顛覆未來智慧城市的四大傳感器技術(shù)
在未來的智慧城市中，城市基礎(chǔ)設(shè)施將相互連接。聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備無處不在，從公共汽車，汽車到路燈，都通過物聯(lián)網(wǎng)（IoT）鏈接到網(wǎng)絡(luò)。水和電網(wǎng)將配備智能傳感器。所有這些都應(yīng)使我們的城市空間更高效，更便捷，污染更少，更安全，更宜居。
一、什么是智慧城市？
智慧城市是指使用信息和通信技術(shù)（ICT）框架來改善城市管理并鼓勵經(jīng)濟增長的城市。ICT與連接的對象網(wǎng)絡(luò)（IoT）進行交互，它可以接收，分析和傳輸有關(guān)當前狀況和事件的數(shù)據(jù)。
物聯(lián)網(wǎng)包括可用于使城市更高效或更易訪問的任何設(shè)備，包括蜂窩電話，智能車輛，安全攝像機，嵌入在道路中的傳感器等。
智慧城市的三個主要特征是：物理和技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，環(huán)境監(jiān)測和響應(yīng)能力以及為公民提供的智慧服務(wù)。
一個智慧的城市由三個層次構(gòu)成。首先是技術(shù)基礎(chǔ)，其中包括大量的智能手機和通過高速通信網(wǎng)絡(luò)連接的傳感器。第二層由特定應(yīng)用程序組成。將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為警報，見解和行動需要正確的工具，這就是技術(shù)提供商和應(yīng)用程序開發(fā)人員介入的地方。第三層是城市，公司和公眾的使用情況。許多應(yīng)用程序只有在被廣泛采用并設(shè)法改變行為的情況下才能成功。他們鼓勵人們在下班時間使用公共交通，改變路線，減少能源和水的消耗并在一天中的不同時間使用，并通過預防性自我保健減少醫(yī)療保健系統(tǒng)的壓力等。
預計到2050年，全球三分之二的人口將流向城市，超過40億人將居住在城市中。城市化帶來許多負面影響，城市政府和居民面臨的主要挑戰(zhàn)之一是交通擁堵。根據(jù)INRIX的一項研究，擁堵僅在美國每年就造成3000億美元的經(jīng)濟損失，在許多大城市，駕駛員每年在交通上花費超過100個小時。
智慧城市有望改善生活質(zhì)量，減少大城市地區(qū)對環(huán)境的影響，使公民更健康，更高產(chǎn)，并促進當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展。
二、顛覆未來智慧城市的四大傳感器技術(shù)
在智慧城市中，傳感器，攝像頭，無線設(shè)備，數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了關(guān)鍵的基礎(chǔ)架構(gòu)，使市民能夠以更快，更有效的方式提供基本服務(wù)。
當中，傳感是智能基礎(chǔ)架構(gòu)的核心。傳感器是城市景觀中隱藏但無處不在的組成部分，是任何智能控制系統(tǒng)的重要組成部分。
Frost＆Sullivan的最新分析顯示，新興傳感器技術(shù)將顛覆未來智慧城市。數(shù)字化和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的進步正在推動傳感器技術(shù)在城市之間的大規(guī)模采用，再結(jié)合人工智能（AI）和5G高速網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵支持技術(shù)，城市中的集成傳感器網(wǎng)絡(luò)正在推動建立互聯(lián)城市生態(tài)系統(tǒng)，以實現(xiàn)公共資源的最佳利用。
傳感器網(wǎng)絡(luò)包括聲學，激光雷達，雷達，3D攝像頭傳感器，環(huán)境傳感器，流量傳感器，氣體傳感器以及濕度和溫度傳感器等等。集成的傳感器系統(tǒng)有助于與錨應(yīng)用程序和集中式平臺建立無縫互連的網(wǎng)絡(luò)。為某一目的而建立的傳感器網(wǎng)絡(luò)（例如路燈）可以啟用其他幾個連接的應(yīng)用程序，例如環(huán)境監(jiān)控，公共安全，集中式網(wǎng)絡(luò)將有助于減少重復的資金成本，并且不需要多個單獨的復雜網(wǎng)絡(luò)。
當中，未來智慧城市主要利用四大傳感器技術(shù)來擴展其智慧功能——電子傳感器、紅外傳感器、熱傳感器以及接近傳感器&激光雷達傳感器。
①、電子傳感器：
電子傳感器部署在環(huán)境監(jiān)視傳感器和速度計傳感器中，這些傳感器通常用于智慧城市中，以執(zhí)行各種任務(wù)，例如監(jiān)視電源和電流水平以進行故障檢測。
②、紅外傳感器：
紅外傳感器有助于在動態(tài)和不穩(wěn)定的環(huán)境中無偏見地生成數(shù)據(jù)，從而有助于智慧城市中的決策。雷達傳感器可用于利用復雜的計算機數(shù)據(jù)來分析重要的考古現(xiàn)場信息。
?、?、熱傳感器：
熱傳感器對能量分布進行精確跟蹤，而其他智能傳感器則可以管理需求側(cè)能量。因此，智能電網(wǎng)傳感器有助于提高能源效率。
?、?、接近傳感器和激光雷達傳感器：
接近傳感器和激光雷達傳感器可以幫助開發(fā)自動車輛系統(tǒng)，這對于使城市完全智能化至關(guān)重要。
三、智慧城市的傳感器應(yīng)用
智慧城市的傳感器應(yīng)用方面之一是對可用資源的最佳利用。傳感器可通過連通性幫助優(yōu)化利用資源，告訴我們何時何地保存。這些傳感器可以控制，檢測和管理不必要的使用，并根據(jù)需要進行某些調(diào)整。
水管理
目前，主要城市由于管道泄漏而浪費高達50％的水。通過在每條管道上安裝傳感器，可以很容易地檢測到漏水并進行糾正，以免造成重大損失。除此之外，只要發(fā)現(xiàn)雨水，公園的灌溉系統(tǒng)就可以自動關(guān)閉。
能源管理
傳感器還啟用了“高級計量基礎(chǔ)架構(gòu)（AMI）”概念，為城市的能源管理奠定了基礎(chǔ)。城市正在考慮使用內(nèi)置有相位測量單元（PMU）傳感器和通信模塊的“智能電表”，該模塊可促進消費者和供應(yīng)商之間的雙向通信。對于公用事業(yè)服務(wù)提供商，它有助于在響應(yīng)客戶呼叫而派遣維修人員之前檢查電表狀態(tài)。這些檢查可以防止不必要的現(xiàn)場工作人員派遣到客戶現(xiàn)場。對于消費者而言，它可以以用戶可以輕松理解的方式提供實時能源使用詳細信息。基于此數(shù)據(jù)，用戶可以更改首選項并就其使用情況做出更明智的決定，而無需等待月底的電費。
智能路燈
在城市中，即使該區(qū)域沒有活動，路燈也會保持點亮狀態(tài)（有時甚至在白天?。４送?，當局很難檢測到任何故障和路燈被盜。使用傳感器，不需要的時候燈光會變暗，當路燈出現(xiàn)故障或篡改時，當局幾乎可以立即收到短信。
廢物管理
通過將傳感器安裝在垃圾箱中，可以在接近快滿時通知市政當局。荷蘭成為有史以來第一個生產(chǎn)“智能垃圾箱”的國家，一旦垃圾箱裝滿或有任何損壞，就會通過短信向官員報告。
運輸管理（智能停車）
傳感器可以檢測到最近的可用停車位在何處，從而可以減少交通量。駕駛者可通過短信及時獲得信息，以便他們快速找到空閑的停車位，從而節(jié)省時間和燃料。
實時污染管理
電線桿上安裝的傳感器可以監(jiān)控城市的環(huán)境空氣質(zhì)量（AAQ）。市民可以監(jiān)控城市每條街道上的污染濃度，或者當污染水平超過特定水平時，他們會自動發(fā)出警報。
此外，還有監(jiān)控橋梁、醫(yī)療保健、智能交通等應(yīng)用。
監(jiān)控橋梁
在橋梁中，為了檢測損壞，可以將光纖傳感器用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測。感測SHM的其他方法是使用帶有傳感器節(jié)點的WSN，這些傳感器節(jié)點配備了多個加速度計，以感測橋的振動。這些傳感器部署在主跨和塔架上，并收集來自風荷載的結(jié)構(gòu)加速度信息。另外，還可以使用熱響應(yīng)以及多個傳感器（例如應(yīng)變儀，應(yīng)變計位移和力傳感器）的組合，以及使用攝像機來進行橋梁監(jiān)測，例如結(jié)構(gòu)裂縫檢測。
醫(yī)療保健
傳感器網(wǎng)絡(luò)的最重要應(yīng)用之一是醫(yī)療保健。為了促進醫(yī)院或診所的管理，可以在這些環(huán)境中將傳感器用于各種應(yīng)用。特別地，無線人體局域網(wǎng)（WBAN）是一個非常活躍的研究領(lǐng)域。
人體局域網(wǎng)由放置在人體不同部位的相互連接的傳感器組成。因此，通過將傳感器安裝在人體內(nèi)部或外部，可以遠程監(jiān)視一個人的生命體征?？梢员O(jiān)測的參數(shù)示例包括心電圖（ECG），呼吸，皮膚電導和皮膚溫度。WBAN的優(yōu)勢在于它們能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)上傳到遠程日志記錄系統(tǒng)，從而使執(zhí)業(yè)醫(yī)生可以實時查看收集到的數(shù)據(jù)。例如，如果有異常跡象，可以對心臟有問題的人進行持續(xù)監(jiān)視和警報?；顒颖O(jiān)視和分類（對健康監(jiān)視很有用）也可以由WBAN執(zhí)行。但是，使用傳感技術(shù)的醫(yī)療保健應(yīng)用不僅限于WBAN。
智能交通系統(tǒng)
近年來，隨著汽車數(shù)量的急劇增加，對有效的交通管理的需求不斷增長，以避免交通擁堵并優(yōu)化交通流量，尤其是在十字路口。
在智慧城市中，彼此無線連接的車輛可以相互通信，并使用決策制定來避免碰撞。使用每個車輛的時隙，在車輛之間協(xié)調(diào)交叉路口。錯過時隙的車輛必須在到達交叉路口時停止并等待新的時隙。如可以通過RFID執(zhí)行無線通信，基于交通標志自動控制車輛速度的系統(tǒng)。RFID用于車輛與交通標志之間的通信，RFID標簽位于交通標志上，RFID讀取器位于汽車門的側(cè)面，霍爾效應(yīng)傳感器位于車輪上，用于速度控制。
四、全球十大智慧城市
到目前為止，世界上許多城市已經(jīng)成為傳感器技術(shù)的領(lǐng)導者，并開始顯示出可喜的成果。總體而言，中國，東亞，歐洲和北美的城市以及中東的部分城市都擁有相對較強的技術(shù)基礎(chǔ)。但是非洲，印度和拉丁美洲的企業(yè)則落在后面，特別是在安裝傳感器層這一資本密集度最高的方面。
以下是根據(jù)IESE評選出的全球十大智慧城市。
1.紐約市
紐約市連續(xù)第二年位居榜首，成為世界上最發(fā)達的智慧城市之一。紐約市人口超過850萬，每天消耗10億加侖的水。作為智慧城市計劃的一部分，該市環(huán)境保護部門正在部署大型自動抄表（AMR）系統(tǒng)，以更好地了解用水情況，同時為客戶提供每天檢查用水的有用工具。該市還轉(zhuǎn)向使用Bigbelly太陽能“智能”垃圾箱，該垃圾箱可監(jiān)控垃圾水平并確保定期安排垃圾收集。
2.倫敦
倫敦是歐洲排名最高的城市，同時也被IESE評為世界第二大智慧城市。該市是英國的首都和人口最多的城市，并且是藝術(shù)，商業(yè)，教育，娛樂，時尚，金融，媒體，研究，旅游和交通等領(lǐng)域的神經(jīng)樞紐。倫敦是人力資源最優(yōu)越的城市，倫敦還因其流動性和交通運輸，國際推廣，經(jīng)濟，治理，技術(shù)和城市規(guī)劃而受到認可。
3.巴黎
排名第三的是法國首都巴黎。該市在國際拓展以及交通和運輸方面作出很多努力。
例如，該市目前正在開發(fā)“大巴黎快車”（Grand Paris Express），它將擁有127英里的全自動地鐵線路和68個新車站。到2050年，該市還將用電動或天然氣車輛（NGV）替代整個RATP（巴黎地區(qū)的主要公共交通運營商）的4,500巴士車隊。
4.東京
根據(jù)IESE指數(shù)，東京不僅是亞洲最高級別的智能城市，還是世界上最好的第四智慧城市。作為世界上勞動生產(chǎn)率高的最受歡迎的大都市之一，該市在經(jīng)濟和人力資本方面尤其突出。東京原定于2020年舉辦的奧運會（今已取消），將使用人臉識別技術(shù)提高安全性，同時無人駕駛出租車有望在各地運送運動員和游客。
5.雷克雅未克
冰島首都雷克雅未克在智能城市排名中排名第五。該市因其環(huán)保智慧城市計劃而受到特別贊揚，獲得了該類別的頭把交椅。
例如，該市最近在大雷克雅未克地區(qū)推廣了一種名為Straetó的城市公交公共交通應(yīng)用程序。該應(yīng)用程序已被下載85,000次，并鼓勵市民更頻繁地使用公交車。冰島首都試圖通過“更好的雷克雅未克”（Better Reykjavik）將公眾參與其計劃，該論壇是一個在線咨詢論壇，市民可以在此發(fā)表有關(guān)城市服務(wù)和運營的想法。
6.新加坡
由于在技術(shù)，治理，國際推廣和環(huán)境方面的努力而獲得認可，新加坡被IESE評為世界第六大智慧城市。
作為其明智努力的一部分，該市實施了名為One Monitoring的運輸系統(tǒng)，這是一個全面的門戶網(wǎng)站，市民可以使用GPS訪問從安裝在道路和出租車上的監(jiān)控攝像頭收集的交通信息。此外，新加坡還實施了停車引導系統(tǒng)，可為駕駛員提供有關(guān)停車可用性的實時信息。2015年，該市還引入了智能垃圾箱作為智能廢物管理計劃的一部分。
7.首爾
IESE將韓國首都首爾評為全球第七大智慧城市。
根據(jù)聯(lián)合通訊社的報道，首爾市政府計劃到2020年將在首都安裝50,000個物聯(lián)網(wǎng)（IoT）智能傳感器，以收集有關(guān)微塵，交通和其他與居民生活有關(guān)的問題的信息。此外，該市還計劃引入共享停車服務(wù)，該服務(wù)使用IoT傳感器讓市民檢查公共停車場的可用性。
8.多倫多
加拿大城市多倫多在排行榜上排名第八，在智慧城市方面也取得了長足的進步。IESE特別贊揚該市的強大治理和城市規(guī)劃。作為其智慧城市事業(yè)的一部分，Sidewalk Labs（由Google的母公司Alphabet Inc.擁有）和加拿大政府機構(gòu)Waterside Toronto共同致力于創(chuàng)建一個名為Quayside的智慧濱水開發(fā)項目。兩家公司表示，該開發(fā)項目將“將具有前瞻性的城市設(shè)計和新的數(shù)字技術(shù)相結(jié)合，以創(chuàng)建以人為本的社區(qū)，從而達到可持續(xù)性，可負擔性，流動性和經(jīng)濟機會方面的先例水平?！?/p>
9.香港
香港位列全球第九大智慧城市。IESE指出，這座城市在技術(shù)上的努力得到了高度評價：“這座城市的創(chuàng)新指數(shù)很高，幾乎100％的人口擁有移動電話，并且在全球范圍內(nèi)擁有大量的無線接入點。在社交媒體用戶數(shù)量和人均移動電話數(shù)量方面，它也脫穎而出。”例如，作為其智慧城市計劃的一部分，香港還實施了新的電子身份證（e-ID）系統(tǒng)。
10.阿姆斯特丹
根據(jù)IESCE城市運動指數(shù)，阿姆斯特丹被評為全球第十大智慧城市和西歐第四最佳城市。特別值得一提的是，荷蘭首都被評為技術(shù)第三名，國際推廣第六名，城市規(guī)劃第十三名。
阿姆斯特丹智慧城市（ASC）項目已經(jīng)顯示出希望。在一種伙伴關(guān)系中，該市與當?shù)仄髽I(yè)和公司合作，在城市的主要購物大街Utrechtsestraat上測試了可持續(xù)解決方案?！皻夂蚪帧背h包括節(jié)能照明，減少廢物和可循環(huán)使用的有軌電車站，幫助將烏得勒支省的能源消耗減少了10％。
除了以上十大智慧城市，世界上還有很多較小的推出了各種有效的智慧解決方案，希望從中獲得直接和間接的收益。例如西班牙城市桑坦德（Santander）。
桑坦德內(nèi)嵌有超過12,000個傳感器，可測量從集裝箱中的垃圾量到可用停車位數(shù)量再到人群規(guī)模等各個方面。除了幫助政府盡可能有效地運作外，它還改變了歐洲對城市的看法。
自2010年以來，在市區(qū)內(nèi)及其周圍已放置了12,500個傳感器。此外，警車和出租車等車輛上的傳感器還可以測量空氣污染水平和交通狀況。這些傳感器的數(shù)據(jù)流到計算機銀行，這些銀行對實時信息進行分析，并為市政官員提供了一張全景圖，使他們可以調(diào)整使用的能源數(shù)量，一周內(nèi)所需的垃圾收集數(shù)量以及如何將大量水灑在城市公園的草坪上。
同時，該市正在開放其數(shù)據(jù)，以便程序員可以創(chuàng)建應(yīng)用程序，以幫助市民確定公交車的到達時間，或者讓游客只需將手機對準公交車站或建筑物，即可確定誰在音樂廳表演。
此外，新加坡，紐約和東京的頂級智慧城市政府的重大投資表明，采用智能解決方案的步伐迅速。智慧城市的興起不僅為傳感器制造商創(chuàng)造了增長機會，而且還加速了多種支持技術(shù)的采用例如5G，機器人，人工智能和邊緣計算，為智慧城市應(yīng)用創(chuàng)造了無限的增長機會。
五、智慧城市的挑戰(zhàn)：阻礙智慧城市發(fā)展的因素是什么？
智慧城市計劃在多個方面是復雜且具有挑戰(zhàn)性的。將大都市區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橹腔鄢鞘械募夹g(shù)和物流復雜性令人難以置信。但是，除了實施方面的困難外，智慧城市還提出了深遠的問題。
比如，在物聯(lián)網(wǎng)傳感器覆蓋城市表面每平方米的未來中，如何保護公民的隱私和安全？市政府如何與國家主管部門，私營部門及其公民協(xié)調(diào)工作？
隱私權(quán)與安全性
通過傳感器監(jiān)視或控制我們的環(huán)境的想法對許多人來說是一個巨大的恐懼。
信任是智慧城市成功的關(guān)鍵。建設(shè)智慧城市需要高標準的透明度和監(jiān)督能力，以確保合法，負責任地使用數(shù)據(jù)并符合公眾利益。可以使用諸如《通用數(shù)據(jù)保護條例》（GDPR）之類的措施來確保在不犧牲效率或公共安全優(yōu)勢的情況下維護隱私。
IoT設(shè)備中的固有漏洞通常連接到公共網(wǎng)絡(luò)，并且可能具有未打補丁的軟件漏洞，因此它們很容易成為攻擊者的目標。受損的IoT數(shù)據(jù)可用于謀取經(jīng)濟利益，或造成內(nèi)部困境，并促進政治或黑客行為目標。城市必須保護IoT設(shè)備以防止破壞，并確保系統(tǒng)能夠抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊，從而避免關(guān)鍵服務(wù)中斷。
海量數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)
另一個智慧城市的挑戰(zhàn)來自必須不斷收集，分析和共享的海量數(shù)據(jù)。
一方面，存儲此數(shù)據(jù)所需的物理資源以及使用該數(shù)據(jù)所需的處理能力會消耗大量的電力和空間，并在此過程中產(chǎn)生大量的碳排放。
另一方面，當前智能系統(tǒng)嚴重依賴于視覺數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)收集起來成本高，難以擴展且并不總是可靠的。因此，為了使智慧城市真正發(fā)揮作用，需要開發(fā)收集和處理其他類型的數(shù)據(jù)（例如音頻或物理現(xiàn)象）的技術(shù)。
最后，有效利用大量數(shù)據(jù)的智慧城市要求廣泛的無線覆蓋范圍和快速的傳輸速度，但是通常不存在必需的基礎(chǔ)架構(gòu)。5G覆蓋正在推出，但尚未提供一致的速度。有效的網(wǎng)絡(luò)覆蓋將需要增加數(shù)百萬個新的蜂窩塔。
治理與資金的問題
政治周期及其動態(tài)變化會影響智慧城市的發(fā)展和管理。領(lǐng)導層或政府觀點的變化可能導致項目延遲或重組。可以幫助推進智慧城市項目的政府部門和主管部門通常彼此獨立運作，因此在需要統(tǒng)一觀點時很難取得進展。例如，確定由誰負責監(jiān)督數(shù)據(jù)隱私或如何分配對智能系統(tǒng)的訪問權(quán)限。
發(fā)展和維護智慧城市需要大量投資，而充足的資金則需要在地方，州和國家層面上進行私人和公共資源的合作。隨著更多的參與方在智能項目中擁有財務(wù)和知識方面的利益，這進一步使預算的結(jié)構(gòu)，責任和訪問問題變得更加復雜。
此外，政府機構(gòu)和私營部門組織不愿共享數(shù)據(jù)或資源可能會阻止有意義的協(xié)作并阻礙智慧城市的發(fā)展。
核心挑戰(zhàn)——人
智慧城市創(chuàng)新無處不在，幾乎每個大城市都至少采用了一些智慧城市屬性。但是，并非所有城市都會成為智慧城市。成功的智慧城市項目需要多年的堅定努力，包括與公共和私營部門的合作，以及公民的密切參與，以確保他們對智慧項目的支持和使用。
阻礙智慧城市的不是技術(shù)，而是人。
智慧城市技術(shù)的存在，被廣泛部署和迅速發(fā)展，有成千上萬的成功項目可供學習，以克服技術(shù)和后勤方面的挑戰(zhàn)并使項目取得成功。
歸根結(jié)底，智慧城市項目的核心在人的方面興衰。堅定的領(lǐng)導能力，有效的政策決策以及所有利益相關(guān)者之間有意義的合作，以驅(qū)動一座城市走向成功。技術(shù)，磚塊和道路都會緊隨其后。
結(jié)語：
事實上，智慧城市相當于一個完全無縫互連的生態(tài)系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)里，智能傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮著重要的作用，它們收集著所有數(shù)據(jù)并監(jiān)視整個城市的健康情況。
隨著全球經(jīng)濟發(fā)展，全球城市化正在快速推進，希望智慧城市這個夢想，可以早日在全球?qū)崿F(xiàn)。
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