基于“數(shù)據(jù)湖+CIM”架構(gòu)的智慧城市設(shè)計(jì)思想

張峰

摘要：本文在總結(jié)了智慧城市建設(shè)的指導(dǎo)政策和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過對智慧城市建設(shè)任務(wù)和技術(shù)路線的闡述，引出當(dāng)前智慧城市在城市大腦建設(shè)方面的困境和誤區(qū)，提出基于“數(shù)據(jù)湖+CIM”架構(gòu)的智慧城市技術(shù)因素設(shè)計(jì)思想和解決方案，并論述了可行性。

Abstract： On the basis of summarizing the guiding policies and practical experience of smart city construction， this article sheds light on the current difficulties and misunderstandings of smart city construction in urban brain construction by explaining the tasks and technical routes of smart city construction， proposes the smart city technology factors design ideas and solutions based on "Data Lake+CIM" architecture， and discusses the feasibility.

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)湖;CIM;智慧城市;城市大腦

Key words： Data Lake;CIM;smart city;city brain

中圖分類號：F299.2;TP391.44? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）27-0222-04

0? 引言

偉大的哲學(xué)先賢亞里士多德曾經(jīng)說過，“人類為了活著而聚集到城市，為了生活得更好而留居于城市”。城市是讓人類生活的更美好的空間。黨的十九大要求我們在繼續(xù)推動發(fā)展的基礎(chǔ)上，更好的滿足人民日益增長的美好生活需要。北京易華錄公司林擁軍先生在《數(shù)據(jù)湖——易華錄高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇》的專題報(bào)告中指出，基于藍(lán)光存儲技術(shù)的湖存儲將會成為城市數(shù)字經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施的標(biāo)配，以“數(shù)據(jù)湖+”理念和技術(shù)賦能新型智慧城市建設(shè)，使能人類在城市的生活更美好。

1? 智慧城市和新型智慧城市建設(shè)發(fā)展路線

當(dāng)前，智慧城市建設(shè)已成為各地發(fā)展的新熱點(diǎn)，全球啟動智慧城市建設(shè)的城市有上千，而我國已有300多個(gè)城市提出規(guī)劃或正在興建智慧城市，成為全世界智慧城市建設(shè)規(guī)模最大的國家①。從國家政策層面上看，早在2014年3月，國務(wù)院發(fā)布的《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃（2014-2020年）》，其中有一章節(jié)專門指出“推進(jìn)智慧城市建設(shè)”，同年8月，八部委聯(lián)合出臺了《關(guān)于促進(jìn)智慧城市健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》，定義智慧城市是運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和空間地理信息集成等新一代信息技術(shù)，促進(jìn)城市規(guī)劃、建設(shè)、管理和服務(wù)智慧化的新理念和新模式。從2016年到2018年，“國家新型智慧城市評價(jià)指標(biāo)”已連續(xù)頒布兩版。在項(xiàng)目落地方面，綜合近年來各地新型智慧城市建設(shè)項(xiàng)目落地實(shí)踐來看，建設(shè)新型智慧城市的任務(wù)包括五點(diǎn)，首先是大力實(shí)施“互聯(lián)網(wǎng)+城市”行動;二要加強(qiáng)體制機(jī)制創(chuàng)新和城市資源整合;三要推進(jìn)工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化融合創(chuàng)新;四要著力解決“城市病”（交通擁堵、環(huán)境惡化、洪澇災(zāi)害等）和民生領(lǐng)域（醫(yī)療健康服務(wù)、教育、就業(yè)、住房等）的問題;五是構(gòu)建無處不在的惠民服務(wù)體系和透明高效的政治治理體系。在擬定的技術(shù)路線方面，一般認(rèn)為，新型智慧城市重在建設(shè)“城市大腦”。所謂城市大腦，就是“大數(shù)據(jù)平臺+決策系統(tǒng)”。新時(shí)代，新型智慧城市建設(shè)關(guān)系著數(shù)字中國、智慧社會等目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，更是事關(guān)國計(jì)民生的重大任務(wù)和長期工作。隨著人民對美好生活的需要和期待不斷提升，人民對新型智慧城市的要求也是越來越高。那么，如何有效提升新型智慧城市建設(shè)實(shí)效，提高市民滿意度和獲得感，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型城市可持續(xù)發(fā)展？

2? 城市大腦建設(shè)的困難和誤區(qū)

“城市大腦”目前在智慧城市建設(shè)領(lǐng)域算是較為成熟的技術(shù)框架，作為一項(xiàng)新興技術(shù)，在業(yè)界有兩種不同的發(fā)展思路：一個(gè)是科學(xué)研究院的預(yù)測模型，認(rèn)為城市大腦是“是依托互聯(lián)網(wǎng)的類腦化進(jìn)程”②;另一個(gè)則是阿里巴巴公司在實(shí)際落地的智慧城市建設(shè)項(xiàng)目所提出的技術(shù)方案。阿里系認(rèn)為，“城市大腦建設(shè)路徑，是基于云計(jì)算的城市人工智能系統(tǒng)建設(shè)”，內(nèi)核采用阿里云人工智能ET技術(shù)，試圖通過對城市全局實(shí)時(shí)分析，做到自動配置公共資源，修正城市運(yùn)行中的缺陷。

綜合分析以上兩條建設(shè)思路，從本質(zhì)上說，都是只求城市片面，在城市某一局部，以模仿人體神經(jīng)系統(tǒng)，采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，分析處理判斷等，而忽略智慧城市發(fā)展建設(shè)全局和主體?？梢詮囊韵聨讉€(gè)問題切入，這樣的城市大腦夠健壯嗎？體量龐大的城市運(yùn)營管理數(shù)據(jù)，使用一次就會被拋棄嗎？如果要保存如何做到安全、高效、長久、綠色、低廉的保存？智慧城市建設(shè)只求建成一個(gè)城市大腦而忽略城市軀干和血液以及靈魂的建設(shè)和發(fā)育就能解決一切問題嗎？城市中的國土、建筑、工廠、社區(qū)、道路、河流、樹木、地下空間僅僅依靠地理信息集成系統(tǒng)做些呆板死板的圖標(biāo)而無法深入到任何一個(gè)城市細(xì)胞的內(nèi)部嗎？因此，客觀的講，以上兩套思路僅僅是一套“城市綜合信息處理系統(tǒng)”，尚不能構(gòu)成智慧城市的“城市大腦”。新型智慧城市應(yīng)從全局出發(fā)，做頂層設(shè)計(jì)。

3? 數(shù)字孿生智慧城市

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等數(shù)字新興技術(shù)近年來迅猛發(fā)展，運(yùn)行在人類世界的方方面面、時(shí)時(shí)刻刻，收集到大量數(shù)據(jù)，也被數(shù)據(jù)記錄和描述，從而形成了一整套完整的“數(shù)字世界”，和與之對應(yīng)的物理世界構(gòu)成了兩大體系。這兩大體系平行發(fā)展、相互作用。數(shù)字世界因物理世界的運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生，并為了服務(wù)物理世界而存在;物理世界又因數(shù)字世界的抽象而獲得知識，決策和指導(dǎo)物理世界運(yùn)轉(zhuǎn)變得高效有序。數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，從制造業(yè)逐步延伸拓展至城市空間，深刻影響著城市規(guī)劃、建設(shè)與發(fā)展。數(shù)字孿生因感知控制技術(shù)而起，因綜合技術(shù)集成創(chuàng)新而興。數(shù)字孿生城市是在城市累積數(shù)據(jù)從量變到質(zhì)變，在感知建模、人工智能等信息技術(shù)取得重大突破的背景下，建設(shè)新型智慧城市的一條新興技術(shù)路徑，是城市智能化、運(yùn)營可持續(xù)化的前沿先進(jìn)模式，也是一個(gè)吸引高端智力資源共同參與，從局部應(yīng)用到全局優(yōu)化，持續(xù)迭代更新的城市級創(chuàng)新平臺。

從技術(shù)角度看，數(shù)字孿生城市涵蓋“云-網(wǎng)-端”三級層次，成為數(shù)據(jù)驅(qū)動決策、技術(shù)綜合集成的智慧城市綜合技術(shù)支撐體系。從城市發(fā)展看，數(shù)字孿生城市是未來實(shí)體城市的虛擬映像對象和智能操控體，形成虛實(shí)對應(yīng)、相互映射、協(xié)同交互的復(fù)雜巨系統(tǒng)。從建設(shè)重點(diǎn)看，基于多源數(shù)據(jù)融合的城市信息模型（CIM）是核心，城市全面部署的智能設(shè)施和感知體系是前提，支撐孿生城市高效運(yùn)行的智能專網(wǎng)是保障，實(shí)現(xiàn)智能操控的城市大腦是重點(diǎn)③。建造數(shù)字孿生城市，其載體的核心就是CIM。城市信息模型（City Information Modeling，CIM），是從BIM（Building Information Modeling）建筑信息模型發(fā)展而來，以城市信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立起三維城市空間模型和城市信息的有機(jī)綜合體。從范圍上講是大場景的GIS數(shù)據(jù)+小場景的BIM數(shù)據(jù)+物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的有機(jī)結(jié)合，數(shù)學(xué)公式表示為“CIM=f（GIS+BIM+BD）”。不管我們的方向如何變動，大數(shù)據(jù)、綜合管廊、海綿城市，或者是其他的城市信息相關(guān)的技術(shù)，都會圍繞城市信息的采集和使用展開，這些就是城市信息模型CIM的由來。數(shù)字孿生城市，就是通過計(jì)算機(jī)CIM系統(tǒng)建造一座與城市1∶1的虛擬城市，可以稱之為數(shù)字版“海市蜃樓”。

4? 基于“數(shù)據(jù)湖+CIM”架構(gòu)提出的智慧城市頂層設(shè)計(jì)思想

智慧城市頂層設(shè)計(jì)總體架構(gòu)為七層模型，技術(shù)體系要素一般包括，基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)、業(yè)務(wù)架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)，以及安全體系、標(biāo)準(zhǔn)體系和產(chǎn)業(yè)體系等組織因素。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合前面理論闡述和市場實(shí)踐總結(jié)，提出新型智慧城市建設(shè)的“數(shù)據(jù)湖+CIM”架構(gòu)的解決方案。如圖1所示。底座為“新一代信息通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施”支撐的“數(shù)據(jù)湖基礎(chǔ)設(shè)施”所構(gòu)成“智慧城市新型基礎(chǔ)建設(shè)”架構(gòu)，通過“數(shù)據(jù)湖生態(tài)”，“飲水入湖”，包括城市時(shí)間數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、政務(wù)數(shù)據(jù)和民生數(shù)據(jù)，匯集城市大數(shù)據(jù)集，即“城市信息數(shù)據(jù)資源池”，向上為“智慧城市平臺層”提供數(shù)據(jù)服務(wù)?！爸腔鄢鞘衅脚_架構(gòu)”是智慧城市的核心層，包括“數(shù)據(jù)湖大數(shù)據(jù)平臺”、“城市信息模型（CIM）庫”、算法庫和知識庫，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和治理，并通過數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)融合和技術(shù)融合，使用“應(yīng)用服務(wù)中間件”，向“新型智慧城市應(yīng)用平臺”輸出跨部門、跨系統(tǒng)、跨業(yè)務(wù)、跨層級、跨地域的協(xié)同管理和服務(wù)?！爸腔鄢鞘袘?yīng)用層”，通過部署智慧政務(wù)、智慧商務(wù)、智慧社區(qū)、智慧園區(qū)等多個(gè)智慧應(yīng)用子系統(tǒng)，集成城市“應(yīng)急指揮系統(tǒng)”和“綜合決策系統(tǒng)”，推進(jìn)公共服務(wù)便捷化、城市管理精細(xì)化、生活環(huán)境宜居化、基礎(chǔ)設(shè)施智能化、網(wǎng)絡(luò)信息安全長效的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)湖的概念，在國際上早有提出。被譽(yù)為“數(shù)據(jù)倉庫之父”的Bill Inmon在他的著作《數(shù)據(jù)湖架構(gòu)》一書中，明確提出，“設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)湖以避免垃圾存儲”，同時(shí)他提出了數(shù)據(jù)湖的4個(gè)基礎(chǔ)組件：元數(shù)據(jù)（metadata）、整合圖譜（integration mapping）、語境（context）以及原過程（metaprocess）。他還定義了數(shù)據(jù)湖內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲單元為“數(shù)據(jù)池（pond）”和不同數(shù)據(jù)池類型下的數(shù)據(jù)生命周期。而在國內(nèi)將數(shù)據(jù)湖事業(yè)做的風(fēng)生水起的莫過于中國華錄集團(tuán)易華錄公司推出的基于藍(lán)光存儲和光磁一體的城市數(shù)字化設(shè)施標(biāo)配的IDC數(shù)據(jù)湖。（圖2）

易華錄數(shù)據(jù)湖具有六大產(chǎn)業(yè)定位，新一代城市數(shù)字經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)配;新一代綠色I(xiàn)DC，光磁融合、冷熱存儲混合，具有多級服務(wù)功能;大數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘，對接人工智能的DT系統(tǒng);大數(shù)據(jù)采集、存儲、整理、開放的規(guī)則，是國家治理體系和能力現(xiàn)代化的集中體現(xiàn);大數(shù)據(jù)眾創(chuàng)空間，數(shù)據(jù)眾籌、問題眾治、應(yīng)用眾包、產(chǎn)業(yè)重創(chuàng);大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的孵化土壤，大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)園，信息基礎(chǔ)設(shè)施招商、數(shù)據(jù)招商。它與傳統(tǒng)IDC具有明顯區(qū)別，首先是設(shè)施屬性不同，數(shù)據(jù)湖作為DT時(shí)代數(shù)字經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施，資產(chǎn)所有權(quán)歸地方政府，協(xié)助政府構(gòu)建由政府管理城市數(shù)據(jù)資源池，可為政府提供海量、綠色、安全、高效的城市數(shù)據(jù)資源管理。存儲介質(zhì)更多。傳統(tǒng)IDC較多采用磁存儲技術(shù)，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和計(jì)算的迅速響應(yīng)，但磁存儲的高能耗、高成本、生命周期短、安全隱患多等缺點(diǎn)，嚴(yán)重阻礙大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。數(shù)據(jù)湖存儲是在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心磁存儲介質(zhì)基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了藍(lán)光存儲介質(zhì)，采用光磁融合存儲技術(shù)，同比單一的磁存儲，數(shù)據(jù)湖存儲在容量、能耗、壽命、安全等方面具有明顯優(yōu)勢，輕松實(shí)現(xiàn)EB、PB甚至是ZB級的海量數(shù)據(jù)存儲能力。另外還有存儲策略更優(yōu)并注重生態(tài)構(gòu)建等方面優(yōu)點(diǎn)。

建造智慧城市，無疑數(shù)據(jù)是一個(gè)無窮大的體量。據(jù)測算，城市數(shù)據(jù)正在以每兩年翻一番的速度增長。數(shù)據(jù)如洪水一般涌入，然而面對高昂的存儲成本卻無法承接長久保存。如果沒有五年十年以上的積累，也是根本形不成大數(shù)據(jù)價(jià)值鏈。同時(shí)，數(shù)據(jù)關(guān)系的割裂更是對數(shù)據(jù)價(jià)值的直接破壞，直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)環(huán)境生態(tài)流失而無法恢復(fù)。此外，關(guān)于數(shù)據(jù)產(chǎn)權(quán)糾紛也造成了嚴(yán)重的社會問題。數(shù)據(jù)作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的原油，作為智慧城市中的礦山，如何開發(fā)利用已經(jīng)成為時(shí)代的緊迫課題④。城市數(shù)據(jù)湖作為一個(gè)數(shù)據(jù)資源庫，通過對數(shù)據(jù)的低成本長久性的存儲和開發(fā)，打通數(shù)據(jù)壁壘，破除信息孤島，為城市發(fā)展、民生改善和產(chǎn)業(yè)調(diào)整的智慧城市建設(shè)提供新動力。

5? 結(jié)束語

綜上所述，進(jìn)行智慧城市頂層設(shè)計(jì)，實(shí)行一張藍(lán)網(wǎng)管到底，綜合治理虛實(shí)融合一盤棋，政務(wù)服務(wù)、公共事業(yè)情景交融個(gè)性定制且智能主動一站式，是促進(jìn)城市良性可持續(xù)發(fā)展的必由之路。基于“數(shù)據(jù)湖+CIM”架構(gòu)進(jìn)行技術(shù)因素設(shè)計(jì)的智慧城市，在驅(qū)動城市智能運(yùn)行，惠達(dá)民生，促進(jìn)城市迭代更新，產(chǎn)業(yè)升級，平衡區(qū)域優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展等方面，是能夠提供創(chuàng)新動能的，也是完全可行勢在必行的。

注釋：

①數(shù)據(jù)來源：2018年12月中國信息通信研究院《數(shù)字孿生城市研究報(bào)告》。

②引自：《基于互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)的智慧城市建設(shè)研究》。

③引自《數(shù)字孿生城市研究報(bào)告》前沿（2018）。

④引自華錄集團(tuán)總經(jīng)理張黎明先生接受人民慕課的邀請，錄制《數(shù)據(jù)湖對黨建工作的重要意義及實(shí)施步驟》的課程。

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