王良瑩

（遼寧對外經(jīng)貿(mào)學院大連116052）

云計算時代智慧城市系統(tǒng)技術架構

王良瑩

（遼寧對外經(jīng)貿(mào)學院大連116052）

本文對“智慧城市”的內(nèi)涵進行了深入解讀；介紹了智慧城市的國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀；在歸納已有研究成果的基礎上提出基于ICT基礎平臺、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和智慧應用的智慧城市系統(tǒng)總體架構；最后展望了智慧城市建設的未來發(fā)展。

智慧城市 現(xiàn)狀 支撐技術 發(fā)展

一、引言

在信息技術迅猛發(fā)展的今天，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算技術的廣泛應用，使得“智慧城市”這種新型城市管理形態(tài)應運而生。智慧城市的理念一經(jīng)提出即得到廣泛的關注與認可，成為了目前最熱門的研究課題之一，其市場前景巨大，社會影響深遠，各國政府都很重視智慧城市建設，紛紛采取行動積極推動智慧城市建設[1]。智慧城市建設旨在解決城市快速發(fā)展過程中帶來的社會管理、交通、環(huán)保、醫(yī)療等城市發(fā)展難題，是當今世界城市發(fā)展不可逆轉的歷史潮流。

二、智慧城市概念解讀

智慧城市就是運用信息和通信技術手段感測、分析、整合城市運行核心系統(tǒng)的各項關鍵信息，從而對包括民生、環(huán)保、公共安全、城市服務、工商業(yè)活動在內(nèi)的各種需求做出智能響應[1]。其實質是利用先進的信息技術，實現(xiàn)城市智慧式管理和運行，進而為城市中的人創(chuàng)造更美好的生活，促進城市的和諧、可持續(xù)成長[2]。

三、智慧城市的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1、智慧城市建設的國際實踐

智慧城市建設具有國家的經(jīng)濟與科技戰(zhàn)略意義，美國、德國、法國、瑞典、愛爾蘭、新加坡、日本、韓國等國家的近二百個城市已經(jīng)加入到智慧城市建設的隊伍中來，美國政府將“智慧城市”視為與“信息高速公路”同等重要的國家戰(zhàn)略，歐盟將信息和通信技術作為歐洲2020年的科技創(chuàng)新重點，提出了一整套智慧城市建設目標，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、新加坡等國政府也都相繼進行了智慧城市建設發(fā)展規(guī)劃，并已經(jīng)在教育培訓、醫(yī)療衛(wèi)生和電子政務等領域付諸實施。特別是，國際三大標準化組織ISO，IEC，ITU-T在2013年相繼成立了智慧城市標準化研究工作組，標志著智慧城市建設工作的全面開展[1]。

2、智慧城市在我國的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國智慧城市發(fā)展步伐很快，很多城市都已經(jīng)開始啟動智慧城市建設，特別是“中國夢”的提出再次加速了智慧城市建設的步伐。據(jù)統(tǒng)計，“十二五”期間，中國有上百個城市著手打造“智慧城市”建設，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年首批國家智慧城市試點名單包含90個城市。北京、上海、深圳、寧波、武漢等主要城市在智慧城市建設中成為了領跑者。2013年國家啟動智慧城市技術和標準雙試點工程。2014年8月，國務院印發(fā)了《關于促進智慧城市健康發(fā)展的指導意見》，從國家的高度對我國智慧城市發(fā)展的總體方向進行了規(guī)劃，確保智慧城市建設健康有序推進。我國智慧城市建設已經(jīng)進入規(guī)模推廣階段。

四、云計算時代智慧城市系統(tǒng)技術架構

智慧城市就是通過普遍的感知將生活中的物與物、物與人連接起來形成龐大物聯(lián)網(wǎng)，進而通過云計算的方式對各種信息進行數(shù)據(jù)挖掘和融合，然后向城市居民提供智能化的服務，使得城市管理和服務更富有預見性、創(chuàng)造性、協(xié)作性，高效和科學。從技術角度來說，智慧城市總體體系架構應包括基礎平臺層、技術支撐層和智慧應用層三部分。如圖1所示：

1、基礎平臺層

智慧城市應用的實現(xiàn)，離不開底層的ICT（Information Communications Technology）基礎平臺，需要打造泛在的信息交換網(wǎng)絡、移動通信網(wǎng)絡、公共服務平臺和城市基礎數(shù)據(jù)庫。隨著計算機技術和通信技術的發(fā)展，推進無線城市項目和寬帶提速工程，實施下一代互聯(lián)網(wǎng)，開展“三網(wǎng)融合”和網(wǎng)絡基礎設施共建共享，這一系列的舉措必將打破許多智能應用和網(wǎng)絡服務的瓶頸，促進信息資源的開發(fā)利用及深度整合，為智慧城市建設提供更堅實的軟硬件基礎保障。

2、技術支撐層

智慧應用和服務需要三個關鍵的技術支撐：高度發(fā)達的信息網(wǎng)絡（物聯(lián)網(wǎng)）、巨量的信息基礎（大數(shù)據(jù)）和提供智慧服務的創(chuàng)新技術（云計算）。

（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)的應用拓展，通過二維碼識讀設備、射頻識別（RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡[3]。物聯(lián)網(wǎng)應用涉及到的關鍵技術有：傳感器技術、RFID標簽技術、嵌入式系統(tǒng)技術、M2M長距離通訊技術。

物聯(lián)網(wǎng)體現(xiàn)了信息技術在城市生活諸多行業(yè)中的應用。如圖2所示，物聯(lián)網(wǎng)的工作原理就是把感應器安裝到公路、電網(wǎng)、汽車、建筑等各種物體中，然后將這些設施“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”整合成為一個整體，再通過強大的計算機集群，對城市生產(chǎn)和生活進行高效協(xié)同與精準管控，從而達到“智慧管理”的狀態(tài)?；诖宋锫?lián)網(wǎng)也被稱作繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信之后信息技術領域的又一次變革。

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展有3個階段：

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

②中級階段：基于局部統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標準實現(xiàn)的跨行業(yè)、跨業(yè)務綜合管理集成系統(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高級階段：基于物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準，SOA、Web Service、云計算虛擬服務的onDemand系統(tǒng)，最終實現(xiàn)“Thing as a Service”。

我國從1999年就開始了物聯(lián)網(wǎng)核心技術的研究，在“傳感網(wǎng)”技術研發(fā)方面處于世界領先水平。2009年溫總理提出“感知中國”戰(zhàn)略以后，中國各級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

無所不在的物聯(lián)網(wǎng)在實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息采集的同時，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，是指無法在可承受的時間范圍內(nèi)用常規(guī)軟件工具進行捕捉、管理和處理的數(shù)據(jù)集合[6]。我國網(wǎng)民數(shù)量眾多，每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也是極其龐大。幾乎在各個行業(yè)都有大數(shù)據(jù)的存在，數(shù)據(jù)的單位從開始的Byte、KB、MB、GB、TB發(fā)展到PB、EB、ZB、YB甚至BB、NB、DB來衡量，其中文本、照片、音頻、視頻、醫(yī)療影像等非結構化內(nèi)容超過85％。如何從這么龐大的數(shù)據(jù)中挖掘出有價值的信息才是研究的重點。

大數(shù)據(jù)技術包括大規(guī)模并行處理（MPP）數(shù)據(jù)庫、自然語言理解、機器學習、數(shù)據(jù)挖掘、分布式文件系統(tǒng)、云計算平臺和可擴展的存儲系統(tǒng)等。通過這些技術對海量信息進行采集、分析、加工和管理，為智慧化應用提供數(shù)據(jù)源。圖3是一個可參考的企業(yè)級大數(shù)據(jù)處理軟件棧。其中MapReduce作為一種簡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團隊開發(fā)的開源數(shù)據(jù)管理模塊。

目前大數(shù)據(jù)管理多從架構和并行等方面考慮，解決高并發(fā)數(shù)據(jù)存取的性能要求及數(shù)據(jù)存儲的橫向擴展，但對非結構化數(shù)據(jù)的內(nèi)容理解仍缺乏實質性的突破和進展，這是實現(xiàn)大數(shù)據(jù)資源化、知識化、普適化的核心[7]。

（3）云計算：海量信息存儲與計算平臺

在物聯(lián)網(wǎng)高級階段，需要虛擬化云計算、SOA等技術的結合實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)泛在服務。而海量信息的管理和數(shù)據(jù)挖掘又離不開云平臺的分布式計算和存儲。三者的關系是密不可分的。

云計算是并行計算、分布式計算和網(wǎng)格計算的發(fā)展和商業(yè)實現(xiàn)，云計算以虛擬化為基礎，通過集群化運維管理系統(tǒng)，實現(xiàn)計算、存儲、網(wǎng)絡、服務器等資源的動態(tài)分配及部署，實現(xiàn)“按需取用”產(chǎn)品和服務[8]。由于云計算將“計算能力”作為一種服務提供給廣大用戶，用戶可以租用云平臺的計算資源，方便又便宜，所以云計算的應用降低了用戶軟硬件部署以及系統(tǒng)維護的成本，提高了系統(tǒng)和業(yè)務的彈性。搜索引擎、在線字典、網(wǎng)絡郵箱、數(shù)據(jù)倉庫出租等是目前云計算的一些典型應用。

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

①網(wǎng)格計算（包括分布式計算，機群和集群，并行與超級計算，HPC等）體系架構提供基礎設施（計算節(jié)點，存儲資源等），即IaaS；

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

在國際上，Google、英特爾、微軟、惠普和亞馬遜等企業(yè)在“云計算”方面的研究和投入都是走在業(yè)界前列的。在國內(nèi)，云計算企業(yè)的先鋒是阿里巴巴。2009年9月創(chuàng)立的阿里云真正把“云計算”變成了可購買的公共服務。2014年11月，阿里云計算支撐了雙十一促銷活動571億元的交易額。2015年1月，12306將車票查詢業(yè)務部署在阿里云計算平臺上，為春運高峰分流了75％的流量。另一朵“中國云”世紀互聯(lián)將自身的云計算定位在基礎設施即服務層面，即IAAS（Infrastructure as a Sevice）層面。此外還有中國移動的Big Cloud云平臺。

3、智慧應用層

智慧應用層是智慧城市建設的最終目標。智慧應用層的建設內(nèi)容包括智慧公共服務和智慧產(chǎn)業(yè)服務兩大方面，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、智能安防、數(shù)字校園等應用。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、手機銀行、手機掛號、電子政務、城市應急指揮中心等[1]。

4、信息安全與標準管理

信息安全與標準管理是智慧城市建設的保障體系。物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)應用給信息安全帶來新挑戰(zhàn)。加強智慧城市系統(tǒng)信息安全管理的主要措施有強化網(wǎng)絡安全管理，推進信息安全等級保護制度，完善身份認證和系統(tǒng)授權，建立數(shù)據(jù)容災備份中心等。標準規(guī)范體系是智慧城市實現(xiàn)泛在互聯(lián)和信息交換的基礎。加強相關標準規(guī)范建設，要面向重點業(yè)務領域，加快關鍵標準的制定和實施，以點帶面，最終實現(xiàn)全面的技術、行業(yè)應用和服務標準化。只有形成技術創(chuàng)新、標準制定和知識產(chǎn)權協(xié)調(diào)互動機制，才能為智慧城市建設提供發(fā)展保障。

五、智慧城市未來發(fā)展展望

智慧城市的理念一經(jīng)提出即得到廣泛的關注與認可，但是現(xiàn)在距離智慧城市的終極目標還相差甚遠，還有很長的一段路要走。從社會發(fā)展的視角，智慧城市建設強調(diào)通過價值創(chuàng)造和以人為本的協(xié)同創(chuàng)新，實現(xiàn)經(jīng)濟、社會、環(huán)境的全面可持續(xù)發(fā)展[10]。從技術發(fā)展的視角，無所不在的“物聯(lián)網(wǎng)”催生了“大數(shù)據(jù)”，大數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生了“云計算”需求，三者相輔相成，造就了智慧城市普適計算與融合應用的實現(xiàn)。隨著信息技術的不斷發(fā)展和普及，智慧城市建設逐步深入，將為經(jīng)濟發(fā)展帶來新的增長點，為物聯(lián)網(wǎng)、環(huán)保、城市服務等行業(yè)帶來更多機會，也必將逐漸改變中國新一輪城市競爭格局。

[1]喬宏章，付長軍.“智慧城市”發(fā)展現(xiàn)狀與思考[J].無線電通信技術，2014，40（6）.

[2]洪丹青.為民所需大步向前——關于寧波智慧城市建設的調(diào)查與研究[J].科技視界，2015，（13）.

[3]郭任霞.物聯(lián)網(wǎng)技術在物流行業(yè)的應用[J].科技資訊，2011，（24）.

[4]單祥茹.物聯(lián)網(wǎng)離我們有多遠[J].中國電子商情：基礎電子，2010，（5）.

[5]熊楓.云計算時代的智慧城市建設研究[J].湖南科技大學學報（社會科學版），2015，18（4）.

[6]陳欣.大數(shù)據(jù)技術及在國土資源信息化中的應用思考[J].中國電子商務，2014，（16）.

[7]季敏霞，肖宇.淺談大數(shù)據(jù)與云計算的關系及未來發(fā)展[J].黑龍江科技信息，2014，（31）.

[8]孟慶偉.云計算技術及其電信應用[J].電信快報，2010，（7）.

[9]周洪波.NIST的云計算定義[EB/OL].（2011-07-11）IT專家網(wǎng)，http://news.ctocio.com.cn/478/12116478.shtml.

[10]宋剛，鄔倫.創(chuàng)新2.0視野下的智慧城市[J].北京郵電大學學報：社會科學版，2012，（4）.

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～）遼寧對外經(jīng)貿(mào)學院副教授碩士主要研究方向：數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡技術與應用。