1.1 引言

城市化的快速發(fā)展使得許多大城市得以發(fā)展和擴(kuò)張，在使生活變得現(xiàn)代化的同時(shí)，也帶來(lái)了空氣污染、能源消耗增加和交通擁堵等重大挑戰(zhàn)。幾年前，考慮到城市復(fù)雜和動(dòng)態(tài)的環(huán)境，要應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)似乎是不可能的。如今，感知技術(shù)和大規(guī)模計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施在城市空間中產(chǎn)生了各種大數(shù)據(jù)，如人員流動(dòng)、空氣質(zhì)量、氣象、交通模式和地理數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)隱含著一個(gè)城市的豐富信息，如果使用得當(dāng)，可以幫助我們應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。例如，我們可以通過(guò)分析全市范圍內(nèi)的人口流動(dòng)數(shù)據(jù)來(lái)檢測(cè)城市道路網(wǎng)絡(luò)中的潛在問(wèn)題。這樣，可以幫助城市在未來(lái)制定和實(shí)施更好的城市規(guī)劃[74]。另一個(gè)例子是通過(guò)研究空氣質(zhì)量與其他數(shù)據(jù)源[如交通流量和興趣點(diǎn)（POI）]之間的相關(guān)性來(lái)探索城市空氣污染的根本原因[51，54]。

城市計(jì)算已成為一個(gè)跨學(xué)科領(lǐng)域，它將計(jì)算機(jī)科學(xué)與傳統(tǒng)的城市相關(guān)領(lǐng)域相結(jié)合，這些相關(guān)領(lǐng)域包括城市規(guī)劃、交通、環(huán)境科學(xué)、能源工程、經(jīng)濟(jì)學(xué)和社會(huì)學(xué)等。如圖1.1所示，城市計(jì)算旨在釋放城市數(shù)據(jù)中知識(shí)的能量，以解決城市中的重大問(wèn)題，從而在人、城市運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)和環(huán)境之間實(shí)現(xiàn)三贏[66]。

盡管有一些文章在討論城市計(jì)算[22]，但它仍然是一個(gè)模糊的概念，有許多沒(méi)有解決的問(wèn)題。例如，城市計(jì)算的核心研究問(wèn)題是什么？這一研究領(lǐng)域面臨哪些挑戰(zhàn)？城市計(jì)算的關(guān)鍵方法是什么？有哪些代表性的應(yīng)用程序？城市計(jì)算系統(tǒng)是如何工作的？為了解決這些問(wèn)題，本章正式定義了城市計(jì)算的主要概念，介紹了計(jì)算機(jī)科學(xué)視角下城市計(jì)算的一般框架和關(guān)鍵研究挑戰(zhàn)。

圖1.1 城市計(jì)算的動(dòng)機(jī)和目標(biāo)