邊緣計(jì)算和云計(jì)算在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用

關(guān)鍵詞：邊緣計(jì)算;云計(jì)算;智慧城市建設(shè)

中圖法分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

邊緣計(jì)算以互補(bǔ)的方式應(yīng)用在智慧城市建設(shè)中，能夠解決傳統(tǒng)封閉式架構(gòu)對(duì)云端過(guò)分依賴所導(dǎo)致的通信覆蓋面窄、連接和傳輸成本高、數(shù)據(jù)處理延時(shí)等問(wèn)題，將計(jì)算、通信及存儲(chǔ)等遷移到基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)的邊緣，使云架構(gòu)在時(shí)延、數(shù)據(jù)分析及成本等方面的壓力得以緩解。

2邊緣計(jì)算、云計(jì)算及智慧城市的相關(guān)概述

2.1邊緣計(jì)算

2.1.1定義

邊緣計(jì)算指的是：在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計(jì)算的新興技術(shù)模型，從數(shù)據(jù)源至云計(jì)算中心路徑之間的網(wǎng)絡(luò)資源、任意計(jì)算都稱為邊緣，網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備既可以從云中心請(qǐng)求服務(wù)、內(nèi)容，也可以執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、緩存、處理、隱私保護(hù)及設(shè)備管理等計(jì)算任務(wù)。

2.1.2特點(diǎn)

邊緣計(jì)算的特點(diǎn)為：其一，邊緣計(jì)算主要以運(yùn)算節(jié)點(diǎn)下沉的方式進(jìn)行流量負(fù)載，數(shù)據(jù)傳輸速度較快，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析和處理，使數(shù)據(jù)處理靠近源，起到縮短延遲時(shí)間的作用;其二，運(yùn)營(yíng)成本低。對(duì)于企業(yè)而言，以往利用數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)對(duì)本地設(shè)備上的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理時(shí)需消耗較多成本。而基于邊緣計(jì)算，企業(yè)運(yùn)營(yíng)管理的成本得以降低，使企業(yè)經(jīng)費(fèi)預(yù)算減少;其三，確保數(shù)據(jù)安全。邊緣計(jì)算主要從權(quán)限切換、統(tǒng)一管理及跨域數(shù)據(jù)這三個(gè)層面優(yōu)化數(shù)據(jù)隱私性能，為用戶創(chuàng)設(shè)安全的數(shù)據(jù)使用環(huán)境，確保數(shù)據(jù)模型、用戶信息及數(shù)據(jù)切片等方面的安全性;其四，加強(qiáng)穩(wěn)定性。與云計(jì)算大數(shù)據(jù)中心方式相比較，邊緣計(jì)算為分散的節(jié)點(diǎn)，便于對(duì)故障影響的范圍、數(shù)據(jù)量進(jìn)行控制，使數(shù)據(jù)處理設(shè)備的負(fù)擔(dān)減輕，確保為用戶提供更加穩(wěn)定的服務(wù)。

2.2云計(jì)算

2.2.1定義

云計(jì)算作為一種服務(wù)提供模型，利用網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算及存儲(chǔ)等資源為應(yīng)用提供具有伸縮性的分布式計(jì)算能力，使用虛擬化技術(shù)構(gòu)建共享資源池，擁有計(jì)算、監(jiān)督等能力，且能夠?qū)τ?jì)算資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)分割、分配，為用戶提供高效的交付服務(wù)，滿足不同用戶多樣化的需求。云計(jì)算是基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式計(jì)算機(jī)并行計(jì)算上發(fā)展而成，按照服務(wù)種類可以將其分為基礎(chǔ)設(shè)施、平臺(tái)、軟件。

2.2.2云計(jì)算的特點(diǎn)

其一，云中心服務(wù)器的規(guī)模較大。比如，目前微軟、谷歌等大型公司的云計(jì)算平臺(tái)擁有十萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器，小型公司的私有云項(xiàng)目擁有上百臺(tái)或上千臺(tái)服務(wù)器，意味著可以為用戶提供海量存儲(chǔ)空間、計(jì)算能力;其二，可靠性高。由于云計(jì)算是在分布式服務(wù)器集群基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，為了避免單點(diǎn)錯(cuò)誤的出現(xiàn)，云計(jì)算中心采取副本策略、計(jì)算節(jié)點(diǎn)同構(gòu)互換等機(jī)制，增強(qiáng)云計(jì)算的可靠性;其三，拓展性強(qiáng)。云計(jì)算能夠根據(jù)用戶的特定需求實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)化分配、釋放，當(dāng)用戶需求發(fā)生改變的情況下，云計(jì)算能夠靈活地調(diào)整匹配資源，以彈性化的方式向用戶提供或釋放資源，突顯出云計(jì)算在資源方面的拓展性;其四，虛擬化。利用虛擬化技術(shù)對(duì)不同分布位置的資源進(jìn)行整合，形成統(tǒng)一的共享資源池，便于用戶在不受時(shí)間、空間約束的情況下，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)享受云計(jì)算中心所提供的服務(wù)。

2.3智慧城市

智慧城市指的是：借助先進(jìn)技術(shù)來(lái)構(gòu)建城市基礎(chǔ)設(shè)施，使城市管理服務(wù)更加便捷，為人們提供舒適、便捷的生活環(huán)境。在智慧城市建設(shè)中，將邊緣計(jì)算和云計(jì)算相結(jié)合，為城市建設(shè)提供新的計(jì)算方式，利用分布計(jì)算任務(wù)的方式使城市各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)具有計(jì)算力、存儲(chǔ)空間等服務(wù)，從而提高城市應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)的使用效率，以改善人們的生活質(zhì)量和城市的環(huán)境質(zhì)量。

因此，有人將云計(jì)算、邊緣計(jì)算分別比作是智慧城市的“大腦”和“眼睛、耳朵、手腳”，二者所提供的服務(wù)類型、目標(biāo)應(yīng)用等存在差異，如表1所示。邊緣計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用需依托云計(jì)算中心的海量存儲(chǔ)、計(jì)算能力，而云計(jì)算的應(yīng)用需邊緣設(shè)備處理海量數(shù)據(jù)、隱私數(shù)據(jù)，在二者相互作用下，達(dá)到節(jié)約能耗、保護(hù)隱私及實(shí)時(shí)性等要求。

3邊緣計(jì)算與云計(jì)算應(yīng)用于智慧城市建設(shè)的必要性分析

3.1邊緣技術(shù)與云計(jì)算結(jié)合應(yīng)用于智慧城市建設(shè)的優(yōu)勢(shì)

3.1.1滿足物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景服務(wù)

邊緣設(shè)備具有智能性，能夠根據(jù)設(shè)備性能、任務(wù)需求，對(duì)信息是否傳回網(wǎng)關(guān)、云端加工處理進(jìn)行有效判斷。充分利用邊緣計(jì)算所具備的計(jì)算能力，可以對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并且可以利用云計(jì)算對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體分析、處理，在二者協(xié)同作用下實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景服務(wù)。

3.1.2節(jié)約智慧城市建設(shè)成本

智慧城市是多系統(tǒng)、多行業(yè)及多應(yīng)用構(gòu)成的綜合體。城市的各個(gè)應(yīng)用體系需要信息之間的交互、資源的共享，為了充分發(fā)揮城市各系統(tǒng)的功能，將邊緣計(jì)算相融合應(yīng)用于智慧城市建設(shè)中，能夠起到協(xié)調(diào)城市各應(yīng)用系統(tǒng)，計(jì)算、存儲(chǔ)城市中的海量數(shù)據(jù)，節(jié)約智慧城市建設(shè)成本等作用。

3.1.3整合城市信息資源

當(dāng)前，城市各個(gè)領(lǐng)域處于網(wǎng)狀關(guān)系，智慧城市的建設(shè)需了解、獲取城市各類信息，對(duì)各領(lǐng)域之間的網(wǎng)狀關(guān)系進(jìn)行分析。其中，將信息流、資源流、人才流等信息存儲(chǔ)于云端，可以實(shí)現(xiàn)城市信息資源的整合。此外，智慧城市建設(shè)的本質(zhì)是融合，在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與信息技術(shù)融合的過(guò)程中，為新型網(wǎng)站建設(shè)、快遞等行業(yè)提供發(fā)展機(jī)遇，比如利用邊緣計(jì)算、云計(jì)算平臺(tái)構(gòu)建智慧政府、交通、教育及醫(yī)療等，可以為智慧城市的構(gòu)建提供廣闊的發(fā)展空間。

3.2智慧城市建設(shè)存在的問(wèn)題

3.2.1用戶流失，資源浪費(fèi)

目前，在智慧城市建設(shè)中，社會(huì)運(yùn)行管理、物聯(lián)網(wǎng)及醫(yī)療等方面都使用數(shù)據(jù)中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這種數(shù)據(jù)處理方式需擔(dān)負(fù)日常查詢、復(fù)雜數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)匯總等多方面的工作，意味著其業(yè)務(wù)壓力較大，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)反饋效率低的問(wèn)題，無(wú)法滿足用戶的實(shí)際需求，導(dǎo)致部分用戶流失、資源浪費(fèi)。

3.2.2智慧城市各應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)能力被弱化

智慧城市中數(shù)據(jù)的生成需要借助智能設(shè)備、外接式監(jiān)控單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，其自身無(wú)法對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，加之不同設(shè)備所生成的數(shù)據(jù)在格式、內(nèi)容量、規(guī)則及標(biāo)準(zhǔn)等方面具有一定差異，通常需將其轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)后，才能分配給智慧城市各應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)加工，說(shuō)明其服務(wù)能力較弱。因此，在智慧城市建設(shè)中，應(yīng)用邊緣計(jì)算和云計(jì)算具有必要性。

4邊緣計(jì)算和云計(jì)算有效應(yīng)用于智慧城市建設(shè)的措施

4.1在智慧城市建設(shè)中應(yīng)用邊緣計(jì)算

4.1.1基于邊緣計(jì)算的智慧城市架構(gòu)

隨著全球信息應(yīng)用市場(chǎng)的快速發(fā)展，政府在智慧城市建設(shè)中給予政策、市場(chǎng)及技術(shù)等方面的支持，加之5G技術(shù)的推動(dòng)，現(xiàn)有的技術(shù)架構(gòu)已無(wú)法滿足海量、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和交互的需求，借助邊緣計(jì)算可以為智慧城市建設(shè)提供軟件數(shù)據(jù)處理、硬件嵌入技術(shù)及接入手段方面的支持，所構(gòu)建的新智慧城市體系架構(gòu)包括：數(shù)據(jù)采集、邊緣能力、基礎(chǔ)環(huán)境、應(yīng)用提供、信息需求者及信息加工六個(gè)層面。其中，數(shù)據(jù)采集層的主要任務(wù)是：借助接口讀取不同型號(hào)傳感器所獲取的衛(wèi)星定位、射頻感應(yīng)等各類數(shù)據(jù)，按照該系統(tǒng)的格式要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，為運(yùn)算工作做好準(zhǔn)備;邊緣能力層主要負(fù)責(zé)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)模型的數(shù)據(jù)，以短路徑的方式將計(jì)算結(jié)果反饋給前端，該層會(huì)借助工控機(jī)、芯片及服務(wù)主機(jī)等設(shè)施對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析、反饋及處理，然后將信息傳送到相應(yīng)的數(shù)據(jù)中心。

4.1.2在智慧城市建設(shè)中邊緣計(jì)算的具體應(yīng)用

其一，智慧社區(qū)。為了保證小區(qū)居民的安全，將邊緣計(jì)算應(yīng)用于安防管理系統(tǒng)，借助攝像機(jī)對(duì)小區(qū)內(nèi)部車輛、人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)，且對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分析，可以警示、告警等形式輔助小區(qū)開(kāi)展安全管理工作;其二，智慧交通。在城市交通管理中，為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和掌握交通路況、擁堵及違章等情況，比如在城市交通監(jiān)測(cè)中，在各個(gè)路段安裝高清攝像頭，利用前端電警、卡扣等對(duì)車輛、路人行為進(jìn)行規(guī)劃，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交通路況、違章等情況，再借助邊緣服務(wù)器獲取、分析智能交通控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)交通信息燈進(jìn)行控制，以緩解交通擁堵情況，如圖1所示;其三，智慧安檢。在機(jī)場(chǎng)、火車站等安檢位置裝置自動(dòng)檢票機(jī)器，將設(shè)備與數(shù)據(jù)庫(kù)相連接，可以提供人證合一的自助安檢服務(wù)，提高入站效率，緩解安檢人員的工作壓力。而通過(guò)站內(nèi)攝像設(shè)備監(jiān)測(cè)的情況，可以實(shí)時(shí)掌控站內(nèi)人流情況，便于監(jiān)控重點(diǎn)對(duì)象，確保人們出行安全;其四，智慧醫(yī)療。在醫(yī)療中，對(duì)數(shù)據(jù)響應(yīng)的要求比較高，借助邊緣計(jì)算能夠滿足其快速響應(yīng)的需求，便于開(kāi)展遠(yuǎn)程診斷工作，比如在流感暴發(fā)時(shí)期，醫(yī)院作為邊緣結(jié)點(diǎn)之一，將感染人數(shù)、治療成本及癥狀等信息與藥方、政府、醫(yī)藥企業(yè)等其他結(jié)點(diǎn)進(jìn)行共享，便于其他邊緣結(jié)點(diǎn)調(diào)整和制定相應(yīng)的工作方案。

4.2在智慧城市建設(shè)中應(yīng)用云計(jì)算

4.2.1云計(jì)算支撐平臺(tái)的架構(gòu)

基于云計(jì)算的智慧城市建設(shè)，所搭建的支撐平臺(tái)架構(gòu)包括：資源池、數(shù)據(jù)處理中心、云服務(wù)中心、云操作系統(tǒng)及物理設(shè)備等層。其中，物理設(shè)備、資源平臺(tái)主要負(fù)責(zé)將云存儲(chǔ)、通信網(wǎng)絡(luò)等虛擬化，所搭建的資源池，為基礎(chǔ)計(jì)算、操作服務(wù)等實(shí)施做好準(zhǔn)備;云計(jì)算管理層主要借助操作系統(tǒng)、運(yùn)營(yíng)平臺(tái)為用戶提供多類型的管理和業(yè)務(wù)服務(wù)，以接口協(xié)議的方式，保障各網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)端口統(tǒng)一、協(xié)調(diào)。

4.2.2云計(jì)算在智慧城市建設(shè)中的具體應(yīng)用

其一，智慧政府。智慧政府作為智慧城市建設(shè)中的重要組成部分，涉及政府部門以智慧化的手段分配和管理城市公共資源，向市民提供智慧化的政府服務(wù)等內(nèi)容。比如將智慧城市生態(tài)環(huán)境、交通運(yùn)輸、基礎(chǔ)設(shè)施等各領(lǐng)域的數(shù)據(jù)集成于“云”平臺(tái)，政府內(nèi)部各部門借助該平臺(tái)傳送文件、下達(dá)方針政策、傳輸公共信息等，可以確保信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩⒏咝?，能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)城市資源進(jìn)行調(diào)度、合理配置[4]。此外，借助云平臺(tái)向城市居民提供多種形式的服務(wù)窗口，可以提高居民對(duì)政府服務(wù)的滿意度，便于構(gòu)建服務(wù)性智慧政府。

其二，智慧交通。隨著城市人口的快速增長(zhǎng)，為了滿足居民的通行品質(zhì)、安全方面等需求，需構(gòu)建城市智慧交通———以自動(dòng)化的方式收集車速、車流及交通狀況等方面的信息，以智能化的方式對(duì)交通通行能力進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，制定出最佳的交通調(diào)度方案，比如將傳感器設(shè)備設(shè)置于各路段，便于24小時(shí)收集道路信息。而借助云計(jì)算基地對(duì)交通運(yùn)行中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體量龐大數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一格式，存儲(chǔ)于云平臺(tái)，再利用相關(guān)軟件對(duì)道路信息進(jìn)行分析，可以對(duì)交通擁堵情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，以智能化的方式規(guī)劃出最優(yōu)的行車路線。

其三，智慧社區(qū)。其作為智慧城市建設(shè)的單元，智慧化程度會(huì)直接影響居民的生活質(zhì)量，比如利用云計(jì)算對(duì)智慧社區(qū)中的安防、教育、醫(yī)療及物業(yè)等資源進(jìn)行整合，再以家庭為單位制定出個(gè)性化服務(wù)方案、差異化資源調(diào)度計(jì)劃，可以突顯出智慧社會(huì)運(yùn)行的高效性。

5結(jié)束語(yǔ)

在萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代背景下，應(yīng)用服務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)的安全性、可靠性及實(shí)效性等要求比較高，而云計(jì)算模式在隱私保護(hù)、能耗及實(shí)時(shí)性等方面具有一定缺陷。將邊緣計(jì)算與云計(jì)算相結(jié)合應(yīng)用于智慧城市建設(shè)中，可以充分發(fā)揮邊緣計(jì)算模型中邊緣終端的計(jì)算能力，通過(guò)執(zhí)行部分或全部計(jì)算，對(duì)隱私數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，能夠起到延伸、補(bǔ)充云計(jì)算的作用，為物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)計(jì)算提供高效的計(jì)算平臺(tái)。

作者簡(jiǎn)介：

張傳澄（2001—），本科，研究方向：邊緣計(jì)算、車聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、車路協(xié)同創(chuàng)新。