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1、智慧城市工程学郑州智慧城市研究院2016年5月目录前言第一章绪论(tian)1.1智慧城市工程学内涵、研究对象和研究内容1.2智慧城市的历史演变到智慧城市工程学的产生1.3智慧城市工程学的学术地位、研究的目的与意义1.4国内外智慧城市工程学研究的现状与发展趋势第二章智慧城市工程研究的理论与方法(tian)2.1城市计算2.1.1基本内涵人们的生活倚赖着两个世界。一个是由互联网连接的虚拟世界，而另一个则是现实世界中的物理世界。相对于前者的高度连通性和数字化，物理世界虽蕴藏着更为丰富的信息和知识，但由于目前仍却缺乏有效的感知、管理和协同，这些宝贵的知识财富还未得到充分的发掘和利用。同时，现实世界和
2、虚拟世界之间也缺乏有效的联系和沟通，致使人类拥有的信息处于孤立、隔离之态，因而不能发挥其最大能效。所以，在互联网已经高度发达的今天，深度探寻物理世界中蕴藏的知识和智能已经变得势在必行。通常认为，现实世界可以进一步划分为远郊、城市和室内三个空间(如图1所示)。相对于其它两个空间，城市空间因其涵盖的多种元素(如房屋、车辆、道路和各类传感器)和人类行为而变得最为复杂，也最为有趣。如何有效利用这个空间里蕴含的信息来为人类服务已成为近年来人们关注的热点。图1 虚拟世界与现实世界的框架另一方面，近几个世纪以来，城市化的脚步在世界各地逐步加快，而全世界的人口仅居住在约0.4%的地球表面积上。本已经资源紧张的
3、地球，正面临着因城市规模不断扩大和人口增加带来的巨大压力。各种能耗、污染、环境和交通等关系到人类生存的问题已逐步显露。如何妥善解决诸多问题并为人类提供更好的城市生活已经变得迫在眉睫。在这样的场景下，城市计算的概念被提出并很快受到了极大的关注。在这个概念中，城市里的任城市计算的内涵与边界以传感器、道路、房屋、车辆和人都可作为一个计算单元来协同完成一个城市级别的计算(不仅仅在一条道路上或者一栋楼房里)。通过城市感知、数据挖掘、智能提取和服务提供这四个主要环节来建立一个生态循环系统，以产生一个双赢的结果。即，为城市里的人提供更美好的城市生活，同时也让城市变得更加绿色和智能，提升整个城市的环境。2.1
4、.2研究现状近几年来，涌现了一些有代表性的前期研究工作。比如，利用上万辆装有GPS传感器的出租车来感知整个城市的交通流量和人们的移动规律(如图3所示)。具体应用包括:整个城市级别的交通流量预测，并为驾车人员设计实际快速可行的行车线路;或为乘客推荐有可能找到空载出租车的打车地点;或实时检测一些异常事件(如道路坍塌、临时交通管制和大型集会等)，以便提前预警或及时处置。通过对长期数据的分析，还可以发现城市规划中存在的不足，并从一定程度上验证已经实施规划的有效性。在一些城市(如哥本哈根)，研究人员通过在自行车上安装传感器来探知城市中不同地方的空气质量和温度，并利用手机将这些数据共享给信息中心或自己的朋
5、友。在新加坡，研究人员利用人们的手机信号来探知城市里的人流、热点地区和异常事件等。以上这些事例同时用到了车、手机、各种传感器、道路和兴趣点等多种计算单元及其产生的数据，产生的结果也反映了整个城市的韵律和动态。图3 基于装有GPS的出租车的城市计算案例还有一些研究，结合大量用户在社交网络(如Twitter或Facebook)上产生的数据来完成城市计算，如异常事件检测、旅行推荐和广告投放等。这里异常事件检测基于的其假设是，当有不寻常的事情发生时，会有很多目击者在社交网络上发布大量的相关信息(如微博)。也有一些应用通过分析大量用户在基于位置的社交网络(如Foursquare)中产生的带有位置属性的数
6、据(如照片、轨迹数据或签到记录等)来发现一个城市中的热门景点和经典旅行线路，从而为外来的游客提供更好的旅行线路设计和推荐服务。此外，还有一些研究利用人们在城市中的移动性来分析不同地域的相关性，从而实现一些娱乐和广告推荐等应用。假如发现大部分人在去过一家电影院之后都会去附近的一个超市，那么在考虑投放超市促销信息的地点时可以重点考虑这家电影院。这些应用中，除了前面提到的道路、传感器和兴趣点等，人也变成了一个计算单元，其所处的社交网络和生成数据也融入了城市计算中，来共同感知这个城市的脉搏。2.1.3面临挑战城市计算在未来将面临的主要挑战来自于以下几个方面:(1)如何更加合理有效的感知城市动态，包括人
7、在城市里的移动性、车流、环境和能耗等。这个感知过程既要不影响到人们的正常生活，并考虑到能耗和环保，同时也要有足够大的覆盖范围、实时性和准确性。(2)如何管理和挖掘大规模的异构数据，如道路和地理数据、视频和图像数据、轨迹数据和文本数据、以及社交网络结构数据等。首先，由于城市计算所涉及的很多应用均有很高的实时性要求(如异常事件预警和交通流量感知等)。虽然数据规模巨大，但这个挖掘过程必须快速高效。再者，一方面的数据往往只能告知我们局部的信息量，融合来自不同数据源的信息才能更深层次地了解事件的根源。例如，通过路面上的传感器我们可以知道某条道路发生了拥堵。通过摄像头获取的视频数据，我们进一步发现这条道路
8、上发生了车祸。再进一步，通过用户发表在微搏上的数据，我们就可能知道车祸的原因、具体责任人和一些更详实的信息。但这些数据具有完全不同的结构和特性，目前也分别适用于不同的挖掘算法。因此，数据的庞大规模和异构属性将为快速的协同挖掘和深度理解带来很大的挑战性。(3)如何将获取的知识有效的表达出来，并从中提取能用来做决策的智能。比如城市中人们在不同时间段中的移动规律如何展现，以及如何利用已获悉的交通流量来指导人们的出行;或者，如何从车流和人流中发现城市规划中存在的问题，并如何改进。从知识到智能(尤其是可以帮助我们作决策的智能)的飞跃仍需要相当大的努力。城市的发展和其规模的不断扩大给我们同时带来了挑战和机
9、遇。如果我们未能应对好当前的局势，将很有可能导致经济、环境、能源和健康上的灾难。但是，通过合理有效的城市计算，我们将有机会为人们提供更加美好、绿色的城市和高品质的城市生活。当前的城市计算还处于初期阶段，可探索的空间非常巨大，并且任重而道远。2.2大成智慧理论大成智慧学，为中国著名的科学家钱学森首创。2.2.1基本特点大成智慧学，与以往关于智慧或思维学说不同，是以辩证唯物论为指导，利用现代信息网络、人机结合以人为主的方式，集古今中外有关信息、经验、知识、智慧之大成。 大成智慧的特点是沉浸在广阔的信息空间里所形成的网络智慧。大成智慧是在知识爆炸、信息如潮的时代里，所需要的新型的思维方式和思维体系。
10、2.2.2基本内涵大成智慧学是一个思想体系，内涵很丰富，大成智慧，是以科学的哲学为指导，是量智和性智的结合，是科学与艺术的结合，是逻辑思维与形象思维的结合，重视思维的整体观和系统观等。2.2.2.1量智和性智的结合一个有才智的人，应具备广博的知识和高尚的情操，这是不断激发智慧的根基和动力。人的智慧是两大部分:量智和性智。缺一不成智慧!什么是量智和性智呢?现代科学技术体系中的数学科学、自然科学、系统科学、军事科学、社会科学、思维科学、人体科学、地理科学、行为科学、建筑科学等10大科学技术部门的知识是性智、量智的结合，主要表现为量智;而文艺创作、文艺理论、美学以及各种文艺实践活动，也是性智与量智的
11、结合，但主要表现为性智。量智主要是科学技术，是说科学技术总是从局部到整体，从研究量变到质变，量非常重要。当然科学技术也重视由量变所引起的质变，所以科学技术也有性智，也很重要。大科学家就尤其要有性智。性智是从整体感受入手去理解事物，中国古代学者就如此。所以是从整体，从质入手去认识世界的。中医理论就如此，从望、闻、问、切到辨证施治，但最后也有量，用药都定量。大成智慧学告诉我们:在处理复杂的问题时，既不能只顾量智，搞还原论、死心眼儿，也不能只顾性智，空谈整体论、浮于幻想 。2.2.2.2科学与艺术的结合从思维科学角度看，科学工作总是从一个猜想开始的，然后才是科学论证;换言之，科学工作是源于形象思维，
12、终于逻辑思维。形象思维是源于艺术，所以科学工作是先艺术，后才是科学。相反，艺术工作必须对事物有个科学的认识，然后才是艺术创作。在过去，人们总是只看到后一半，所以把科学和艺术分了家，而其实是分不了家的;科学需要艺术，艺术也需要科学。科学与艺术的结合。2.2.2.3逻辑思维与形象思维的结合从思维方式来看，逻辑思维方式，大多用于科学研究与实验，所以也叫做科学思维方式。侧重于形象思维的方式，大多用于艺术创造与艺术活动，所以，也叫做艺术思维方式。逻辑思维的结果一般都是比较确定的、惟一的、可以表达的。因而对于加工处理便于形式化的信息时，可以用电子计算机(电脑)帮助解决。但是，目前计算机的功能是有限的，单纯
13、用逻辑思维，单纯靠计算机处理，没有人的形象思维，是不可能获得大成智慧和创新科学技术的。灵感思维属于形象思维的一种，是人们在生活中真有的，我自己就有过多次，解决了研究中遇到的难题，但有一点必须明确:即灵感思维也是以人头脑中沉积的知识为基础的，如果没有人类的实践认识(自己的、他人告知的、书本上学得的)，灵感思维也不能自天而降。2.2.2.4思维的整体观与系统观运用整体观和系统观，在处理各种复杂事物和人的问题时，既要弄清其微观的、细节的、量的准确变化，掌握好度，又要注意从宏观上、整体上，系统地把握其各层次、各因素、各方面质的变化与飞跃。不能只搞还原论、死心眼儿，也不能空谈整体论、浮于幻想。而是要把微
14、观与宏观、还原论与整体论、理论与实践、部分与总体有机地结合起来，从整体上观察和解决问题。大成智慧学教我们总揽全局，洞察关系，所以促使我们突破障碍，从而做到大跨度地触类旁通，完成创新。2.2.2.5 大成智慧理论与智慧城市参考论文：钱学森大成智慧理论视角下的创新2.0和智慧城市宋刚 朱慧 童云海 2.3城市复杂巨系统理论2.3.1复杂巨系统理论2.3.1.1系统学研究对象是各类系统。根据组成系统的元素和元素种类的多少以及它们之间关联的复杂程度，把系统分为简单系统和巨系统两大类。简单系统是指组成系统的元素比较少，它们之间关系又比较单纯，如某些非生命系统；巨系统是指组成系统元素的数目非常庞大的系统。
15、如果组成系统的元素非常多，但元素种类比较少且它们之间关系比较简单，这类系统称为简单巨系统，如激光系统。2.3.1.2 复杂巨系统规模巨大且结构复杂的系统.钱学森系统分类中的一类，其特点是系统不仅规模巨大，属巨系统范畴，而且元素或子系统种类繁多，本质各异，相互关系复杂多变，存在多重宏、微观层次，不同层次之间关联复杂，作用机制不清，因而不可能通过简单的统计综合方法从微观描述推断其宏观行为.人脑、人体、生物、生态、地理环境以及许多宇宙现象等都属于复杂巨系统，其中社会系统是特殊复杂巨系统开放的复杂巨系统，是由我国科学家钱学森教授于1990年提出的概念，并认为复杂性问题实际上是开放复杂巨系统的动力学特性问题。与国外提出的复杂性科学/复杂系统有异曲同工之妙。其建立一个既有广泛的远程研讨人参加的、又有专家群体在中心研讨厅进行最终研讨决策的、大范围、分布式、多层次、自下而上递进式、人机动态交互性的研讨、决策体系。钱学森指出它是一个科学新领域，后来戴汝为概括它为一门21世纪的科学。钱学森等提出从系统的本质出发对系统进行分类的新方法，并首次公布了“开放的复杂巨系统”这一新的科学领域及其基本观点。从系统的本质出发，根据组成子系统及子系统种类的多少和他们之间的关联关系的复杂程度，可以把系统分为简单系统和巨系统两大类。1）如果组成系统的子系统数量比较少，他
