智慧城市操作系统

陈青松

高级解决方案专家

城市操作系统概念

城市智慧已经在全球得到广泛推广，随着城市数字化，智能化的深度发展，城市正在从当前有限物理世界向无限的数字世界扩张，未来城市将演进为一个物理世界和数字世界共存的混合体——城市智能体。在城市智能体中，需要一套统一的操作系统，实现城市物理世界和数字世界的协同管理。城市操作系统以AI能力为基础，集成城市中的不同数据，系统与应用，实现城市的全面感知，城市运行状态和层出不穷的各类事件的分析决策，城市的资源高效调度，以及城市各种需求和事件的智能化高效处置。

城市操作系统组成

城市操作系统由2个不同的层次组成（如下图）。在底部，人工智能运营与开发平台提供通用的人工智能能力，如深度学习、人工智能训练与推理、机器学习等。在上层，城市操作系统以各种引擎的形式提供智能能力，包括感知，认知，决策，处置，可视化等。这些引擎以开放API的方式为上层应用提供智能服务，并集成到各种城市智慧服务的应用程序中。

人工智能运营与开发平台

在城市操作系统中，人工智能平台是这一系统的基础。华为提供一站式人工智能平台ModelArts。ModelArts支持端到端AI开发，从算法开发、作业编排，到模型训练、推理和部署。同时华为ModelArts构建了包括MindSpore、MindStudio、CANN在内的全链条AI基础使能工具，支持广泛的芯片兼容性，满足客户端到端软硬件需求。ModelArts使用工作流聚合华为合作伙伴的人工智能资产，帮助客户使用开箱即用的工具集和模型实现快速入门的人工智能开发。

在城市中，千行百业场景繁多，AI应用非常碎片化，即使有自动化程度很高的工具，在通常的AI模型开发模式下，也不得不逐个定制开发，如同作坊式生产，投入人力多，开发周期长。而大模型为解决这类问题提供了很好的方案。有了预训练大模型，每个场景化AI开发，都不必再从0开始，而是基于大模型做增强训练，并自动化抽取出适合该场景部署的小模型，开发周期从月级缩短为天级，实现了AI模型从作坊式开发到工业化生产线开发的转变。

目前华为的ModelArts可以支持大型预训练的盘古模型，基于分布式架构，ModelArts可以支持1000PB规模的计算能力（未来还将持续演进）。ModelArts是城市操作系统的强大的人工智能内核。

全域感知引擎

城市的感知系统是获取城市信息的基本模块。现代城市是一个复杂的系统，城市的数据是多模式和多源的。例如，我们可以从市民热线查询、城市摄像头、人工检查报告、互联网网站或社交媒体平台获得城市的最新消息。这些数据类型包括视频、图像、语音、文本或这些类型的组合。城市中的这些数据是海量的，需要通过AI算法来实现高效和实时分析，提取出有价值的关键信息，从而为城市运行状态的分析和事件的处置提供输入。

传统的AI算法只支持单模态输入，无法最大限度地发挥数据的价值。此外，传统AI算法能力往往与特定硬件耦合，分布在不同的专用系统中，没有有效的共享人工智能能力和数据分析结果。

为了解决这些问题，华为基于云提供了全域感知引擎，这一引擎预集成了80多种人工智能算法，可处理多种组合的多模态数据。基于ModelArts平台，一旦算法开发出来，它就可以部署在云端、边缘设备上，甚至可以部署在智能像机等小型设备上。此外算法还可以在城市的任何区域进行灵活部署和发布，以实现对算法以及硬件的高效使用。全域感知引擎可以根据历史事件调度AI任务，例如某个区域经常发生违停事件，全域感知引擎会自动分配更多的资源用于该区域的违停检测。根据我们的经验，这种新的调度方式可以节省高达80%的算力资源。除了华为开发的人工智能算法外，感知引擎还支持第三方算法，只要这些算法是遵循感知引擎框架开发的。

城市治理的标准因城市而异，事件种类繁多，其中近80%的需求是长尾算法。样品数量少，定制困难。传统的AI开发流程交付困难（样本不足，开发周期短），而通过预训练大模型，可以实现海量的长尾算法开发，从而构建起面向城市各个领域的算法，进一步提升城市的智能化感知能力。

认知计算引擎

在城市管理的过程中会产生大量的知识，如日常城市管理事件处理流程、专家经验等。但是往往缺乏高效利用知识的方法。为了更好地解决城市的问题，华为提供了由人工智能驱动的知识计算引擎。与数据驱动的人工智能不同，知识计算引擎利用行业知识，进一步提升人工智能在不同场景下的性能。知识计算引擎就是把城市各种形态的知识，通过一系列AI技术进行抽取、表达、协同计算，进而产生更为精准的模型、方法赋能给机器和人的一种全新方法。

在华为的知识计算引擎中包含知识获取、知识建模、知识管理，以及知识应用四大模块，覆盖知识在城市治理的全生命周期。

知识获取：华为云支持多模态知识抽取，为了减少模型对训练样本的依赖，减少标注工作量，小样本学习技术非常关键，华为基于流水线式构建知识图谱实现知识自动获取；

知识建模：基于流水线式自动化构建知识图谱的能力，可以使得图谱构建时间由数星期缩短到数分钟，数据驱动知识建模效率提升30%，同时可以实现知识图谱的自动更新；

知识管理：企业的海量知识通常用图结构进行表示，华为云超大规模知识图谱，单实例支持百亿节点，万亿边规模；

知识应用：支持单实例10W+ QPS（每秒查询率）图谱查询，可以实现秒级响应。

目前知识计算引擎已经全面在城市治理中得到应用，以中国某城市为例，12345热线平均一个月要处理60多万单市民诉求，热线平台遇到诸多挑战。尤其是在工单分拨环节，由于工单量大效率低，投诉主体不明，缺乏精准识别及相似案件推荐，因此，平台的平均退单率是5次，平均处理时长5天。基于知识计算引擎的智能分拨，从时间、空间和人群多个维度，对业务工单进行训练和推理，智能分析过去5年汇聚“12345”的20多万条工单，实现智能动态关联分析，进行事前/事中智能预警，如A在某小区投诉邻居噪音扰民问题，B在同一小区投诉小区垃圾比较多，这看似没有关联的两个问题，用知识计算引擎去分析问题产生的跟因，推论出此小区哪个地方可能出现群租现象，并自动关联负责处置这个问题部门，将热线工单分拨准确率从60%提升至95%，一些更复杂热线工单的处理时长从平均5天缩短至3个小时。

智能调度引擎

城市的资源是有限的，为了最大限度地提高资源利用率，需要智能化的调度引擎来优化城市资源调度和运营效率。城市调度引擎可以提供资源调度、组合优化、拓扑优化、流程优化等功能。通过调度引擎可以为城市处理涉及数千万条件约束的资源调度和分配，从而减少人力，实现分钟级生成和优化资源调度计划。

在城市操作系统中，华为通过天筹AI求解器，将运筹学和AI相结合，将城市的管理问题抽象成数学问题，通过全域的数字化感知、多域系统数据连通，获得影响复杂问题的各种变量和约束，在城市的全局和局部求方程的最优解。比如通常熟知的城市交通、路径规划，疫情期间的资源调度等问题，就可以转换成为对一个万级、百万级、千万级变量的方程组的求解。在这一智能化的调度引擎支持下，城市管理可以快速实现高效精准的决策以及资源分配，从而支持城市高效治理和事件的处置；

机器人引擎

为了将城市管理人员从城市的重复性任务中解放出来，机器人引擎可以实现各种应用场景的智能化和自动化处置。

机器人引擎的一个重要功能是机器人过程自动化（RPA），可用于端到端交互和协作，在许多场景中可以大大减少人力工作量。RPA能够在不同系统之间输入、提取和验证数据。它也被称为“数字员工”。随着人工智能技术的日益成熟，RPA越来越智能化，为OCR、NLP、聊天机器人和图像识别等智能应用提供动力。RPA已成为许多行业的重要趋势。在华为内部，RPA在华为200多个部门已经开始使用，包括1000多个主动机器人已经应用于企业的各个业务领域，如财务、HR、供应链、制造、物流、IT、审计等。例如，在财务报销中，RPA可以优化和重构通用费用报销流程，利用AI+RPA技术，执行统一发票采集、智能识别、结构化信息提取等任务，提高用户体验，减少人力工作量。

机器人引擎的另一个重要的模块是数字人，数字人由人工智能驱动，通过接受来自特定领域的知识培训和学习，数字人可以看、听、说，而且知识渊博，就像特定领域的专家一样。数字人可以广泛用于直播、数字讲座、导游、客服等多种场景。华为的机器人引擎还提供数字人的定制开发，包括数字人的创建、培养和使用。数字人创建是指创造一个数字人，包括其3D形态，面部、头发、衣服和动作等方面，数字人的外观和行为都与真实的人类相似。培养意味着赋予数字人类知识和认知能力，使其具有个性、情感、爱好、类人智能等。

数字人与RPA结合可以做很多工作来减少城市管理者的重复劳动。数字人甚至可以担任接待员、导游、记者等等。在使用过程中，用户可以提供一些多模式输入，如音频和图像。基于语音识别，图像识别以及自然语言理解之后，数字人即可理解用户的意图，并可以分析身份、上下文和行为等信息。数字人可以根据分析的信息生成预期的文本响应，并基于语音合成转换为音频。此外，人工智能模型可以驱动数字人的表情和手势生成实时动画。在渲染引擎处理后，最终视频将显示给用户，整个过程就像和一个真正的人类交流一样。未来数字人也将成为城市元宇宙重要的组成。

仿真与可视化能力引擎

城市仿真与可视化引擎是联通物理世界和数字世界的桥梁，数字世界不仅仅是实体世界的一面镜子，它还将通过可视化和模拟微观和宏观层面的各种类型的城市情景，为用户提供身临其境的体验，为城市管理者提供城市治理的参考模型，例如，城市规划者可以综合考虑城市的人口结构、人口流动、能源消耗等因素来进行城市的土地规划等。此外，它还在城市交通优化，城市应急响应与资源配置等领域有广泛的应用。

华为在可视化引擎中，可以基于时空计算平台，实现对城市的实景三维建模。时空计算平台通过集成包括卫星，无人机，像机，扫描仪等数据，以三维视觉重建技术为核心，利用数字摄影测量技术与人工智能技术将城市场景快速还原为三维的真实世界。实景三维建模可以被集成智慧城市的各个领域，例如管网管理，安防管理，实时交通管理，安全监测，环境保护，城市管理等等。

华为还可以在城市的三维模型基础上进行业务仿真，以提供精准的城市管理和优化能力。例如在交通领域，可以基于城市道路的交通状况，重新排列路网，并通过模拟器对新的方案进行模拟测试，在此基础上提取交通流量的指标，并评估规划结果，从而找到最优的路网规划方案，这一方式将极大的提升城市规划的效率和效果。

伴随AI技术以及更多先进技术在智慧城市的发展中得到越来越广泛的应用，城市治理的科学化，精细化和智能化水平也得到了质的提升，城市也将变得更智慧更聪明，为市民和企业提供更加精准，高效和智能的服务。

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