城市資源環(huán)境承載力系統(tǒng)技術(shù)支撐平臺規(guī)劃-以深圳為例

何承，梁永生，高波

（1. 深圳信息職業(yè)技術(shù)學院信息中心，廣東 深圳 518172；2. 深圳信息職業(yè)技術(shù)學院深圳市可視媒體處理與傳輸重點實驗室，廣東 深圳 518172）

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城市資源環(huán)境承載力系統(tǒng)技術(shù)支撐平臺規(guī)劃-以深圳為例

何承1，梁永生2，高波2

（1. 深圳信息職業(yè)技術(shù)學院信息中心，廣東 深圳 518172；
2. 深圳信息職業(yè)技術(shù)學院深圳市可視媒體處理與傳輸重點實驗室，廣東 深圳 518172）

摘 要：我國城市，特別是一線城市面臨著越來越嚴重的城市人口、社會經(jīng)濟發(fā)展和資源環(huán)境承載力之間的矛盾。在對城市資源環(huán)境的內(nèi)涵和外延進行詳細分析、科學界定的基礎上，將城市資源承載力各子系統(tǒng)的構(gòu)成要素進行量化分解，建立分析函數(shù)，規(guī)劃建設“城市資源環(huán)境承載力系統(tǒng)信息化支撐平臺”的目標與思路、建設路徑及關鍵技術(shù)等內(nèi)容，提出城市環(huán)境承載力系統(tǒng)的技術(shù)支撐平臺解決方案。以深圳為例，確立了系統(tǒng)建設目標，確定了系統(tǒng)整體需求、系統(tǒng)業(yè)務需求、系統(tǒng)安全需求，最后給出了系統(tǒng)的架構(gòu)設計。

關鍵詞：城市；資源環(huán)境；承載力；平臺

我國一線城市面臨著越來越嚴重的城市人口、社會經(jīng)濟發(fā)展和資源環(huán)境承載力之間的矛盾。深圳較早認識到保持經(jīng)濟持續(xù)較快發(fā)展明顯受到土地、能源和水資源、人口膨脹和環(huán)境承載力等“四個難以為繼”的瓶頸性制約。目前，環(huán)境資源信息分布在不同的管理部門，形成信息“孤島”。因此，借助信息化手段，整合環(huán)境資源信息、共享環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和應用環(huán)境評價結(jié)果成為亟待解決的關鍵問題。

要實現(xiàn)解決這一問題，需要規(guī)劃建設“深圳市城市資源環(huán)境承載力系統(tǒng)技術(shù)支撐平臺”，對資源環(huán)境數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一規(guī)劃、集中管理，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，有利于整合數(shù)據(jù)、消除信息孤島，厘清發(fā)展方式對提高深圳城市資源環(huán)境的重要作用，提高科學發(fā)展的自覺性和執(zhí)行力，提高社會治理能力。

1　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

資源環(huán)境綜合承載力研究最早由美國麻省理工學院的D.梅多斯等學者組成的“羅馬俱樂部”［1］利用系統(tǒng)動力學模型對世界范圍內(nèi)的資源（包括土地、水、糧食、礦產(chǎn)等）環(huán)境與人的關系進行評價，構(gòu)建了著名的“世界模型”［2］。

英國的Sleeser提出采用ECCO模型作為新的資源環(huán)境承載力的計算方法［3］，綜合考慮人口-資源-環(huán)境-發(fā)展之間的相互關系，以能量為折算標準，建立系統(tǒng)動力學模型，得到聯(lián)合國開發(fā)計劃署的認可［4］。

文獻［5］采用二級模糊綜合評判方法［6，7］，通過構(gòu)建評估指標體系，采用層次分析法求得指標的權(quán)重，從自然、社會、經(jīng)濟三個層面就中國分省區(qū)的地理環(huán)境承載力潛力進行了評判。

中國國土資源經(jīng)濟研究院［8］設計開發(fā)了基于MapGIS開發(fā)組件的區(qū)域資源環(huán)境承載力評價信息系統(tǒng)EIS/RRECC，提高了承載力研究的系統(tǒng)化、信息化程度。

西安理工大學和四川大學等高校［9］通過可視化編程，結(jié)合地理信息系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫技術(shù)，開發(fā)出一套智能化的水環(huán)境承載力評價系統(tǒng)平臺，可計算當年水環(huán)境承載力，預測未來年份的水環(huán)境承載力，為水環(huán)境的綜合治理提供了決策支持。

綜上所述，以資源環(huán)境為對象的區(qū)域綜合承載力研究越來越受到國內(nèi)學者的關注。

2　系統(tǒng)需求分析

城市的規(guī)模和布局需要與當?shù)丨h(huán)境、水土、地質(zhì)等自然承載力相適應，并與經(jīng)濟、就業(yè)、基礎設施和公共設施供給能力相均衡協(xié)調(diào)發(fā)展。對分布在不同部門的信息進行整合，將資源環(huán)境承載力建立一體化平臺，對深圳市實際承載力進行科學評估和定量分析，實現(xiàn)自然資源數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境等的動態(tài)監(jiān)管，進而根據(jù)閾值作出預警，有利于社會治理能力的進一步提高。

2.1系統(tǒng)整體需求

“深圳市城市資源環(huán)境承載力系統(tǒng)技術(shù)支撐平臺”，為城市資源環(huán)境承載力統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫建設奠定基礎。通過該平臺，各應用支撐系統(tǒng)統(tǒng)一接入基礎數(shù)據(jù)庫的服務（如人口、土地資源、交通、水資源、生態(tài)資源、海洋資源、就業(yè)信息等），對各單位、各系統(tǒng)的服務進行統(tǒng)一整合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析，并以標準服務的形式開放。

平臺提供開放接口，以便于應用擴展和應用集成，包括提供開發(fā)、發(fā)布、運營接口。

2.2系統(tǒng)業(yè)務需求

2.2.1交通承載力需求

平臺旨在獲取全市交通信息，進行數(shù)據(jù)分析和挖掘，尋找在資源約束條件下深圳交通發(fā)展的短板因素，衡量與國際先進城市的發(fā)展差距，提出深圳市交通承載力改善對策，為建立交通科學發(fā)展的新模式、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供決策參數(shù)依據(jù)，實現(xiàn)建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型和生態(tài)城市的目標。

2.2.2水資源承載力需求

平臺獲取水文氣象特征、居民用水數(shù)據(jù)、廢水數(shù)據(jù)等，建立模型進行數(shù)據(jù)分析與挖掘，計算水資源數(shù)量、質(zhì)量和利用率、最優(yōu)水資源承載力臨界值，與現(xiàn)實水資源動態(tài)指數(shù)進行對比，預測預警水資源對社會經(jīng)濟環(huán)境的影響，為深圳市資源環(huán)境決策提供參考依據(jù)。

2.2.3人口承載力需求

平臺獲取深圳市人口、經(jīng)濟、資源、環(huán)境和公共交通與設施等數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)動力學模型進行測算與仿真，計算在經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境生態(tài)、社會生活等各方面綜合滿意度達到中等水平的約束目標條件的最適宜人口規(guī)模，為深圳市進一步加大在交通設施、綠化、教育等公共投入、加大產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、推進人口調(diào)控計劃和戶籍制度改革提供參考意見。

2.2.4土地資源承載力需求

平臺結(jié)合建設用地配置情況，分析土地資源對人口的約束，研究土地資源的經(jīng)濟承載力，為深圳市人口調(diào)控、城市土地規(guī)劃、布局人優(yōu)化等提供決策參考和建議。

2.2.5就業(yè)承載力需求

平臺獲取經(jīng)濟增長、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、技術(shù)進步、收入分配、對外貿(mào)易、物價通脹、勞動力流動等影響因素的數(shù)據(jù)，構(gòu)建就業(yè)承載力的分析框架、測度方法、計量模型、適時數(shù)據(jù)庫和預警機制，完成深圳就業(yè)承載力的現(xiàn)狀評價、未來預測、超載預警及同類城市比較，找到緩解深圳就業(yè)壓力對策建議，為政府決策提供參數(shù)和依據(jù)。

2.2.6生態(tài)環(huán)境承載力需求

平臺對生態(tài)承載力狀態(tài)進行評價，分析發(fā)展過程中的制約因素和潛在問題。同時結(jié)合相關發(fā)展規(guī)劃設定的發(fā)展目標及環(huán)境基礎設施處理能力進行預測，通過對環(huán)境要素的預警性指標與現(xiàn)狀承載量進行比較，對承載力作為預測判斷，側(cè)重對環(huán)境承載力現(xiàn)狀的靜態(tài)評價、分析，提出有效的應對之策，同時立足長遠，就遠景目標中的生態(tài)環(huán)境等承載力問題進行深入剖析，預算其動態(tài)發(fā)展趨勢，為政府決策提供參考。

2.3平臺基礎功能需求

2.3.1網(wǎng)絡性能需求

（1）核心網(wǎng)絡設備應有高性能的路由交換機構(gòu)成。設備應該具備高可靠，高性能運行機制。要求具有較強的路由功能，較高的轉(zhuǎn)發(fā)速率及端口密度，提供10Gb和千兆速率的以太網(wǎng)接口。

（2）為了保證城市資源環(huán)境承載力平臺平穩(wěn)可靠的運行，滿足承載應用的擴展需求，設備的選擇還需要考慮以下幾個方面：

●支持IPv4/IPv6雙棧技術(shù)和隧道技術(shù)，實現(xiàn)IPv6網(wǎng)絡的接入和IPv6應用的承載；

●支持MPLS VPN 技術(shù)，支持多業(yè)務網(wǎng)絡的接入；

●支持萬兆端口，便于帶寬擴展。

（3）出口帶寬需求：為了滿足平臺與各部委信息系統(tǒng)順利進行數(shù)量上傳和獲取等，保證出口帶寬500M以上。

2.3.2計算性能與存儲需求

采用虛擬化技術(shù)，將多臺物理服務器虛擬化成計算資源池（集群），保障虛擬化平臺業(yè)務的持續(xù)運行。通過虛擬化云平臺HA、熱遷移功能，有效減少設備故障時間；自動化并簡化資源調(diào)配，實現(xiàn)分布式動態(tài)資源優(yōu)化，智能地根據(jù)應用負載進行資源的彈性伸縮，提升系統(tǒng)的運作效率。

在數(shù)據(jù)存儲方面，通過共享的SAN存儲架構(gòu)，最大化的發(fā)揮虛擬架構(gòu)的優(yōu)勢；提供虛擬機的HA、熱遷移技術(shù)提高系統(tǒng)的可靠性；發(fā)生故障時，系統(tǒng)自動恢復，無需人工操作，簡化維護。

2.4系統(tǒng)安全需求

為了應對信息安全風險，需要建設一整套完善的信息安全體系。安全體系規(guī)劃從數(shù)據(jù)存儲安全、網(wǎng)絡通信安全、服務器安全、人員管理等制度性安全措施方面著手，全方位的保護資源環(huán)境承載力平臺信息的安全。

（1）系統(tǒng)需提供有效的、嚴格的分級管理模式，按照各自的職責范圍劃定管理權(quán)限。工作包括信息系統(tǒng)的分類、分域保護、安全信息的集中監(jiān)督和分布管理。

（2）建立PKI認證體系，通過CA來增加應用程序的安全性，實現(xiàn)平臺安全登錄，檢驗個人或機構(gòu)的身份，建立可信、安全的應用系統(tǒng)。

（3）在技術(shù)體系方面，從物理安全、網(wǎng)絡安全、主機系統(tǒng)安全、應用安全、數(shù)據(jù)安全幾個方面，按照P2DR2模型，通過全面提升信息安全防護、檢測、響應和恢復能力，保證平臺的保密性、完整性和可用性。

（4）在運維體系方面，依據(jù)等級保護對運維管理的相關要求，制訂和完善各種流程規(guī)范，制訂階段性工作計劃，開展信息安全風險評估，同時堅持做好日常維護管理、應急計劃和事件響應等方面的工作，以保證安全管理措施和安全技術(shù)措施的有效執(zhí)行。

（5）對于關鍵及敏感的數(shù)據(jù)，采用加密機制，授權(quán)合法用戶才能訪問、使用及控制，并具有完備的日志及審核功能。引入防火墻、入侵檢測、網(wǎng)關防病毒系統(tǒng)，實現(xiàn)邊界隔離、安全防護以及數(shù)據(jù)備份恢復措施。

3　系統(tǒng)設計架構(gòu)

3.1系統(tǒng)分析與設計思路

平臺概要設計需要滿足如下要求：

（1）功能需求。指定系統(tǒng)必須提供的服務，劃分出系統(tǒng)必須完成的所有功能。

（2）性能需求。系統(tǒng)能夠滿足1千在線用戶、5萬日訪問量，系統(tǒng)響應時間不超過3秒，傳輸速率千兆位，數(shù)據(jù)容量達到PB級，有容災互備、網(wǎng)絡攻擊防御、內(nèi)部數(shù)據(jù)訪問監(jiān)控等安全性要求。

（3）可靠性和可用性需求。系統(tǒng)應提供互備，在系統(tǒng)某個部分不能正常工作時能夠自動切換相應的備份系統(tǒng)，保證7×24小時運行。

（4）出錯處理需求。提供系統(tǒng)健康監(jiān)測功能，實時監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件運行狀態(tài)，能自動監(jiān)測系統(tǒng)的負荷、故障、錯誤。

（5）接口需求。系統(tǒng)的用戶接口需求、硬件接口需求、軟件接口需求和通信接口需求應符合電子政務建設規(guī)范和標準，不在規(guī)范和標準內(nèi)的接口，應研究制定本系統(tǒng)內(nèi)的統(tǒng)一標準。

（6）約束設計。系統(tǒng)設計應當充分并遵守用戶或環(huán)境強加給項目的限制條件。常見的約束有：精度、工具和語言約束、設計約束、應該使用的標準、應該使用的硬件平臺。

（7）逆向需求。系統(tǒng)設計應明確指出能夠澄清的、不屬于本系統(tǒng)的需求，以消除可能發(fā)生的誤解的那些逆向需求。

（8）可擴展性需求。系統(tǒng)應滿足：數(shù)據(jù)量和種類增長的容量擴展，用戶量增長的訪問擴展、處理量增長的計算能力擴展、需求增長帶來的功能擴展。

3.2系統(tǒng)設計概要方案

綜合考慮以上的分析和設計思路，采用云平臺方案。技術(shù)上，采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)處理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，采用大數(shù)據(jù)Hadoop技術(shù)處理半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理基礎之上，設計數(shù)據(jù)處理任務調(diào)度總控子系統(tǒng)?；诖?，以Hadoop為系統(tǒng)的總框架，系統(tǒng)總體概念框架如圖1所示。

基于系統(tǒng)總體概念框架，系統(tǒng)的設計分為硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和安全機制三個方面進行設計。

3.3系統(tǒng)硬件架構(gòu)

在系統(tǒng)硬件架構(gòu)設計上，采用分布式的服務器集群，同時建立災備中心。

對于結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)和處理，采用小型機為服務器進行集群，數(shù)據(jù)存儲采用陣列式存儲設備，以利于數(shù)據(jù)的快速讀寫、修改和計算。

對于半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，采用Hadoop大數(shù)據(jù)技術(shù)，中高端PC服務器為硬件分布式集群，以利于系統(tǒng)的平滑擴展、巨量數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析。

分布式的各集群之間的網(wǎng)絡設計，采用千兆光纖進行連接。對于在同一局域網(wǎng)內(nèi)的集群，盡量連接同一個交換機/路由器，以減少網(wǎng)絡傳輸時的跳轉(zhuǎn)。

圖1　系統(tǒng)總體概念框架圖Fig.1 System overall conceptual framework diagram

3.4系統(tǒng)軟件架構(gòu)

軟件平臺在Hadoop架構(gòu)基礎上，采用基于J2EE的B/S（瀏覽器/服務器）架構(gòu)，使用JSP+Oracle+Linux的開發(fā)模式，有效地實現(xiàn)海量資源和分布式資源的整合。

軟件平臺采用多層架構(gòu)設計，由下至上分別為基礎數(shù)據(jù)層、支撐層、業(yè)務邏輯層和應用層。各層間相互獨立，通過既定的統(tǒng)一接口標準進行調(diào)用，保證系統(tǒng)有較好的和靈活性可擴展性。

應用與展示層：需要對支撐層傳遞的數(shù)據(jù)進行整合、分析，根據(jù)用戶需求提煉出最具意義的數(shù)據(jù)與信息，并且將數(shù)據(jù)進行可視化展示，可通過多種方式推送預警信息到不同的用戶。系統(tǒng)支持個人電腦、移動終端訪問。

業(yè)務層：主要用于分別處理土地、交通、水資源、環(huán)境、海洋、能源、就業(yè)、海上交通、船舶污染、人口承載力等各個子系統(tǒng)的業(yè)務數(shù)據(jù)。

基礎數(shù)據(jù)層：主要用于中央數(shù)據(jù)庫和各個專題數(shù)據(jù)庫的存放。

系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)軟件框架圖Fig.2 System software framework diagram

3.5安全機制

平臺安全包括硬件、網(wǎng)絡、機房等基礎設施安全，系統(tǒng)、應用、數(shù)據(jù)安全，以及操作、管理安全三大方面。針對這三大方面的安全，采取“防護、監(jiān)測、響應、恢復”的安全策略和措施，從而形成系統(tǒng)的安全機制，確保平臺安全。系統(tǒng)的安全機制體系如圖3所示。

3.5.1基礎設施安全措施

（1）隔離措施—通過VLAN、防火墻保護安全域邊界安全；

（2）網(wǎng)絡防病毒—用于預防病毒在本平臺所在安全域內(nèi)傳播、感染和發(fā)作；

（3）監(jiān)控檢測系統(tǒng)—用于及時發(fā)現(xiàn)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、應用系統(tǒng)以及網(wǎng)絡協(xié)議安全漏洞，防止安全漏洞引起的安全隱患；

圖3　安全機制體系Fig.3 Security system

（4）可靠性設計—系統(tǒng)設計采用分布式集群冗余設計，并建立災備中心，避免系統(tǒng)關鍵設備服務器單點故障問題；

（5）備份恢復系統(tǒng)—確保在系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下能夠重建恢復到出現(xiàn)故障前的狀態(tài)。

3.5.2系統(tǒng)、應用、數(shù)據(jù)安全措施

（1）身份認證—建立統(tǒng)一的用戶信息庫，為系統(tǒng)提供身份認證服務，基于分級保護的策略，實現(xiàn)CA數(shù)字證書認證方式；

（2）權(quán)限管理—采用集中授權(quán)、分級管理，允許用戶在權(quán)限范圍內(nèi)訪問系統(tǒng)的功能模塊；

（3）信息訪問控制—對系統(tǒng)功能和數(shù)據(jù)進行分級管理，根據(jù)需要，不僅能夠為合法用戶分配不同級別的功能和數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限，而且能夠?qū)γ恳粭l信息設置不同的訪問權(quán)限，用戶登錄后只能訪問已授權(quán)的系統(tǒng)信息；

（4）系統(tǒng)日志與審計—當用戶對資源進行操作過程可以配置日志記錄功能，比如認證日志、權(quán)限檢測日志、和操作日志。審計檢查各種日志，發(fā)現(xiàn)安全隱患，比如可能的賬號攻擊、多次權(quán)限檢測發(fā)現(xiàn)訪問非授權(quán)資源；

（5）數(shù)據(jù)完整性—對數(shù)據(jù)的存儲、傳輸進行完整性保護。在系統(tǒng)設計與開發(fā)中解決數(shù)據(jù)可靠存儲的問題，在長距離數(shù)據(jù)傳輸中充分考慮網(wǎng)絡傳輸質(zhì)量對數(shù)據(jù)完整性的影響，采用數(shù)據(jù)可靠性傳輸技術(shù)手段，確保數(shù)據(jù)的完整性。

（6）加密處理—采用現(xiàn)代密碼算法對數(shù)據(jù)進行主動保護，如數(shù)據(jù)保密、數(shù)據(jù)完整性、雙向強身份認證等；

（7）冗余存儲—采用現(xiàn)代信息存儲手段對數(shù)據(jù)進行主動防護，如通過磁盤陣列、數(shù)據(jù)備份、異地容災等手段保證數(shù)據(jù)的安全。

3.5.3安全管理體系

（1）安全管理組織—形成一個統(tǒng)一領導、分工負責，能夠有效管理整個系統(tǒng)安全工作的組織體系；

（2）安全標準規(guī)范體系—能夠有效規(guī)范、指導QYBZJG信息化系統(tǒng)建設和運行維護的安全標準規(guī)范體系；

（3）安全管理制度—包括實體管理、網(wǎng)絡安全管理、系統(tǒng)管理、信息管理、人員管理、密碼管理、系統(tǒng)維修管理及獎懲等制度；

（4）安全服務體系—系統(tǒng)運行后的安全培訓、安全咨詢、安全評估、安全加固、緊急響應等安全服務；

（5）安全管理手段—利用先進成熟的安全管理技術(shù)，逐步建立系統(tǒng)的安全管理系統(tǒng)。

4　結(jié)論

建立“城市資源環(huán)境承載力系統(tǒng)技術(shù)支撐平臺”是實現(xiàn)基礎數(shù)據(jù)信息化管理，輔助制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的關鍵環(huán)節(jié)，可以藉此匯聚與可持續(xù)發(fā)展有關的環(huán)境、資源、人口與經(jīng)濟的分散數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)不一致的計算方法與統(tǒng)計口徑，實現(xiàn)信息共享，確保城市經(jīng)濟、社會、人口、資源、環(huán)境的和諧均衡發(fā)展。

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【責任編輯：楊立衡】

【信息技術(shù)理論研究】

Technical support platform planning for urban resource environmental carrying capacity-A case study of Shenzhen

HE Cheng1， LIANG Yongsheng2， GAO Bo2
（1. Information Centre， Shenzhen Institute of Information Technology， Shenzhen 518172， China；2.Institute of information technology， Shenzhen Institute of Information Technology， Shenzhen 518172， China）

Abstract:Our cities， especially first-tier cities are facing increasingly serious contradictions of the urban population，socio-economic development and resource environmental carrying capacity. Based on the detailed analysis and scientific definition of urban resource environmental connotation and denotation， technical support platform solution for urban environmental carrying capacity system is proposed. Each subsystem's constituent elements of urban resource carrying capacity are decomposed quantitatively and analytical functions are established. The "Information technical support platform for urban resource environmental carrying capacity system" is planned to get the targets and ideas， building paths and key technologies. Taking Shenzhen for example， based on the system building target，the overall system requirements， system business requirements and security requirements are established. Finally， the architecture of the system is designed.

Keywords:urban； resource environmental； carrying capacity； platform

中圖分類號：TP311.52

文獻標識碼：A

文章編號：1672-6332（2016）01-0001-06

［收稿日期］2015-11-15

［基金項目］深圳市政府發(fā)展研究中心重大研究課題

［作者簡介］何承（1975-），男（漢），廣東梅州人，講師，研究方向：計算機應用。E-mail:hec@sziit.edu.cn