数字时代的城市竞争力重塑

2022-03-02
来源:腾讯研究院

全球正在经历一个高速城市化的时期。根据联合国经济和社会事务部的研究报告，2030年将有43个人口超千万的超大都市，预计到2050年，全球各地区的城市人口将全面超过农村人口。联合国人居署《2020年世界城市报告》指出，城市是从新冠危机恢复和全球经济复苏的关键，城市化仍将是全球增长的动力。我国自改革开放以来，城市化进程明显加速，2011年我国城镇人口首次超过农村人口。2020年末，我国常住人口城镇化率已达到63.89%，预计2050年之前，城市化率拟达到70%以上。

城市化为产业调整、经济发展、科技进步、文化繁荣带来诸多机遇，例如，城市越大，人均财富和创新的机会就越多，工资和专利增长就越快。但与此同时，城市化也对就业、居住、能源和基础设施等方面带来了很多挑战，减轻城市贫困、应对城市环境恶化的压力也更加凸显。面向未来，城市经济、社会、环境的和谐发展至关重要。

智慧城市作为广泛、深入与综合的城市信息化工程，是解决城市发展进程中所面临的诸多难题与挑战的有效技术手段，也是全球城市化发展的必然趋势。考察我国智慧城市的发展，大致可以分为两个阶段：

第一阶段是“建基础、建系统”，以行业领域信息化为中心，解决城市各领域的数字化、网络化问题，主要任务是信息基础设施以及各领域信息系统的建设，其典型应用为电子政务、数字城管等，这一阶段的特点是单一组织主导的信息系统建设，跨领域跨系统的协同相对较少。

第二阶段是“破孤岛、互操作”，各类信息系统在提高本领域效率的同时，也成为一个个信息孤岛，形成了领域壁垒，造成跨系统数据流转和业务协同低效，为此，这个阶段的主要任务是打破孤岛，建立系统互操作机制，特点是以应用场景为中心进行数据的交换与集成，重点是解决跨系统、跨领域的数据流转和业务协同等问题，比如市民一卡通、“最多跑一次”政务服务等都是针对应用场景解决问题。这也是当前我国智慧城市建设所处的阶段。

当前，信息技术发展正在进入人机物（人类社会、信息空间与物理世界）融合泛在计算的新时代，以“软件定义一切、万物均需互联、一切皆可编程”为目标，追求“万物数字化”，数字化、网络化和智能化融合发展成为信息化新阶段的新态势。就我国而言，实施国家大数据战略、建设数字中国、发展数字经济已成为国家的战略选择，数字化转型、网络化重构和智能化提升将成为各行业领域进一步发展的必由之路。

对于智慧城市的发展而言，“全数化、建孪生”的新型智慧城市建设的第三阶段正在到来，这一阶段将是以大数据为中心的智能服务与生态建设为核心，全面深入地实现数字化、网络化、智能化，以解决智慧城市巨系统的全局协同与持续演化问题。

在这个阶段，城市作为人机物深度融合的典型场景，将通过全面数字化，构建城市的数字映像，进而将映像和现实关联，成为所谓的城市孪生。这样的智慧城市将是基于孪生的一个“感、联、知、控”环，即通过广泛部署的泛在传感设施感知城市动态、获取城市实时数据；将分布的异构系统广泛互联并无缝集成，确保城市数据的有效流通和高效汇聚；通过对多源异质的城市大数据进行融合分析，发现城市运行机理和规律，积累城市治理相关知识；基于对城市现状的认知做出相应的决策，优化城市资源管理，促进城市的演化。这个“感、联、知、控”环跨越映像与现实，无缝衔接“人机物”融合的三元空间。

我理解的人机物融合泛在计算，既是计算发展的一个新时代，也是计算呈现的一种新模式。为了实现人机物融合泛在计算，我们既要面临 “云管边端物”乃至“人”的海量异构资源尤其是各种泛在化的“端”资源的有效高效管理需求，又要面临应用需求变化频繁、应用场景动态多变的复杂的计算环境。从软件研究者的视角，我们既有的思维模式是：构建一个软件平台，向下屏蔽被管资源的异构性和复杂性，向上凝练沉淀应用共性；向下管理调度海量异构资源，向上提供支撑应用开发和运行的编程接口。实际上，这就是操作系统的求解问题思路，具体到智慧城市建设而言，我们需要构建一个城市操作系统。

近几年，我一直在大力宣传“软件定义一切”。我理解，软件定义的技术本质是：基础物理资源虚拟化 + 管理任务可编程，通过虚拟化及其应用编程接口（API）“暴露”硬件部件的可操控成分，以实现硬件部件的按需管理。“软件定义”是一种通过软件实现分层抽象的方式来驾驭系统复杂性的方法，体现出一种方法学和“平台化”思维方式，SDX = OS for X，即通过“软件定义X”的方式来构造X的操作系统。同时，我们也看到，自软件定义网络（SDN）提出后，软件定义呈泛化和延伸态势，从面向硬件资源泛化到面向全栈资源，进一步延伸到物理世界和人类社会，实现人机物融合环境下各类资源的全方位按需互连互通。也正是基于这个认识，结合泛在计算这种新的计算模式，我提出我们需要构建一类新型操作系统，即泛在操作系统（Ubiquitous Operating System, UOS），支持新型泛在计算资源的管理和调度和泛在应用的开发运行。UOS是具有泛在感知、泛在互联、轻量计算、轻量认知、反馈控制、自然交互等新特征的新形态操作系统，其重点将是支持低功耗CPU的轻量、实时、可靠内核，以及“感、联、知、控”的共性框架凝练。沿袭软件定义概念的泛化延伸态势，UOS也可被“广义”地用于指代那些基于单机操作系统（节点操作系统）、面向网络环境与场景的新型“中间件”层系统软件，遵循的是操作系统的“操作”和“管理”功能本质，支持灵活多样的资源虚拟化与异构性桥接能力，支持新型计算模式下的应用开发与运行支撑。基于对UOS的广义理解，支撑新型智慧城市运行的城市操作系统，也是一种泛在操作系统。

自2019年开始，我关注到腾讯在智慧城市建设方面提出WeCity未来城市的理念，近期又提出了未来城市开放操作系统WeCityOS，将其界定为城市数字化体系的核心中枢，对下管理城市设施和数字资源，对上支持数字化应用和场景需求。进而，在WeCityOS基础上，提出“轻应用、富场景、深连接”的智慧城市建设方法，旨在提升智慧城市建设的韧性、敏捷和可持续性。

这些理念和实践均深合我从软件技术视角对人机物融合泛在计算新模式的认知和探索，不管是“城市即平台”还是WeCityOS，我认为都是产业界在软件定义、城市操作系统等方面的积极探索和创新。正是基于我们共同的认知和追求，当被邀为腾讯研究院新作《未来城市：数字时代的城市竞争力重塑》一书作序时，我非常高兴地接受了。

当然，我们也需要清醒地认识到，虽然当前已有不少关于“城市操作系统”的实践探索，但是，面临城市这样复杂巨系统，大多数探索都还仅仅是针对城市管理运行的一些局部或片段，总体而言，城市操作系统尚处于初期探索阶段，用盲人摸象来描述当前的状况并不为过。我想，我们还面临着众多挑战，如：

1）人机物资源管理难：城市是一个巨复杂系统，融合了人机物的各类资源，呈现海量、异质、异构、自主等特性，资源管理的复杂度呈指数级增加。如何有效、高效管理各种城市资源，并通过统一配置、调度实现资源的利用与优化？

2）跨时空数据融合难：新型智慧城市的运行环境是信息空间、物理世界和人类社会的有机融合，辖域范围和性质发生了根本性变化，如何融合复杂动态的且具有时空性的城市数据，以支持城市运行机理发现？

3）高柔性服务支撑难：城市应用呈现多样化、敏捷化、个性化等特性，资源特性和应用需求更为极端化和个性化，开发与运行支撑更为困难，如何支撑柔性、可定制、环境自适应的城市各类应用的高效构建？

4）可信安全保障难：万物互联带来了更突出的安全可信问题，多域融合使得信任从单点单向变为多方多元互信，信任关系错综复杂，可信性难以保障。如何建立类社会化运作的系统化的安全与信任机制，保证整个人机物融合系统的安全可靠可信运行？

5）数据治理体系构建难：城市管理运行高度依赖于城市大数据，这必然涉及数据确权、数据质量、共享开放、安全隐私、流通管控等问题，这不仅仅是城市面临的问题，更是产业、国家面临的问题。如何构建健康的数据治理体系，在强化数据安全和个人隐私前提下，释放数据的最大价值？围绕这些问题和挑战，我们需要政产学研用紧密协同，共同去研究，去实践，寻求破解之“道”和“术”。

平台思维是掌控复杂性的有效方法学，软件定义则是实现资源高效管理、应用共性凝练、平台按需定制的有效途径。期待腾讯未来能在新型智慧城市建设方面有更多的探索和实践，以更好地支撑城市的全景感知，支撑不同需求的个性定制，支撑主动服务，使得城市能够真正以人为中心、为人服务。

文|中国科学院院士、中国计算机学会理事长梅宏院士