邊緣計算和云計算在智慧城市建設中的應用

關鍵詞：邊緣計算;云計算;智慧城市建設

中圖法分類號：TP393 文獻標識碼：A

1引言

邊緣計算以互補的方式應用在智慧城市建設中，能夠解決傳統(tǒng)封閉式架構對云端過分依賴所導致的通信覆蓋面窄、連接和傳輸成本高、數(shù)據處理延時等問題，將計算、通信及存儲等遷移到基礎設施架構的邊緣，使云架構在時延、數(shù)據分析及成本等方面的壓力得以緩解。

2邊緣計算、云計算及智慧城市的相關概述

2.1邊緣計算

2.1.1定義

邊緣計算指的是：在網絡邊緣執(zhí)行計算的新興技術模型，從數(shù)據源至云計算中心路徑之間的網絡資源、任意計算都稱為邊緣，網絡邊緣設備既可以從云中心請求服務、內容，也可以執(zhí)行數(shù)據存儲、緩存、處理、隱私保護及設備管理等計算任務。

2.1.2特點

邊緣計算的特點為：其一，邊緣計算主要以運算節(jié)點下沉的方式進行流量負載，數(shù)據傳輸速度較快，能夠實現(xiàn)實時數(shù)據的分析和處理，使數(shù)據處理靠近源，起到縮短延遲時間的作用;其二，運營成本低。對于企業(yè)而言，以往利用數(shù)據中心網絡對本地設備上的數(shù)據進行管理時需消耗較多成本。而基于邊緣計算，企業(yè)運營管理的成本得以降低，使企業(yè)經費預算減少;其三，確保數(shù)據安全。邊緣計算主要從權限切換、統(tǒng)一管理及跨域數(shù)據這三個層面優(yōu)化數(shù)據隱私性能，為用戶創(chuàng)設安全的數(shù)據使用環(huán)境，確保數(shù)據模型、用戶信息及數(shù)據切片等方面的安全性;其四，加強穩(wěn)定性。與云計算大數(shù)據中心方式相比較，邊緣計算為分散的節(jié)點，便于對故障影響的范圍、數(shù)據量進行控制，使數(shù)據處理設備的負擔減輕，確保為用戶提供更加穩(wěn)定的服務。

2.2云計算

2.2.1定義

云計算作為一種服務提供模型，利用網絡訪問數(shù)據中心的網絡、計算及存儲等資源為應用提供具有伸縮性的分布式計算能力，使用虛擬化技術構建共享資源池，擁有計算、監(jiān)督等能力，且能夠對計算資源進行動態(tài)分割、分配，為用戶提供高效的交付服務，滿足不同用戶多樣化的需求。云計算是基于網絡技術、分布式計算機并行計算上發(fā)展而成，按照服務種類可以將其分為基礎設施、平臺、軟件。

2.2.2云計算的特點

其一，云中心服務器的規(guī)模較大。比如，目前微軟、谷歌等大型公司的云計算平臺擁有十萬臺服務器，小型公司的私有云項目擁有上百臺或上千臺服務器，意味著可以為用戶提供海量存儲空間、計算能力;其二，可靠性高。由于云計算是在分布式服務器集群基礎上設計的，為了避免單點錯誤的出現(xiàn)，云計算中心采取副本策略、計算節(jié)點同構互換等機制，增強云計算的可靠性;其三，拓展性強。云計算能夠根據用戶的特定需求實現(xiàn)資源動態(tài)化分配、釋放，當用戶需求發(fā)生改變的情況下，云計算能夠靈活地調整匹配資源，以彈性化的方式向用戶提供或釋放資源，突顯出云計算在資源方面的拓展性;其四，虛擬化。利用虛擬化技術對不同分布位置的資源進行整合，形成統(tǒng)一的共享資源池，便于用戶在不受時間、空間約束的情況下，通過網絡享受云計算中心所提供的服務。

2.3智慧城市

智慧城市指的是：借助先進技術來構建城市基礎設施，使城市管理服務更加便捷，為人們提供舒適、便捷的生活環(huán)境。在智慧城市建設中，將邊緣計算和云計算相結合，為城市建設提供新的計算方式，利用分布計算任務的方式使城市各個應用系統(tǒng)具有計算力、存儲空間等服務，從而提高城市應用系統(tǒng)數(shù)據的使用效率，以改善人們的生活質量和城市的環(huán)境質量。

因此，有人將云計算、邊緣計算分別比作是智慧城市的“大腦”和“眼睛、耳朵、手腳”，二者所提供的服務類型、目標應用等存在差異，如表1所示。邊緣計算的實際應用需依托云計算中心的海量存儲、計算能力，而云計算的應用需邊緣設備處理海量數(shù)據、隱私數(shù)據，在二者相互作用下，達到節(jié)約能耗、保護隱私及實時性等要求。

3邊緣計算與云計算應用于智慧城市建設的必要性分析

3.1邊緣技術與云計算結合應用于智慧城市建設的優(yōu)勢

3.1.1滿足物聯(lián)網場景服務

邊緣設備具有智能性，能夠根據設備性能、任務需求，對信息是否傳回網關、云端加工處理進行有效判斷。充分利用邊緣計算所具備的計算能力，可以對業(yè)務進行實時處理，并且可以利用云計算對數(shù)據進行整體分析、處理，在二者協(xié)同作用下實現(xiàn)物聯(lián)網場景服務。

3.1.2節(jié)約智慧城市建設成本

智慧城市是多系統(tǒng)、多行業(yè)及多應用構成的綜合體。城市的各個應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，將邊緣計算相融合應用于智慧城市建設中，能夠起到協(xié)調城市各應用系統(tǒng)，計算、存儲城市中的海量數(shù)據，節(jié)約智慧城市建設成本等作用。

3.1.3整合城市信息資源

當前，城市各個領域處于網狀關系，智慧城市的建設需了解、獲取城市各類信息，對各領域之間的網狀關系進行分析。其中，將信息流、資源流、人才流等信息存儲于云端，可以實現(xiàn)城市信息資源的整合。此外，智慧城市建設的本質是融合，在實現(xiàn)傳統(tǒng)產業(yè)與信息技術融合的過程中，為新型網站建設、快遞等行業(yè)提供發(fā)展機遇，比如利用邊緣計算、云計算平臺構建智慧政府、交通、教育及醫(yī)療等，可以為智慧城市的構建提供廣闊的發(fā)展空間。

3.2智慧城市建設存在的問題

3.2.1用戶流失，資源浪費

目前，在智慧城市建設中，社會運行管理、物聯(lián)網及醫(yī)療等方面都使用數(shù)據中心對數(shù)據進行處理，這種數(shù)據處理方式需擔負日常查詢、復雜數(shù)據清洗、數(shù)據建模、數(shù)據匯總等多方面的工作，意味著其業(yè)務壓力較大，容易出現(xiàn)數(shù)據反饋效率低的問題，無法滿足用戶的實際需求，導致部分用戶流失、資源浪費。

3.2.2智慧城市各應用系統(tǒng)的服務能力被弱化

智慧城市中數(shù)據的生成需要借助智能設備、外接式監(jiān)控單元來實現(xiàn)，其自身無法對大規(guī)模數(shù)據進行存儲，加之不同設備所生成的數(shù)據在格式、內容量、規(guī)則及標準等方面具有一定差異，通常需將其轉換成統(tǒng)一標準后，才能分配給智慧城市各應用系統(tǒng)進行數(shù)據加工，說明其服務能力較弱。因此，在智慧城市建設中，應用邊緣計算和云計算具有必要性。

4邊緣計算和云計算有效應用于智慧城市建設的措施

4.1在智慧城市建設中應用邊緣計算

4.1.1基于邊緣計算的智慧城市架構

隨著全球信息應用市場的快速發(fā)展，政府在智慧城市建設中給予政策、市場及技術等方面的支持，加之5G技術的推動，現(xiàn)有的技術架構已無法滿足海量、實時數(shù)據處理和交互的需求，借助邊緣計算可以為智慧城市建設提供軟件數(shù)據處理、硬件嵌入技術及接入手段方面的支持，所構建的新智慧城市體系架構包括：數(shù)據采集、邊緣能力、基礎環(huán)境、應用提供、信息需求者及信息加工六個層面。其中，數(shù)據采集層的主要任務是：借助接口讀取不同型號傳感器所獲取的衛(wèi)星定位、射頻感應等各類數(shù)據，按照該系統(tǒng)的格式要求對數(shù)據進行存儲，為運算工作做好準備;邊緣能力層主要負責計算標準模型的數(shù)據，以短路徑的方式將計算結果反饋給前端，該層會借助工控機、芯片及服務主機等設施對采集到的數(shù)據進行匯總、分析、反饋及處理，然后將信息傳送到相應的數(shù)據中心。

4.1.2在智慧城市建設中邊緣計算的具體應用

其一，智慧社區(qū)。為了保證小區(qū)居民的安全，將邊緣計算應用于安防管理系統(tǒng)，借助攝像機對小區(qū)內部車輛、人員進行監(jiān)測，且對其進行結構化分析，可以警示、告警等形式輔助小區(qū)開展安全管理工作;其二，智慧交通。在城市交通管理中，為了實時監(jiān)測和掌握交通路況、擁堵及違章等情況，比如在城市交通監(jiān)測中，在各個路段安裝高清攝像頭，利用前端電警、卡扣等對車輛、路人行為進行規(guī)劃，實時監(jiān)測交通路況、違章等情況，再借助邊緣服務器獲取、分析智能交通控制系統(tǒng)中的數(shù)據，可以根據實際情況對交通信息燈進行控制，以緩解交通擁堵情況，如圖1所示;其三，智慧安檢。在機場、火車站等安檢位置裝置自動檢票機器，將設備與數(shù)據庫相連接，可以提供人證合一的自助安檢服務，提高入站效率，緩解安檢人員的工作壓力。而通過站內攝像設備監(jiān)測的情況，可以實時掌控站內人流情況，便于監(jiān)控重點對象，確保人們出行安全;其四，智慧醫(yī)療。在醫(yī)療中，對數(shù)據響應的要求比較高，借助邊緣計算能夠滿足其快速響應的需求，便于開展遠程診斷工作，比如在流感暴發(fā)時期，醫(yī)院作為邊緣結點之一，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)等其他結點進行共享，便于其他邊緣結點調整和制定相應的工作方案。

4.2在智慧城市建設中應用云計算

4.2.1云計算支撐平臺的架構

基于云計算的智慧城市建設，所搭建的支撐平臺架構包括：資源池、數(shù)據處理中心、云服務中心、云操作系統(tǒng)及物理設備等層。其中，物理設備、資源平臺主要負責將云存儲、通信網絡等虛擬化，所搭建的資源池，為基礎計算、操作服務等實施做好準備;云計算管理層主要借助操作系統(tǒng)、運營平臺為用戶提供多類型的管理和業(yè)務服務，以接口協(xié)議的方式，保障各網絡應用業(yè)務端口統(tǒng)一、協(xié)調。

4.2.2云計算在智慧城市建設中的具體應用

其一，智慧政府。智慧政府作為智慧城市建設中的重要組成部分，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等內容。比如將智慧城市生態(tài)環(huán)境、交通運輸、基礎設施等各領域的數(shù)據集成于“云”平臺，政府內部各部門借助該平臺傳送文件、下達方針政策、傳輸公共信息等，可以確保信息數(shù)據傳輸?shù)陌踩⒏咝?，能夠在短時間內對城市資源進行調度、合理配置[4]。此外，借助云平臺向城市居民提供多種形式的服務窗口，可以提高居民對政府服務的滿意度，便于構建服務性智慧政府。

其二，智慧交通。隨著城市人口的快速增長，為了滿足居民的通行品質、安全方面等需求，需構建城市智慧交通———以自動化的方式收集車速、車流及交通狀況等方面的信息，以智能化的方式對交通通行能力進行科學評估，制定出最佳的交通調度方案，比如將傳感器設備設置于各路段，便于24小時收集道路信息。而借助云計算基地對交通運行中產生的結構復雜、體量龐大數(shù)據進行轉化為統(tǒng)一格式，存儲于云平臺，再利用相關軟件對道路信息進行分析，可以對交通擁堵情況進行預測，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的單元，智慧化程度會直接影響居民的生活質量，比如利用云計算對智慧社區(qū)中的安防、教育、醫(yī)療及物業(yè)等資源進行整合，再以家庭為單位制定出個性化服務方案、差異化資源調度計劃，可以突顯出智慧社會運行的高效性。

5結束語

在萬物互聯(lián)的時代背景下，應用服務對數(shù)據的安全性、可靠性及實效性等要求比較高，而云計算模式在隱私保護、能耗及實時性等方面具有一定缺陷。將邊緣計算與云計算相結合應用于智慧城市建設中，可以充分發(fā)揮邊緣計算模型中邊緣終端的計算能力，通過執(zhí)行部分或全部計算，對隱私數(shù)據進行保護，能夠起到延伸、補充云計算的作用，為物聯(lián)網、移動計算提供高效的計算平臺。

作者簡介：

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