大數(shù)據(jù)時代下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧城市中的運用

苑玉霞

(山東宏業(yè)發(fā)展集團有限公司,山東 濟南 250000)

0 引言

過去幾十年,信息技術(shù)快速發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用為城市提供了新的發(fā)展機遇。智慧城市作為一種創(chuàng)新的城市構(gòu)想,利用信息技術(shù)將城市的交通、能源、公共服務(wù)和環(huán)境管理緊密結(jié)合,目標(biāo)是提高運行效率、節(jié)省資源并提升居民生活品質(zhì)。然而,要將此愿景轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實,涉及技術(shù)、政策、經(jīng)濟和社會多個維度的復(fù)雜互動。對這些維度的交互和影響進行深入研究,有助于應(yīng)對智慧城市建設(shè)的各種難題。

1 智慧城市在實施過程中面臨的主要問題

1.1 異構(gòu)數(shù)據(jù)的收集與整合問題

由于數(shù)據(jù)來源及類型各異,智慧城市建設(shè)中遭遇的關(guān)鍵問題是異構(gòu)數(shù)據(jù)的收集與融合。數(shù)據(jù)可能分散于多個部門,如交通、氣象、環(huán)保和公安,它們各自運用的系統(tǒng)與數(shù)據(jù)格式可能有所不同。即便是同一部門的子系統(tǒng)間也可能有所區(qū)別。這樣的差異導(dǎo)致數(shù)據(jù)收集、清洗與融合的過程變得異常煩瑣。因此,高效地整合這些數(shù)據(jù),將其轉(zhuǎn)化為具備應(yīng)用價值的信息,顯得尤為緊迫。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連通性與兼容性問題

物聯(lián)網(wǎng)是支持智慧城市建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù),但在實施中,物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連通性與兼容性成為顯著難題。由于各制造商、標(biāo)準和協(xié)議的差異,部分設(shè)備可能難以有效溝通或需經(jīng)過復(fù)雜設(shè)置才能達成溝通。新舊技術(shù)設(shè)備間的技術(shù)鴻溝也可能造成兼容性挑戰(zhàn),從而削減系統(tǒng)的性能。這些問題已約束物聯(lián)網(wǎng)的普及率,制約智慧城市進一步推進。

1.3 大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)安全與隱私保護問題

隨物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的廣泛部署,數(shù)據(jù)安全及隱私防護成為前沿議題。智慧城市建設(shè)高度依賴物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來完成數(shù)據(jù)的采集、傳遞與處理。智能電表、環(huán)境感知器、交通信號控制器等均持續(xù)產(chǎn)生并傳遞眾多數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包含眾多個人隱私內(nèi)容,如行為模式、日常生活習(xí)慣及出行安排。若未采取恰當(dāng)?shù)陌踩雷o措施,敏感信息可能被有意圖的攻擊者所利用,致使隱私大范圍泄露。大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備為潛在攻擊者提供了眾多攻擊點,一旦某設(shè)備被破壞,可能對整體網(wǎng)絡(luò)造成影響,對智慧城市的正常運作形成巨大威脅。

2 智慧城市實施問題原因分析

2.1 數(shù)據(jù)多元性導(dǎo)致的復(fù)雜性

數(shù)據(jù)多元性導(dǎo)致的復(fù)雜性正是異構(gòu)數(shù)據(jù)收集與整合難題的核心所在,涉及多個層面因素。其中一個因素是城市內(nèi)不同部門與行業(yè)在其發(fā)展歷程中各自獨立發(fā)展,選擇了各自的技術(shù)和數(shù)據(jù)格式以滿足獨特需求。由于歷史背景原因,各部門的數(shù)據(jù)系統(tǒng)常?；ゲ魂P(guān)聯(lián),并缺乏統(tǒng)一標(biāo)準。過去,眾多部門并沒有明確的共同目標(biāo)或驅(qū)動力來統(tǒng)一數(shù)據(jù)架構(gòu),導(dǎo)致現(xiàn)代智慧城市構(gòu)建者在數(shù)據(jù)收集與整合上遭遇重重困難。再者,技術(shù)的快速進步與創(chuàng)新也加劇了這一問題。隨著新的數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)的出現(xiàn),眾多部門可能會采用新的系統(tǒng)以提高效率,但新舊系統(tǒng)間或與其他部門的系統(tǒng)間可能存在兼容性問題。這種現(xiàn)象不僅增加了技術(shù)整合的難度,還導(dǎo)致資源的配置不均衡。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的技術(shù)規(guī)范不一,制約其互聯(lián)互通

隨著物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展,許多制造商和開發(fā)者紛紛進入市場,生產(chǎn)各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。在此背景下,達成行業(yè)共識并統(tǒng)一標(biāo)準變得尤為困難。制造商為保持市場優(yōu)勢,往往選擇開發(fā)自有技術(shù)和協(xié)議,試圖讓客戶長期依賴其生態(tài)系統(tǒng),進而導(dǎo)致設(shè)備間的互操作性問題。同時,全球各地制造商在生產(chǎn)設(shè)備時,受到本地法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準的約束,為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的全球統(tǒng)一帶來難題。在沒有統(tǒng)一標(biāo)準的情況下,制造商更多地依據(jù)自己的市場策略確定技術(shù)規(guī)范,忽略了與其他制造商設(shè)備的兼容問題。再者,技術(shù)持續(xù)的進步也給物聯(lián)網(wǎng)帶來了挑戰(zhàn)。新技術(shù)和通信協(xié)議的引入雖然可以提高設(shè)備性能,但與已有的設(shè)備存在兼容性問題,進一步復(fù)雜化了整個系統(tǒng)的連通性。

2.3 面臨數(shù)據(jù)泄露、黑客攻擊等多重網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險

智慧城市大量依賴物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來收集、傳輸和處理數(shù)據(jù),因而存在數(shù)據(jù)泄露、黑客攻擊等多重網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的制造過程中,面臨成本壓力,有時會犧牲安全標(biāo)準來降低成本。如選擇較弱的加密標(biāo)準、延后安全更新或采用容易被攻擊的默認憑據(jù)都增加了安全風(fēng)險。同時,大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的部署增加了管理和維護的復(fù)雜性。當(dāng)眾多設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)相連時,任何小的安全疏漏都有可能對整體系統(tǒng)造成威脅。有效地監(jiān)控與維護龐大的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)顯然是一個巨大的挑戰(zhàn)[2]。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧城市中的應(yīng)用策略

3.1 提出和優(yōu)化大數(shù)據(jù)平臺的設(shè)計方案

在智慧城市的建設(shè)中,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與大數(shù)據(jù)平臺聯(lián)手,為智慧城市建設(shè)面臨的問題提供了新的解決方法。設(shè)計高效的大數(shù)據(jù)平臺時,必須確保數(shù)據(jù)處理的流暢性及其架構(gòu)的可擴展性,特別是數(shù)據(jù)處理和存儲環(huán)節(jié),優(yōu)化是關(guān)鍵。當(dāng)大規(guī)模非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)涌入,傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫可能會遭遇性能問題,為了解決此難題,NoSQL數(shù)據(jù)庫,如MongoDB和Cassandra,逐漸嶄露頭角,因其對非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的處理更為高效,對于如時間序列這樣的數(shù)據(jù),利用時間作為分區(qū)鍵顯得尤為重要,可以顯著提高查詢性能。

為了進一步提升效率,研究人員還可以采用分布式計算框架,如Apache Hadoop和Apache Spark。該框架能夠?qū)⒋髷?shù)據(jù)處理任務(wù)分解為較小的子任務(wù),分布在多個計算節(jié)點上并行執(zhí)行。特別是在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時,該框架可以顯著提高性能。

以Apache Spark為例,假設(shè)有1TB的數(shù)據(jù)集,需要執(zhí)行某種計算。設(shè)單節(jié)點處理速度為100 MB/s,處理整個數(shù)據(jù)集大約需要3 h。但是,如果將數(shù)據(jù)分布在20個節(jié)點上,每個節(jié)點處理50 GB的數(shù)據(jù),則總體處理時間可以縮短到10 min。

公式表示:

單節(jié)點處理時間=數(shù)據(jù)大小/處理速度

=1TB/100 MB/s≈3 h

多節(jié)點處理時間=(數(shù)據(jù)大小/節(jié)點數(shù)量)/處理速度

知識分子的概念在不同時期有不同的擴展和內(nèi)涵。通常，知識分子被認為是精神或腦力勞動者，他們具有高水平的文化專業(yè)知識，從廣義上講，高層次人才是指接受過正規(guī)教育、知識相對較多、具有一定創(chuàng)新能力的社會群體。本文研究的對象是指具有博士學(xué)位或高級職稱及以上的專業(yè)技術(shù)人員。

=(1TB/20)/100 MB/s≈10 min

3.2 制定物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通用標(biāo)準,實現(xiàn)設(shè)備間的互通互聯(lián)

制定物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通用標(biāo)準是智慧城市發(fā)展中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的多樣性和復(fù)雜性,不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備往往采用不同的技術(shù)和協(xié)議。分散性的特征在一定程度上阻礙了設(shè)備間的互通互聯(lián),從而限制了智慧城市的功能和效率。

通用標(biāo)準的制定應(yīng)側(cè)重于確保設(shè)備能夠以一種一致和可預(yù)測的方式交換信息?？梢酝ㄟ^制定通用的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式和接口標(biāo)準來實現(xiàn)。例如,通過采用MQTT或CoAP作為通信協(xié)議,設(shè)備可以通過輕量級的消息傳輸方式進行通信。該類型的協(xié)議通常比傳統(tǒng)的HTTP更適合物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境,因其在網(wǎng)絡(luò)帶寬和能源消耗方面更加高效。

以簡單的示例進行說明。假設(shè)一個智慧城市有10 000個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,每個設(shè)備每分鐘發(fā)送一條消息,每個HTTP消息的平均大小為1 KB,如果使用HTTP作為通信協(xié)議,則每分鐘需要傳輸大約10 MB的數(shù)據(jù)。

公式表示為:

HTTP數(shù)據(jù)傳輸量=設(shè)備數(shù)量×消息大小×消息頻率

=10 000×1 KB×1/min

而如果使用MQTT,由于它是一種更輕量級的協(xié)議,假設(shè)每個消息的平均大小為256字節(jié),那么每分鐘需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大約為2.5 MB。

公式表示為:

MQTT數(shù)據(jù)傳輸量=設(shè)備數(shù)量×消息大小×消息頻率

=10 000×256字節(jié)×1/min

≈2.5 MB/min

為了確保不同設(shè)備之間的互通性,必須采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。不論是哪種設(shè)備或由哪個制造商生產(chǎn),所有的設(shè)備都應(yīng)當(dāng)能夠按照統(tǒng)一的標(biāo)準格式發(fā)送與接收數(shù)據(jù)。例如,JSON和XML作為兩種廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)交換格式,由于其出色的可讀性,被大量設(shè)備和系統(tǒng)所接受和使用[3]。

3.3 推進數(shù)據(jù)安全保護措施,保障個人隱私和網(wǎng)絡(luò)安全

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在智慧城市中廣泛部署,經(jīng)常處理涉及敏感個人信息的大量數(shù)據(jù)。因此,確保物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)安全和個人隱私保護尤為重要。在此背景下,加密技術(shù)的運用顯得尤為關(guān)鍵。數(shù)據(jù)加密能確保即使在傳輸過程中數(shù)據(jù)被攔截,未經(jīng)授權(quán)的第三方也無法輕易訪問。當(dāng)前,像AES這樣的對稱加密算法及RSA這類的非對稱加密算法已廣泛運用。特別是AES-256加密算法,其256位的密鑰長度使得通過窮舉攻擊破解需要的時間達到1.1×1077年,近乎不可能實現(xiàn)。

除加密技術(shù)之外,數(shù)據(jù)訪問控制同樣關(guān)鍵。實施基于角色的訪問控制(RBAC)或基于屬性的訪問控制(ABAC)能確保僅授權(quán)用戶可以訪問指定數(shù)據(jù)。假設(shè)智慧城市環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)每日生成約1TB數(shù)據(jù),那么應(yīng)用RBAC則限定僅“環(huán)境分析師”角色用戶有權(quán)訪問此數(shù)據(jù)。

在確保網(wǎng)絡(luò)安全方面,防火墻與入侵檢測系統(tǒng)(Intrusion Detection System,IDS)為關(guān)鍵防護工具?？紤]到某一物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正常數(shù)據(jù)傳輸速率為10 KB/s的情境,若發(fā)現(xiàn)該設(shè)備在5 s之內(nèi)平均傳輸速率超出100 KB/s,則可能暗示有分布式拒絕服務(wù)(Distributed Denial of Service,DDoS)攻擊發(fā)生,此刻應(yīng)啟動防御機制[4]。

4 結(jié)語

綜上所述,智慧城市的建設(shè)涉及眾多維度,包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用、大數(shù)據(jù)平臺的優(yōu)化、設(shè)備通用標(biāo)準的制定及數(shù)據(jù)安全與個人隱私的維護等方面。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在智慧城市內(nèi)廣被采用,目的是高效收集與分析數(shù)據(jù),從而顯著提高城市運營效率及市民生活品質(zhì)。與此同時,數(shù)據(jù)安全和隱私問題也應(yīng)予以高度關(guān)注。應(yīng)用加密、訪問控制以及網(wǎng)絡(luò)安全手段可減少數(shù)據(jù)泄露和網(wǎng)絡(luò)攻擊的可能性。另外,物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通用標(biāo)準在確保設(shè)備間通信的過程中起到了至關(guān)重要的作用,涉及統(tǒng)一的通信協(xié)議及數(shù)據(jù)格式。公眾對智慧城市的認知與接受程度也是衡量其成功與否的指標(biāo)。通過教育、培訓(xùn)及為用戶提供友好的工具,可降低使用門檻,并增強市民對智慧城市的認同感。因此,在智慧城市的建設(shè)中,對上述因素需進行全面評估,并據(jù)此策劃相應(yīng)方案,以確保智慧城市長遠地惠及全社會。