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随着物联网技术解决方案在各领域的试点和推广应用，在诸如智能交通、环境保护、公共安全、平安家居、智能消防等多个方面，通过嵌入于其中的各种传感技术对之感知，通过通信将感测信息互联与汇集，进行分析、整合，有效地将各种应用集成为一个大系统，物联网已经开始发挥着重要的作用，对包括民生、环保、公共安全、城市管理与服务、工商业活动在内的各种需求做出更智能化的响应。城市建设作为物联网技术的综合应用领域，将有效地推进数字城市的建设与发展，加速城市建设信息化进程。因此，物联网将成为城市建设发展的新机遇，城市建设同样会迎来巨大的发展机遇。本节在介绍物联网相关技术、产业体系和体系架构的基础之上，将讨论在国家物联网战略发展中，城市建设会迎来什么样的发展机遇，以及会面临什么样的问题与挑战。
物联网最初被定义为把所有物品通过射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）和条码等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理功能的网络。RFID的原理可以追溯到“二战”时用于空战的敌我识别系统，其最早实践可以追溯到1990年施乐公司的网络可乐贩售机——Networked Coke Machine。1995年比尔·盖茨在《未来之路》一书中也已提及了物联网概念，但当时这个新概念没有引起太多的关注。首先提出物联网概念是在1999年在美国召开的移动计算和网络国际会议上，麻省理工学院Auto-ID中心的Ashton教授在研究RFID时，提出了结合物品编码、RFID和互联网技术的解决方案。当时基于互联网、RFID技术、EPC标准，在计算机互联网的基础上，利用射频识别技术、无线数据通信技术等，构造了一个实现全球物品自动识别和信息实时共享的实物互联网。
“物联网”概念的正式提出是在2005年11月17日突尼斯举行的信息社会峰会（World Summit on the Information Society，WSIS）上，国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》。报告中正式提出了“物联网”的扩展概念。报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，除RFID外，传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。提出了任何时刻、任何地点、任何物体之间的互联和无所不在的网络、无所不在的计算的发展愿景。报告中同时预测，物联网的建立将带来10亿量级的信息设备、30亿量级的智能电子设备、5000亿级的微处理器，万亿以上的传感器需求，是下一个万亿级信息产业引擎，是计算机物联网后的第三次信息产业浪潮。根据ITU的描述，在物联网时代，通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过互联网主动进行交换。人类在信息与通信世界里将获得一个新的沟通维度，从任何时间任何地点人与人之间的沟通连接扩展到人与物、物与物之间的沟通连接。物联网概念的兴起，很大程度上得益于国际电信联盟2005年以物联网为标题的年度互联网报告。然而，ITU的报告未针对物联网的概念扩展提出新的物联网的清晰定义。
1.物联网基本内涵和实质
1）物联网的信息系统实质
汇集上述各种定义和含义解释并进行分析，可概括为物联网均是基于对其信息网络的解读，即下一代网络（Next Generation Network，NGN），对其基本内容可归纳为以下几种定义。
定义1：物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，它利用感知技术与智能装备对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物信息交互和无缝链接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策目的。
定义2：物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象数字化、自治终端互联化和普适服务智能化三个重要特征。
定义3：物联网是未来网络的整合部分，它是以标准、互通的通信协议为基础，具有自我配置能力的全球性动态网络设施，在这个网络中，所有实质和虚拟的物品都有特定的编码和物理特性，通过智能界面无缝链接，实现信息共享。
对比物联网的最初概念及上述不同的物联网定义与内涵，本书认为：它们均忽略了物联网是一个涵盖传感、通信和处理的典型信息系统，扩大了人们对万事万物的感知与认知能力的实质，是信息技术的飞跃发展及其渗透到各行各业的广泛应用。这里的关键是物联网利用各种感知技术不仅扩展了人的视觉、听觉等感知能力，而且还渗透思维领域，减轻或部分地替代人的脑力劳动，提高思维的效率和质量，实现人类思维能力的延伸，增强人的认知能力。信息作为事物的属性及其相互关系的状态的表达是客观存在的，但不是显现的，有的是深埋甚至伪装的，需要将其连贯起来进行去粗存精、去伪存真、由此及彼、由表及里的信息提炼和挖掘。然后，将自己的情况加进去，研究双方的对比和相互关系，因此构成判断，定下决心，做出响应行动和计划（决策）并实施指挥控制，执行响应行动并达到最佳状态。物联网技术大大丰富了信息采集的内容，提高了信息处理的能力，为人们对客观事物及其规律的认识提供了创新的工具，也为人们正确认识与有效改造主观世界和客观世界提供了源泉，将深刻地改变世界。因此，物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升，将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用，使人与物智慧对话，创造一个智慧的世界。它不仅推动了产业革命，而且也深刻地改变了人们的工作、学习和生活的方式，物联网技术的发展和应用将深刻改变世界，物联网技术被称为信息产业的第三次革命性创新。
这样，从现代信息技术角度理解，上述狭义上的物联网是指通过RFID技术实现对要监管物品的识别并网络化，实时地感知物品的位置状态信息并处理，然后利用这些信息对物品进行控制、管理，使之处于最佳的工作状态；广义上的物联网则是通过各类传感器装置对客观物理世界事物进行感知并数字化、网络化，在物品之间、物品与人之间、人与现实环境之间实现高效信息交互与融合，然后综合利用这些信息实现对客观世界事物的“高效、节能、安全、环保”的管理、控制与运营，通过新的服务模式使各种信息技术融入社会行为。因此，广义上的物联网可以看做逻辑上的信息世界与客观上的物理世界的融合，是信息化在人类社会综合应用达到的更高境界。
2）基本内涵和特征
综上所述，虽然物联网有多种概念、定义与解释，但从物联网的本质来看，物联网就是把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，实现对客观世界的更有效认知与改造。具体而言是IBM所持有的观点：把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等客观世界各种事物之中并被普遍连接，形成感知网，然后将其与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合，在这个整合的网络当中，存在能力超级强大的中心计算机群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施进行实时管理和控制，在此基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。
因此，首先，物联网是一个典型的涵盖传感器/执行器、通信和计算机处理三大环节的信息系统，即目前普遍认为的物联网的感知、传输、应用三个层面体系架构。通过对客观物理世界万事万物的感知并数字化与网络化，实现逻辑上的信息世界与客观上的物理世界的融合。全面感知、可靠传送及智能处理是物联网的三大核心能力。
其次，物联网也是人们获取客观物理世界信息、智能处理和对客观物理世界进行智能管理、响应控制的信息感知与控制/执行系统，进而实现对客观物理世界万事万物高效、节能、安全、环保地全面感知、管理与指挥控制一体化，实现人与物、物与物信息交互和无缝链接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策目的。智能化、智慧化则是物联网的基本特征。
最后，物联网表面上看是世界万事万物的互联，但其核心是无处不在和无时不有的网络与信息的互联与融合，即物联网的另一基本特征——泛在化。泛在感知、普遍互联、普适计算，这是物联网的另一个主要特征和核心理念。
2.物联网技术和产业发展的三大体系
目前，物联网技术和产业市场的发展，按其感知层的技术与设备不同主要分为三类，即RFID、传感器网和M2M技术。它们分别由不同的应用需求牵引和不同的技术驱动而分别形成目前存在的三个比较重要的体系。这三个体系出现的时间不同，技术成熟度也有所不同。RFID技术体系出现较早，20世纪90年代就已经出现，尤其是条码技术，目前RFID技术体系已经过了炒作期，进入了成长阶段；传感器网体系出现最早，20世纪70年代用于军事侦察，商用炒作在2000年前后，但传感器网技术一直处于研发阶段，目前没有实现大规模的商用；M2M技术体系出现最晚，M2M技术的出现是在2005年前后电信运营商开始探索新市场、扩展物联网通信而转向物联网系统的结果。
RFID、传感器网、M2M技术体系的发展，代表了物联网技术演进的三个主要阶段：
最初是实现基本的物体识别功能，技术特点是为物品编码，完成物品的统一调度和管理；
第二阶段是状态感知阶段，感知环境的变化并对信息处理，进行环境监控和对象跟踪；
第三阶段是与通信网/互联网融合，使对物体的感知广域化，实现大范围的物体连网和互联，真正实现跨领域的物-物互联和全面感知，使信息无所不在。
在上述基础上，如今正在向第四阶段推进，即泛在网，目前正处于炒作期。
上述各类传感器感知、认知客观世界的目的是进一步将传感与控制相结合，进行决策，完成与环境的互动，实现对主观世界和客观世界的改造的目标。
从此三大体系及泛在网的发展与演进，对于物联网概念的发展和理解，各有侧重和倾向，以下具体介绍并讨论三大体系之间及与泛在网的关系。
1）RFID
这是对要监控与管理的包罗万象的“物”嵌入RFID智能标签，结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑由大量连网的读写器和无数移动的电子标签组成的物联网。这个体系除RFID技术外还包括条码和二维码等，主要用来标示物体。
2）传感器网
这是通过在需要进行监控和管理的万事万物所在区域附近部署大量的“传感结点”或“Mote”（智能尘埃），采集外界物理世界“物”的信息，相互协作完成大规模复杂的监测任务，并通过汇聚（Sink）结点/网关与互联网相连，将采集的物体（目标）信息传送到“应用处理中心”，对“物”进行监控与管理的物联网。
3）M2M和CPS
M2M是机器与机器之间的通信，是强调广域网络传输的技术，关注末端设备的互联和集控管理、两化融合系统等。电信运营商由于不甘只为提供通信信道而向外扩展的物联网业务，称为M2M业务，目前通信运营商和专家正积极推动并已得到业界的重点关注，是现阶段物联网较普遍的应用形式。
CPS（Cyber Physical Systems）即赛博-实物系统，也称信息-物理系统、信息物理融合系统，是和上述物联网概念极为相似的概念，是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C[计算（Computer）、通信（Communication）、控制（Control）]技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务，其基本特征是构成了一个能与物理世界交互的感知反馈环。发展物联网的最终目标不是简单地将物与物互联，而是要充分运用物联网技术与手段感测、分析、整合各项关键信息，对各种需求做出智能响应，形成具有“计算、通信、控制、协同和自治”功能的智能设备与系统，实现实时感知、动态控制和信息服务。CPS是借用技术手段实现人的控制在时间、空间等方面的延伸，其本质就是人、机、物的融合计算，所以国内又将CPS称为人机物融合系统。因此，CPS是未来物联网应用的重要技术形态，在开展物联网开发应用的同时，还应强调对CPS的科学研究。
从概念内涵角度来看，物联网包含了万事万物的信息感知和信息传送，因此可以认为M2M和CPS都是物联网的表现形式。
4）泛在网络（Ubiquitous Networks）
简单而言，泛在网络指无所不在的网络，可实现随时随地与任何人或物之间的通信，涵盖各种应用；是一个容纳智能感知/控制、广泛的网络连接及深度的信息通信技术（Information and Communications Technology，ICT）应用等技术，超越了原有电信范畴的更大的网络体系。泛在网络可以支持人到人、人到对象（如设备和/或机器）和对象到对象的通信。
5）几者之间的区别与联系
基于前述对物联网、RFID、传感器网及泛在网的定义及各自特征的分析，物联网与传感器网、泛在网的关系可以概括为，泛在网包含物联网，物联网包含传感器网。三者之间的关系如图1-2所示。
▶ 图1-2 传感器网、物联网与泛在网的关系
从技术的覆盖范围及通信对象看可概括为如表1-1所示的内容。
表1-1 传感器网、物联网和泛在网的覆盖范围及通信对象
（1）RFID与传感器网的关系。
虽然RFID和传感器都是物联网实现数据信息采集的一种末端网络，但具有不同的技术特点：传感器可以实时感知、监测外界物理世界的万“物”和当前环境改变的各种信息，并可使物体对自身环境的改变做出反应；而RFID只能感知附有标签的“物”，再标示物品。两者感知的机理和目标对象完全不同。
传感器网（Sensor Network）的概念最早由美国军方提出，起源于1978年美国国防部高级研究计划局开始资助卡耐基梅隆大学进行分布式传感器网的研究项目，2008年2月，ITU-T（ITU Telecommunication Standardization Sector）发表的《泛在传感器网（Ubiquitous Sensor Networks）》研究报告指出：传感器网可以以“任何地点、任何时间、任何人、任何物”的形式部署，即向泛在传感器网的方向发展。因此，智能传感器的范围已扩展到包括RFID、二维码、内置移动通信模块的各种终端等数据采集技术，从技术构成和应用领域来看，泛在传感器网等同于现在我们提到的物联网。
（2）物联网与泛在网的关系。
泛在网在通信对象上不仅包括物与物、物与人的通信，还包括人与人通信，而且泛在网涉及多个异构网的互联，泛在网属于未来信息网络技术发展的理想状态和长期愿景。所以，物联网是迈向泛在网的第一步，泛在网包含物联网。
3.物联网的功能模型
为了更清晰地描述物联网的关键环节，按照信息系统科学的视点，围绕信息的流动过程，抽象出物联网的信息功能模型，如图1-3所示。
▶ 图1-3 物联网信息功能模型
1）信息获取功能
信息获取包括信息的感知和信息的识别。信息感知，指对事物状态及其变化方式的敏感和认知；信息识别，揭示所感受到的事物运动状态及其变化方式的内在本质、规律及之间联系。
2）信息传输功能
信息传输包括信息发送、传输和接收等环节，最终完成把事物状态及其变化方式从空间（或时间）上的一点传送到另一点的任务，这就是一般意义上的通信过程。
3）信息处理功能
信息处理指对信息的加工过程，其目的是获取知识，实现对事物的认知及利用已有的信息产生新的信息，即认知、决策判断的过程。
4）控制与反馈功能
控制与反馈指信息最终发挥效用、实施指挥控制的过程，具有很多不同的表现形式，其中最重要的就是通过调节对象事物的状态及其变换方式，使对象处于预期的运动状态，使其处于最佳状态。
从上述功能模型可看出，与传统的互联网相比，物联网有其鲜明的特征。
首先，它是广泛应用的各种感知技术的泛在传感器网。物联网部署了海量的多种类型传感器，随时随地感知物理世界的各类事物信息。传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性地采集环境信息，不断更新数据，不同类别传感器捕获的各类事物信息内容和信息格式不同，形成了多源的海量信息。
其次，它是一种建立在互联网上的泛在网。物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，实现在任何时间、任何地点都能顺畅地与任何人、任何物进行通信，将数量极其庞大的传感器采集的海量物体信息实时准确地进行传递与交互。为了保障数据的正确性和及时性，必须适应各种异构网络和协议。
再次，物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。
因此，上述功能模型全面地体现了物联网的三大核心能力和两大基本特征。
（1）全面感知：全面感知是指利用RFID、二维码、定位系统、摄像头、传感器、传感器网等感知、捕获、测量的技术手段，随时随地对物体进行信息采集和获取。
（2）可靠传送：通过各种通信网络与互联网融合，将物体接入信息网络，随时随地进行可靠的信息交互和共享。
（3）智能处理：利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量的跨地域、跨行业、跨部门的数据和信息进行分析处理，提升对物理世界、经济社会各种活动和变化的洞察力，实现智能化的决策和控制。
（4）泛在化特征：以“无所不在”、“无所不包”、“无所不能”为基本特征，部署传感器网和信息网络，实现在任何时间、任何地点、任何人、任何物都能全面感知、顺畅的通信和可靠的管理控制。
（5）智能化特征：物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，即网络系统具有自动化、自我反馈与智能控制的特点，可进行智能控制、自动监测与自动操作。
4.物联网的体系架构和系统组成
一个大系统的体系结构是指系统的各组成单元的结构、相互关系及制约它们设计的原则与指南，是系统开发人员对系统进行设计和实现的依据，指导系统设计和发展的原则。物联网应用广泛，规模庞大，系统规划和设计极易因角度的不同而产生不同的结果，必须建立一个具有框架支撑作用的体系结构[相当于建筑设计的“蓝图”（Blueprints）]来指导具体系统设计，这是首要前提，也将决定物联网的技术细节、应用模式和发展趋势。因为物联网的感知环节具有很强的异构性，为实现异构信息之间的互联、互通与互操作，同时考虑其应用需求的不断发展，各种新技术将逐渐纳入物联网体系中，因此，未来的物联网要以一个开放的、分层的、可扩展的网络体系结构为框架。
目前，全球范围内还没有一个广泛认同的物联网体系结构。在我国普遍认可的物联网体系架构由感知层、网络层和应用层组成。
（1）感知层实现对物理世界的智能感知识别、信息采集处理和自动控制，并通过通信模块将物理实体连接到网络层和应用层。
（2）网络层主要实现信息的传递、路由和控制，包括延伸网、接入网和核心网，网络层可依托公众电信网和互联网，也可以依托行业专用通信网络。
（3）应用层包括应用基础设施/中间件和各种物联网应用。应用基础设施/中间件为物联网应用提供信息处理、计算等通用基础服务设施、能力及资源调用接口，以此为基础实现物联网在众多领域的各种应用。
目前国际上最具代表性的物联网体系架构有国际电信联盟（ITU）的USN架构、欧美支持的产品电子代码（EPC）物联网体系架构和日本的Ubiquitous ID（UID）物联网系统，EPC global和泛在ID中心（Ubiquitous ID Center）都是为推进RFID应用而成立的商业国际团体，它们正在积极制定符合我国发展情况的物联网标准和架构。
1）ITU-T描述的USN架构
ITU-T以在Y.2002建议中描述的USN架构（如图1-4所示）作为基础，自下而上分为底层传感器网、泛在传感器网接入网络、泛在传感器网基础骨干网络、泛在传感器网中间件、泛在传感器网应用平台5个层次。
由图1-4可看出，因ITU为电信联盟，所以USN（Ubiquitous Sensor Network）分层框架是以下一代网络作为核心的基础设施为USN提供支持，各种传感器网在最靠近用户的地方组成无所不在的网络环境，用户在此环境中使用NGN各种服务。实际上，在ITU的研究技术路线中，并没有单独针对物联网的研究，物联网的人与物、物与物之间通信作为泛在网的一个功能统一纳入泛在网的研究体系中，强调在NGN的基础上，增加网络能力，实现人与物、物与物之间的泛在通信；扩大和增加对广大公众用户的服务。
▶ 图1-4 ITU-T描述的USN架构
2）欧洲的简单M2M架构
欧洲电信标准化协会机器对机器技术委员会（ETSI M2M TC，European Telecommunic ations Standards Institute，Machine to Machine，Technical Committees），从端到端的全景角度研究机器对机器通信，给出了一个简单的M2M架构，如图1-5所示。该体系架构可视为USN体系架构的一个简化版本。
▶ 图1-5 欧洲电信标准化协会的简单M2M架构
3）产品电子代码（EPC）“物联网”体系架构
产品电子代码（Electronic Product Code，EPC）的概念由美国麻省理工学院的一位教授于1999年提出，后在国际条码组织（EAN.UCC）等全球 83家跨国公司的支持下，开始了这个发展计划，并于2003年完成了技术体系的规模场地使用测试。
EPC体系由EPC编码体系、射频识别系统和信息网络系统三部分组成，主要包括6个方面，如表1-2所示。
表1-2 EPC物联网系统组成
EPC“物联网”体系架构由EPC编码、EPC标签及读写器、EPC中间件、对象名称解析服务器（Object Name Service，ONS）和EPC-IS服务构成，如图1-6所示。
▶ 图1-6 基于RFID/EPC技术的物联网基本框架模型
图1-6给出了基于RFID/EPC技术的企业物联网MIS的基本框架模型，该框架模型由三大部分组成：RFID硬件系统、中间件系统和计算机Internet系统。其中硬件系统包含电子标签（Tags）和读写器（Reader），标签贴于每件物品上，每个标签都具有唯一的产品电子编码。Savant是处在读写器和国际互联网之间的一种中间件系统。该中间件可为用户提供一系列计算和数据处理功能。该中间件在产品电子码EPC规范中被称为Savant，其主要任务是对读写器读取的标签数据进行捕获、过滤、汇集、计算及数据校对、解调、数据传送、数据存储和任务管理，减少从读写器传往工厂应用的数据量。同时，Savant还可提供与其他RFID支撑软件系统进行互操作的功能，借助接口技术，包含EPC信息服务（EPC Information Service，EPC IS）服务器、物理标示语言（Physical Markup Language，PML）服务器、对象名解析服务系统（Object Naming Service，ONS）服务器、支持RFID数据读写的软件系统及其他企业管理ERP系统服务器，实现了与国际互联网的连接，故可及时有效地跟踪、查询、更新数据。
4）UID技术体系结构
日本在电子标签方面的发展，始于20世纪80年代中期的实时嵌入式系统TRON，T-Engine是其核心的体系架构。在T-Engine引导下，泛在ID中心设立在东京大学，于2003年3月成立，并得到日本政府经产省和总务省及包括微软、索尼等重量级企业的支持。UID中心建立的目的是为了建立和普及自动识别“物品”所需的基础技术，最终实现“计算无处不在”的理想环境。
UID技术体系架构由泛在识别码（uCode）、泛在通信器（UC）、信息系统服务器和uCode解析服务器四部分构成。UID使用uCode作为现实世界物品和场所的标识，UC从uCode电子标签中读取uCode获取这些设施的状态，并控制它们，UC类似于PDA终端。UID能在多种行业中得到广泛应用，UID将现实世界用uCode标签的物品、场所等各种实体和虚拟世界中存储在信息服务器中各种相关信息联系起来，实现“物物互联”。而且，UID是一个开放的架构，它的规范是对大众公开的。
数字城市建设内容非常多、非常复杂，包括城市公共安全、平安城市、智能交通、智能安防、环境保护、智能楼宇、智能电网、物流管理、数字城管、智能社区、智能家居等区域子项目，物联网可以实现城市的产业优化升级，使城市环境完备智能、城市服务高效灵活、城市治理精准高效，促进物人之间的互动能力，使城市更加智慧，使人们生活更美好，是提升城市竞争力的关键因素。
由于城市建设和物联网技术两者是需求牵引和技术驱动的互动关系：一方面城市建设和发展的需求是城市物联网建设的任务和发展目标，牵引物联网技术与应用的发展；另一方面物联网技术和应用的发展可推动数字城市的建设与发展。城市化的推进与信息行业的发展相互支撑，协同发展。因此，随着物联网技术解决方案在各领域的试点和应用推广，城市建设会同样迎来巨大的发展机遇，上述数字城市建设的区域各子项目都将同样迎来自主创新和产业发展的大好机遇。物联网发展浪潮具体推动的城市创新发展的机遇，可归纳为以下三个方面。
1.解决城市发展问题，促进城市可持续发展，提升城市竞争力和发展潜力
首先，随着城市规模日益扩大，人口数量日益增多，资源消耗日趋严重，水资源和土地资源日益紧张，交通压力和环境污染日益明显，社会矛盾逐渐外露，以及自然灾害和突发事件等严重制约着城市建设与产业发展，直接关乎中国未来的竞争力和发展潜力。如何应对众多的挑战，成为城市管理者面前亟待解决的严峻课题。
这些问题使用传统的技术和管理方法已经难以有效解决，目前发达国家正在研究如何创新性地使用新一代信息技术、知识和智能技术来重新审视城市的本质、城市发展目标的定位、城市功能的培育、城市结构的调整、城市形象与特色等一系列现代城市发展中的关键问题，特别是如何通过智能传感和城市智能决策平台解决节能、环保、水资源短缺等问题，即利用物联网等新技术来解决城市给地球、人类生活带来的问题，构建数字城市、智能建筑、智能社区等，为人类提供智能化的服务。
这一物联网发展的终极应用诉求，给城市建设信息化市场带来了商机无限的发展前景。包括如何推进节能减排，推动城市的产业结构调整；如何建立有效的安全监控网络，保证食品、药品的安全；如何整合有效的公共服务设施，最大限度地满足人们在医疗、教育、卫生等方面的需要；如何快速有效地应对突发事件等，进而解决城市问题，提升居民的生活质量。
2.“生态”城市建设的发展需求与机遇
旺盛的城市开发需求之下，世界各国拥有共同的着眼点，即将城市建设的关键字定位为“生态”。因此，生态城应运而生，它是全世界实现低碳社会的共同目标与愿景，我国也已将环境友好城市、生态城作为新城市开发的标准，并计划将600多个大城市中的100个建设成生态城。
为了应对人口快速增加与城市化，确保城市能源、水资源等生命线至关重要。为了既能够控制温室气体排放，又能确保人口增长下的生命线，就必须尽可能降低能源、水源等资料消耗，提高城市的资源使用效率，即绿色发展，创造一个环境友好型城市，促进人与自然的和谐。在人口与工业活动不断集中的城市地区如何减少温室气体排放，已经上升到了一个城市重点课题。
实现生态城市，节能减排，需要摸索城市功能的最佳规划和现有基础设施的升级改造，借助物联网的泛在感知、普通互联、普适计算等基本特征，采用分布式的方法个性化地配置资源，使工作、出行、生活更加环保。我们需以人为主体，追求更低的能耗、物耗。借助物联网促进低碳主要体现在网格化、物流配送、智能建筑、公交出行等方面，需要反思数字城市的主体意义，推进现代城市运作更安全、更高效、更便捷、更绿色的和谐目标。
3.推进城市管理智能化，提升城市效率
数字城市的建设需要从完善城市管理服务出发，为城市发展服务。利用物联网技术并与先进的城市经营服务理念整合，可有效推进城市管理智能化，解决城市管理和服务过程中面临的各项难题，建立与城市快速发展相适应的智能管理体系和服务体系，实现城市管理、城市服务、城市运营的多赢。
由于城市建设内容非常繁多而错综复杂，必须以全新的角度看待城市，把以往那些只分别考虑、分别建设的领域或系统，如人文、交通、能源、商业、通信、水等，联系起来作为一个大系统考虑，根据它们之间业务、信息的关系进行综合并集成，将城市各“部件”的经济系统、城市运行与管理系统、城市服务系统集成为一个有机整体的大系统。借助物联网、云计算、决策分析优化等信息技术，通过嵌入各领域或系统的传感器网进行感知并通过城市通信网/互联网互联起来，进而将这些信息汇集，智能化分析处理、挖掘，将城市现实活动反映到网络虚拟空间上，并根据实际情况指挥决策，对城市运行进行管理与服务，实时反应、协调运作。
这样，将城市中的物理基础设施、信息基础设施、社会基础设施和商业基础设施通过建设高速宽带泛在的新一代信息基础设施连接起来，同时推进智能交通、智能管网（水电燃气）等城市基础建设，形成高度一体化、智能化的新型城市基础设施，使城市中各领域、各子系统之间的关系显化，使其成为就像人类一样具有五官感知系统、神经网络系统和大脑的、具有“智慧的”城市综合监控信息系统。在城市范围内实现对城市必须具有的多种服务实施全面和高效地监控，把握交通、消防、能源消费、生产与消费等各种城市活动信息，能对公安、交通、消防、急救等不同管理系统与管理功能进行综合统一的调度、指挥与管理，实现城市运行监测和安保应急，提高政府精准管理能力，使城市运行更加安全高效，有效遏制现代城市发展带来的交通堵塞、火灾、危机和犯罪等诸多城市综合征；同时通过对水、电、气的监控，构建水电气的高效管理方式，能源与资源的合理分配，优化供给，整体提升城市的能源效率，节能减排，营造绿色环境，达到高效、安全、有序、和谐、绿色、智能的目标。
城市智慧服务则是通过实施智慧医疗、智慧教育、智能金融、智能社区、智能家庭等一系列智慧应用，使城市服务更加及时便捷，有效提高市民的满意度，真正将城市发展的成果惠及大众。
物联网对城市的管理需要通过多个应用子系统来实现，这些子系统包括城市应急指挥系统、平安城市视频监控系统、报警服务系统、智能交通系统、消防安全系统、智能家居系统、智能社区系统、数字城管系统、城市一卡通系统等，也包括现代化物流、智能建筑等；健康方面的管理包括一些远程医疗、紧急救援、远程看护等居家健康管理系统。
4.城市深化发展和提升可持续发展的目标
数字城市的核心特征是信息资源作为知识成为重要的生产要素，不仅是物联网在公共基础设施方面的上述城市运行管理与服务应用，而更重要的是必成为推进经济和社会发展的一个重要驱动力，推动城市经济深化发展和可持续发展，提升城市发展的活力与潜能，提升城市的竞争能力。
作为数字城市的建设，既是一次城市发展和升级的重大战略机遇，又是一个新兴产业发展的理想抓手。为我们城市的发展带来了很大的机遇。实践表明，一个地区的信息化与信息产业的发展水平存在一定正相关性。也就是说，一个地区的信息产业越发达，则该地区的信息化发展水平往往越高。
从国外城市发展的经验来看，数字城市的建设与发展，可能催生出一种新兴的产业，并以此为纽带，推动整个城市的运转。数字城市催生出的新兴产业可以理解为：以现实物理世界为基础，以信息、知识和脑力资源为支撑，利用信息处理技术对各种事物进行深入的智慧分析提炼而实现“具有较为完善的感知、认知、学习、成长、创新、决策、调控能力和行为意识”的新型产业体系（如网游、Facebook、虚拟社区等）。它既不同于信息产业，也不同于知识产业。这种新兴产业不仅能够形成巨大虚拟空间，放大城市的无形规模，而且能够对虚拟网络空间进行统筹综合开发和利用。
通过打造以云产业和数字内容产业为代表的信息产业、以现代物流和电子商务为代表的智慧服务业、以智能制造为代表的智慧工业、以设施农业和精准农业为代表的智慧农业，提高信息技术对经济发展的贡献率，推动产业结构优化升级，转变经济发展方式，由劳动力密集向知识、技术密集型转变，使经济发展更智慧。
随着全球信息技术革新步伐加快，我国经济社会发展的动力和环境正在发生深刻变化，城市建设信息化应用需求也在不断提升，为加快“数字城市”建设提供了难得的历史机遇和发展空间，同时，在机遇面前也出现了诸多难题。目前，遇到的最迫切的难题为缺乏顶层的规划与设计，城市信息资源共享不够，各政府、部门间业务协同不强，实现信息化便民、惠民的目标不明确。
1.缺乏科学、务实的顶层设计
数字城市建设，应以项目建设为主线转向以体系结构、总体规划为主线，遵循城市建设信息化建设“统一规划、统一标准、统一平台、整体推进” 的基本原则。然而，国内没有形成统一规划的原则，缺乏统一的规划和指导，主要以城市各级政府在主导建设，缺乏科学、务实的数字城市建设总体框架和适合不同类型城市使用的建设与运行模式，加之城市领导对信息的理论认识问题，缺乏对数字城市的核心理解，认为上几套系统或只考虑投资建设而不考虑后续运营管理，违背了其建设本意，从而导致建成的模式多样，实际上距离严格意义上的“数字城市”相差甚远。一次性投资效应，缺少长期投入计划，缺少管理维护支撑，难以实现长效应用，严重影响了城市建设信息化建设的推进步伐。
2.信息孤岛状态、信息不能共享的问题突出
数字城市的核心特征是信息系统的大综合与大集成，包括各领域内部信息系统的大综合、大集成和整个城市的大综合、大集成，一定要把信息统一起来，实现共享。
目前不少地方和部门都在积极开展信息化建设，信息化工作也有一定的基础，但由于现有市政府信息化建设管理职能分散、重复、交叉，不同部门强调各自利益，缺少集中统一、协调有力的管理体制，突出表现为：交管局通常只负责智能交通；智能楼宇专业的人只管智能楼宇；电力部门只搞智能电力，大家八仙过海，各显神通，各个部门纵向信息网络自成体系，形成了许许多多“信息孤岛”，不能实现互联互通，难以实现信息资源共享。如果条块分割，各自为政，势必影响城市建设信息化建设的统一和协调，造成重复投资、资源浪费和混乱无序，严重影响了城市建设信息化建设的推进步伐。
3.条块式行政管理体制的制约
出现上述“信息孤岛”现象的根本原因在于城市管理体制，目前城市管理是以职务管理为基础、条块分割的制度，政府采取垂直式的城市管理模式，横向为众多职能部门，各司其职，互不关心，严重阻碍了城市建设信息化进程。
这里涉及两个问题：一是改革和健全城市的管理体系和管理制度，改变管理理念，强调面向未来的协同管理与协同服务，解决城市建设信息化建设中政企不分、条块分割、政出多门、资源垄断等弊端。二是建设一个促进信息资源开发、融合与利用的科学的城市信息管理体系是数字城市建设的基本保障。该体系建设成败的关键是能否改变信息资源跨行业、跨部门利用所存在的根本问题。
“数字城市”建设引申出来的新概念、新战略如何与全局性推进电子政务、资源共享协同融合推进，避免出现新的信息“烟囱”，减少信息安全保障体系建设的隐患，依然是尚待深入解决的难题。以信息资源开发利用为导向，加强公共数据整合，以城市管理信息化为手段，促进城市管理模式创新，提高城市建设信息化综合效益。
4.信息安全隐患
我国信息产业核心技术和关键设备长期依赖国外，自主创新一直是薄弱环节，这给我国信息安全留下了诸多隐患。随着数字城市快速发展和应用系统应用深化，对信息技术的依赖日趋严重，城市信息安全问题已经成为事关城市经济和社会稳定的重大问题。以安全技术自主创新为突破口，完善城市信息安全保障体系是信息产业长久发展的关键与核心。