以大數(shù)據(jù)為支撐的智慧城市建設研究

王兆慶 賀勇

摘 要：大數(shù)據(jù)是智慧城市建設的核心要素。在大數(shù)據(jù)的支撐下，我國智慧城市建設已取得良好的發(fā)展，城市發(fā)展已步入大數(shù)據(jù)的新時代。通過對智慧城市建設中支撐要素的分析和大數(shù)據(jù)關鍵技術的研究，闡明了大數(shù)據(jù)不僅對城市建設具有驅動作用，也決定了智慧城市未來的趨勢，最后提出了智慧城市建設的解決方案。

關鍵詞：大數(shù)據(jù)；智慧城市；數(shù)據(jù)挖掘；物聯(lián)網(wǎng)；云計算

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）01-00-03

0 引 言

智慧城市的出現(xiàn)是現(xiàn)代城市發(fā)展和科技進步相融合的必然結果。信息數(shù)字化推動著城市向更智能化、科學化和智慧化的方向發(fā)展，網(wǎng)絡的全覆蓋使得城市產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)資源，摧生了大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和應用，而運用大數(shù)據(jù)技術所產(chǎn)生的社會效益也給城市建設帶來了強大的推動力，很好地支持了整個經(jīng)濟社會發(fā)展的決策行動和管理水平，成為智慧城市建設的核心技術。云計算技術為智慧城市支撐起了管理和共享平臺，為社會資源整合、數(shù)據(jù)挖掘和分析提供了可能。同時，完成了統(tǒng)一通信與協(xié)作，為跨部門的相互協(xié)同提供了技術保障。

1 智慧城市大數(shù)據(jù)架構

智慧城市架構的形成是一個系統(tǒng)工程。首先，完成城市的數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化之后，通過人的智慧與城市系統(tǒng)的融合，實現(xiàn)城市硬件的智慧化架構建設，形成智慧城市的信息化基礎設施支撐系統(tǒng)；其次，新興信息技術與城市各系統(tǒng)相結合，形成智慧的城市技術支撐系統(tǒng)；再次，智慧城市架構組織通過人的智慧管理，實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的競爭力和提升生活質量的最終目標，形成智慧城市頂層設計決策系統(tǒng)。

1.1 智慧城市中的支撐要素

數(shù)字化是城市信息化的初級階段，在城市網(wǎng)絡、通信等基礎設施發(fā)展完善后，城市信息化又進一步推動城市向智能化發(fā)展，從而走向更高級智慧城市的方向。因此，信息網(wǎng)絡基礎設施、通訊信息基礎設施和數(shù)字信息技術是智慧城市的支撐要素，決定著智慧城市建設的未來。智慧城市技術要素如圖1所示。

目前，智慧城市建設高度運用了最新一代的通信網(wǎng)絡技術，云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動寬帶等技術的應用，影響著城市發(fā)展的結構形態(tài)和發(fā)展模式；互聯(lián)網(wǎng)、空間信息網(wǎng)和數(shù)據(jù)安全等技術的應用，影響著城市發(fā)展的基礎設施、未來發(fā)展方向和智能化格局；城市寬帶、三網(wǎng)融合和信息通訊等技術的應用，影響著對城市的未來設計、預測和決策。在智慧城市建設中技術管理平臺不僅完成對外提供應用服務、對內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)資源管理和信息業(yè)務一體化的整合，將不同類型、來源和格式的應用數(shù)據(jù)進行分析、集中、規(guī)范和整合，并對外提供統(tǒng)一的信息共享和數(shù)據(jù)服務，而且為智慧城市的發(fā)展建設提供數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化和信息化的技術保障和支持[1]。

1.2 智慧城市大數(shù)據(jù)架構

在完成數(shù)字化和信息化基礎建設后，以大數(shù)據(jù)為基礎的智慧城市建設，利用各種技術手段對城市的物理空間信息、局域數(shù)據(jù)和原有的“孤島”系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行整合對接，對流入的信息經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，再通過服務管理平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，服務于醫(yī)療教育、社保養(yǎng)老、創(chuàng)新就業(yè)、公共安全、食藥安全、社區(qū)服務、家庭服務等城市建設。智慧城市大數(shù)據(jù)架構如圖2所示。

大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個網(wǎng)絡互聯(lián)系統(tǒng)。其中，通過物聯(lián)網(wǎng)采集城市表征的各類數(shù)據(jù)；通過局域網(wǎng)采集各行業(yè)數(shù)據(jù)；通過互聯(lián)網(wǎng)采集各類數(shù)據(jù)庫的資源數(shù)據(jù)；通過空間信息網(wǎng)采集時空數(shù)據(jù)。在大數(shù)據(jù)處理過程中，由于采集導入的是海量數(shù)據(jù)，每秒鐘的導入量可達千兆級別，需要先對數(shù)據(jù)做必要的清洗和預處理工作，然后對普通海量數(shù)據(jù)進行分析和分類匯總，再在現(xiàn)有分類數(shù)據(jù)的基礎上進行基于各種算法的計算，取得關聯(lián)的預測效果，實現(xiàn)一些高級別數(shù)據(jù)分析的需求， 挖掘有價值的知識。對分析挖掘得到的數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)傳輸技術依照適當?shù)囊?guī)程，經(jīng)過鏈路，在數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)宿之間進行數(shù)據(jù)傳送。在大數(shù)據(jù)存儲技術的支持下，對經(jīng)過傳輸通道得到的數(shù)據(jù)進行必要的存儲處理。據(jù)統(tǒng)計，目前人類社會活動所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通常每年以50%的速度快速增長，特別是非結構化數(shù)據(jù)，必須對其進行壓縮處理、刪除重復數(shù)據(jù)，以大量減少存儲容量，存儲的方式有云耦合存儲、分布式存儲、對象存儲等[2]。在大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，首先，大數(shù)據(jù)應用服務平臺為智慧城市建設提供數(shù)據(jù)資源，用于實現(xiàn)智慧出行、智慧電網(wǎng)、智慧生產(chǎn)、智慧安保、智慧教育、智慧醫(yī)療等城市智慧功能；其次，大數(shù)據(jù)安全管理平臺要保證數(shù)據(jù)在使用中不受損、不被偷窺、不被修改和不被偷竊，可通過數(shù)據(jù)識別取證、數(shù)據(jù)完整性驗證、安全密鑰、推理控制、隱私保護等技術實現(xiàn)保障；再次，在城市的不斷建設中又產(chǎn)生了許多新的組合數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)資源管理平臺需對這些信息進行整合，形成新數(shù)據(jù)集，通過大數(shù)據(jù)存儲層進行數(shù)據(jù)交換和存儲，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的再循環(huán)利用。

2 大數(shù)據(jù)在智慧城市建設中的關鍵技術

在城市信息化的建設過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)是智慧城市的信息引擎。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過技術挖掘這些數(shù)據(jù)可產(chǎn)生大量有用的知識，對城市建設規(guī)劃和頂層決策有極大的利用價值，由此產(chǎn)生了大數(shù)據(jù)技術和數(shù)據(jù)挖掘技術。物聯(lián)網(wǎng)采集的海量數(shù)據(jù)在城市系統(tǒng)的流動過程中，如果實時存儲將占用巨大的空間，所以需要對大數(shù)據(jù)進行處理，主要運用云計算的分布式技術來完成數(shù)據(jù)整合存儲。同時，為了確保城市信息系統(tǒng)的高效運行，大數(shù)據(jù)的安全必須得到保障。因此，云計算技術、數(shù)據(jù)挖掘技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、數(shù)據(jù)安全技術是智慧城市建設中的關鍵技術。

2.1 云計算技術

在智慧城市建設中，云計算技術為城市數(shù)據(jù)的分析和處理提供技術支持。云計算是互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展和延伸，充分發(fā)揮著自身強大的計算能力，通過對物理設施在網(wǎng)絡上的虛擬化，動態(tài)組織和分配資源，高效快速地處理海量數(shù)據(jù)，經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)向用戶提供服務，實現(xiàn)高速計算、海量儲存和數(shù)據(jù)交換的應用模式。云計算的核心技術包括并行計算、分布式計算、分布式儲存、虛擬技術、數(shù)據(jù)管理集成技術和網(wǎng)格計算等眾多技術分支，具有訪問便捷、按需分配、付費服務、虛擬共享、通用可靠和動態(tài)拓展等特點。在建設模式上，云計算提供三層服務方式：SaaS服務（軟件即服務）、PaaS服務（平臺即服務）和IaaS服務（基礎設施即服務）。

2.2 大數(shù)據(jù)挖掘技術

在城市數(shù)字化和智慧化建設中，跨地域、跨行業(yè)、跨部門也會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)資源。隨著時間的推移，存儲量級不斷提高，這些數(shù)據(jù)資源中是否存在有利用價值的信息成為人們思考的問題。通過分析，發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)中的信息具有可分類、可運用、可挖掘和有價值的知識。這種對每個數(shù)據(jù)都進行分析，從大量數(shù)據(jù)中尋找其規(guī)律的技術稱為大數(shù)據(jù)挖掘技術。在數(shù)據(jù)挖掘過程中，首先需要對信息進行收集、集成、規(guī)約、清理、變換等數(shù)據(jù)預處理，然后進行數(shù)據(jù)分析挖掘、模式評估、知識表示等挖掘實施過程，完成關聯(lián)、聚類、分類、異常、特異群組和演變等分析任務，最后以大數(shù)據(jù)可視化、大數(shù)據(jù)存儲、大數(shù)據(jù)檢索和大數(shù)據(jù)情報等方式實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的應用[3]。大數(shù)據(jù)挖掘的核心技術包括人工智能技術、數(shù)據(jù)規(guī)約技術、統(tǒng)計分析技術、數(shù)據(jù)庫技術、大數(shù)據(jù)分析技術和大數(shù)據(jù)存儲及管理技術等眾多技術分支，在智慧城市建設中得到了廣泛應用。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)技術

物聯(lián)網(wǎng)是基于城市基礎設施的數(shù)字化、信息化、智能化改造升級所進行的互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)等城市網(wǎng)絡的擴展和延伸，在智慧城市建設中為全面感知城市物理空間和信息采集提供技術支撐。物聯(lián)網(wǎng)核心技術包括傳感器網(wǎng)絡技術、全球定位技術、射頻識別技術、紅外感應技術、激光掃描技術等眾多技術分支。運用嵌入技術把傳感組件裝備到感應器設備中，通過物聯(lián)網(wǎng)技術，把感應器滲透到城市基礎設施的各個環(huán)節(jié)和區(qū)域，再利用傳感器網(wǎng)絡把城市景物監(jiān)控器、圖像語音識別控制器、網(wǎng)絡微支付系統(tǒng)機器、人員和移動應用程序部件等聯(lián)系在一起，形成物與物、人與物的相互關聯(lián)和遠程控制，為城市建設提供各種信息數(shù)據(jù)和決策分析服務，實現(xiàn)城市的監(jiān)控、預警、監(jiān)測和實時管理，為智慧城市建設頂層設計提供數(shù)據(jù)支持。

2.4 大數(shù)據(jù)安全技術

大數(shù)據(jù)有以下三大特征：

（1）數(shù)據(jù)大容量，數(shù)量級別已經(jīng)發(fā)展至ZB乃至YB，難以用傳統(tǒng)的手段對如此龐大的數(shù)據(jù)群進行處理；

（2）傳輸速度高，難以用原有的傳輸方式對數(shù)據(jù)進行高速率實時傳輸；

（3）數(shù)據(jù)多樣，難以用統(tǒng)一模式處理不同類型和來源的海量異構數(shù)據(jù)[4]。

由于大量數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中集中存儲，一旦被成功攻擊將導致巨大的損失。同時，隨著計算機通信技術和人工智能的發(fā)展，各種應用技術如防火墻、服務器、數(shù)據(jù)挖掘等都滲透到大數(shù)據(jù)系統(tǒng)建設中，給城市建設提供更多的技術幫助。然而，技術融入也會造成許多安全問題，例如，協(xié)議無法互認，系統(tǒng)漏洞增多、易于沖擊，平臺被入侵癱瘓等，這些都會增大數(shù)據(jù)的安全風險。另外，大數(shù)據(jù)來源多樣化、數(shù)據(jù)范圍廣泛，因組合后的數(shù)據(jù)體系與原數(shù)據(jù)保護邊界發(fā)生變化，又給數(shù)據(jù)的安全保護增添了更多的困難，在推動大數(shù)據(jù)技術應用過程中面臨著諸多挑戰(zhàn)和安全風險。因此，在技術層面上要加強對大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡系統(tǒng)、主機控制、終端設備等基礎設施運行環(huán)境的安全防護，采取邊界訪問控制、異常流量監(jiān)控、入侵檢測、操作監(jiān)控、漏洞掃描、病毒防護、準入控制、病毒防護和補丁修復等安全手段。常用的大數(shù)據(jù)安全技術有防火墻技術、入侵檢測技術、用戶認證及訪問控制技術、VLAN技術、MPLS技術、加密與密鑰交換技術、物聯(lián)網(wǎng)安全技術、內(nèi)容安全檢測技術、大數(shù)據(jù)安全分析技術、安全管理平臺技術等。

3 智慧城市建設解決方案

智慧城市是涵蓋深層“智慧”含義特征的城市系統(tǒng)，既體現(xiàn)了新興信息技術智能化的物的要素，又體現(xiàn)了人的智慧與城市宜居環(huán)境良好交融的人的要素。通過智慧建設帶動城市系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，使城市發(fā)展的層次更優(yōu)化、效益更良好、效率更高效，使人們的生活環(huán)境能夠不斷創(chuàng)新、智能又綠色環(huán)保，同時，促進社會的可持續(xù)性發(fā)展[5]。智慧城市是運用信息技術、移動通信技術、網(wǎng)絡技術與城市的經(jīng)濟、文化、社會、生態(tài)等重要領域實現(xiàn)良好融合的城市系統(tǒng)，包括感知系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)、應用系統(tǒng)和安全管理系統(tǒng)五個層次。智慧城市結構體系如圖3所示。

感知系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的收集、放大和前期等技術處理。包括寬帶物聯(lián)網(wǎng)、傳感體系、自動識別、導航定位等組成部分。

網(wǎng)絡系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的傳輸、協(xié)議和網(wǎng)絡基礎設施等技術處理。包括光纖網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、空間信息網(wǎng)、三網(wǎng)融合等組成部分。

數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)平臺的整合、存儲和軟硬件資源共享等技術處理。包括城市云平臺、大數(shù)據(jù)支撐平臺、大數(shù)據(jù)應用平臺、大數(shù)據(jù)存儲平臺等組成部分。

應用系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息在平臺支撐下對城市系統(tǒng)智慧應用的決策、管理和整體布局等技術處理[6]。通過城市智慧服務平臺，連接城市各部門的智能化信息平臺，實現(xiàn)城市物理設施廣泛接入以及城市關鍵系統(tǒng)在運行中自動感知、數(shù)據(jù)智能處理和信息互聯(lián)互通，包括智慧政務與管理、智慧交通與環(huán)境、智慧生產(chǎn)與經(jīng)濟、智慧醫(yī)療與民生等組成部分。

大數(shù)據(jù)的安全管理關系到智慧城市建設的成敗，數(shù)據(jù)安全是核心，一旦被泄密或盜取，將直接影響到個人信息、社會資源和企業(yè)數(shù)據(jù)的安全，甚至威脅國家安全。安全管理包括安全制度管理、安全法規(guī)管理、安全認證管理、安全加密管理、安全資源管理、平臺安全管理等內(nèi)容。要從制度法規(guī)上建立大數(shù)據(jù)安全體系，搭建大數(shù)據(jù)法律法規(guī)保護的基礎框架，建立以數(shù)據(jù)為中心的安全系統(tǒng)；通過安全認證和安全加密等管理手段，健全完善大數(shù)據(jù)安全技術標準和認證機制；利用資源安全和平臺安全管理措施，加強對資源平臺的管理，確保公共數(shù)據(jù)資源在需求配置、合理運行、高效交換與共享開放等應用領域的安全，對大數(shù)據(jù)平臺企業(yè)人員加強職業(yè)道德和法律法規(guī)等方面的教育，建立建全的管理責任制度。

4 結 語

隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術的融合應用，我國智慧城市建設步入了高速發(fā)展的快車道。智慧城市雖然還存在諸如數(shù)據(jù)安全、法律法規(guī)、信息共享和技術融合等不完善的問題，但是作為城市建設的發(fā)展方向，仍是目前最佳的選擇方案。通過智慧城市建設，可提升城市的整體發(fā)展水平，實現(xiàn)城市智慧式管理，進而為人們創(chuàng)建更美好的生活，提高人們的幸福指數(shù)，促進城市和諧、可持續(xù)發(fā)展。

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