智慧城市公共能力平臺功能架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)

江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司 徐嘯峰 郁建生

智慧城市公共能力平臺功能架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)

江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司 徐嘯峰 郁建生

當(dāng)前我國智慧城市建設(shè)已經(jīng)從理論研究向落地實施開始推進(jìn)，但智慧城市建設(shè)的技術(shù)路線尚不清晰。依托最新的信息技術(shù)，提出將智慧城市中各類應(yīng)用的公共部分集成建設(shè)和管理，形成所謂的智慧城市公共能力平臺，智慧應(yīng)用在公共能力平臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行開始，從而保證智慧城市建設(shè)的高效、共享和集約，在系統(tǒng)架構(gòu)基本穩(wěn)定的情況下滿足未來智慧城市的新增需求，同時對公共能力平臺的關(guān)鍵技術(shù)要點進(jìn)行了研究。

智慧城市；公共能力平臺；面向服務(wù)的體系架構(gòu)；地理信息系統(tǒng)

智慧城市建設(shè)是個龐大的、復(fù)雜的社會信息化工程，政府在智慧城市建設(shè)中主要承擔(dān)公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，發(fā)揮引導(dǎo)社會力量有序參與智慧城市建設(shè)和履行提供公共信息服務(wù)的職能。為了滿足各類智慧應(yīng)用需求，實現(xiàn)智慧城市建設(shè)的共建共享，降低建設(shè)成本，政府主導(dǎo)的智慧城市建設(shè)宜采用“融合網(wǎng)絡(luò)加公共能力平臺加靈活應(yīng)用”的技術(shù)路線。

所謂融合網(wǎng)絡(luò)，主要包括公眾網(wǎng)絡(luò)和政務(wù)網(wǎng)絡(luò)，公眾網(wǎng)絡(luò)（含有線和無線），主要依托電信運營商和廣電網(wǎng)絡(luò)，政府也可根據(jù)實際需求補充建設(shè)專用網(wǎng)絡(luò)，同時政府負(fù)責(zé)建設(shè)政務(wù)外網(wǎng)和保密網(wǎng)，滿足其自身運行需求。

所謂公共能力平臺建設(shè)，指的是將信息系統(tǒng)中公共部分從單個信息項目中剝離出來，這些公共部分包括服務(wù)器/存儲等硬件、數(shù)據(jù)庫/數(shù)據(jù)挖掘分析/GIS（地理信息系統(tǒng)）和應(yīng)用中間件等基礎(chǔ)軟件和可以被其他應(yīng)用系統(tǒng)所共享的軟件模塊〔如云計算中的PaaS（平臺即服務(wù)）能力中間件〕。借助云計算技術(shù)、SOA（面向服務(wù)的體系架構(gòu)）技術(shù)和組件化軟件開發(fā)技術(shù)，這些公共部分將統(tǒng)一建設(shè)、服務(wù)共享、按需使用，形成公共能力平臺。

所謂靈活應(yīng)用，指的是在融合網(wǎng)絡(luò)和公共能力平臺基礎(chǔ)上，智慧應(yīng)用軟件開發(fā)者可以專注于其的應(yīng)用創(chuàng)意和業(yè)務(wù)邏輯上，減輕其開發(fā)工作復(fù)雜度和建設(shè)資金和時間成本，從而能夠滿足目前城市各類主體信息需求日新月異、應(yīng)用創(chuàng)新層出不窮的信息時代需求。

本文主要探討公共能力平臺中的軟件部分建設(shè)方案，融合網(wǎng)絡(luò)和智慧應(yīng)用將不在本文中進(jìn)行討論。

1 需求分析

智慧城市公共能力平臺目標(biāo)是實現(xiàn)城市信息資源高度共享和集約高效開發(fā)建設(shè)，圍繞此設(shè)計目標(biāo)，公共能力平臺建設(shè)需求如下：

1）面向服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)。公共能力平臺本事以及集成的各項應(yīng)用需遵循SOA架構(gòu)要求，各類服務(wù)采用標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用接口，并通過統(tǒng)一的機制進(jìn)行服務(wù)注冊和發(fā)布，同時保證各類服務(wù)的正常運行。

2）數(shù)據(jù)的整合和分析。數(shù)據(jù)是智慧城市的關(guān)鍵和難點，公共能力平臺需要支撐廣泛的數(shù)據(jù)采集，建設(shè)城市各類主體間的數(shù)據(jù)共享和交換的通道，并提供工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，尤其是近年來日益流行的大數(shù)據(jù)挖掘分析能力。

3）安全和可靠運行。公共能力平臺作為智慧城市的基礎(chǔ)設(shè)施，能否安全可靠地運行將影響到城市的方方面面。公共能力平臺出現(xiàn)問題時，其后果將比目前更為嚴(yán)重。因此公共能力平臺必須能夠通過技術(shù)手段保障智慧城市平穩(wěn)運行，及時發(fā)現(xiàn)影響運行的危險因素，并為快速定位解決故障提供有力支撐。

同時，基于公共能力平臺的智慧城市建設(shè)方式和傳統(tǒng)按項目、分系統(tǒng)的建設(shè)方式已經(jīng)有了巨大的變化，因此在公共能力平臺建設(shè)推進(jìn)過程中，不僅重視技術(shù)問題，也要高度重視與之相適應(yīng)的管控與運營體系的建設(shè)，確保智慧城市技術(shù)體系與智慧城市管控體系的平衡發(fā)展。

2 設(shè)計思路

通過分析信息從生產(chǎn)到消費的全流程，并圍繞建設(shè)需求，提取公共能力平臺的核心組成部分。

step1：信息采集。城市的信息種類繁多、數(shù)據(jù)巨大，來源也多種多樣，包括從物聯(lián)網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)、從各類城市專業(yè)信息系統(tǒng)中采集的數(shù)據(jù)、從互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)等等。由于多種原因，在信息采集層面存在天然多樣性，不能去強制要求進(jìn)行統(tǒng)一。但為了確保信息采集的可靠安全并便于共享，需要對各類信息采集進(jìn)行監(jiān)控，對采集的信息進(jìn)行統(tǒng)一分類和標(biāo)識，因此需要建設(shè)智慧城市公共數(shù)據(jù)采集和控制功能。

step2：信息交換和共享。未來城市中的各類主體（包括各種機器設(shè)備）都需要和外界交換和共享信息，需要構(gòu)建一個公共的信息高速公路來滿足這些信息的相互交換共享需求。需要說明的是，本文中信息高速公路有別于高速通信網(wǎng)。本文中的信息高速公路是構(gòu)建在高速通信網(wǎng)之上的、語義和業(yè)務(wù)層面的信息交換平臺。因此需要構(gòu)建智慧城市公共信息共享和交換功能，實現(xiàn)各類應(yīng)用的快速接入，并保證各類信息能夠按照信息交換雙方的契約進(jìn)行可靠交換。

step3：信息存儲和分析。城市中的各類信息通過采集和交換之后，除了滿足直接信息需求外，還需要整合起來形成城市信息模型，并在該信息模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行分挖掘析，特別是可以實現(xiàn)多領(lǐng)域融合分析，從而打破現(xiàn)有信息孤島和壁壘，發(fā)現(xiàn)城市的運行規(guī)律，進(jìn)行科學(xué)決策和及時調(diào)整，因此需要建設(shè)智慧城市公共信息分析功能。

step4：信息服務(wù)和消費。城市中的智慧交通、智慧社區(qū)、智慧能源、智慧醫(yī)療、智慧旅游等智慧應(yīng)用都是實現(xiàn)城市智慧的有機組成部分，這些智慧應(yīng)用中能夠被其他系統(tǒng)所調(diào)用的能力應(yīng)該封裝和暴露出來供其他智慧應(yīng)用來使用，從而實現(xiàn)“1＋1?N”的效果。當(dāng)然，公共能力平臺自身所整合的數(shù)據(jù)和分析出的城市運行規(guī)律也需要封裝，并能夠為城市的各類智慧應(yīng)用所調(diào)用。因此需要建設(shè)智慧城市應(yīng)用能力支撐功能。

除此之外，為了保證信息流的安全運行，還需要建設(shè)智慧城市運行監(jiān)控能力。

基于上述分析，智慧城市公共能力平臺主要包括如下功能模塊：數(shù)據(jù)采集和控制功能、信息共享和交換功能、信息分析功能、應(yīng)用能力支撐功能和智慧城市運行監(jiān)控能力。當(dāng)然智慧城市還包括其他各種公共能力，但上述能力是基本和必備的，是智慧城市的建設(shè)基礎(chǔ)。

3 關(guān)鍵功能技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)采集和控制功能

數(shù)據(jù)采集和控制功能建設(shè)目標(biāo)是對由基礎(chǔ)市政設(shè)施、城市實體、城市資源與環(huán)境和城市居民等幾大部分構(gòu)成的城市進(jìn)行全面深度感知，為智慧城市提供智能化、泛在化的感知信息。

數(shù)據(jù)采集和控制功能建設(shè)內(nèi)容如下：

1）數(shù)據(jù)采集點接入和接入控制。主要實現(xiàn)對包括物聯(lián)網(wǎng)傳感器在內(nèi)的各類數(shù)據(jù)接入的準(zhǔn)入管理、連接保持以及流量控制等功能。數(shù)據(jù)采集點接入功能主要包括報文收發(fā)和認(rèn)證、連接狀態(tài)監(jiān)測、流量控制和協(xié)議適配等功能。數(shù)據(jù)采集點控制功能主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)接入的準(zhǔn)入管理，包括數(shù)據(jù)采集點注冊、登錄、退出和注銷。

2）數(shù)據(jù)采集點監(jiān)測控制。主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集點信息查詢、狀態(tài)監(jiān)測、事件上報、故障管理、參數(shù)的查詢和配置、遠(yuǎn)程控制和升級、操作任務(wù)管理等功能。

3）業(yè)務(wù)管理。主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集點和相關(guān)應(yīng)用的信息維護(hù)和統(tǒng)計分析功能。信息維護(hù)包括元數(shù)據(jù)信息維護(hù)，編號管理，能力信息維護(hù)，流量信息維護(hù)。

3.2 信息共享和交換功能

信息共享和交換功能縱向貫通城市各類信息資源與智慧應(yīng)用信息通道，構(gòu)建高效、實時、共享、準(zhǔn)確的信息流；橫向滿足跨部門、跨領(lǐng)域的信息共享和協(xié)同應(yīng)用，是智慧城市的信息中樞傳輸通道。信息共享和交換功能建設(shè)基于SOA的架構(gòu)，利用應(yīng)用能力支撐功能將各種不同來源的數(shù)據(jù)提供以服務(wù)的方式統(tǒng)一注冊和提供服務(wù)。信息共享和共享功能架構(gòu)如圖1所示。

信息共享和交換功能主要建設(shè)內(nèi)容包括：監(jiān)控管理中心、交換中間件、資源目錄管理和數(shù)據(jù)交換與共享總線4個部分。

1）數(shù)據(jù)共享與交換總線主要承擔(dān)適配功能、服務(wù)注冊、數(shù)據(jù)清洗、格式轉(zhuǎn)換、安全服務(wù)等功能。

2）交換中間件主要承擔(dān)了消息發(fā)送，隊列管理，路由管理等工作。

3）資源目錄管理主要承擔(dān)對與交換共享信息統(tǒng)一的處理與分類。

4）監(jiān)控管理中心承擔(dān)對整個信息共享與交換功能的各個構(gòu)件做統(tǒng)一的監(jiān)控與管理，保障正常運作與良好品質(zhì)。

3.3 信息分析功能

信息分析功能采用多層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含ODS（操作型數(shù)據(jù)存儲）、DW（數(shù)據(jù)倉庫）、DM（數(shù)據(jù)集市）這3層，各自的層次儲存特定的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類，應(yīng)對不同的數(shù)據(jù)需求。在信息建模上采用基于本體的數(shù)據(jù)倉庫建設(shè)策略，本體描述了城市重要實體、屬性、過程及其相關(guān)關(guān)系形式化描述的基礎(chǔ)，使信息重用變得更加方便有效，并可轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)中可重用和共享的組件。在信息分析能力上具備分布式計算、流計算和批量計算等，融合傳統(tǒng)數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)的分析能力，讓智慧城市中普遍的、海量的、低價值的數(shù)據(jù)及時準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換為精簡的高價值的信息。

智慧城市信息分析功能的主要內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)加工層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)分析支撐層和信息資源管理層。見圖2。

3.4 應(yīng)用能力支撐功能

應(yīng)用能力支撐功能主要功能如下：

1）屏蔽了各類智慧應(yīng)用架構(gòu)的復(fù)雜性，實現(xiàn)服務(wù)高度抽象，封裝成開放、統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用開發(fā)接口提供給第三方使用；

2）整合網(wǎng)絡(luò)、計算機硬件和基礎(chǔ)軟件能力，為二次開發(fā)提供統(tǒng)一的服務(wù)集成開發(fā)、測試和部署環(huán)境，降低開發(fā)門檻；

3）完成封裝服務(wù)的認(rèn)證、鑒權(quán)、計費和管理等功能；

4）對所提供服務(wù)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控和內(nèi)容安全控制。

應(yīng)用能力支撐功能架構(gòu)如圖3所示。實現(xiàn)智慧城市應(yīng)用軟件的監(jiān)控以及從客戶感知的角度實現(xiàn)關(guān)鍵業(yè)務(wù)過程的端到端監(jiān)控。

3）系統(tǒng)軟件監(jiān)控實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的集中監(jiān)控，監(jiān)控范圍包括數(shù)據(jù)庫、中間件、備份軟件等。

4 小結(jié)

3.5 智慧城市運行監(jiān)控能力

智慧城市運行監(jiān)控能力能夠及時發(fā)現(xiàn)影響智慧城市平穩(wěn)運行的危險因素，保障運營效率及質(zhì)量，降低運營維護(hù)成本。

主要功能如下：

1）硬件運行監(jiān)控，監(jiān)控范圍包括主要智慧城市的網(wǎng)絡(luò)、主機、存儲等，監(jiān)控內(nèi)容應(yīng)包括告警、故障、性能、配置、使用率、可用性、連通性等方面數(shù)據(jù)。

2）應(yīng)用軟件監(jiān)控，從系統(tǒng)功能、處理性能、數(shù)據(jù)處理等方面

智慧城市建設(shè)已經(jīng)成為未來城市發(fā)展的重要趨勢之一，其作用已經(jīng)為政府、企業(yè)和城市居民所廣泛認(rèn)可。但如何高效、可持續(xù)地建設(shè)智慧城市并能滿足未來多變的業(yè)務(wù)需求是一個極大的挑戰(zhàn)。本文提出在智慧城市公共能力平臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行智慧城市及其各類智慧應(yīng)用建設(shè)，充分利用各類最新信息技術(shù)發(fā)展成果，深刻理解城市信息化需求本質(zhì)，從而能夠保障智慧城市建設(shè)的可持續(xù)開展。本文提出的方案已經(jīng)在多個智慧城市實施項目和規(guī)劃項目中得到應(yīng)用，取得了很好的效果。

本項目獲得到國家發(fā)展和改革委員會國家高技術(shù)服務(wù)業(yè)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化專項資金和江蘇省經(jīng)信委2014年度江蘇省工業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級專項引導(dǎo)資金項目資助。