當(dāng)今，人們的生活倚賴著兩個(gè)世界。一個(gè)是由互聯(lián)網(wǎng)連接的虛擬世界，而另一個(gè)則是現(xiàn)實(shí)中的物理世界。相對(duì)于前者的高度連通性和數(shù)字化，物理世界雖蘊(yùn)藏著更為豐富的信息和知識(shí)，但由于目前仍卻缺乏有效的感知、管理和協(xié)同，這些寶貴的知識(shí)財(cái)富還未得到充分的發(fā)掘和利用。同時(shí)，現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界之間也缺乏有效的聯(lián)系和溝通，致使人類擁有的信息處于孤立、隔離之態(tài)，因而不能發(fā)揮其最大能效。所以，在互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)高度發(fā)達(dá)的今天，深度探尋物理世界中蘊(yùn)藏的知識(shí)和智能已經(jīng)變得勢(shì)在必行。
 
通常認(rèn)為，現(xiàn)實(shí)世界可以進(jìn)一步劃分為遠(yuǎn)郊、城市和室內(nèi)三個(gè)空間（如圖1所示）。相對(duì)于其它兩個(gè)空間，城市空間因其涵蓋的多種元素（如房屋、車輛、道路和各類傳感器）和人類行為而變得最為復(fù)雜，也最為有趣。如何有效利用這個(gè)空間里蘊(yùn)含的信息來為人類服務(wù)已成為近年來人們關(guān)注的熱點(diǎn)。

虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的框架
       

    另一方面，近幾個(gè)世紀(jì)以來，城市化的腳步在世界各地逐步加快，而全世界的人口僅居住在約0.4%的地球表面積上。本已經(jīng)資源緊張的地球，正面臨著因城市規(guī)模不斷擴(kuò)大和人口增加帶來的巨大壓力。各種能耗、污染、環(huán)境和交通等關(guān)系到人類生存的問題已逐步顯露。如何妥善解決諸多問題并為人類提供更好的城市生活已經(jīng)變得迫在眉睫。

    在這樣的場(chǎng)景下，城市計(jì)算的概念被提出并很快受到了極大的關(guān)注。在這個(gè)概念中，城市里的任意傳感器、道路、房屋、車輛和人都可作為一個(gè)計(jì)算單元來協(xié)同完成一個(gè)城市級(jí)別的計(jì)算（不僅僅在一條道路上或者一棟樓房里）。通過城市感知、數(shù)據(jù)挖掘、智能提取和服務(wù)提供這四個(gè)主要環(huán)節(jié)來建立一個(gè)生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，以產(chǎn)生一個(gè)雙贏的結(jié)果。即，為城市里的人提供更美好的城市生活，同時(shí)也讓城市變得更加綠色和智能，提升整個(gè)城市的環(huán)境。
                                                                   

城市計(jì)算的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 

    近幾年來，涌現(xiàn)了一些有代表性的前期研究工作。比如，利用上萬輛裝有GPS傳感器的出租車來感知整個(gè)城市的交通流量和人們的移動(dòng)規(guī)律（如圖3所示）。具體應(yīng)用包括：整個(gè)城市級(jí)別的交通流量預(yù)測(cè)，并為駕車人員設(shè)計(jì)實(shí)際快速可行的行車線路；或?yàn)槌丝屯扑]有可能找到空載出租車的打車地點(diǎn)；或?qū)崟r(shí)檢測(cè)一些異常事件（如道路坍塌、臨時(shí)交通管制和大型集會(huì)等），以便提前預(yù)警或及時(shí)處置。通過對(duì)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)的分析，還可以發(fā)現(xiàn)城市規(guī)劃中存在的不足，并從一定程度上驗(yàn)證已經(jīng)實(shí)施規(guī)劃的有效性。在一些城市（如哥本哈根），研究人員通過在自行車上安裝傳感器來探知城市中不同地方的空氣質(zhì)量和溫度，并利用手機(jī)將這些數(shù)據(jù)共享給信息中心或自己的朋友。在新加坡，研究人員利用人們的手機(jī)信號(hào)來探知城市里的人流、熱點(diǎn)地區(qū)和異常事件等。以上這些事例同時(shí)用到了車、手機(jī)、各種傳感器、道路和興趣點(diǎn)等多種計(jì)算單元及其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生的結(jié)果也反映了整個(gè)城市的韻律和動(dòng)態(tài)。

 

基于裝有GPS的出租車的城市計(jì)算案例

    還有一些研究，結(jié)合大量用戶在社交網(wǎng)絡(luò)（如Twitter或Facebook）上產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來完成城市計(jì)算，如異常事件檢測(cè)、旅行推薦和廣告投放等。這里異常事件檢測(cè)基于的其假設(shè)是，當(dāng)有不尋常的事情發(fā)生時(shí)，會(huì)有很多目擊者在社交網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布大量的相關(guān)信息（如微博）。也有一些應(yīng)用通過分析大量用戶在基于位置的社交網(wǎng)絡(luò)（如Foursquare）中產(chǎn)生的帶有位置屬性的數(shù)據(jù)（如照片、軌跡數(shù)據(jù)或簽到記錄等）來發(fā)現(xiàn)一個(gè)城市中的熱門景點(diǎn)和經(jīng)典旅行線路，從而為外來的游客提供更好的旅行線路設(shè)計(jì)和推薦服務(wù)。此外，還有一些研究利用人們?cè)诔鞘兄械囊苿?dòng)性來分析不同地域的相關(guān)性，從而實(shí)現(xiàn)一些娛樂和廣告推薦等應(yīng)用。假如發(fā)現(xiàn)大部分人在去過一家電影院之后都會(huì)去附近的一個(gè)超市，那么在考慮投放超市促銷信息的地點(diǎn)時(shí)可以重點(diǎn)考慮這家電影院。這些應(yīng)用中，除了前面提到的道路、傳感器和興趣點(diǎn)等，人也變成了一個(gè)計(jì)算單元，其所處的社交網(wǎng)絡(luò)和生成數(shù)據(jù)也融入了城市計(jì)算中，來共同感知這個(gè)城市的脈搏。

    城市計(jì)算在未來將面臨的主要挑戰(zhàn)來自于以下幾個(gè)方面：1）如何更加合理有效的感知城市動(dòng)態(tài)，包括人在城市里的移動(dòng)性、車流、環(huán)境和能耗等。這個(gè)感知過程既要不影響到人們的正常生活，并考慮到能耗和環(huán)保，同時(shí)也要有足夠大的覆蓋范圍、實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。2）如何管理和挖掘大規(guī)模的異構(gòu)數(shù)據(jù)，如道路和地理數(shù)據(jù)、視頻和圖像數(shù)據(jù)、軌跡數(shù)據(jù)和文本數(shù)據(jù)、以及社交網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)等。首先，由于城市計(jì)算所涉及的很多應(yīng)用均有很高的實(shí)時(shí)性要求（如異常事件預(yù)警和交通流量感知等）。雖然數(shù)據(jù)規(guī)模巨大，但這個(gè)挖掘過程必須快速高效。再者，一方面的數(shù)據(jù)往往只能告知我們局部的信息量，融合來自不同數(shù)據(jù)源的信息才能更深層次地了解事件的根源。例如，通過路面上的傳感器我們可以知道某條道路發(fā)生了擁堵。通過攝像頭獲取的視頻數(shù)據(jù)，我們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)這條道路上發(fā)生了車禍。再進(jìn)一步，通過用戶發(fā)表在微搏上的數(shù)據(jù)，我們就可能知道車禍的原因、具體責(zé)任人和一些更詳實(shí)的信息。但這些數(shù)據(jù)具有完全不同的結(jié)構(gòu)和特性，目前也分別適用于不同的挖掘算法。因此，數(shù)據(jù)的龐大規(guī)模和異構(gòu)屬性將為快速的協(xié)同挖掘和深度理解帶來很大的挑戰(zhàn)性。3）如何將獲取的知識(shí)有效的表達(dá)出來，并從中提取能用來做決策的智能。比如城市中人們?cè)诓煌瑫r(shí)間段中的移動(dòng)規(guī)律如何展現(xiàn)，以及如何利用已獲悉的交通流量來指導(dǎo)人們的出行；或者，如何從車流和人流中發(fā)現(xiàn)城市規(guī)劃中存在的問題，并如何改進(jìn)。從知識(shí)到智能（尤其是可以幫助我們作決策的智能）的飛躍仍需要相當(dāng)大的努力。

    城市的發(fā)展和其規(guī)模的不斷擴(kuò)大給我們同時(shí)帶來了挑戰(zhàn)和機(jī)遇。如果我們未能應(yīng)對(duì)好當(dāng)前的局勢(shì)，將很有可能導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、能源和健康上的災(zāi)難。但是，通過合理有效的城市計(jì)算，我們將有機(jī)會(huì)為人們提供更加美好、綠色的城市和高品質(zhì)的城市生活。當(dāng)前的城市計(jì)算還處于初期階段，可探索的空間非常巨大，并且任重而道遠(yuǎn)。