智慧城市及其關(guān)鍵技術(shù)研究

王慶光

摘 要：智慧城市是當(dāng)前城市發(fā)展的新理念和新模式，是信息時(shí)代的新型城市化發(fā)展模式。為解決城市發(fā)展過程中的各種問題，應(yīng)大力發(fā)展智慧城市，利用新技術(shù)處理城市問題，提升市民的生活品質(zhì)和幸福感，為此世界各國不約而同將智慧城市作為未來的發(fā)展模式。概述國內(nèi)外智慧城市的發(fā)展，重點(diǎn)研究智慧城市建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)目前智慧城市建設(shè)中的問題，并提出相應(yīng)的策略，為今后更有效的智慧城市建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：智慧城市 云計(jì)算 大數(shù)據(jù) 物聯(lián)網(wǎng) 空間信息

中圖分類號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）07（b）-0025-04

Abstract： Smart city is a new idea and new mode of the current urban development， and it is the new urbanization development pattern of the information time. To solve the various problems in the process of urban development， we should vigorously develop smart city， and use new technology to deal with urban problems， and enhance people's quality of life and happiness， therefore various countries in the world happens to coincide to smart city as the future developing mode. This paper expounds the development situation of smart city at home and abroad， and puts emphasis on key technologies of supporting the construction of smart city， and summaries the problem in current construction of smart city， and comes up with the corresponding strategy， and provides a reference for more effective smart city construction in the future.

Key Words： Smart city； Cloud computing； Big data； Internet of things； Spatial information

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的加快，出現(xiàn)了許多的“城市病”：城市規(guī)模大、辦事效率低、交通擁堵、能源消耗過度等，傳統(tǒng)城市管理大方法已經(jīng)力不從心了，于是“智慧城市”逐漸興起。

智慧城市是當(dāng)前城市發(fā)展的新理念和新模式，以改善城市人居環(huán)境質(zhì)量、優(yōu)化城市管理和生產(chǎn)生活方式、提升城市居民幸福感受為目的，是信息時(shí)代的新型城市化發(fā)展模式，對(duì)于城市實(shí)現(xiàn)以人為本、全面協(xié)調(diào)可持續(xù)的科學(xué)發(fā)展具有重要意義[1]。

該文擬論述智慧城市理論及其在國內(nèi)外發(fā)展的基礎(chǔ)上研究智慧城市的關(guān)鍵技術(shù)，分析目前智慧城市建設(shè)存在的問題與應(yīng)對(duì)策略。

1 從數(shù)字城市到智慧城市

數(shù)字城市來源于美國。1998年1月，時(shí)任美國副總統(tǒng)的戈?duì)柊l(fā)表了題為“數(shù)字地球：在21世紀(jì)認(rèn)識(shí)我們的行星”的演說，提出了“數(shù)字地球”的概念。 “數(shù)字城市”是“數(shù)字地球”的具體體現(xiàn)，是以計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和大規(guī)模存儲(chǔ)技術(shù)為基礎(chǔ)，以寬帶網(wǎng)絡(luò)為紐帶，運(yùn)用遙感、全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、遙測(cè)、仿真-虛擬等技術(shù)，對(duì)城市進(jìn)行多分辨率、多尺度、多時(shí)空和多種類的三維描述。智慧城市同樣來源于美國。2008年底，IBM提出“智慧地球的概念，對(duì)未來全球的任務(wù)進(jìn)行了前瞻性的展望，提出了智慧地球和智慧城市的理念。

數(shù)字城市在我國經(jīng)過十幾年的發(fā)展，積累了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)也面臨諸多挑戰(zhàn)，包括超級(jí)海量信息的采集、存儲(chǔ)、分析、傳輸、利用等問題，數(shù)字城市還停留在虛擬系統(tǒng)中，尚未與物理城市進(jìn)行互動(dòng)。智慧城市是數(shù)字城市的智能化，是數(shù)字城市功能的延伸、拓展和升華，通過物聯(lián)網(wǎng)把數(shù)字城市與物理城市無縫連接起來，利用云計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)對(duì)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行快速和協(xié)同處理，并提供智能化服務(wù)，主要表現(xiàn)為感知能力、邏輯思維能力、自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)能力、行為決策能力[2]。因此，智慧城市是來源于數(shù)字城市，又高于數(shù)字城市。

2 國內(nèi)外智慧城市發(fā)展概況

目前，智慧城市已成為全球城市發(fā)展關(guān)注的熱點(diǎn)，因此受到各國政府的歡迎，相繼提出了“智慧城市”的戰(zhàn)略舉措：2009年9月，美國愛荷華州的迪比克市與IBM共同宣布，將建設(shè)美國第一個(gè)“智慧城市”；歐盟在2007年提出一整套智慧城市建設(shè)目標(biāo)并付諸實(shí)施；日本政府于2009年7月推出《I-Japan（智慧日本）戰(zhàn)略2015》。

中國作為一個(gè)發(fā)展中的大國，近年來非常重視智慧城市的建設(shè)：2010年，科學(xué)技術(shù)部等部門在武漢舉辦了“2010中國智慧城市論壇”；2011年5月，國家測(cè)繪局更名為國家測(cè)繪地理信息局；2014年8月，國家發(fā)展改革委員會(huì)、工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部等8部委出臺(tái)了《關(guān)于促進(jìn)智慧城市健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》，指出智慧城市建設(shè)的主要目標(biāo)是到2020年，建成一批特色鮮明的智慧城市。2016年3月，李克強(qiáng)總理在全國兩會(huì)上作關(guān)于政府工作的報(bào)告時(shí)也指出：打造智慧城市，改善人居環(huán)境，使人民群眾生活得更安心、更省心、更舒心。

3 智慧城市關(guān)鍵技術(shù)

智慧城市的建設(shè)過程，就是以社會(huì)經(jīng)濟(jì)繁榮為目標(biāo)，以社會(huì)和諧穩(wěn)定為前提，以民生幸福為考核標(biāo)準(zhǔn)，將新的信息技術(shù)充分地運(yùn)用到城市的各行各業(yè)，人類可以用一種更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，達(dá)到“智慧”的狀態(tài)。目前來說，新的信息技術(shù)包括云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息安全技術(shù)和空間信息技術(shù)等。

3.1 云計(jì)算技術(shù)

隨著數(shù)字技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的急速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)量高速增長(zhǎng)，而互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理能力不足。同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)上存在著大量處于閑置狀態(tài)的計(jì)算設(shè)備和存儲(chǔ)資源，如果能夠?qū)⑵渚酆掀饋斫y(tǒng)一調(diào)度提供服務(wù)，則可大大提高其利用率，讓更多的人從中受益，這正是云計(jì)算要實(shí)現(xiàn)的重要目標(biāo)之一[3]。云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的大眾參與的計(jì)算模式，其計(jì)算資源是動(dòng)態(tài)、可伸縮、被虛擬化的，而且以服務(wù)的方式提供[4]?；谠朴?jì)算技術(shù)，建立從基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)、平臺(tái)到服務(wù)的一體化的時(shí)空信息云平臺(tái)，將空間大數(shù)據(jù)、視頻大數(shù)據(jù)以及各類應(yīng)用中的大數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理，并按照實(shí)際需求進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、管理，并提供相應(yīng)服務(wù)，能夠滿足交通、物流、城市管理、旅游、安防、應(yīng)急等各行業(yè)和城市綜合的智慧應(yīng)用，推動(dòng)智慧城市的完善和發(fā)展。云計(jì)算是實(shí)現(xiàn)智慧城市的核心技術(shù)，提供強(qiáng)大的智能決策支撐能力。

3.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)指的是收集和分析大量信息的能力，目的在于從復(fù)雜的數(shù)據(jù)里找到過去不容易昭示的規(guī)律[5]。大數(shù)據(jù)之“大”，并不僅僅在于“容量之大”，更多的意義在于人類可以發(fā)現(xiàn)新的知識(shí)，創(chuàng)造新的價(jià)值，帶來“大知識(shí)、大利潤”和“大發(fā)展”[6]。

智慧城市中由海量傳感器組成的物聯(lián)網(wǎng)將不斷地采集海量的數(shù)據(jù)，而這些大數(shù)據(jù)需要經(jīng)過存儲(chǔ)、處理、查詢和分析后才能充分用于各類應(yīng)用，從而提供智慧服務(wù)，并且對(duì)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、查詢和分析的實(shí)時(shí)性要求越來越高，隨之將帶來一系列的問題和挑戰(zhàn)[7]。在智慧城市中，大數(shù)據(jù)應(yīng)用主要體現(xiàn)在大數(shù)據(jù)融合、大數(shù)據(jù)處理以及大數(shù)據(jù)分析挖掘等方面。

3.2.1 大數(shù)據(jù)融合

目前政府掌握的公共數(shù)據(jù)量大、面廣、價(jià)值密度高，但由于部門利益不協(xié)調(diào)、技術(shù)規(guī)范不一致、安全責(zé)任不明晰等原因，不同行業(yè)、部門、地域的數(shù)據(jù)普遍被隔離，相關(guān)數(shù)據(jù)之間天然的關(guān)聯(lián)性和耦合性被割裂，“信息孤島、信息盲點(diǎn)、數(shù)據(jù)壟斷”和“數(shù)據(jù)打架”現(xiàn)象大量存在[8]。為此，大數(shù)據(jù)融合技術(shù)加強(qiáng)大數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、海量異構(gòu)數(shù)據(jù)建模、融合、存儲(chǔ)與索引等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，為底層數(shù)據(jù)集成的信息共享提供標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)保障。

3.2.2 大數(shù)據(jù)處理

大數(shù)據(jù)環(huán)境下，需要分析的數(shù)據(jù)來源廣泛、類型豐富、數(shù)據(jù)量大。大規(guī)模數(shù)據(jù)在智慧城市系統(tǒng)中流動(dòng)頻繁，需要對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行與處理，通過數(shù)據(jù)提取、轉(zhuǎn)換和加載等操作，提高大數(shù)據(jù)分析質(zhì)量和效率，以滿足數(shù)據(jù)分析和挖掘的需要。

3.2.3 大數(shù)據(jù)分析挖掘

大數(shù)據(jù)的真正價(jià)值在于挖掘和分析，找到這些數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)它們背后的規(guī)律，為解決實(shí)際問題服務(wù)。在目前的智慧城市建設(shè)中，我們需要注重的應(yīng)該是如何盤活已有數(shù)據(jù)存量，用好大數(shù)據(jù)增量，來提升城市公共服務(wù)能力和管理決策水平。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)，就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。它有兩層意思：其一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；其二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信。

物聯(lián)網(wǎng)能實(shí)現(xiàn)人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器的互聯(lián)互通，各類型的傳感器能通過各類有線和無線網(wǎng)絡(luò)為用戶提供固定、游牧和移動(dòng)式無所不在的應(yīng)用和服務(wù)。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展對(duì)智慧城市在市政管理智能化、農(nóng)業(yè)園林智能化、醫(yī)療智能化、樓宇智能化、交通智能化、旅游智能化及其他應(yīng)用智能化等方面起到基礎(chǔ)技術(shù)支持的作用。

3.4 信息安全技術(shù)

智慧城市是以物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等新技術(shù)建設(shè)的新型城市，涉及信息的采集、傳輸、處理等多個(gè)環(huán)節(jié)，智慧城市所面臨的風(fēng)險(xiǎn)根源也是來自其實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)——物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)。信息安全技術(shù)以提高信息安全防護(hù)、發(fā)現(xiàn)安全隱患和漏洞為主要研究目標(biāo)，是保證智慧城市能夠安全和穩(wěn)定運(yùn)行的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[9]。

3.4.1 物聯(lián)網(wǎng)安全

智慧城市的物聯(lián)網(wǎng)無處不在，承載著把物理世界和信息世界建立全面聯(lián)系的重任，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備化、智能化和互聯(lián)化的特征，致使其存在著較大的安全隱患。

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)總體上可歸結(jié)為感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層三層。物聯(lián)網(wǎng)的感知層節(jié)點(diǎn)一旦被攻擊者控制后，與其交互的信息都將被攻擊者獲取，還可能發(fā)出錯(cuò)誤的信息，從而影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此，感知層安全措施必須能夠判斷和阻斷惡意節(jié)點(diǎn)，保障感知層的連通性。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層是對(duì)感知層和應(yīng)用層之間的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行安全可靠的傳遞。保障物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸層安全的技術(shù)措施主要包括：安全路由協(xié)議和惡意代碼防御技術(shù)[10]。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層提供豐富的基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的根本目標(biāo)。應(yīng)用層涉及到分布式計(jì)算、數(shù)據(jù)融合、云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘、語義分析等核心技術(shù)。通過授權(quán)認(rèn)證、加密等安全機(jī)制來保證用戶在通信中的隱私安全：授權(quán)認(rèn)證機(jī)制只有合法用戶才能讀取相應(yīng)級(jí)別的數(shù)據(jù)；加密機(jī)制使得只有擁有解密密鑰的合法用戶才能讀取物聯(lián)網(wǎng)終端上的信息，并保證信息在傳輸過程不被中間人監(jiān)聽。

3.4.2 云計(jì)算安全

云計(jì)算的安全問題無疑是云計(jì)算應(yīng)用最大的瓶頸和顧慮。云計(jì)算擁有龐大的計(jì)算能力與豐富的計(jì)算資源，越來越多的惡意攻擊者正在利用云計(jì)算服務(wù)實(shí)施惡意攻擊[11]。

云計(jì)算安全主要包括數(shù)據(jù)安全、應(yīng)用安全和虛擬化安全。數(shù)據(jù)安全主要為云計(jì)算中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)提供安全保證[12]。應(yīng)用安全主要是用來保障運(yùn)行在云計(jì)算平臺(tái)上的各種應(yīng)用系統(tǒng)的安全。虛擬化安全是對(duì)底層的計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)等資源進(jìn)行抽象，為上層服務(wù)提供靈活富有彈性的資源池。

3.5 空間信息技術(shù)

空間信息技術(shù)是20世紀(jì)60年代興起的一門新興技術(shù)，是衛(wèi)星定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)和遙感與通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的綜合集成。衛(wèi)星定位系統(tǒng)是一個(gè)基于人造衛(wèi)星、面向全球的全天候無線電定位、定時(shí)系統(tǒng)[13]，由空間衛(wèi)星、地面控制和用戶設(shè)備等三部分構(gòu)成，具有實(shí)時(shí)定位速度快、抗干擾性好、精度高、效率高、儀器操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，為實(shí)時(shí)獲取城市室外地表物體的位置信息提供了可能，在智慧城市建設(shè)各領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。地理信息系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、地理數(shù)據(jù)和用戶組成[14]。建設(shè)智慧城市，離不開城市地理信息系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)，有了服務(wù)平臺(tái)，智慧城市建設(shè)才有施展空間。城市地理信息系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)可為政府部門、企業(yè)單位和公眾提供空間數(shù)據(jù)支撐和服務(wù)，實(shí)現(xiàn)與地理空間信息的充分共享[15]。遙感是通過遠(yuǎn)距離記錄目標(biāo)物的電磁波特性，分析、解譯、揭示其變化規(guī)律。遙感在獲取數(shù)據(jù)時(shí)具有宏觀、綜合、動(dòng)態(tài)和快速等特點(diǎn)[16]，因此被廣泛采應(yīng)用于智慧城市空間數(shù)據(jù)的獲取。目前遙感數(shù)據(jù)已經(jīng)成為智慧城市最基本的空間數(shù)據(jù)來源。

4 問題與策略

智慧城市理念為城市未來的發(fā)展描繪了美好藍(lán)圖，國內(nèi)外智慧城市建設(shè)也在如火如荼進(jìn)行，但是智慧城市建設(shè)的過程中也存在著一些問題，為此必須采取相應(yīng)策略來推動(dòng)智慧城市健康發(fā)展。

4.1 缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃

目前的智慧城市建設(shè)過程中，可參照的政策法規(guī)和核心技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不足，造成項(xiàng)目建設(shè)水平、基礎(chǔ)參差不齊，制約智慧城市的健康發(fā)展。為此，要根據(jù)技術(shù)變革方向和實(shí)際需求，準(zhǔn)確把握未來的智慧城市發(fā)展的前沿方向，制定高標(biāo)準(zhǔn)的智慧城市建設(shè)規(guī)劃全面統(tǒng)籌建設(shè)各領(lǐng)域的智慧項(xiàng)目，按計(jì)劃、有重點(diǎn)、分層次地協(xié)調(diào)推進(jìn)智慧城市的建設(shè)。國家主管部門要牽頭研究制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、加快政策的制定和法律法規(guī)的出臺(tái)，為智慧城市建設(shè)提供保障。

4.2 缺乏地域特色。

中國目前還缺乏可以參照的智慧城市“樣板”，缺乏好的經(jīng)驗(yàn)，不同的城市之間相互“借鑒學(xué)習(xí)”，造成智慧城市建設(shè)“千城一面”，缺乏地域特色。為此需要我們?cè)诮窈蟮闹腔鄢鞘薪ㄔO(shè)過程中結(jié)合城市的性質(zhì)特征、功能、歷史文化等，突出城市的區(qū)域優(yōu)勢(shì)和特色。要在充分論證、民主決策的基礎(chǔ)上，制定能夠突出區(qū)域優(yōu)勢(shì)地位的智慧城市建設(shè)的短期、中期、長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，相應(yīng)的規(guī)劃應(yīng)由當(dāng)?shù)厝舜蟀凑辗赏緩奖頉Q通過并公布，以法治的路徑確?？茖W(xué)合理的智慧城市建設(shè)規(guī)劃能夠穩(wěn)妥推進(jìn)。智慧城市的建設(shè)應(yīng)該結(jié)合當(dāng)?shù)貐^(qū)域優(yōu)勢(shì)而進(jìn)行，保障相鄰城市之間形成專業(yè)協(xié)作關(guān)系，促使相鄰城市之間的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)和有序轉(zhuǎn)換。

4.3 “信息孤島”現(xiàn)象普遍存在

資源的整合，尤其是信息資源的整合，是智慧城市建設(shè)的關(guān)鍵所在。各部門、各行業(yè)、各地域間有價(jià)值的公共信息資源和商業(yè)數(shù)據(jù)的開放程度較低，“信息孤島”普遍存在，互聯(lián)互通程度不足，與智慧城市的大數(shù)據(jù)要求相差甚遠(yuǎn)。信息資源的開放、共享、利用仍是難啃的‘硬骨頭，信息碎片化是我國智慧城市建設(shè)的核心挑戰(zhàn)?！?這些“碎片化”的信息資源導(dǎo)致了大量的“信息孤島、智能孤島”，成為智慧城市建設(shè)的巨大障礙。為此必須形成智慧城市建設(shè)的統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)，破除體制藩籬，改變信息壟斷、不透明的狀況，完善各業(yè)務(wù)部門間的協(xié)作機(jī)制，促成跨部門、跨行業(yè)互聯(lián)互通與資源共享。

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