云計(jì)算時(shí)代智慧城市系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

王良瑩

（遼寧對(duì)外經(jīng)貿(mào)學(xué)院大連116052）

云計(jì)算時(shí)代智慧城市系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

王良瑩

（遼寧對(duì)外經(jīng)貿(mào)學(xué)院大連116052）

本文對(duì)“智慧城市”的內(nèi)涵進(jìn)行了深入解讀；介紹了智慧城市的國(guó)內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀；在歸納已有研究成果的基礎(chǔ)上提出基于ICT基礎(chǔ)平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和智慧應(yīng)用的智慧城市系統(tǒng)總體架構(gòu)；最后展望了智慧城市建設(shè)的未來(lái)發(fā)展。

智慧城市 現(xiàn)狀 支撐技術(shù) 發(fā)展

一、引言

在信息技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得“智慧城市”這種新型城市管理形態(tài)應(yīng)運(yùn)而生。智慧城市的理念一經(jīng)提出即得到廣泛的關(guān)注與認(rèn)可，成為了目前最熱門(mén)的研究課題之一，其市場(chǎng)前景巨大，社會(huì)影響深遠(yuǎn)，各國(guó)政府都很重視智慧城市建設(shè)，紛紛采取行動(dòng)積極推動(dòng)智慧城市建設(shè)[1]。智慧城市建設(shè)旨在解決城市快速發(fā)展過(guò)程中帶來(lái)的社會(huì)管理、交通、環(huán)保、醫(yī)療等城市發(fā)展難題，是當(dāng)今世界城市發(fā)展不可逆轉(zhuǎn)的歷史潮流。

二、智慧城市概念解讀

智慧城市就是運(yùn)用信息和通信技術(shù)手段感測(cè)、分析、整合城市運(yùn)行核心系統(tǒng)的各項(xiàng)關(guān)鍵信息，從而對(duì)包括民生、環(huán)保、公共安全、城市服務(wù)、工商業(yè)活動(dòng)在內(nèi)的各種需求做出智能響應(yīng)[1]。其實(shí)質(zhì)是利用先進(jìn)的信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)城市智慧式管理和運(yùn)行，進(jìn)而為城市中的人創(chuàng)造更美好的生活，促進(jìn)城市的和諧、可持續(xù)成長(zhǎng)[2]。

三、智慧城市的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1、智慧城市建設(shè)的國(guó)際實(shí)踐

智慧城市建設(shè)具有國(guó)家的經(jīng)濟(jì)與科技戰(zhàn)略意義，美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、瑞典、愛(ài)爾蘭、新加坡、日本、韓國(guó)等國(guó)家的近二百個(gè)城市已經(jīng)加入到智慧城市建設(shè)的隊(duì)伍中來(lái)，美國(guó)政府將“智慧城市”視為與“信息高速公路”同等重要的國(guó)家戰(zhàn)略，歐盟將信息和通信技術(shù)作為歐洲2020年的科技創(chuàng)新重點(diǎn)，提出了一整套智慧城市建設(shè)目標(biāo)，并制定了《物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略研究路線圖》[1]。在亞洲，日本、韓國(guó)、新加坡等國(guó)政府也都相繼進(jìn)行了智慧城市建設(shè)發(fā)展規(guī)劃，并已經(jīng)在教育培訓(xùn)、醫(yī)療衛(wèi)生和電子政務(wù)等領(lǐng)域付諸實(shí)施。特別是，國(guó)際三大標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO，IEC，ITU-T在2013年相繼成立了智慧城市標(biāo)準(zhǔn)化研究工作組，標(biāo)志著智慧城市建設(shè)工作的全面開(kāi)展[1]。

2、智慧城市在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國(guó)智慧城市發(fā)展步伐很快，很多城市都已經(jīng)開(kāi)始啟動(dòng)智慧城市建設(shè)，特別是“中國(guó)夢(mèng)”的提出再次加速了智慧城市建設(shè)的步伐。據(jù)統(tǒng)計(jì)，“十二五”期間，中國(guó)有上百個(gè)城市著手打造“智慧城市”建設(shè)，其中包括幾乎所有的一線城市以及一半左右的二線城市。2012年首批國(guó)家智慧城市試點(diǎn)名單包含90個(gè)城市。北京、上海、深圳、寧波、武漢等主要城市在智慧城市建設(shè)中成為了領(lǐng)跑者。2013年國(guó)家啟動(dòng)智慧城市技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)雙試點(diǎn)工程。2014年8月，國(guó)務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于促進(jìn)智慧城市健康發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，從國(guó)家的高度對(duì)我國(guó)智慧城市發(fā)展的總體方向進(jìn)行了規(guī)劃，確保智慧城市建設(shè)健康有序推進(jìn)。我國(guó)智慧城市建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入規(guī)模推廣階段。

四、云計(jì)算時(shí)代智慧城市系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

智慧城市就是通過(guò)普遍的感知將生活中的物與物、物與人連接起來(lái)形成龐大物聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)而通過(guò)云計(jì)算的方式對(duì)各種信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和融合，然后向城市居民提供智能化的服務(wù)，使得城市管理和服務(wù)更富有預(yù)見(jiàn)性、創(chuàng)造性、協(xié)作性，高效和科學(xué)。從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，智慧城市總體體系架構(gòu)應(yīng)包括基礎(chǔ)平臺(tái)層、技術(shù)支撐層和智慧應(yīng)用層三部分。如圖1所示：

1、基礎(chǔ)平臺(tái)層

智慧城市應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，離不開(kāi)底層的ICT（Information Communications Technology）基礎(chǔ)平臺(tái)，需要打造泛在的信息交換網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、公共服務(wù)平臺(tái)和城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，推進(jìn)無(wú)線城市項(xiàng)目和寬帶提速工程，實(shí)施下一代互聯(lián)網(wǎng)，開(kāi)展“三網(wǎng)融合”和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施共建共享，這一系列的舉措必將打破許多智能應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的瓶頸，促進(jìn)信息資源的開(kāi)發(fā)利用及深度整合，為智慧城市建設(shè)提供更堅(jiān)實(shí)的軟硬件基礎(chǔ)保障。

2、技術(shù)支撐層

智慧應(yīng)用和服務(wù)需要三個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)支撐：高度發(fā)達(dá)的信息網(wǎng)絡(luò)（物聯(lián)網(wǎng)）、巨量的信息基礎(chǔ)（大數(shù)據(jù)）和提供智慧服務(wù)的創(chuàng)新技術(shù)（云計(jì)算）。

（1）物聯(lián)網(wǎng)：信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新變革

物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，是互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用拓展，通過(guò)二維碼識(shí)讀設(shè)備、射頻識(shí)別（RFID）裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[3]。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有：傳感器技術(shù)、RFID標(biāo)簽技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、M2M長(zhǎng)距離通訊技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)體現(xiàn)了信息技術(shù)在城市生活諸多行業(yè)中的應(yīng)用。如圖2所示，物聯(lián)網(wǎng)的工作原理就是把感應(yīng)器安裝到公路、電網(wǎng)、汽車(chē)、建筑等各種物體中，然后將這些設(shè)施“連接”到互聯(lián)網(wǎng)上，那么上網(wǎng)的“人”就與連接到網(wǎng)的“物”整合成為一個(gè)整體，再通過(guò)強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)集群，對(duì)城市生產(chǎn)和生活進(jìn)行高效協(xié)同與精準(zhǔn)管控，從而達(dá)到“智慧管理”的狀態(tài)?；诖宋锫?lián)網(wǎng)也被稱(chēng)作繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信之后信息技術(shù)領(lǐng)域的又一次變革。

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展有3個(gè)階段：

①初級(jí)階段：基于各種行業(yè)數(shù)據(jù)交換和傳輸標(biāo)準(zhǔn)的連網(wǎng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控、兩化融合等應(yīng)用系統(tǒng)，主要以Networks of Things（物連網(wǎng)）的方式存在；

②中級(jí)階段：基于局部統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的跨行業(yè)、跨業(yè)務(wù)綜合管理集成系統(tǒng)，如基于SaaS模式的M2M數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)，初步走向Internet of Things（物聯(lián)網(wǎng)）[4]；

③高級(jí)階段：基于物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，SOA、Web Service、云計(jì)算虛擬服務(wù)的onDemand系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)“Thing as a Service”。

我國(guó)從1999年就開(kāi)始了物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)的研究，在“傳感網(wǎng)”技術(shù)研發(fā)方面處于世界領(lǐng)先水平。2009年溫總理提出“感知中國(guó)”戰(zhàn)略以后，中國(guó)各級(jí)政府更是大力投資物聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。

（2）大數(shù)據(jù)：智慧城市的信息之源

無(wú)所不在的物聯(lián)網(wǎng)在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息采集的同時(shí)，也催生了大數(shù)據(jù)[5]。大數(shù)據(jù)（big data），即巨量數(shù)據(jù)集合，是指無(wú)法在可承受的時(shí)間范圍內(nèi)用常規(guī)軟件工具進(jìn)行捕捉、管理和處理的數(shù)據(jù)集合[6]。我國(guó)網(wǎng)民數(shù)量眾多，每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也是極其龐大。幾乎在各個(gè)行業(yè)都有大數(shù)據(jù)的存在，數(shù)據(jù)的單位從開(kāi)始的Byte、KB、MB、GB、TB發(fā)展到PB、EB、ZB、YB甚至BB、NB、DB來(lái)衡量，其中文本、照片、音頻、視頻、醫(yī)療影像等非結(jié)構(gòu)化內(nèi)容超過(guò)85％。如何從這么龐大的數(shù)據(jù)中挖掘出有價(jià)值的信息才是研究的重點(diǎn)。

大數(shù)據(jù)技術(shù)包括大規(guī)模并行處理（MPP）數(shù)據(jù)庫(kù)、自然語(yǔ)言理解、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、分布式文件系統(tǒng)、云計(jì)算平臺(tái)和可擴(kuò)展的存儲(chǔ)系統(tǒng)等。通過(guò)這些技術(shù)對(duì)海量信息進(jìn)行采集、分析、加工和管理，為智慧化應(yīng)用提供數(shù)據(jù)源。圖3是一個(gè)可參考的企業(yè)級(jí)大數(shù)據(jù)處理軟件棧。其中MapReduce作為一種簡(jiǎn)化的分布式編程模型，為云數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理提供支撐；HBase是Hadoop團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的開(kāi)源數(shù)據(jù)管理模塊。

目前大數(shù)據(jù)管理多從架構(gòu)和并行等方面考慮，解決高并發(fā)數(shù)據(jù)存取的性能要求及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的橫向擴(kuò)展，但對(duì)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的內(nèi)容理解仍缺乏實(shí)質(zhì)性的突破和進(jìn)展，這是實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)資源化、知識(shí)化、普適化的核心[7]。

（3）云計(jì)算：海量信息存儲(chǔ)與計(jì)算平臺(tái)

在物聯(lián)網(wǎng)高級(jí)階段，需要虛擬化云計(jì)算、SOA等技術(shù)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)泛在服務(wù)。而海量信息的管理和數(shù)據(jù)挖掘又離不開(kāi)云平臺(tái)的分布式計(jì)算和存儲(chǔ)。三者的關(guān)系是密不可分的。

云計(jì)算是并行計(jì)算、分布式計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展和商業(yè)實(shí)現(xiàn)，云計(jì)算以虛擬化為基礎(chǔ)，通過(guò)集群化運(yùn)維管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器等資源的動(dòng)態(tài)分配及部署，實(shí)現(xiàn)“按需取用”產(chǎn)品和服務(wù)[8]。由于云計(jì)算將“計(jì)算能力”作為一種服務(wù)提供給廣大用戶，用戶可以租用云平臺(tái)的計(jì)算資源，方便又便宜，所以云計(jì)算的應(yīng)用降低了用戶軟硬件部署以及系統(tǒng)維護(hù)的成本，提高了系統(tǒng)和業(yè)務(wù)的彈性。搜索引擎、在線字典、網(wǎng)絡(luò)郵箱、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)出租等是目前云計(jì)算的一些典型應(yīng)用。

云計(jì)算有共有云、私有云、社區(qū)云和混合云四種部署方式。云計(jì)算技術(shù)發(fā)展的主線可以總結(jié)為如下兩點(diǎn)：

①網(wǎng)格計(jì)算（包括分布式計(jì)算，機(jī)群和集群，并行與超級(jí)計(jì)算，HPC等）體系架構(gòu)提供基礎(chǔ)設(shè)施（計(jì)算節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)資源等），即IaaS；

②中間件（包括SOA，Web Services，Multi-Tenancy，Hypervisor單機(jī)虛擬化等技術(shù)和Grid Middleware，DRM，PFS，多機(jī)虛擬化，Utility計(jì)算等技術(shù)）提供可互操作的業(yè)務(wù)集成平臺(tái)（PaaS）和在其上建立的應(yīng)用軟件（SaaS）[9]。云計(jì)算的三種主要服務(wù)模式如圖4所示。

在國(guó)際上，Google、英特爾、微軟、惠普和亞馬遜等企業(yè)在“云計(jì)算”方面的研究和投入都是走在業(yè)界前列的。在國(guó)內(nèi)，云計(jì)算企業(yè)的先鋒是阿里巴巴。2009年9月創(chuàng)立的阿里云真正把“云計(jì)算”變成了可購(gòu)買(mǎi)的公共服務(wù)。2014年11月，阿里云計(jì)算支撐了雙十一促銷(xiāo)活動(dòng)571億元的交易額。2015年1月，12306將車(chē)票查詢業(yè)務(wù)部署在阿里云計(jì)算平臺(tái)上，為春運(yùn)高峰分流了75％的流量。另一朵“中國(guó)云”世紀(jì)互聯(lián)將自身的云計(jì)算定位在基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層面，即IAAS（Infrastructure as a Sevice）層面。此外還有中國(guó)移動(dòng)的Big Cloud云平臺(tái)。

3、智慧應(yīng)用層

智慧應(yīng)用層是智慧城市建設(shè)的最終目標(biāo)。智慧應(yīng)用層的建設(shè)內(nèi)容包括智慧公共服務(wù)和智慧產(chǎn)業(yè)服務(wù)兩大方面，具體包括智能物流、智能交通、數(shù)字醫(yī)療、智能社區(qū)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能安防、數(shù)字校園等應(yīng)用。智慧城市一些初步功能已經(jīng)在日常生活中得到體現(xiàn)，如市民卡、手機(jī)銀行、手機(jī)掛號(hào)、電子政務(wù)、城市應(yīng)急指揮中心等[1]。

4、信息安全與標(biāo)準(zhǔn)管理

信息安全與標(biāo)準(zhǔn)管理是智慧城市建設(shè)的保障體系。物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)應(yīng)用給信息安全帶來(lái)新挑戰(zhàn)。加強(qiáng)智慧城市系統(tǒng)信息安全管理的主要措施有強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)安全管理，推進(jìn)信息安全等級(jí)保護(hù)制度，完善身份認(rèn)證和系統(tǒng)授權(quán)，建立數(shù)據(jù)容災(zāi)備份中心等。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系是智慧城市實(shí)現(xiàn)泛在互聯(lián)和信息交換的基礎(chǔ)。加強(qiáng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)，要面向重點(diǎn)業(yè)務(wù)領(lǐng)域，加快關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施，以點(diǎn)帶面，最終實(shí)現(xiàn)全面的技術(shù)、行業(yè)應(yīng)用和服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化。只有形成技術(shù)創(chuàng)新、標(biāo)準(zhǔn)制定和知識(shí)產(chǎn)權(quán)協(xié)調(diào)互動(dòng)機(jī)制，才能為智慧城市建設(shè)提供發(fā)展保障。

五、智慧城市未來(lái)發(fā)展展望

智慧城市的理念一經(jīng)提出即得到廣泛的關(guān)注與認(rèn)可，但是現(xiàn)在距離智慧城市的終極目標(biāo)還相差甚遠(yuǎn)，還有很長(zhǎng)的一段路要走。從社會(huì)發(fā)展的視角，智慧城市建設(shè)強(qiáng)調(diào)通過(guò)價(jià)值創(chuàng)造和以人為本的協(xié)同創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境的全面可持續(xù)發(fā)展[10]。從技術(shù)發(fā)展的視角，無(wú)所不在的“物聯(lián)網(wǎng)”催生了“大數(shù)據(jù)”，大數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生了“云計(jì)算”需求，三者相輔相成，造就了智慧城市普適計(jì)算與融合應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，智慧城市建設(shè)逐步深入，將為經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)新的增長(zhǎng)點(diǎn)，為物聯(lián)網(wǎng)、環(huán)保、城市服務(wù)等行業(yè)帶來(lái)更多機(jī)會(huì)，也必將逐漸改變中國(guó)新一輪城市競(jìng)爭(zhēng)格局。

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Technical Architecture of Smart City System in Cloud Computing Era

WangLiangying
（Liaoning University of International Business and Economics Dalian 116052）

In this paper，the connotation of"smart city"makes a deep interpretation；This paper introduces the smart of the city development and research status at home and abroad；This induction is proposed on the basis of existing research results based on ICT infrastructure platform，the Internet of things，big data，the application of cloud computing and intelligence smart city system overall architecture；Smart and the future development of urban construction are discussed.

Smart cityCurrent situationSupport technology Development

C912.81;TP311

B

161104-7414

王良瑩：女（1978～）遼寧對(duì)外經(jīng)貿(mào)學(xué)院副教授碩士主要研究方向：數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用。