智慧城市構(gòu)建技術(shù)及框架研究

鐘石磊

摘 要：基于該研究者從事智慧城市的相關(guān)研究，以智慧城市信息系統(tǒng)架構(gòu)為研究對(duì)象，該文首先分析智慧城市的概念和關(guān)鍵能力，提出由物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等技術(shù)支撐的智慧城市信息系統(tǒng)的總體框架，進(jìn)而探討智慧城市信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌詈缶徒ㄔO(shè)智慧城市給出技術(shù)發(fā)展和政策環(huán)境等方面的建議。

關(guān)鍵詞：智慧城市 信息系統(tǒng) 關(guān)鍵能力 物聯(lián)網(wǎng) 云計(jì)算

中圖分類號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）11（b）-0031-02

1 城市信息化的發(fā)展趨勢(shì)

信息化時(shí)代瞬息萬(wàn)變，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)方興未艾，其增長(zhǎng)速度超出人們的想象?；ヂ?lián)網(wǎng)應(yīng)用從只能讀取內(nèi)容的Web 1.0時(shí)代發(fā)展到人們可以參與共享內(nèi)容的Web 2.0時(shí)代，再到現(xiàn)在已悄然邁進(jìn)的智能化的Web 3.0時(shí)代；管理信息化應(yīng)用從關(guān)注組織內(nèi)部事務(wù)處理到關(guān)注組織內(nèi)部工作流程，又在向組織內(nèi)外協(xié)同處理的訴求發(fā)展。人們的信息化生活、生產(chǎn)活動(dòng)逐漸從封閉、單一走向開(kāi)放、智能，正邁向協(xié)同處理、信息智能的時(shí)代。城市作為人們生活和生產(chǎn)的載體，將無(wú)可避免地與信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)相結(jié)合，從而衍生出具備智能的城市級(jí)信息系統(tǒng)。智慧城市信息系統(tǒng)作為信息產(chǎn)業(yè)新技術(shù)融合的產(chǎn)物，將控制和協(xié)同城市居民的生活和生產(chǎn)活動(dòng)，使之更加便捷、高效、安全、和諧。

可以將城市比作一個(gè)有機(jī)的生物體，而將其信息系統(tǒng)比作生物體的神經(jīng)系統(tǒng)。高等生物的神經(jīng)末梢感受體內(nèi)、體外環(huán)境的信息，通過(guò)周圍神經(jīng)傳遞到中樞神經(jīng)進(jìn)行整合加工，再經(jīng)周圍神經(jīng)控制、協(xié)調(diào)生物體內(nèi)部各系統(tǒng)的功能以及生物體和外部環(huán)境的平衡。物聯(lián)網(wǎng)感知和控制終端是智慧城市的神經(jīng)末梢，寬帶通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成周圍神經(jīng)系統(tǒng)，而云計(jì)算數(shù)據(jù)中心作為城市智慧的大腦，三者共同構(gòu)成智慧城市信息系統(tǒng)，以協(xié)調(diào)城市這個(gè)龐大的生物體各系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，以及城市和自然環(huán)境的平衡。城市將愈發(fā)依賴于這種高度互聯(lián)、高度協(xié)同的智慧信息系統(tǒng)。

2 智慧城市的概念和關(guān)鍵能力

智慧城市是以智慧技術(shù)、智慧產(chǎn)業(yè)、智慧人文、智慧服務(wù)、智慧管理、智慧生活為特征的城市發(fā)展新模式，是信息化向更高階段發(fā)展的表現(xiàn)，具有以更強(qiáng)的集中智慧發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，因而具有更強(qiáng)的創(chuàng)新發(fā)展能力。我們認(rèn)為，智慧城市是物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用的綜合性集成，并通過(guò)感知數(shù)據(jù)的統(tǒng)一集中管理、海量信息的智能化處理，形成面向城市管理、控制與服務(wù)的應(yīng)用模式。其建設(shè)和發(fā)展目標(biāo)是圍繞城市的可持續(xù)發(fā)展，提供全面感知的、有效控制的高效管理和優(yōu)良服務(wù)。

智慧城市應(yīng)具備以下三個(gè)信息化關(guān)鍵能力：

（1）信息的全面感知能力

城市中布有大量的感知終端，通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)，在運(yùn)行、服務(wù)中捕獲到人們生活、生產(chǎn)以及城市環(huán)境的多種信息元數(shù)據(jù)。

（2）海量的數(shù)據(jù)處理能力

具備海量的跨部門(mén)、跨行業(yè)異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)能力，能夠?qū)Ａ慨悩?gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效分析、計(jì)算和處理的能力，并且能夠構(gòu)建基于數(shù)據(jù)分析和知識(shí)管理的智能應(yīng)用能力。

（3）智能的管理服務(wù)能力

在形成支撐智慧城市的行業(yè)智能應(yīng)用的基礎(chǔ)上，建立面向服務(wù)的智慧城市綜合應(yīng)用的統(tǒng)一公共管理平臺(tái)，為居民生活和各行業(yè)生產(chǎn)提供普適的、智能的應(yīng)用與服務(wù)。

3 物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)

智慧城市信息系統(tǒng)是一個(gè)面向城市管理、控制與服務(wù)的體系，它統(tǒng)一集中各行業(yè)數(shù)據(jù)與信息資源，為跨部門(mén)、跨行業(yè)建立協(xié)同處理和智能控制平臺(tái)（見(jiàn)圖1）。

對(duì)智慧城市關(guān)鍵能力的分析可以看到，物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算能夠?yàn)闃?gòu)建智慧城市信息系統(tǒng)提供技術(shù)支撐，它們?cè)趯拵ㄐ呕A(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的支撐下構(gòu)成智慧城市信息系統(tǒng)的信息感知端和信息處理端。一方面，物聯(lián)網(wǎng)滲透入各行業(yè)，提供全面的城市感知和控制網(wǎng)絡(luò)。另一方面，云計(jì)算數(shù)據(jù)中心提供面向各個(gè)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用的集成，面向用戶和終端提供整體的智慧城市應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)。兩者之間由普遍覆蓋的寬帶通信網(wǎng)絡(luò)在平臺(tái)與終端之間提供網(wǎng)絡(luò)環(huán)境支撐。云計(jì)算構(gòu)架在寬帶通信網(wǎng)之上，物聯(lián)網(wǎng)將主要依賴寬帶通信網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)有效延伸，通過(guò)云計(jì)算模式可以支撐具有業(yè)務(wù)一致性的物聯(lián)網(wǎng)集約運(yùn)營(yíng)。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧城市中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)衍生，它利用感知技術(shù)與智能裝置對(duì)物理世界進(jìn)行感知、識(shí)別，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸互聯(lián)，進(jìn)行計(jì)算、處理和知識(shí)挖掘，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物信息交互和無(wú)縫鏈接，達(dá)到對(duì)物理世界實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策的目的。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層對(duì)物理世界感知、識(shí)別并控制。網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。應(yīng)用層在對(duì)信息計(jì)算和處理的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)在各行業(yè)的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)包括傳感與RFID融合技術(shù)、識(shí)別與環(huán)境感知技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)通信與頻管技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)接入與組網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)軟件與算法、物聯(lián)網(wǎng)交互與控制、物聯(lián)網(wǎng)計(jì)算與服務(wù)等。

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用滲透智慧城市的方方面面，可以為智慧城市信息系統(tǒng)的感知和控制提供全面支持。這些應(yīng)用概括起來(lái)有：（1）工業(yè)，如生產(chǎn)過(guò)程控制、供應(yīng)鏈管理、能耗控制等。（2）農(nóng)業(yè)，如農(nóng)作物精細(xì)灌溉、生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)產(chǎn)品流通追溯等。（3）商業(yè)，如自動(dòng)販賣機(jī)、POS終端等。（4）金融服務(wù)，如“金卡工程”、二代身份證等。（5）交通，如交通流量監(jiān)控、交通信號(hào)控制、電子收費(fèi)、定位導(dǎo)航、車輛狀況診斷等。（6）電力，如智能變電站、智能用電、配電自動(dòng)化等。（7）醫(yī)療衛(wèi)生，如遠(yuǎn)程診斷、醫(yī)療廢物監(jiān)控等。（8）教育，如圖書(shū)信息推送、遠(yuǎn)程教育等。（9）家居，如門(mén)禁、安防、電氣設(shè)備遠(yuǎn)程控制等。（10）環(huán)境，如有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)、氣候環(huán)境監(jiān)測(cè)等。

3.2 云計(jì)算技術(shù)在智慧城市中的應(yīng)用

社會(huì)經(jīng)濟(jì)和信息化大發(fā)展，尤其是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展，提出了對(duì)海量信息的處理與低成本、普適化、智能化應(yīng)用的需求。云計(jì)算因這些需求快速發(fā)展，獲得了顯著的商業(yè)成功。云計(jì)算是一種新的計(jì)算方法和商業(yè)模式，即通過(guò)虛擬化、分布式存儲(chǔ)和并行計(jì)算以及寬帶網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，按照“即插即用”的方式，自助管理計(jì)算、存儲(chǔ)等資源能力，形成高效、彈性的公共信息處理資源，使用者通過(guò)公眾通信網(wǎng)絡(luò)，以按需分配的服務(wù)形式，獲得動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展信息處理能力和應(yīng)用服務(wù)。如果從計(jì)算效用的角度來(lái)看，云計(jì)算通過(guò)虛擬化技術(shù)形成可管理的彈性的資源池，充分提升機(jī)群的CPU和存儲(chǔ)的利用率，又通過(guò)分布式存儲(chǔ)技術(shù)和并行計(jì)算技術(shù)，充分利用機(jī)群并行處理的強(qiáng)大計(jì)算能力和快速響應(yīng)能力，并通過(guò)中間件層對(duì)上層應(yīng)用透明。構(gòu)建智慧城市一體化智能控制服務(wù)平臺(tái)，需要處理對(duì)城市各方面的生活、生產(chǎn)活動(dòng)以及環(huán)境的感知數(shù)據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)和自動(dòng)規(guī)劃等多種方法，從原始數(shù)據(jù)中挖掘相關(guān)信息，提煉出信息中蘊(yùn)涵的知識(shí)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，提供智能的城市管理、控制和服務(wù)。對(duì)海量信息的快速處理和智能挖掘需要巨大的存儲(chǔ)能力和計(jì)算能力，云計(jì)算的海量數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)和并行處理能力為實(shí)現(xiàn)人工智能提供了重要的途徑。

4 智慧城市信息系統(tǒng)的總體框架

智慧城市的總體框架，包括物聯(lián)網(wǎng)感知和控制層、云計(jì)算數(shù)據(jù)中心、數(shù)字化平臺(tái)、管理中心和應(yīng)用五個(gè)層次。

（1）普遍部署的物聯(lián)網(wǎng)感知終端對(duì)城市系統(tǒng)和環(huán)境進(jìn)行感知與采集，通過(guò)寬帶通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)感知信息進(jìn)行傳送；（2）在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心對(duì)信息進(jìn)行匯聚、提取和處理；（3）在數(shù)字化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)行業(yè)集成的應(yīng)用接口整合；（4）通過(guò)業(yè)務(wù)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)用戶、業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)、安全、認(rèn)證、授權(quán)和計(jì)費(fèi)等管理功能；（5）最后實(shí)現(xiàn)各行業(yè)的應(yīng)用服務(wù)。另外，標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)的完善和全局的統(tǒng)籌規(guī)范有利于保障整個(gè)信息系統(tǒng)的管理和控制，保證智慧城市的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，使系統(tǒng)真正具有智能運(yùn)營(yíng)、交付和服務(wù)能力。

5 智慧城市信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

智慧城市信息系統(tǒng)是智能的開(kāi)放的系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟猿鞘袛?shù)據(jù)中心為核心，以物聯(lián)網(wǎng)終端為觸角，由內(nèi)而外分為六層。

（1）城市數(shù)據(jù)中心包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中心和用戶數(shù)據(jù)中心，共同構(gòu)成城市數(shù)據(jù)系統(tǒng)。各種終端、傳感器和網(wǎng)絡(luò)捕獲的多種信息元數(shù)據(jù)匯集到城市數(shù)據(jù)中心，利用云計(jì)算分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和并行計(jì)算技術(shù)支撐專家系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)和自動(dòng)規(guī)劃，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，對(duì)網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)、終端提供協(xié)同和智能的一致性控制、服務(wù)和管理支撐，從而構(gòu)建城市級(jí)的人工智能系統(tǒng)，使管理、控制和服務(wù)具有智能的特性。（2）云存儲(chǔ)、云計(jì)算和云網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成的云資源系統(tǒng)為城市信息系統(tǒng)提供云計(jì)算的能力，使其具有強(qiáng)大的計(jì)算能力與共享服務(wù)能力。其中，云交換機(jī)和云路由器是一種新型可編程、可虛擬化、自適應(yīng)和智能調(diào)度與資源共享構(gòu)成的精簡(jiǎn)架構(gòu)，即智能交換機(jī)和智能路由器，可以支持各種協(xié)議，實(shí)現(xiàn)接入普適化和控制智能化。（3）能力引擎系統(tǒng)提供資源和支撐能力的開(kāi)放使用。其中，數(shù)據(jù)分析能力基于特定的計(jì)算規(guī)則，對(duì)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，以期從海量信息中得到規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。（4）智能接入網(wǎng)關(guān)將傳感器終端接入云中，屏蔽不同傳感器終端的差異，進(jìn)行不同終端接入的智能適配，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一接入。由于各種終端擁有的資源不同且動(dòng)態(tài)變化，需要智能接入網(wǎng)關(guān)層進(jìn)行自動(dòng)發(fā)現(xiàn)識(shí)別和智能適配。（5）終端指感知和控制，以及應(yīng)用服務(wù)獲取的末端設(shè)備，廣義的包括PC、手機(jī)、傳感器、云終端以及各類具有計(jì)算與通信能力的設(shè)備（如：相機(jī)、電視機(jī)、播放器、冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)等）。

6 智慧城市發(fā)展建議

智慧城市的建設(shè)和發(fā)展需要現(xiàn)代信息通信技術(shù)支撐，需堅(jiān)持開(kāi)放合作與自主創(chuàng)新相結(jié)合，突破海量數(shù)據(jù)處理、智能終端系統(tǒng)、智慧化產(chǎn)業(yè)支撐平臺(tái)等關(guān)鍵技術(shù)。

另一方面，也需要依靠政府和行業(yè)主管部門(mén)制定發(fā)展規(guī)劃和扶持政策以大力推進(jìn)智慧城市建設(shè)，從而構(gòu)建良好的產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境和配套措施，建設(shè)寬帶、普遍部署的通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，需要推動(dòng)跨行業(yè)聯(lián)合制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系研究，實(shí)現(xiàn)通信、數(shù)據(jù)、信息、應(yīng)用、服務(wù)的協(xié)同。此外，還需要通過(guò)立法和監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，提高信息管理水平，建立數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)和信息安全管理機(jī)制。有了以上四個(gè)方面的共同保障，才具備打造一流的智慧城市服務(wù)環(huán)境，匯聚規(guī)模化的產(chǎn)業(yè)集群，實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代服務(wù)的條件。

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