣計算是一種用於描述內部和邊緣處理的佈署，和使用的術語網路。

這一趨勢利用了物聯網基礎設施的推出，其中通常包括強大的處理和 Gateway 設備，來收集和傳送感測數據。邊緣計算模式為城市提供了管理，和分佈式監控基礎設施的方法，例如，ITS，出於性能和即時性原因，處理通常最好靠近基礎設施進行處理運輸系統 (ITS)，或專注於能源效率的建築管理系統。

開放數據

智慧城市的另一個重要趨勢，是採用和利用開放數據。智慧城市背景下的開放數據，是指要求或鼓勵公共機構發布數據集，並使其可自由訪問的公共政策。典型的例子是全市犯罪統計數據、城市服務水平和基礎設施數據。

許多政府和主要城市現在都運行開放數據入口網站，例如英國和加拿大的數據入口網站（data.gov.uk 和open.canada.ca），以及城市門戶網站，例如舊金山（dataSF.org）和倫敦（data.gov.org）。 london.gov.uk）。

雖然開放數據本身，並不是一種技術趨勢，但它利用了這裡討論的許多底層技術，例如雲計算和物聯網，並且是大城市數據的來源。隨著城市開發開放數據入口，和其他城市利益相關者，開始利用對這些開放數據的存取訪問，開放數據正在推動這些技術的使用。與大數據相關的一些挑戰，包括數據安全，尤其是隱私問題。

開放數據的演變，代表著與城市營運有關的可用資訊的擴展。它的主要目標是透明度，但一個重要的次要目標，是向第三方提供資訊，這些資訊可用於改善城市服務，並促進圍繞新服務的創新。舊金山和倫敦率先與當地公司合作開發開放數據、旅遊、停車和交通。相似的基於公園數據創建行動應用 app 方法，正在世界各地的城市中出現。很明顯，越來越多的城市將提供更多數據作為開放數據。

然而，開放數據提供商和營運商的生態系統，也可能會隨著城市作為開放數據營運商的作用減少，以及越來越多的第三方獲取城市數據，並為公民和企業管理它而發展需求。一個有趣的早期例子，是在哥本哈根營運的城市數據交換。

大數據和數據分析

就其本質而言，智慧城市會在日常營運中產生大量數據。之前確定的趨勢，例如物聯網和開放數據，正在推動城市收集和提供額外的大量數據；其中一些是靜態的，但越來越多的部分是即時的。這些數據展現了大數據的經典特徵；高音量、即時（速度）；並且在其來源、格式和特徵（可變性）方面極其多樣化。

如果管理和分析得當，這些大數據可以提供洞察力和經濟價值，城市和城市利益相關者，可以利用這些洞察力和經濟價值，來提高效率並引導創新服務，從而改善市民的生活。

捕捉、管理和分析這些大數據的不斷發展的技術，利用了雲計算等技術趨勢。城市現在能夠訪問和使用僅在幾年前擁有和管理成本太高的大量計算資源。結合 Hadoop/HDFS、Spark、Hive 和大量專有工具等技術，城市現在可以利用大數據和分析工具，來提高城市營運和服務的效率。

例如，美國波士頓正在使用大數據來更好地跟蹤城市績效

指標範圍，還能辨識城市街道坑窪，提高垃圾處理效率，透過切換到需求驅動的方法來收集。紐約開發了一個系統（FireCast）

倫敦使用各種城市數據和高級分析功能，將各個街區映射到更好的位置分析，來自六個城市部門的數據，以辨識具有高火災風險的建築物，瞭解資源分配和規劃，可透過行蹤獲得，以優化整個島嶼的道路使用情況。

公民參與服務

新加坡跟蹤即時交通，並運行需求驅動的道路定價計劃

公民參與代表了智慧城市的一個補充方面，雖然不是嚴格的技術考慮，但依賴於開放數據和大數據部分中討論的數據收集和管理。從本質上講，它目的在利用技術，來支持與公民的更多接觸，部分是為了「利用城市的集體智慧」，部分是為了更好地瞭解公民在日常生活中，做了什麼和需要什麼。在這種情況下，參與的不僅僅是公民，還包括整個生態系統、城市工作人員、企業、遊客等。雖然城市顯然需要參與和傾聽公民的意見，但令人驚訝的是，有意義的渠道卻很少。城市與其公民之間的對話。

為瞭解決這個問題，過去五年領先智慧城市的一個趨勢，是利用技術與市民互動和交流。這採取了多種形式，包括：

 允許公民報告城市問題（例如塗鴉或事故）或直接參與城市服務（在北美通常稱為 311 服務）的電話或 Web 應用。源於在華盛頓特區的工作，在波士頓等城市的活動細節，以及新的服務計劃。成功的例子包括《美國法典》計劃，和歐洲採用的其他條技術路線。

 協同設計和以用戶為中心的設計流程，讓公民參與新服務的構思、設計和交付。這種以公民為中心的方法，已在許多城市以各種形式進行了嘗試，早期採用者如英國的米爾頓凱恩斯和歐盟的公民城市項目開發了最佳實踐。

 從市民那裡眾包城市數據，以更好地瞭解城市人口的活動和行為，或利用市民幫助收集原本難以獲得的數據。例子包括在雅加達使用推文和使用公民眾包洪水資訊，可以在 open311 組織的網站上找到倫敦赫爾辛基

 駭客馬拉松和其他開發者活動，讓技術社區參與開放數據，

在德國伯布林根創建輪椅無障礙地圖的輸入。

如上所述，參與實際上是實現賦權的第一步。公民參與的最終目標是透過社區領導賦予公民權力，並改善他們的日常生活。

此處確定的六大主要趨勢，對於智慧城市的推出相當重要，並將塑造利用技術豐富公民生活的方式。顯然，它們不是唯一的因素，安全、隱私、環境可持續性等其他領域，以及許多其他領域都跨越了這些技術趨勢，塑造了它們的演變和佈署。然而，這些趨勢非常重要，正在塑造我們城市的未來。在下一節中，我們將探討與這六個領域以及更一般的智慧城市景觀相關的標準活動。

標準

標準對於智慧城市的發展，極為重要，有助於順利採用新技術並為城市當局和從業者路，提供可信賴的框架。前面概述的所有技術領域，都受到激烈的標準化活動的影響，ISO、ETSI 和 ITU 等國際組織以及國家機構，當然還有 IEEE 正在進行大量活動。對主要國際活動的有用概述，是由英國國家標準機構，在其智慧城市概述文檔中捕獲。

圖 3. 智慧城市領域主要標準機構活動概覽。

圖 3 粗略地基於英國標準文件，顯示了分為三個層次的標準機構活動，策略重點是為城市領導提供指導，過程著眼於採購和管理智慧城市項目和活動，技術著眼於較低級別會，用於智慧城市項目的技術細節； IEEE 標準傾向於關注圖表的下部。

在策略層面，一個重要的標準是 ISO 37120 社區可持續發展 —— 城市服務和生活品質指標。該標準是 ISO 技術委員會 268 套件的一部分，確定了城市應跟蹤的一百個指標，以允許它們對進度進行基準測試。許多城市開始採用這些標準，世界城市數據理事會，已帶頭努力推廣這些基準並鼓勵城市使用它們。英國標準協會引領了一些，關於智慧城市策略方法的早期思考，最近與以下機構，一起創建了智慧城市研究所。

英國未來城市彈射器

在技術層面，ISO JTC1 委員會已經製作了有用的調查文件

關於智慧城市標準活動，並正在製定兩項技術標準，這些標準仍然存在正在開發中（來自 ISO/IEC JTC1 組）但值得跟蹤。它們是ISO / IEC AWI 30145 資訊技術 – 智慧城市 ICT 參考框架，以及相關的 ISO / IEC AWI 30146 資訊技術 – 智慧城市 ICT 指標，它們都在關注智慧城市所需的 ICT 基礎設施。

IEEE 認識到，物聯網是一種關鍵的技術趨勢，因此在推動物聯網發展方面做出了巨大努力。

IEEE P2413，物聯網 (IoT) 架構框架標準。IEEE P2413 正在開發中，以提出支持跨域交互、系統互操作性，和功能相容性的架構框架，並推動物聯網市場的成長。

此外，國際電聯在物聯網領域有一個活躍的標準組（第 20 研究組）。

IEEE 標準協會，以系統的視角而聞名標準化。例如，在智慧電網領域，IEEE 2030，IEEE 智慧電網指南能源技術，和資訊技術運行與電力的互操作性系統 (EPS)、最終用途應用和負載。更全面的 IEEE 標準相關列表，可以在「IEEE 智慧城市標準活動」文檔中，找到智慧城市。

業務方面

儘管本趨勢報告，側重於技術趨勢，如引言中所述，智慧城市是跨越技術、社會、組織和商業的複雜生態系統域。瞭解技術的推出，及其在生態系統中相對的重要性，需要瞭解影響其佈署和採用的業務驅動因素，以及智慧城市市場概覽。

城市化進程加快、新興城市的發展壯大，以及自然更新成熟城市的基礎設施意味著，智慧城市市場既龐大又不斷成長。雖然市場的範圍和規模難以準確量化，估計也各不相同，但所有地方市場規模在 300 至 7000 億美元之間。例如，市場範圍界定報告英國的貿易和工業部建議：「我們估計，到 2020 年，智慧城市解決方案的全球市場，以及佈署它們所需的額外服務將達到 4080 億美元。

按垂直細分，例如交通運輸，Pike Research 估計全球市場到 2018 年，基於數位基礎設施的智慧交通解決方案，將達到 45 億美元。這些解決方案正在為更廣泛的市場提供解決方案，到 2018 年將達到 1000 億美元，其中包括用於停車管理和引導、智慧票務和交通管理的實體和數位虛擬基礎設施。

也包括在這 1000 億美元中，是傳統服務還是新服務如重型工程、道路設計和大數據分析由於投資，而需要在數位智慧運輸解決方案。」

同樣，Frost & Sullivan 的一份報告，將總支出細分為細分市場，將治理和教育、醫療保健和能源確定為三個最大的商機。