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1.智慧城市操作系统的概念及技术体系
作者：贺彪,郭仁忠,徐海,蒯希,林浩嘉,赵志刚
作者单位：深圳大学;亚热带建筑与城市科学全国重点实验室;深圳市城市数字孪生技术重点实验室;粤港澳智慧城市联合实验室
关键词：智慧城市;操作系统;时空基础数据;ＧＩＳ;三元空间
摘 要：智慧城市的发展经历了以网络通信基础设施建设为主向智慧化城市管理的转变，面对城市开放复 杂巨系统，如何建设满足各类应用需求的城市时空数据、共性基础的时空计算能力，是当前智慧城市建设亟 须解决的核心问题。本文提出并分析了智慧城市操作系统的概念，从城市三元空间认知、智慧城市逻辑分 层、智慧城市操作系统架构等方面来阐述智慧城市操作系统的内涵，探讨了需要重点聚焦的城市泛在感知、 城市全空间实景建模、城市级场景三维渲染、城市算力网统一调度等智慧城市操作系统的技术体系。本文 期待能为新时期智慧城市的发展提供参考思路。
智慧城市的概念从２０世纪９０年代开始出现［１］， 在信息与通信技术（ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＩＣＴ）的驱动下，越来越受到关注并上升 到国家战略层面。美国、新加坡，以及欧洲发达国 家等先后提出制定智慧城市的发展计划［２－６］，随后中 国也制定了相关计划［７］。美国提出数字地球的概 念，利用信息技术和信息产业为政治、经济、军事的 全球战略服务；新加坡启动了“智慧国家”计划，采 取“市民、企业、政府”合作的模式，利用无处不在的 信息通信技术，将新加坡打造成为以信息通信为驱 动的国际大都市；日本启动“Ｉ－Ｊａｐａｎ”计划，重在建 立电子政务和电子地方自治体，实现医疗保健、人 才教育等的信息化；韩国启动“Ｕ－Ｋｏｒｅａ”战略，以无 线传感器 网 络 为 基 础，促 进 韩 国 的 所 有 资 源 数 字 化、网络化、可 视 化、智 能 化；英 国 启 动 “数 字 伯 明 翰”项目，旨在促进数字和信息技术在所有市民和 不同行业之间的应用。然而，这些“智慧城市”大多 是以建设和完善城市网络通信基础设施为重点，难 以完全满足数字空间真三维观察、模拟、分析及研 判的需要，离城市信息化的高级阶段———智慧城市 还有较大差距。
现代城市作为区域政治、经济、文化、教育、科 技和信息中心，是劳动力、资本、各类经济、生活基 础设施高度聚集，人流、资金流、物资流、能量流、信 息流高度交汇，子系统繁多的多维度、多结构、多层 次、多要素 间 关 联 关 系 高 度 繁 杂 的 开 放 复 杂 巨 系统［８］。智慧城市的目标是让这样一个复杂的巨系统 运行更为“智慧”，从而提升城市管理成效和改善市 民生活质量，实现环境可持续发展，高效有序治理， 数据开放共融共享，绿色开源发展。在经历了网络 基础设施建设为主的阶段后，智慧城市新的发展阶 段应以城市管理的智慧化为目标。因此国家提出 了“数字政府”的概念，以期重塑政务信息化管理架 构、业务架构、技术架构，通过构建大数据驱动的政 务新机制、新平台、新渠道，进一步优化调整政府内 部的组织架构、运作程序和管理服务，全面提升政 府在经济调节、市场监管、社会治理、公共服务、生 态环境等领域的履职能力，形成“用数据对话、用数 据决策、用数据服务、用数据创新”的现代化治理模 式。这是在传统城市管理综合决策难、城市建设试 错成本高的背景下提出的智慧城市建设新途径。
随着信息通信技术的迅速发展与普及应用，信 息空间成长为第三空间，并与物理空间和社会空间 共同构成人类社会三元空间。三元空间的耦合促 进了城市的发展，形成了新的城市范式。智慧城市 将是三元空间下城市的智慧化转型，智慧城市建设 的基本工程逻辑是通过建立城市物理空间和社会 空间到信息空间的映射，再将信息空间回馈物理空 间和社 会 空 间，进 而 优 化 城 市 系 统，解 决 城 市 问 题［９－１１］。它充分利用了信息空间中信息完备、试错 周期短、成本低的特点，可以在城市全域范围实现 全局最优、经济最优、治理最优、民生最优、产业最 优［１２］。地理信息技术以空间视角刻画和表达物理 空间和社会空间［１３－１４］，基于“位置”将城市物理空间 和社会空间相关联，通过城市泛在感知网络捕获城 市运行的实时动态信息，建立城市三元空间融合、 分析与表达的统一基础平台，即本文所提智慧城市 操作系统的主要思路。
１ 智慧城市操作系统的概念与内涵
智慧城市结构逻辑从部门信息化走向城市信 息化，从自给自足的纵向耦合到共建共享、互联互 通的横向耦合。智慧城市操作系统的作用可总结 为向下屏 蔽 复 杂 异 构 世 界，向 上 赋 能 开 放 多 元 应 用，从纵向耦合变为横向耦合，以开放性包容复杂 性、保障创新性。
城市管理信息化的初级阶段称为电子政务，它 是应用现代信息技术、网络技术及办公自动化技术 等进行政府办公和行政管理。电子政务的信息化 是面向政府职能部门的、条块分离的。各级政府、 各个职能部门相互独立地建设各自的信息系统，造 成了各种信息孤岛和数据烟囱，也称为纵向耦合。 电子政务最初是解决无纸化办公，是政府审批流程 的简单数字化，如建设请休假、会议通知等综合事 务管理系统。后续发展逐步涵盖了职能部门的行 政审批或行政服务事项，但一些跨职能部门的综合 决策和社会治理工作并未被覆盖。
同一时期，在测绘管理部门的推动下，各级政 府开展了空间信息基础平台的建设，从数字城市地 理空间框架到智慧城市时空信息云（大数据）平台。 时空信息平台一直扮演着基础和纽带的作用。但 由于部门信息化的程度不一、数据资源交换和共享 方面的障碍、时空数据的实体化程度不高等问题， 时空信息平台的能力并未全面发挥。智慧城市的 发展与时空信息云平台以及数字城市的建设一脉 相承，但智慧城市阶段其技术体系更为复杂、数据 资源更为丰富、支撑能力更为全面、服务对象更为 多样，更加注重信息资源的整合、共享、继承、服务， 是若干个信息系统的集成而非集合，是体系化的信 息系统生态，是城市信息化的高级阶段。
从资源集约的视角看，信息技术的发展体现着 通过资源共享提高效率的理念。虚拟化和云平台 技术解决了硬件基础设施的资源共享问题，各个地 方建立了统一的政务云平台，要求各种政务信息系 统上云。政务云在提供算力、存储、网络等底层硬 件资源的基础上，也提供诸如底层操作系统、数据 库、网络服务中间件等各类基础软件资源，甚至提 供用户管理、统一登录、安全体系等更为高层的服 务资源。随着技术的发展，城市的时空基础数据和 时空计算能力自然会成为资源被共享，智慧城市操 作系统即是实现此类资源管理和资源共享的具体 承载。物理世界中我们只有一个城市，数字世界中 同样应该只有一个城市，传统分散建设的各职能部 门各自的“数字城市”，应由智慧城市操作系统进行 统一的整合。真实世界是复杂的，数据是异构的， 实景三维、ＢＩＭ、视频流、轨迹流等数据与传统以关 系表形式存在的数据差异较大，不同形式数据的集 成融合、计算分析、可视化表达的技术差异大，但又 是几乎所有信息系统都需要的共性基础能力，因此 迫切需要一个能够向下屏蔽复杂异构世界，向上提 供统一的数据基础和时空计算能力的智慧城市操 作系统，以操作系统来赋能开放、多元、共享、绿色 的智慧应用。
１．１ 城市三元空间认知
物理空间和社会空间共同构成人类社会的二元空间。随着信息通信技术的迅速发展与普及应 用，信息空间成长为第三空间，并与物理空间和社 会空间共同构成人类社会的三元空间。为了满足 智慧城市对于城市管理与城市服务的需求，需要运 用各类信 息 化 技 术，按 照 人 类 认 知 抽 象 的 表 达 方 法，对城市 三 元 空 间 中 的 各 类 对 象 进 行 概 括 与 表 达，各类对象信息化表达的成果将作为智慧城市统 筹管理与服务的信息要素［１５－１６］。城市三元空间每 时每刻都在产生海量的时空大数据，为了确保这些 数据的高效管理与合理应用，需要在现有城市物理 空间、社会空间、信息空间的基础之上，构建智慧城 市操作系统。
信息时代城市、三元空间、智慧城市操作系统 之间关系如图１所示。信息时代城市面向物理空 间、社会空间、信息空间中的各类信息要素，采用城 市测绘、要素建模、互联网及物联网感知等手段，实 现城市物理空间、社会空间及信息空间中各类信息 要素的信息采集，并形成城市基础时空数据、城市 管理对象数据以及城市运行状态感知数据［１７］。运 用信息融合技术，实现多源异构数据的实时接入、 动态融合关联，并构建起与现实城市相对应的数字 化城市，为整个智慧城市操作系统提供底层的数据 支撑。数字化城市（数据）与智慧城市操作系统（平 台）则为智慧城市建设中的各类智慧应用提供基础 平台能力支撑，各类智慧应用则最终面向用户（包 括政府、企业、社会公众等）提供智慧化应用服务， 提高城市管理的精细化程度与服务水平，助力新型 智慧城市建设。
１．２ 智慧城市逻辑分层
操作系统的本质是资源共享，提供便利的基础 服务平台（图２）。最初的电脑没有操作系统，人们 通过各种按钮来控制计算机；后续的计算机操作系 统通过屏蔽物理特性和操作细节，有效管理系统资 源，为计算机提供了便利；近年来提及的城市操作 系统是搭载在云计算基础设施之上、智能城市应用 之下，向下通过云基础设施来管理底层数据，向上 提供公共组件和接口，实现数据在不同领域中的安 全共享和协同计算［１８］。智慧城市操作系统则是通 过地理信息技术建立一个“虚拟城市地理环境”，在 此基础上以“空间位置”为纽带整合各类城市数据， 提供数据集成与融合、可视化表达、空间智能、面向 城市各项业务的开放性二次开发环境等核心要素， 为城市提供一个资源共享、便利的公共服务平台。 作为智慧 城 市 建 设 的 基 础 操 作 系 统，将 为 经 济 发 展、社会交往等提供各类智慧化的服务，为建立一 个低碳、绿色、可持续发展的城市提供决策支持。
基于对信息时代城市、三元空间、计算机操作 系统与智慧城市操作系统之间关系的梳理与分析， 结合新时期社会各界对于智慧城市的建设需求，从 信息化的角度，梳理出智慧城市的逻辑分层，如图３ 所示。从信息化视角，智慧城市可以划分为４个层 次，即感知层、数据层、平台层、应用层，以及在此之 上的用户群体。感知层主要包括各类信息采集设 施与技术手段，是整个智慧城市的神经末梢，用于 实时获取城市各个维度的运行数据；数据层汇聚了 从城市感知层获取得到的多源异构数据，经数据处 理和信息提取后进行存储管理；平台层作为整个智 慧城市的 核 心，提 供 共 性 接 口 技 术 及 公 开 信 息 服 务；平台层往上为应用层，在平台层的基础上，面向 智慧城市中各行业实际业务需求，并面向政府、企 业、公众等最终用户群体，提供智慧应用服务。通 过将智慧城市信息化视角中的数据层、平台层进行 整合，构建起智慧城市的基础操作系统，将为各类 智慧化应用的搭建提供基础平台能力支撑。
１．３ 智慧城市操作系统架构
基于信息化视角下城市三元空间认知和智慧 城市逻辑 分 层，结 合 信 息 系 统 平 台 实 现 的 一 般 逻 辑，智慧城市操作系统框架如图４所示。首先，打通 城市算力基础环境，实现城市计算资源、存储资源、 网络资源等算力资源的动态平衡与统一调度。其 次，依托空、天、陆、海、网一体化城市大数据智能感 知体系，搭建城市统一时空底板，统一时空基准、统 一标准格式、统一资源编目，实现基于城市实体的 多源异构数据的空间语义关联融合。再者，通过空 间智能中枢作为智慧城市操作系统的核心空间引 擎，为平台提供数据汇聚、融合、管理、分析及可视 化等核心能力，基于智能化运行管理技术保障平台 稳定、安全运转。最后，面向政府部门、科研机构、 企事业单位及社会公众，提供多层级、多元化、多类 型的应用服务。
２ 智慧城市操作系统的关键技术
２．１ 城市泛在感知
泛在感知是信息化、数字化和智慧化城市的基 础，没有泛在感知信息支撑的信息化，只能是固化 的基础信息；没有泛在感知支撑的城市，不可能称 之为智慧城市［１９－２０］。泛在感知的核心是无处不在 的空间域感知和无时不在的时间域感知，泛在感知 信息可分为主动感知和被动感知信息。在价值挖 掘利用和应用需求的驱动下，对现实世界和物理环 境实现透彻、细粒度的泛在深度感知和计算的需求 正变得越来越强烈［２１］。在智慧城市操作系统中，城 市泛在感知技术是实现智慧城市管理与决策的基 础。其核心技术可以从以下几个方面展开：①时间 序列分析与事件预测。随着时空基准的确立，泛在 感知数据的时间序列分析成为可能。基于时间序 列，城市操作系统可以分析单一事件或群体事件的 动态变 化 趋 势，并 进 一 步 预 测 未 来 的 发 展 方 向。 ②空间分布规律与动态监测。泛在感知信息的空 间分布规律直接反映了城市内各类物体、活动或现 象的分布特征。利用高精度的航天影像与地面感 知数据的融合，城市操作系统可以提取感知数据的 空间分布特性，实时监测并挖掘出动态变化的规律。
２．２ 城市全空间实景建模
智慧城市操作系统平台建设需要依托数字化 手段将城市对象的空间位置、几何形态、物理属性 等多源信息进行数字化建模，形成城市物理对象在 数字世界的孪生镜像。传统通过手工、半自动人机 交互及自动化方式实现城市建筑物建模无法完全 满足现实世界到数字世界的孪生映射［２２］，迫切需要 建立涵盖从大尺度城市建筑场景的三维建模到相 对微观尺度城市自然场景的三维建模，针对不同对象的特点，实现同时满足孪生建模需求且成本可控 的城市全空间场景建模方案。
２．２．１ 大尺度城市建筑场景的三维建模
从数字孪生城市的需求来看，当前的测绘和计 算机视觉手段（基于无人机倾斜影像、航空摄影测 量和激光扫描点云等）可以实现相对大尺度的城市 场景中人工地物的精细网格 Ｍｅｓｈ建模。由于立体 城市空间结构的复杂性，多类型、多平台和多时相 的多模传感器采集数据融合处理是构建数字孪生 底座的基本途径［２３］，其基本思想是将多源数据进行 一致性融合表达与集成处理，进行几何与外观的快 速重建，为智慧城市提供高真实感的空间信息。此 外，由于语义信息缺失、建筑物结构特征退化、建筑 物纹理遮 挡，Ｍｅｓｈ 模 型 常 出 现 几 何 变 形、纹 理 扭 曲、破洞、破损等问题。测绘技术亟须多学科交叉 融合创新，不断增强测绘地理信息技术在几何、语 义、拓扑建模等方面的支撑作用［２４］，实现建筑物等 三维模型 的 结 构 化 自 动 重 建，高 效 生 成 几 何 精 度 高、规则性强、拓扑一致性好的结构化三维模型，实 现孪生结果与物理对象在几何、结构、纹理上的“形 似”还原。
２．２．２ 相对微观尺度城市自然场景的三维建模
对于城市中相对微观尺度的自然场景，如森林 场景中的灌木、花草、碎石、落叶、苔藓等，采用测绘 手段模拟存在成本高、效率低、实现难等问题，因此 对这类场景的建模往往不进行实地测绘，而是采用 场景构造和生成的方法来近似表达［２５］。单个自然 场景模型的三维建模虽然可以近似还原出自然场 景中要素的几何形态和纹理信息，但对要素及要素 群的结构、密度、位置分布等特征难以精准刻画，导 致构造和生成的场景视觉虽感观良好却与现实世 界的自然规律差距较大。因此，在自然场景构造过 程中涉及要素空间分布、要素体系、生态学机理，利 用区域自然场景对每一类要素分布进行多指标的 概率统计分析，形成空间分布概率模型，并通过分 形几何学理论、要素空间定位计算、场景整体布局 优化以及相似度评估方法，实现城市自然场景的自 动化、真实感构造。
２．２．３ 三维模型生成技术
不同复杂性的模型对于建模的要求也非常高，这导致３Ｄ模型的成本高、时间长、难度大。尽管部 分学者在 ＣｉｔｙＧＭＬ基础之上针对各个等级的多层 次细节模型（ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｄｅｔａｉｌ，ＬｏＤ）进行了更为细致 的划分［２６］，仍难以充分包容智慧城市所涉及的多元 化需求。随着城市场景的规模复杂性进一步增加， 物理世界高真实感快速三维重建面临越来越多的 技术挑战。近年来随着变分自编码器 （ｖａｒｉａｔｉｏｎａｌ ａｕｔｏｅｎｃｏｄｅｒ，ＶＡＥ）、生 成 对 抗 网 络 （ｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ ａｄｖｅｒｓａｒｉａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ，ＧＡＮ）、扩 散 模 型 （ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ）等 生 成 模 型 的 发 展，生 成 式 人 工 智 能 （ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｃｏｎｔｅｎｔ，ＡＩＧＣ）为 三维重建和渲染中的数据处理、表面材质还原等提 供了高效的辅助手段。
２．３ 城市级场景三维渲染技术
城市级场景三维渲染是智慧城市操作系统平 台的核心，当前主流 ＧＩＳ平台尚无法全面满足数字 孪生城市建设的需求［２７－２８］，体现在：围绕基础地理 信息构建的数据管理能力无法满足城市各类经济 社会活动产生的多模态异构数据的管理需要；横向 瓦片结合纵向 ＬｏＤ 的空间索引技术无法有效调度 高密集度 ＢＩＭ 室内模型；多源异构城市数据资源集 成难以满足多维、复杂、海量城市数据资源的“融合－ 存储－索引－调度”技术体系；几何＋纹理的三维城市 模型无法展现精细逼真的可视化效果。以上问题 对传统 ＧＩＳ技术提出了挑战。
２．３．１ 融合游戏引擎与 ＧＩＳ的城市级场景高逼真、 高流畅可视化架构
传统渲染管线无法充分发挥最新 ＧＰＵ 的 能 力，冯氏光照模型基于几何＋纹理追求渲染速度， 但无法呈 现 材 质 的 物 理 特 性；横 向 瓦 片 结 合 纵 向 ＬｏＤ的地形空间索引技术，在面对高密集度的建筑 信息模型（ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ＢＩＭ）时 加载和渲染效率严重不足。为此，必须重点突破具 有稳健性、高性能、高逼真的渲染体系架构，研制面 向新一代 ＧＰＵ 架构、基于硬件光线追踪、延迟渲染＋ 全局光照的渲染引擎，构建视觉感知驱动的城市场 景自适应优化、基于可见性预计算的室内外连续场 景空 间 索 引、分 层 次 细 节 （ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｄｅｔａｉｌ，ＨＬｏＤ）与可见性技术（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｖｉｓｉｂｌｅ ｓｅｔ， ＰＶＳ）融合的三维数据组织调度［２９］、基于层级实例 化网格体的 ＢＩＭ 部件实例信息增强等方法。从而 实现超精细、超大体量场景高性能渲染，支撑智慧 城市大规模三维场景的流畅可视化交互（图５）。
２．３．２ 跨平台多终端三维可视化引擎
三维城市场景高逼真可视化是城市操作系统 面向用户的展示。为了保障各类终端设备（演示大 厅中的大屏设备、交互式穿戴设备、桌面计算机以 及各类移动端设备等）的正常可视化展示，需要跨 平台多终端三维可视化引擎（图６），通过多终端统 一渲染适配接口实现面向不同终端设备的可视化 能力支持。跨平台多终端三维可视化引擎提供强大 的跨平台兼容性、多终端适配、性能优化、交互性支 持、网络同步与协同，能够在各种设备上提供一致、高 质量三维可视化体验的应用。这对于推动智慧城市、 虚拟现实、增强现实等领域的发展具有重要意义。
２．４ 城市算力网统一调度
智慧城市作为城市发展的新高度，其本质不是 单纯的技术迭代，而是以大数据深度综合运用为驱动，推动算力、算法和数据的基础设施化，这也被认 为是智能社会发展的三要素［３０－３２］。城市算力网是 多源异构算力在全域空间范围内的一体化整合，其 本质是城市算力的基础设施化，需要从技术创新、 政府协调、市 场 驱 动、需 求 牵 引、集 约 高 效 等 多 层 面，对各类算力进行统筹规划，促进算力的统一供 给、智能匹配、按需接入，是推动智慧城市操作系统 转型的新底座［３３］。
３ 基于智慧城市操作系统的创新应用
３．１ 孪生平台与城市管理
传统数据管理平台往往受限于数据分散、分析 手段单一，以及缺乏直观呈现方式等困境。智慧城 市操作系统平台依托先进的信息技术，整合多源异 构数据，构建起与现实城市高度匹配的虚拟模型。在 这个孪生平台上，对城市进行全方位赋能：①面向城 市建设领域，通过整合实景三维、“地楼房权人”等数 据，实现房屋安全管理、三维幕墙安全管理、规划建 设、城市重点项目联合审批调度和重点片区孪生建设 等全方位信息化管理。②面向民生服务领域，通过构 建燃气管理空间底板，实现燃气管线、场站等关键数 据的三维集成与精细化管理。结合监测评估与风险 模拟，提高了燃气事故预防与应急响应能力。
３．２ 低空经济与三维 ＧＩＳ
在低空经济作为新质生产力典型代表的当下， 智慧城市操作系统起着极为关键的作用。智慧城 市操作系统平台通过建立城市物理空间和社会空 间到信息空间的精确映射，为低空经济提供数字底 座；三维 ＧＩＳ则可直观呈现低空领域的三维地形地 貌、建筑物分布等，助力飞行路线优化与低空管理 系统的实时化运维；实现大规模、高密度低空飞行 需要，为飞 得 起 来、飞 得 安 全、飞 出 经 济 效 益 提 供 保障。
３．３ 实景三维与国土资源
传统的国土资源管理体系在面对日益复杂的 城市建设时，已暴露出明显的局限性。实景三维技 术借助高精度测绘、虚拟现实等先进手段，能够在 智慧城市操作系统平台中将国土空间范围内有关 实体与要素数字化，形成实体化、立体化、真实化的 实景三维数字空间，开启自然资源管理和国土空间 治理方式的变革之路。
４ 总结与展望
智慧城市操作系统中的典型应用既是下一代 科学技术的研究前沿，也是推动智慧城市发展的核 心动力，必将迎来新的机遇与挑战。因此，需要有 针对性地加快大数据、人工智能、物联网、ＧＩＳ和社 会科学等在融合交叉领域的研究，化解“小而散、同 质化”的不利现象，拓展与被拓展、融合与被融合， 发展和丰富理论、技术体系，向上吸纳融合数理、信 息和人文科学知识，向下交叉渗透拓展应用空间， 繁荣测绘地理信息学科生态，才能更好地加速智慧 城市的高质量发展。在未来１０年内，力争在智慧城 市操作系统中实现多源数据融合与跨部门跨尺度 协同，在超大、特大城市中推广数字孪生城市应用， 实现未来城市高精度仿真模拟及数字治理，为未来 城市空间治理提供示范引领。
