孫鴻昌／王升軍（山東大衛(wèi)國(guó)際建筑設(shè)計(jì)有限公司，山東濟(jì)南250101）

智慧城市與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu)分析

孫鴻昌／王升軍（山東大衛(wèi)國(guó)際建筑設(shè)計(jì)有限公司，山東濟(jì)南250101）

0 引言

現(xiàn)代城市在新時(shí)代轉(zhuǎn)變過(guò)程中，數(shù)字化和信息化正深刻地改變著城市的運(yùn)轉(zhuǎn)方式，居民的衣食住行都與數(shù)字化應(yīng)用緊密聯(lián)系，為智慧城市的發(fā)展提供了海量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)各行業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)關(guān)系更加緊密，各類網(wǎng)絡(luò)交叉互通，數(shù)據(jù)量呈爆炸式遞增，利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)實(shí)踐城市建設(shè)的新理念，在大數(shù)據(jù)技術(shù)浪潮推動(dòng)下，智慧城市已然成為新時(shí)代城市發(fā)展趨勢(shì)。智慧城市依托以云計(jì)算為代表的新一代信息技術(shù)，對(duì)城市大數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、計(jì)算、處理，并借助計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)居民生活更加便捷智慧，城市資源更加合理利用，不同行業(yè)領(lǐng)域更加和諧共贏，不同部門(mén)更加高效智能的新體驗(yàn)和新目標(biāo)［1］。

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展使其在城市活動(dòng)和社會(huì)發(fā)展中扮演著越來(lái)越重要的作用，在這個(gè)“大數(shù)據(jù)”時(shí)代，傳統(tǒng)城市建設(shè)理念已經(jīng)跟不上時(shí)代的發(fā)展，這意味著城市建設(shè)思維的轉(zhuǎn)變：基于全樣本個(gè)體數(shù)據(jù)的因素相關(guān)關(guān)系，提高城市智力資源和科技轉(zhuǎn)換能力。當(dāng)今我國(guó)，各地方都積極開(kāi)發(fā)各類城市智慧系統(tǒng)［2］。

1 城市數(shù)據(jù)類型與特征

城市數(shù)字信息設(shè)施在服務(wù)用戶的同時(shí)，也積累了龐大的數(shù)據(jù)量。本文對(duì)典型的四類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一梳理，并對(duì)其數(shù)據(jù)特點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)闡述。

1）視頻采集數(shù)據(jù)

視頻數(shù)據(jù)是一座城市最直觀的多媒體資料，但其數(shù)據(jù)挖掘難度卻是最大的。城市中的交通視頻監(jiān)控、居民區(qū)視頻監(jiān)控、企業(yè)安防、新型直播平臺(tái)等都是視頻數(shù)據(jù)的采集終端；利用好這些視頻數(shù)據(jù)可以充分提高城市的智慧程度，包括緩解交通壓力、提高安防強(qiáng)度、應(yīng)急響應(yīng)與突發(fā)事件應(yīng)對(duì)等［3］。

2）個(gè)人移動(dòng)終端數(shù)據(jù)

個(gè)人移動(dòng)終端主要是網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備，手機(jī)和個(gè)人電腦是主要的數(shù)據(jù)來(lái)源；這些通訊設(shè)備記錄了用戶的連接網(wǎng)絡(luò)記錄、APP使用頻率、網(wǎng)絡(luò)繳費(fèi)和消費(fèi)習(xí)慣、日?；顒?dòng)、社交通訊等信息數(shù)據(jù)，幾乎涵蓋了居民的日常生活，數(shù)據(jù)發(fā)掘潛力巨大，開(kāi)發(fā)相關(guān)應(yīng)用可以提高城市智慧水平。

3）市民活動(dòng)數(shù)據(jù)

這類數(shù)據(jù)主要為市民的大基數(shù)活動(dòng)數(shù)據(jù)，包括醫(yī)療衛(wèi)生、教育金融、能源消耗等。由于行業(yè)互動(dòng)差，這些數(shù)據(jù)一般掌握在行業(yè)內(nèi)部，這就需要行業(yè)為智慧城市建設(shè)提供數(shù)據(jù)資源或數(shù)據(jù)接口［4］。這類數(shù)據(jù)的整合分析可以提高行業(yè)服務(wù)效率，這也是利用城市活動(dòng)數(shù)據(jù)的基本要求。

4）位置數(shù)據(jù)

車輛、移動(dòng)終端一般都帶有GPS定位設(shè)備，這些設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)獲取城市道路交通中的個(gè)體樣本位置信息、統(tǒng)計(jì)客流數(shù)據(jù)、豐富交通信息數(shù)據(jù)樣本、實(shí)現(xiàn)城市區(qū)域定位、評(píng)估交通壓力等功能。

2 現(xiàn)代智慧城市網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

智慧城市一般依托現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)城市級(jí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)和行業(yè)級(jí)系統(tǒng)優(yōu)化，在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上布局智慧城市網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)事半功倍。因此，智慧城市的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一般采用商業(yè)交換機(jī)，建設(shè)主要目標(biāo)集中在提高二分帶寬和多路徑支持上。

2.1 智慧城市網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本文在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（如Fat?tree、Portland、VL2、Dcell、Bcube等）的基礎(chǔ)上，結(jié)合智慧城市建設(shè)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，給出了智慧城市的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖（見(jiàn)圖1），該架構(gòu)共分為三層：以MEMS、GPS、智能傳感器等技術(shù)為代表的感知層、以多種無(wú)線通信方式為核心的網(wǎng)絡(luò)層和具備多種專項(xiàng)能力的應(yīng)用層［5］。感知層主要完成對(duì)城市數(shù)據(jù)的采集，通常采用特定的一種或多種通信協(xié)議，具備數(shù)據(jù)收發(fā)能力（如城市街道中的照度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊）；網(wǎng)絡(luò)層是智慧城市的核心部分（包含了實(shí)現(xiàn)云服務(wù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的城市數(shù)據(jù)中心），具備大容量高速信息傳輸能力，將完成檢測(cè)、控制、計(jì)算處理以及交互顯示的各種設(shè)備連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)其信息交互［6］；應(yīng)用層則是智慧城市的成果體現(xiàn)，也是不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互、分析、整合和優(yōu)化后的輸出媒介，具備為用戶提供實(shí)際功能的特點(diǎn)，通常是用戶直接參與使用的一層。

圖1 智慧城市網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.2 感知層無(wú)線通信技術(shù)

在感知層的網(wǎng)絡(luò)傳輸中，選擇恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)能夠保證設(shè)備之間信息交互的高效與準(zhǔn)確，當(dāng)下已有多種成熟穩(wěn)定且廣泛應(yīng)用的無(wú)線通信技術(shù)，如3G／4G網(wǎng)絡(luò)、Wi?Fi、ZigBee、UWB、藍(lán)牙等。

3G／4G網(wǎng)絡(luò)通信速度快且穩(wěn)定性良好，借助通信運(yùn)營(yíng)商的特點(diǎn)使其感知層的網(wǎng)絡(luò)搭建成本更低，開(kāi)發(fā)技術(shù)周期更短［7］；UWB是IEEE 802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)下的一種成熟無(wú)線技術(shù)，頻率范圍為3.1～10.6GHz，是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的短距離通信網(wǎng)絡(luò)，不具備一對(duì)多組網(wǎng)的基礎(chǔ)，使其適用于建筑物內(nèi)的專用通信網(wǎng)路；藍(lán)牙無(wú)線組網(wǎng)時(shí)，一個(gè)設(shè)備最多同時(shí)與七個(gè)下級(jí)設(shè)備組建一對(duì)多網(wǎng)絡(luò)，滿足智慧城市建設(shè)中安防系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)需求（如門(mén)禁設(shè)備）。

Wi?Fi網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)都具備傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，且組網(wǎng)簡(jiǎn)單，其中ZigBee是一種低功耗、自組織、低成本、標(biāo)準(zhǔn)化的新型無(wú)線通訊方式［8］，可組成多達(dá)65 535個(gè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可同時(shí)容納100多個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，可組成樹(shù)狀、星形、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。其無(wú)線傳輸距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m擴(kuò)展到數(shù)百米。該技術(shù)協(xié)議簡(jiǎn)單、可靠、占用存儲(chǔ)資源少及免專利費(fèi)的特點(diǎn)使其成本低廉。

Wi?Fi網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，其開(kāi)發(fā)相對(duì)簡(jiǎn)單，研發(fā)周期較短，成本較低?；谝陨铣Ｓ脽o(wú)線網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)對(duì)比，可依據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)的通信特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)應(yīng)用到智慧城市不同類型的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中。

3 智慧城市的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式

3.1 智慧城市網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式特點(diǎn)

智慧城市建設(shè)過(guò)程中，大型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式大多采用企業(yè)出資建設(shè)、自主運(yùn)維的方式；隨著小型企業(yè)對(duì)大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求和數(shù)據(jù)中心運(yùn)維成本的不斷提高，這種方式的局限性不斷被放大，同時(shí)與智慧城市的綠色建設(shè)理念相悖。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式中的數(shù)據(jù)中心屬于特定企業(yè)，運(yùn)行專業(yè)的自有應(yīng)用，建設(shè)和維護(hù)工作由企業(yè)本身出資；由于企業(yè)不是專業(yè)的數(shù)據(jù)中心運(yùn)維管理企業(yè)，加之自主數(shù)據(jù)中心往往規(guī)模較小，在運(yùn)維過(guò)程中難免出現(xiàn)運(yùn)維人員配置不合理，從而帶來(lái)數(shù)額龐大的維護(hù)管理成本。為了節(jié)省資金，逐漸過(guò)渡為將運(yùn)維管理外包給專業(yè)的企業(yè)管理，主要以大型主機(jī)托管的形式，減輕企業(yè)的數(shù)據(jù)中心運(yùn)維負(fù)擔(dān)。以上兩種方式都不可避免產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)中心建設(shè)資本。

為解決企業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)的高成本問(wèn)題，又逐漸過(guò)渡到企業(yè)租賃專有城市數(shù)據(jù)中心，建設(shè)工作由服務(wù)提供商自主進(jìn)行，企業(yè)只需按照應(yīng)用規(guī)模定制自己的網(wǎng)絡(luò)配置和計(jì)算環(huán)境。在這種方式下，企業(yè)不再擁有數(shù)據(jù)中心，其所有權(quán)歸智慧城市數(shù)據(jù)中心提供商所有，但此方式也凸顯了云計(jì)算技術(shù)不成熟下的資源浪費(fèi)問(wèn)題，效率難以提高，租賃費(fèi)用居高不下。

隨著以智慧城市建設(shè)理念和云計(jì)算為代表的高新技術(shù)的發(fā)展，城市數(shù)據(jù)中心建造運(yùn)維模式逐漸向公有云轉(zhuǎn)變，城市數(shù)據(jù)中心按照企業(yè)需求分配資源，稱之為云服務(wù)的“按需計(jì)算”。在此模式下，多個(gè)企業(yè)用戶租用一個(gè)數(shù)據(jù)中心，并運(yùn)行多個(gè)不同企業(yè)應(yīng)用。計(jì)算資源動(dòng)態(tài)分配可以做到彈性處理應(yīng)用需求，用戶可以根據(jù)需求定制不同的云資源（比如主機(jī)數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)配置等），計(jì)算資源可以做到動(dòng)態(tài)申請(qǐng)和動(dòng)態(tài)回收（如亞馬遜彈性云EC2、IBM藍(lán)云等）。由此一來(lái)，云計(jì)算可以極大地提高資源使用率，節(jié)省企業(yè)成本和開(kāi)銷，可以預(yù)見(jiàn)，云計(jì)算將成為未來(lái)數(shù)據(jù)中心的主要運(yùn)營(yíng)方式和服務(wù)模式。4種數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 智慧城市網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式特點(diǎn)對(duì)比

在智慧城市網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建中，在使用商業(yè)交換機(jī)構(gòu)建網(wǎng)路結(jié)構(gòu)時(shí)，傳統(tǒng)樹(shù)形結(jié)構(gòu)存在根節(jié)點(diǎn)性能瓶頸，通過(guò)改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可從根本上提高網(wǎng)絡(luò)利用率。VL2、Fat?tree和Portland均基于Clos構(gòu)架作為智慧城市網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)連接形式，提供主機(jī)間的全帶寬訪問(wèn)。

Clos架構(gòu)的特點(diǎn)是每一層節(jié)點(diǎn)都與下級(jí)節(jié)點(diǎn)建立連接路徑，形成復(fù)雜交叉網(wǎng)絡(luò)，最初是貝爾實(shí)驗(yàn)室專門(mén)用于電話呼叫路徑的解決。另一種構(gòu)建多路徑連接的方式是采用增加服務(wù)器網(wǎng)卡的方式，使每個(gè)服務(wù)器都具備交換和路由的能力，其中Dcell和Bcube通過(guò)主機(jī)網(wǎng)卡遞歸連接模式，實(shí)現(xiàn)多路徑路由?；贑los構(gòu)架的網(wǎng)絡(luò)形式與傳統(tǒng)樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)更加相似，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，也便于實(shí)現(xiàn)，但數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由均是各層的交換機(jī)完成的，對(duì)交換機(jī)的性能有較高要求，成本較高，而在后者網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，主機(jī)網(wǎng)卡完成部分路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，組建服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)只需普通交換機(jī)即可，成本低，但降低了服務(wù)器的計(jì)算能力。

3.2 ZigBee技術(shù)在智慧城市網(wǎng)絡(luò)中感知層的應(yīng)用

ZigBee技術(shù)工作頻段靈活，均使用了免執(zhí)照頻段，具體為2.4GHz（全球）、868MHz（歐洲）和915MHz（美國(guó)）；該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫連接，采用CSMA?CA方式存取信道，并提供全握手協(xié)議。ZigBee采用AES?128加密算法，提供鑒權(quán)功能和數(shù)據(jù)完整性檢查，保證了通信的安全可靠。其組網(wǎng)形式通常有樹(shù)狀、網(wǎng)狀和星形三種［21］，每種結(jié)構(gòu)都由路由器（Router）、協(xié)調(diào)器（Coordinator）和終端設(shè)備（EndDevice）組成，且每種結(jié)構(gòu)中都只有一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)（Coordinator）。其中，中心節(jié)點(diǎn)之間的多路徑結(jié)構(gòu)可以提高二分帶寬，在多路徑下，其內(nèi)部通信方式雖然可以為集群通信但流量分配不均，容易引發(fā)局部通信擁堵，導(dǎo)致信息丟失、重復(fù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)性能不佳，從而失去了現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。有研究指出，云計(jì)算下，某些企業(yè)級(jí)應(yīng)用會(huì)出現(xiàn)軟實(shí)時(shí)限制（soft?real?time constraints），響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（如300ms），將影響到服務(wù)體驗(yàn)進(jìn)而會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)中心的收益造成一定影響。ZigBee技術(shù)在感知層的應(yīng)用如圖2所示。

圖2 ZigBee技術(shù)在感知層的應(yīng)用

ZigBee技術(shù)時(shí)延較短，休眠激活時(shí)延為15ms，對(duì)不同路徑的信息流控制清晰，具體表現(xiàn)為：設(shè)備查詢時(shí)延30ms，分信道短延時(shí)控制信息流；信道接入時(shí)延為15ms，以函數(shù)和矩陣的形式對(duì)流量進(jìn)行分配，達(dá)到宏觀網(wǎng)絡(luò)流的優(yōu)化調(diào)度；數(shù)據(jù)交互過(guò)程加入碰撞避免機(jī)制，合理的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度可以增大網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的傳輸流量。預(yù)留的專用時(shí)隙為固定帶寬業(yè)務(wù)，MAC層發(fā)送的所有數(shù)據(jù)包都采用完全確認(rèn)方式避免在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤。

4 云服務(wù)下智慧城市網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu)

基于云服務(wù)技術(shù)的智慧城市網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu)有效地拓展了應(yīng)用設(shè)計(jì)維度，從個(gè)體視角轉(zhuǎn)為城市視角，將城市共性數(shù)據(jù)納入云應(yīng)用中。云服務(wù)下的應(yīng)用結(jié)合了大數(shù)據(jù)技術(shù)，依托城市數(shù)據(jù)中心，將本地化信息、服務(wù)、數(shù)據(jù)反饋給用戶并將企業(yè)級(jí)應(yīng)用側(cè)重的計(jì)費(fèi)管理、安全管理、資源管理、容錯(cuò)管理等服務(wù)統(tǒng)一編入應(yīng)用基礎(chǔ)架構(gòu)中，其基礎(chǔ)架構(gòu)如圖3所示。

此外，在云計(jì)算環(huán)境中，基于元數(shù)據(jù)服務(wù)器的組織結(jié)構(gòu)也得到了部署和應(yīng)用，比如Google公司的GFSt2q以及開(kāi)源的HDFS（HDFS是為Apache Nutch搜索引擎項(xiàng)目的基礎(chǔ)架構(gòu)而開(kāi)發(fā)的，是Apache Ha?doop Core項(xiàng)目的一部分，實(shí)現(xiàn)了GFS的大部分功能，具有與GFS類似的結(jié)構(gòu)）。

圖3 云服務(wù)下智慧城市應(yīng)用架構(gòu)

5 結(jié)束語(yǔ)

大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步帶動(dòng)智慧城市朝網(wǎng)絡(luò)化共享、集約化整合方向發(fā)展，提升了城市各行各業(yè)的運(yùn)行和管理效率、促進(jìn)了城市的精細(xì)化、智慧化管理水平。智慧城市的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)用性能決定了城市建設(shè)理念，是技術(shù)快速發(fā)展趨勢(shì)下尋找平衡的過(guò)程，需要在實(shí)踐中持續(xù)探索，以適應(yīng)快速發(fā)展的智慧城市建設(shè)。

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Discussion on Smart City and Analysis of Network Application Architecture

Sun Hongchang／Wang Shengjun

介紹了智慧城市的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，提出了智慧城市的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特點(diǎn)并介紹了ZigBee技術(shù)在感知層的應(yīng)用，闡述了云服務(wù)下智慧城市的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu)。

智慧城市 數(shù)據(jù)中心 ZigBee 云服務(wù)

The data characteristics of smart city are introduced，the network architecture characteristic of smart city is put forward and the application of ZigBee technology in per?ception layer is introduced.Finally，the network application architecture of smart city of cloud services is elaborated.

smart city，data center，ZigBee，cloud services