基于智慧城市建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用研究

中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所 倪云飛

基于智慧城市建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用研究

中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所 倪云飛

隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，各行各業(yè)都充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對自身進(jìn)行了優(yōu)化。對于智慧城市來講，主要是以物聯(lián)網(wǎng)以及云計(jì)算等作為建設(shè)的核心技術(shù)，其本身具有的多種優(yōu)點(diǎn)使得其成為了未來時(shí)代發(fā)展下的必然產(chǎn)物。因此本文主要講述了基于智慧城市建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用研究，主要對其建設(shè)過程中的各個(gè)核心技術(shù)進(jìn)行了較為深入的分析，以此來供相關(guān)人員參考交流。

智慧城市；物聯(lián)網(wǎng)；云計(jì)算；大數(shù)據(jù)

引言

以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算以及大數(shù)據(jù)為核心技術(shù)來對智慧城市進(jìn)行建設(shè)，即將智能化、數(shù)字化以及網(wǎng)絡(luò)化等與智慧城市的建設(shè)融為一體，使得其具有不浪費(fèi)資源、不污染環(huán)境、方便人們生活等多種優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也推動(dòng)了智慧城市的可持續(xù)發(fā)展。而這三種技術(shù)均是互聯(lián)網(wǎng)的衍生物，因此使得智慧城市的信息系統(tǒng)具有了多種能力，同時(shí)也讓智慧城市在未來的發(fā)展中得到了廣泛的推廣。

一、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

（一）整體架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要是用來實(shí)現(xiàn)物與物之間的信息交流，其整體的架構(gòu)由三個(gè)部分組成，首先是對物體進(jìn)行感知的感知層，其次是使得網(wǎng)絡(luò)能夠相互連通的網(wǎng)絡(luò)層，最后是具體的應(yīng)用層。

感知層主要作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的觸角來讓物品與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息的交換和通訊，具體是先對物品的相關(guān)信息進(jìn)行識(shí)別，然后對相關(guān)的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，以此來實(shí)現(xiàn)物品與互聯(lián)網(wǎng)的連接[1]。另外，感知技術(shù)是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，同時(shí)也作為物品與物品相連的主要技術(shù)，系統(tǒng)若想對物品進(jìn)行智能控制，就必須要先利用感知層對待控制物品的相關(guān)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理。對于網(wǎng)絡(luò)層來講，其是互聯(lián)網(wǎng)的衍生物，也作為整個(gè)系統(tǒng)的信息通道來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互通連接。此外如果單單依靠物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是不能夠形成強(qiáng)大的物理系統(tǒng)的，因此其需要將大數(shù)據(jù)云計(jì)算系統(tǒng)平臺(tái)作為載體，通過利用云計(jì)算技術(shù)對資源的整合能力來對海量的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)也可以進(jìn)行計(jì)算以及對存儲(chǔ)的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)。最后對于應(yīng)用層來講，其是人與物進(jìn)行溝通的平臺(tái)，也是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的受益終端，從智能家居到對城市交通的管理以及對物流系統(tǒng)的管理等無不應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)，因此其已經(jīng)深入到了城市人民日常生活的各個(gè)層面。

（二）射頻識(shí)別

射頻識(shí)別作為一種信息獲取技術(shù)，主要是通過利用無線射頻識(shí)別來實(shí)現(xiàn)對物品信息的獲取。其一般由三個(gè)部分組成，首先是標(biāo)簽，其次是閱讀器，最后是數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。而其主要的工作原理是利用驅(qū)動(dòng)電路將閱讀器發(fā)射出的無線電波能量內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出，然后閱讀器再次的對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并且解讀，解讀之后傳送給應(yīng)用程序，利用應(yīng)用程序?qū)ζ溥M(jìn)行相關(guān)的處理，處理之后進(jìn)行對數(shù)據(jù)的采集以及存儲(chǔ)。

（三）傳感器

傳感器技術(shù)主要是對需要探測的物體的物理信號(hào)進(jìn)行感知，整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的傳感網(wǎng)絡(luò)也是有大量的傳感器來構(gòu)成的。傳感網(wǎng)絡(luò)主要有三個(gè)單元組成，分別為對信息進(jìn)行感知的傳感單元，對信息進(jìn)行處理的處理單元以及對實(shí)現(xiàn)信息之間通信的通信單元。而對于其工作原理主要是利用物理傳感器和化學(xué)傳感器等來對物體的物理信號(hào)包括溫度、濕度以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等進(jìn)行采集，采集完成之后將其有用的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后利用網(wǎng)絡(luò)連接通道將信息傳送到大數(shù)據(jù)云計(jì)算平臺(tái)[2]。

（四）網(wǎng)絡(luò)通信

網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)主要由三個(gè)部分組成，首先是無線低速網(wǎng)絡(luò)，其次是M2M技術(shù)，最后是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。首先對于無線低速網(wǎng)絡(luò)來講，主要是在物體與物體連接完成之后，通過利用低速網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)物與物之間的相互連通，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中較低的節(jié)點(diǎn)。其主要包含有近距離通信NFC以及藍(lán)牙等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。而對于M2M技術(shù)來講，是機(jī)器對機(jī)器的簡稱，在人與機(jī)器以及系統(tǒng)進(jìn)行智能化的連接過程中，主要利用的是便是M2M技術(shù)，其也是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也被用于對自動(dòng)售貨機(jī)的安全檢測以及物流的跟蹤等。最后對于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)來講，主要是指正在進(jìn)行通信交流的雙方至少其中的一方處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，在運(yùn)動(dòng)中來實(shí)現(xiàn)信息的傳輸以及交換，其主要包含有衛(wèi)星移動(dòng)和蜂窩移動(dòng)等技術(shù)。

（五）嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)主要是將其全部嵌入到被控制器件的內(nèi)部，也是專門針對特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種非PC系統(tǒng)。其主要的構(gòu)架由四部分組成，分別是對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的處理器、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器、輸入輸出部分以及軟件部分。而對于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的功能來講，不僅可以實(shí)現(xiàn)傳感器之間的相互連接，其自身也可以通過嵌入式系統(tǒng)的作用來對物體進(jìn)行智能化的控制[3]。

二、云計(jì)算技術(shù)

（一）體系架構(gòu)

對于云計(jì)算來講，其體系結(jié)構(gòu)主要分為四個(gè)部分，首先是將軟件作為服務(wù)的軟件即服務(wù)部分，其次是將開發(fā)平臺(tái)作為服務(wù)的平臺(tái)即服務(wù)部分，另外是將基礎(chǔ)設(shè)備轉(zhuǎn)化成服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)備服務(wù)部分，最后是物理資源部分。以上的三種服務(wù)是既相互聯(lián)系而又獨(dú)立的，站在用戶的角度對三種服務(wù)來看，它們是相互獨(dú)立的，可是站在技術(shù)的角度來分析，它們又存在著內(nèi)在的聯(lián)系。

（二）虛擬化

虛擬化技術(shù)是一個(gè)共享的動(dòng)態(tài)平臺(tái)，其主要是可以實(shí)現(xiàn)對離散的硬件資源的整合。在進(jìn)行云計(jì)算時(shí)，其是以虛擬軟件作為載體來進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)算，而不是在真實(shí)的硬件上運(yùn)行，因此利用一臺(tái)服務(wù)器便可以同時(shí)對多個(gè)虛擬機(jī)進(jìn)行控制。除此之外，通過利用虛擬化技術(shù)對云計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行處理以后，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源運(yùn)用的最大化，以此來進(jìn)行對海量數(shù)據(jù)的計(jì)算，同時(shí)由于多個(gè)虛擬機(jī)同時(shí)在運(yùn)行，也可以大大地提高運(yùn)算的效率，可以更高效地滿足用戶的需求。

（三）數(shù)據(jù)分布儲(chǔ)存

由于云計(jì)算系統(tǒng)在其運(yùn)行的過程中需要龐大的存儲(chǔ)空間，其次還要確保云計(jì)算利用的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，針對于此問題，設(shè)計(jì)出了分布式存儲(chǔ)架構(gòu)，其可以協(xié)調(diào)多個(gè)計(jì)算機(jī)同時(shí)作業(yè)，而且自身也可以通過文件管理協(xié)調(diào)系統(tǒng)來利用多個(gè)計(jì)算機(jī)對海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)計(jì)算，計(jì)算完成之后再將其進(jìn)行分布式的儲(chǔ)存，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對大數(shù)據(jù)的拆分、運(yùn)算以及存儲(chǔ)。因?yàn)槠渥陨淼奶匦?，也使得其成為了云基礎(chǔ)架構(gòu)的重要組成部分。

（四）安全技術(shù)

從計(jì)算機(jī)開始制造一直到現(xiàn)今的使用，安全問題也一直貫穿在整個(gè)過程。對于云計(jì)算系統(tǒng)來講，由于用戶的信息數(shù)據(jù)以及軟件均在“云”中保存，所以云計(jì)算的安全也直接決定著用戶的相關(guān)數(shù)據(jù)信息的安全，所以需要利用更加先進(jìn)的安全技術(shù)來保護(hù)云計(jì)算的平臺(tái)，而現(xiàn)今用戶使用云計(jì)算時(shí)，首先考慮到的也是云計(jì)算的安全性能。

（五）編程模型

云計(jì)算之所以提出編程模型是為了方便用戶更好地對云計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行使用，用戶可以利用編程模型中的相關(guān)程序來對實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的特定功能，同時(shí)編程模型也可以對復(fù)雜的程序進(jìn)行簡化，在極大程度上方便了編程人員的工作。而目前較常用的編程模型主要是Map Resuce，其是由Google公司研發(fā)的將函數(shù)式復(fù)雜的編程語言進(jìn)行簡化的模型。

三、大數(shù)據(jù)技術(shù)

（一）結(jié)構(gòu)體系

大數(shù)據(jù)與云計(jì)算從技術(shù)的角度講是緊密的結(jié)合在一起的，大數(shù)據(jù)通過和云處理及云應(yīng)用平臺(tái)的技術(shù)相結(jié)合的方式來對智慧城市的信用系統(tǒng)的高可用性和高性能進(jìn)行提升，其主要擁有四個(gè)特點(diǎn)，即大量、高速以及多樣和價(jià)值。

（二）數(shù)據(jù)采集

城市建設(shè)的核心是智慧城市的云平臺(tái)，而利用云平臺(tái)對系統(tǒng)的各類硬件、軟件的資源進(jìn)行采集，然后再利用虛擬化的技術(shù)對計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源以及網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行整合，之后用戶結(jié)合自身的需求來對所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。而對于具體數(shù)據(jù)采集過程而言，主要是指從各種網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)以及傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)資源中對海量的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理的過程。

（三）數(shù)據(jù)挖掘

由于在智慧城市的建設(shè)過程中會(huì)產(chǎn)生海量的信息數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)就將從這些信息數(shù)據(jù)中有利用價(jià)值的知識(shí)挖掘出來。使用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)也可以對網(wǎng)絡(luò)中的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行整合以及智能處理，通過將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與云計(jì)算技術(shù)相結(jié)合，可以有效地解決網(wǎng)絡(luò)相互融合過程中的問題。而數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)也主要由四個(gè)部分組成，首先是數(shù)據(jù)庫，其次是其他的信息庫，另外就是數(shù)據(jù)的挖掘引擎以及圖形的用戶界面。而一般通常使用的數(shù)據(jù)挖掘算法主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊集法以及決策樹法等。

（四）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

雖然大數(shù)據(jù)有海量的數(shù)據(jù)信息，但是主要分為三種類型，分別是結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及介于兩者之間的半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。由于大數(shù)據(jù)是以云平臺(tái)為載體來運(yùn)行的，因此其在運(yùn)行過程中充分的利用了云計(jì)算的各種特點(diǎn)，使得存儲(chǔ)的問題得到了有效的解決。而一般用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)主要有分布式文件存儲(chǔ)以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫等。

四、智慧城市總體架構(gòu)

充分借鑒國內(nèi)外智慧城市建設(shè)先進(jìn)理念和成功經(jīng)驗(yàn)，基于系統(tǒng)工程理論與方法、城市規(guī)劃理論方法、以FEA、TOGAF、Zachman為主的信息架構(gòu)框架、以及面向服務(wù)的架構(gòu)理念，結(jié)合城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的實(shí)際情況，形成由“體系架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)”組成的智慧城市總體架構(gòu)。

（一）體系架構(gòu)

智慧城市體系架構(gòu)包括四大體系：智慧應(yīng)用體系、產(chǎn)業(yè)發(fā)展體系、基礎(chǔ)支撐體系和建設(shè)運(yùn)營體系。智慧應(yīng)用體系與產(chǎn)業(yè)發(fā)展體系，是建設(shè)智慧城市的兩大核心動(dòng)力，兩者相互促進(jìn)、融合發(fā)展，助力智慧城市建設(shè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)；基礎(chǔ)支撐體系支持智慧應(yīng)用體系和產(chǎn)業(yè)發(fā)展體系的高效構(gòu)建與發(fā)展，為智慧城市建設(shè)提供有力的基礎(chǔ)性支撐；建設(shè)運(yùn)營體系為智慧城市能夠有效建設(shè)、運(yùn)營與不斷發(fā)展提供全面保障。四大體系是智慧城市建設(shè)的核心組成，是一個(gè)完整的、相互關(guān)聯(lián)的整體，相輔相成、和諧統(tǒng)一，共同促成智慧城市全面、協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。

圖1 智慧城市體系架構(gòu)

（二）應(yīng)用架構(gòu)

圖2 智慧城市應(yīng)用架構(gòu)

通過在城市廣泛部署面向公共安全、醫(yī)療衛(wèi)生、交通設(shè)施、環(huán)境保護(hù)等應(yīng)用領(lǐng)域的傳感系統(tǒng)，全面感知城市各方面動(dòng)態(tài)信息，把握城市運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)過泛在網(wǎng)絡(luò)將感知信息存儲(chǔ)到云計(jì)算中心的城市公共數(shù)據(jù)庫。通過對云計(jì)算中心建設(shè)，形成四類應(yīng)用云：政務(wù)云、企業(yè)云、市民云以及面向各領(lǐng)域的行業(yè)云?；谒念悜?yīng)用云為融合應(yīng)用領(lǐng)域的城市綜合治理及服務(wù)平臺(tái)、企業(yè)服務(wù)平臺(tái)、市民服務(wù)一體化平臺(tái)和重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域的智慧公安、智慧城管、智慧醫(yī)療、智慧旅游等十項(xiàng)行業(yè)應(yīng)用提供云服務(wù)。城市主體（政府、企業(yè)、市民）可通過手機(jī)、電腦、平板等通信設(shè)備訪問融合應(yīng)用平臺(tái)和重點(diǎn)應(yīng)用平臺(tái)，享受泛在、高效、無處不在的城市管理與生活服務(wù)。

（三）技術(shù)架構(gòu)

基于城市信息化基礎(chǔ)，借鑒已有成功經(jīng)驗(yàn)，確立由“設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層、信息安全和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范”組成的智慧城市技術(shù)架構(gòu)。

圖3 智慧城市技術(shù)架構(gòu)

五、結(jié)束語

智慧城市的建設(shè)主要是利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算以及大數(shù)據(jù)作為核心的技術(shù)，而在互聯(lián)網(wǎng)得到快速應(yīng)用發(fā)展的同時(shí)，各種類型的衍生物的功能也會(huì)不斷地進(jìn)行提升優(yōu)化，因此在未來世界的發(fā)展中，在對智慧城市進(jìn)行建設(shè)時(shí)，還需要摸索出更加先進(jìn)的技術(shù)來對原有的技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而推動(dòng)智慧城市的可持續(xù)發(fā)展。

[1]王兆慶,賀勇．基于智慧城市建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用研究[J]．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2016,6(11):69-73．

[2]中國城市科學(xué)研究會(huì)數(shù)字城市工程研究中心．智慧城市管理公共信息平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用示范[J]．建設(shè)科技,2015(17):30-31．

[3]李翔．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用研究[J]．通訊世界,2017(3):47-48．