城市全维度智能感知推理引擎

1.研究背景

随着城市化进程的不断推进，城市的社会环境日趋复杂：空间结构复杂、人口密度大、流动性大、社会关系庞杂、交通拥堵严重、事故和恶性事件频发，给城市运行管理和公共安全防护带来了极大的挑战。城市复杂事件所涉及的对象、行为、时间、地点、起因等关键要素往往具有高度的动态性，现有的信息技术缺乏对这些要素进行全方位及时捕获与感知（即感知碎片化）并进行综合分析与推理（即信息孤岛化）的机制和手段，从而导致决策的不准确、不及时和服务的不到位、不便捷。因此，亟须解决感知碎片化、信息孤岛化等问题，构建城市全维度智能感知推理引擎，支撑城市的健康、可持续发展（Tian et al.，2017）。

2.研究现状

近年来，城市计算在国内外受到广泛关注。《科学》杂志在2012年发表了题为“How Smart is Your City？”（O'Grady，2012）的文章，指出了城市智能化的重要性；同时指出，虽然通过各种信息采集设备可以实现对城市环境的数据获取，但要达到城市的智能化，关键是要建立一个统一的智能化支持环境，将各种信息无缝地整合在一起，形成一个有机整体。更具体地说，城市计算是一个通过不断获取、整合和分析城市中多种异构大数据，将无处不在的感知技术、高效的数据管理和分析算法以及新颖的可视化技术相结合，来解决城市所面临的挑战（如环境恶化、交通拥堵、能耗增加、规划落后等）的过程，最终能用于提高人们的生活品质，保护环境，促进城市运转效率，甚至预测城市的未来（Zheng Y et al.，2014）。最近，阿里巴巴正在杭州等城市建设“城市大脑”。城市大脑是利用丰富的城市数据资源和互联网技术创新来推动经济社会发展和完善社会治理的前瞻性实践。城市大脑基于以云计算、大数据和人工智能为代表的互联网技术，最终目标是让未来城市发展的思想和理念能够通过城市大脑这样的系统得以验证、实践和推广。

近年来，我国通过平安城市建设实现了城域范围的视频监控系统，作为视听感知物理基础的摄像头正在广泛部署和迅速增长。由于公共管理和公共安全的需要，公共场合的摄像头正以每年20%的速度快速增长；而由于老龄化社会对老弱病残照顾的需要和年轻一族网络视频通信的流行，摄像头正在大量进入家庭。行业调查公司IHS Markit的最新数据显示，我国在公共和私人领域（包括机场、火车站和街道）共装有1.76亿个监控摄像头，绝大多数分布在交通、公安、企业、医院、学校和居民小区的视频监控系统还处在分散状态。因此，从“视频监控系统”走向“全维度智能感知推理引擎”的第一步就是将这“千万只眼睛”联结成一个“复眼”。只有当联网的监控视频数据能够在统一平台下可聚集、可统合和可利用，才能为城市管理、国家安全等打造一张高效的视听感知网。因此，城市全维度智能感知推理引擎（而不是简单联网的视频监控系统）才是智能城市的信息基础设施。

随着影像传感技术的发展，城市全景数据的获取正进入空、天、地综合一体化模式。特别是近年来激光测量技术的发展，利用车载或机载激光雷达，结合传统视觉技术，能够快速获取城市空间信息，并进行大规模城市场景三维建模（Nan et al.，2010；Zheng Q et al.，2010；Li Y et al.，2011）。美国政府资助了专注于城市级大场景三维建模的多个科研项目，如加州大学伯克利分校的“大规模城市环境的快速3D建模”和麻省理工学院的“城市扫描”项目。谷歌和苹果等公司推出了基于互联网的三维地图及应用平台。国内企业如腾讯、百度也纷纷开始研发构建类似的平台。随着移动设备的普及和传感器的小型化，业界已经开始考虑结合大数据与众包来构建智能城市，如采用300万张来自互联网的照片数据对罗马进行三维重建（Frahm et al.，2010）。

3.研究内容(www.zuozong.com)

针对城市发展过程中存在的感知碎片化、信息孤岛化等挑战问题，需要构建城市全维度智能感知推理引擎（见图4.9），重点研究内容如下。

图4.9　城市全维度智能感知推理引擎的技术体系

（1）全维度智能感知推理关键技术与引擎。突破城市范围内大规模智能感知、目标关联分析、跨时空行为分析、多源异构信息融合与统一语义表达、城市全景建模等关键技术，实现对人、车、物、事件等的多维度跨时空协同感知、关联分析与综合推理，建立以“大跨度、大视角、大信息和大服务”为特征的城市全维度智能感知推理引擎。

（2）大范围城市场景多尺度、多分辨率全景建模。基于卫星、无人机、车载、机器人等主动传感、空天地一体化方式获取城市场景室内外二维与三维视觉感知数据，结合城市中大量部署的监控相机以及网络上现存的大量城市场景照片、视频、三维模型，构建大范围城市场景多尺度、多分辨率全景模型及其动态演变。

（3）城市全维度智能感知推理引擎的应用示范。以核心算法与关键技术创新为牵引，打造“学习芯—智能眼—超级脑—大动脉—千面手”的产业链条，在应用上从纯“安防交管”扩展到全方位“城市运行与社会服务”，开创智能城市服务新模式。

（执笔人：田永鸿，北京大学；陈宝权，北京大学；李波，北京航空航天大学；胡卫明，中国科学院自动化研究所；鲍虎军，浙江大学；胡事民，清华大学）