許德瑋

(中國信息通信科技集團有限公司，武漢 430074)

0 引 言

隨著智慧城市核心技術之一人工智能(Artificial Intelligence, AI)技術的快速發(fā)展與突破，多位學者對基于AI的新型智慧城市進行了研究并給出了智慧城市新的定義。黨安榮博士等提出通過建設新型無線城市、構(gòu)建“城市大腦”和發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+”產(chǎn)業(yè)推動新型智慧城市的縱深發(fā)展[1]；余少華院士等在文獻[2]中提出了網(wǎng)絡智能體和城市智能體的概念，在文獻[3]中給出了企業(yè)智能體的定義。以上文獻均提到，網(wǎng)絡是智慧城市的核心資源，作為新型智慧城市-城市智能體的有力支撐，網(wǎng)絡智能體是其發(fā)展的第一步。

公共安全智能體是城市智能體的行業(yè)體現(xiàn)。目前，對公共安全智慧化的探討還多停留在智慧公共安全，而未能上升到公共安全智能體的層級。隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)和AI等技術在公共安全領域的應用，城市公共安全的需求逐漸發(fā)生了轉(zhuǎn)變，具備自學習、自決策和自適應等能力的公共安全智能體能更好地促進公共安全領域的發(fā)展，而其發(fā)展的第一步是讓城市網(wǎng)絡能夠具備自適應、自思考和自完善的能力?；诖?，本文對基于公共安全智能體的AI網(wǎng)絡體系架構(gòu)進行了研究，在此基礎上給出了公共安全智能體的平臺框架和基于公共安全智能體的AI網(wǎng)絡體系架構(gòu)。

1 基于AI網(wǎng)絡體系架構(gòu)的演變

1.1 光網(wǎng)絡

近幾年，我國光纖寬帶部署規(guī)模不斷擴大，完成了骨干網(wǎng)IPv6的部署，構(gòu)建了云網(wǎng)互聯(lián)平臺，夯實了為各行業(yè)提供服務的網(wǎng)絡能力。2020年2月，工信部發(fā)布的2019年通信業(yè)統(tǒng)計公報中顯示[4]，2019年，全國光纜線路總長度達4 750萬千米，比上年增長9%，到2019年年底，互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入端口數(shù)量達到9.16億個，其中，光纖接入(Fiber to the Home/Office,FTTH/O)端口達到8.36億個。同時，近幾年急劇增長的數(shù)據(jù)流量,超高清視頻、云計算和物聯(lián)網(wǎng)等新興業(yè)務的高速發(fā)展，對帶寬需求的急劇增長，都對底層光網(wǎng)絡設備帶寬和容量提出了更高要求。光網(wǎng)絡設備業(yè)務發(fā)展的同時也驅(qū)動著光網(wǎng)絡架構(gòu)的變革，近20年，光網(wǎng)絡的智能化經(jīng)歷了從自動交換光網(wǎng)絡到路徑計算單元到軟件定義光網(wǎng)絡再到AI光網(wǎng)絡(AI+Optical Network， AI+ON)的發(fā)展歷程[5]。AI+ON的架構(gòu)如圖1所示，其將AI技術應用于網(wǎng)絡管理，基于跨層管理和反饋控制等手段，通過對海量網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的智能分析和優(yōu)化，來實現(xiàn)光網(wǎng)絡的智能性、靈活性和安全性[6]。

圖1 AI+ON架構(gòu)

在AI+ON的基礎上，文獻[5]提出了基于云計算與邊緣計算協(xié)同的AI+ON架構(gòu)。圖2(a)所示為AI+ON的傳統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)中只有控制節(jié)點具備計算能力，計算能力非常有限；圖2(b)所示為基于云和邊緣計算的AI+ON架構(gòu)，通過云化技術，在支持邊緣計算的光傳送和控制節(jié)點的協(xié)作下，為光網(wǎng)絡動態(tài)提供計算資源[5]。

圖2 AI+ON架構(gòu)

1.2 無線網(wǎng)絡

2019年，在第四代移動通信(The 4th Generation Mobile Communication, 4G)網(wǎng)絡覆蓋的不斷完善和第五代移動通信(The 5th Generation Mobile Communication, 5G)網(wǎng)絡的部署實施下，我國移動網(wǎng)絡服務質(zhì)量持續(xù)獲得提升。2020年2月，工信部發(fā)布的2019年通信業(yè)統(tǒng)計公報中顯示[4]，2019年，全國移動通信基站總數(shù)達到了841萬個，其中4G基站總數(shù)為544萬個，4G用戶總數(shù)達到12.8億戶，全年凈增1.17億戶， 4G用戶占總數(shù)的80.1%，成為全球最大4G網(wǎng)絡；全國移動電話用戶總數(shù)達到16億戶，普及率達到114.4部/百人，遠高于全球平均的101.5部/百人。同時，我國5G相關投資快速增長，在多個城市已實現(xiàn)5G網(wǎng)絡的重點市區(qū)室外的連續(xù)覆蓋。物聯(lián)網(wǎng)的應用也在各領域得到大力的推廣，2019年，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)用戶凈增 3.57億戶，總數(shù)達10.3億戶。

圖3所示為4G向5G網(wǎng)絡架構(gòu)的演進圖。4G網(wǎng)絡基本采用分布式基站架構(gòu)，中國移動提出并推動了C-RAN(Cloud-Radio Access Network)架構(gòu)，5G網(wǎng)絡架構(gòu)在C-RAN架構(gòu)基礎上發(fā)生了一些變化，其將C-RAN中的室內(nèi)基帶處理單元(Building Base band Unite，BBU)和天線等功能進行了重新分配，將網(wǎng)絡架構(gòu)變?yōu)榱?級：有源天線單元(Active Antenna Unit，AAU) 、集中單元(Centralized Unit，CU) 、分布單元(Distribute Unit，DU)和骨干網(wǎng)。

圖3 4G向5G網(wǎng)絡架構(gòu)的演進

在4G向5G演進的初期，4G和5G網(wǎng)絡仍會以多種方式兼容存在。目前大多采用的方式為，在4G網(wǎng)絡基礎上只建設5G基站，將5G無線系統(tǒng)連接到現(xiàn)有的4G核心網(wǎng)絡中。這種方式可快速實現(xiàn)5G網(wǎng)絡的部署，且可節(jié)省完全重新部署5G網(wǎng)絡所需的巨額費用。之后，隨著5G網(wǎng)絡的大規(guī)模部署，可考慮采用獨立5G網(wǎng)絡系統(tǒng)單獨進行組網(wǎng)。這種情況下，雖然5G網(wǎng)絡可提供高速業(yè)務和更高的業(yè)務質(zhì)量，但在某些5G網(wǎng)絡覆蓋不足的區(qū)域仍可以借助4G網(wǎng)絡來提供覆蓋和容量。

1.3 基于AI的網(wǎng)絡體系架構(gòu)

圖4所示為基于AI的網(wǎng)絡體系架構(gòu)。網(wǎng)絡控制平臺基于AI技術，對整個網(wǎng)絡架構(gòu)進行統(tǒng)一管理。云計算平臺除了為網(wǎng)絡應用提供分布式存儲、并行計算和資源調(diào)度等功能外，還提供了AI引擎。通過模型訓練任務管理模塊，云計算平臺還為網(wǎng)絡控制平臺提供了多數(shù)據(jù)處理、資源聯(lián)合調(diào)動和模型優(yōu)化等功能的AI應用機制[5]。此外，還在該網(wǎng)絡體系中引入了邊緣計算。邊緣計算節(jié)點/網(wǎng)關除了具備傳統(tǒng)的傳送能力外，還增加了數(shù)據(jù)采集、計算、存儲和控制等模塊，就近提供網(wǎng)絡邊緣智能服務。

圖4 基于AI的網(wǎng)絡體系架構(gòu)圖

2 公共安全智能體

余少華院士在文獻[2]中指出，所謂城市智能體，是指以“發(fā)展更科學、治理更高效、生活更美好和社會更和諧”為高質(zhì)量發(fā)展整體目標，具有一定的自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行和自適應能力，具有公共智腦和類人行為意識的一種全新形態(tài)[2]。

公共安全智能體作為城市智能體的一個分支，其總體框架如圖5所示。其主要分為智能終端、網(wǎng)絡智能體、公共安全智能體和智能應用4層。

圖5 公共安全智能體總體框架圖

智能終端采集各類語音、圖像、視頻和數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)了各類公共安全數(shù)據(jù)、社會數(shù)據(jù)和感知信息的全面采集，采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一在數(shù)據(jù)采集平臺做數(shù)據(jù)的預處理，進行數(shù)據(jù)的初步過濾。利用智能終端和邊緣計算等AI技術，可實現(xiàn)信息采集層的物理全感知、數(shù)據(jù)預處理和前端智能。

網(wǎng)絡智能體設計以最新通信網(wǎng)絡技術為手段，融合公共安全專網(wǎng)、視頻專網(wǎng)、語音網(wǎng)、公共運營網(wǎng)和AIoT等網(wǎng)絡，為信息傳輸提供快速通道，并在統(tǒng)一通信平臺對網(wǎng)絡進行統(tǒng)一管理，建立一個安全、高效和靈活的網(wǎng)絡傳輸平臺。在使用軟件定義網(wǎng)絡(Software Defined Network, SDN)/網(wǎng)絡功能虛擬化(Network Functions Virtualization，NFV)技術對網(wǎng)絡進行重構(gòu)和網(wǎng)絡大數(shù)據(jù)的基礎上，利用邊緣計算和AI等技術實現(xiàn)網(wǎng)絡的自感知、自管理和自預警。

公共安全智能體分為IAAS、PAAS和DAAS 3個子層，為上層應用提供基礎設施支撐、云服務、數(shù)據(jù)存儲與分析和公共服務等各方面服務和保障。

IAAS層利用云計算相關技術，構(gòu)建安全、可靠、靈活的云數(shù)據(jù)中心、云操作系統(tǒng)、云資源池以及容災備份中心，為各類應用和信息資源服務提供基礎支撐。通過對具有高帶寬緩存和多計算核心的圖形處理器(Graphics Processing Unit，GPU)、特定場景應用而定制的計算芯片以及基于計算芯片所定制的服務器(包括GPU服務器集群、各類移動終端設備以及類腦計算機等)的研究，來為AI高計算力需求提供保障。

PAAS層通過引入云計算、大數(shù)據(jù)技術和理念，對各類數(shù)據(jù)資源進行統(tǒng)籌，建成統(tǒng)一的通用服務窗口，并提供豐富的平臺功能和可定制的接口服務，實現(xiàn)分布信息共享應用。考慮到傳統(tǒng)關系型數(shù)據(jù)庫在處理數(shù)據(jù)密集型應用方面靈活性差、擴展性差和性能差等問題，在現(xiàn)有關系型數(shù)據(jù)庫為核心的應用系統(tǒng)之上，建立以分布式文件系統(tǒng)、NoSQL和大規(guī)模并行處理系統(tǒng)(Massive Parallel Processing,MPP)型數(shù)據(jù)庫為基礎的、適用于云計算和大數(shù)據(jù)處理的新型應用框架，實現(xiàn)不同的節(jié)點分布式計算，提高面向海量數(shù)據(jù)的任務執(zhí)行效率，保證任務執(zhí)行的可靠性，并根據(jù)具體的應用場景不同，視情引入內(nèi)存型數(shù)據(jù)庫的應用作為有益補充，共同滿足公共安全大數(shù)據(jù)的維護管理需要。此外，平臺服務子層還提供方便易用的開發(fā)環(huán)境平臺服務，幫助應用開發(fā)者快速完成定制應用的開發(fā)和測試。PAAS涵蓋了機器學習和深度學習等AI算法的模塊化封裝，為上層應用開發(fā)提供集成AI算法調(diào)用接口。

DAAS層是PAAS層對外提供數(shù)據(jù)云服務的基礎。在數(shù)據(jù)整合方面，充分利用公共安全領域海量“人、地、物、事、組織”等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與視頻、圖像等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，通過在多網(wǎng)之上建設云中心，對全網(wǎng)數(shù)據(jù)進行集中的預處理和備份，形成“一庫、一視頻、一張圖”，最大程度地實現(xiàn)信息共享和綜合利用。在數(shù)據(jù)服務方面，在將非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)后，通過AI技術，在云中心實現(xiàn)各類大數(shù)據(jù)的碰撞融合，以此推動公共安全大數(shù)據(jù)的深度挖掘，提供各類數(shù)據(jù)分析云服務，在此基礎上，為上層應用提供關系分析、空間服務、視頻服務、數(shù)據(jù)基礎服務和預測服務等基礎數(shù)據(jù)分析服務。

智能應用基于語音與圖像識別、自然語言處理和情感識別等AI技術，在城市智能體提供的關系分析、空間服務、視頻服務、數(shù)據(jù)基礎服務和預測服務等基礎數(shù)據(jù)分析服務之上，結(jié)合各業(yè)務的特點，建設相應的行業(yè)應用產(chǎn)品或服務。在應用層的底層，通過用戶管理中心對用戶權限進行統(tǒng)一管理，為不同的用戶分配不同的權限，提供不同的數(shù)據(jù)服務。

同時部署云安全和云運維體系為公共安全智能體提供保障。

3 基于公共安全智能體的網(wǎng)絡體系架構(gòu)

基于城市智能體的AI網(wǎng)絡體系架構(gòu)即網(wǎng)絡智能體與目前智慧城市網(wǎng)絡架構(gòu)相比，最大區(qū)別在于其具有一定的自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行和自適應能力[2]。文獻[2]給出了網(wǎng)絡智能體區(qū)別于現(xiàn)有網(wǎng)絡體系架構(gòu)的3點特征：(1)其是在基礎網(wǎng)絡設施、網(wǎng)絡重構(gòu)與SDN/NFV等網(wǎng)絡技術及網(wǎng)絡大數(shù)據(jù)的基礎上，對“云網(wǎng)+感知+大數(shù)據(jù)+算法+人工智能”的理論、方法和應用進行的研究。(2)其可實現(xiàn)網(wǎng)絡的自感知、自搜索、自學習和自決策，使網(wǎng)絡能夠?qū)崿F(xiàn)更高層次的智能化應用。(3)其可通過對大數(shù)據(jù)的訓練，實現(xiàn)一定的思考能力，能夠自主完成部分較復雜的工作。

公共安全智能體由于其行業(yè)的特殊性，會對網(wǎng)絡有一些特殊的要求?；诖?，再結(jié)合網(wǎng)絡智能體的特征，與公共安全智能體協(xié)同、互動的網(wǎng)絡體系架構(gòu)的設計應該是以最新的通信網(wǎng)絡技術為手段，從底層架構(gòu)上為實現(xiàn)公共安全數(shù)據(jù)的高效流轉(zhuǎn)、共享與融合打下基礎，建設一個安全、高效和靈活的傳輸網(wǎng)絡平臺。基于公共安全智能體的網(wǎng)絡體系架構(gòu)如圖6所示，基于該架構(gòu)可實現(xiàn)公共安全智能體網(wǎng)絡的靈活部署與擴展和智能動態(tài)管理。

圖6 基于公共安全智能體的網(wǎng)絡體系架構(gòu)

如圖所示，通過光纖鏈路和設備冗余的改造，實現(xiàn)基層節(jié)點的全光纖接入；基于AI庫的網(wǎng)絡控制平臺與下層基礎網(wǎng)絡設施相對獨立，通過資源管理、負載均衡等模塊實現(xiàn)網(wǎng)絡的高速交換和統(tǒng)一智能管理；云計算平臺為網(wǎng)絡控制平臺提供了分布式存儲、并行計算和AI引擎。該架構(gòu)中的云計算平臺和邊緣節(jié)點可根據(jù)計算、存儲和網(wǎng)絡控制管理實時性需求進行靈活地部署和擴展，對網(wǎng)絡資源進行智能動態(tài)管理。后文將著重對云計算平臺中的各個數(shù)據(jù)中心間網(wǎng)絡互聯(lián)架構(gòu)、基于云計算平臺的網(wǎng)絡控制平臺架構(gòu)和基于邊緣計算的無線網(wǎng)絡架構(gòu)進行介紹。

3.1 數(shù)據(jù)中心間網(wǎng)絡互聯(lián)架構(gòu)

在基于公共安全智能體的網(wǎng)絡體系架構(gòu)中，云計算平臺中的數(shù)據(jù)中心間采用3種網(wǎng)絡互聯(lián)方式進行部署：網(wǎng)絡3層互聯(lián)(Layer3)、網(wǎng)絡2層互聯(lián)(Layer2)和存儲區(qū)域網(wǎng)絡(Storage Area Network,SAN)互聯(lián)。每種互聯(lián)鏈路所承載的數(shù)據(jù)和實現(xiàn)的功能均不同，且3種鏈路邏輯上相互隔離，基于云計算平臺的網(wǎng)絡控制平臺與下層基礎網(wǎng)絡架構(gòu)相對獨立，實現(xiàn)網(wǎng)絡的統(tǒng)一智能管理。圖7所示為基于公共安全智能體的數(shù)據(jù)中心間網(wǎng)絡互聯(lián)架構(gòu)圖。

圖7 數(shù)據(jù)中心間網(wǎng)絡互聯(lián)架構(gòu)圖

網(wǎng)絡3層互聯(lián)稱為數(shù)據(jù)中心前端網(wǎng)絡互聯(lián)，分支機構(gòu)通過該網(wǎng)絡實現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心的互聯(lián)。不同數(shù)據(jù)中心(主數(shù)據(jù)中心和災備數(shù)據(jù)中心)的前端網(wǎng)絡通過IP技術實現(xiàn)互聯(lián)，分支機構(gòu)通過前端網(wǎng)絡訪問各數(shù)據(jù)中心。當主數(shù)據(jù)中心發(fā)生災難時，前端網(wǎng)絡將快速切換，分支機構(gòu)通過訪問災備數(shù)據(jù)中心以保障業(yè)務的連續(xù)性。

網(wǎng)絡2層互聯(lián)為數(shù)據(jù)中心服務器網(wǎng)絡互聯(lián)。為滿足虛擬機或服務器集群動態(tài)遷移等對網(wǎng)絡的需求，在各個數(shù)據(jù)中心服務器的網(wǎng)絡接入層構(gòu)建跨數(shù)據(jù)中心的大二層網(wǎng)絡虛擬局域網(wǎng)(Virtual Local Area Network,VLAN)。

SAN互聯(lián)為后端存儲網(wǎng)絡互聯(lián)。通過后端存儲網(wǎng)絡互聯(lián)可借助傳輸技術(DWDM等)實現(xiàn)主數(shù)據(jù)中心與災備數(shù)據(jù)中心之間磁盤陣列的數(shù)據(jù)備份和傳遞。

3.2 基于云計算平臺的網(wǎng)絡控制平臺

基于云計算平臺的網(wǎng)絡控制平臺如圖8所示。在基于公共安全智能體的網(wǎng)絡體系架構(gòu)中，云計算平臺在提供一般云平臺所提供的分布式存儲和并行計算功能的同時，還提供了AI引擎為模型訓練任務管理模塊提供AI技術支持。網(wǎng)絡控制平臺與下層的基礎網(wǎng)絡資源無耦合且相對獨立，通過資源管理、負載均衡、跨層協(xié)同、動態(tài)優(yōu)化和網(wǎng)絡安全等模塊，在AI智能引擎的支持下，為用戶提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡智能管理服務。

圖8 基于云計算平臺的網(wǎng)絡控制平臺

基于云計算平臺的網(wǎng)絡控制平臺還引入了邊緣計算作為補償。邊緣計算節(jié)點除了具有傳統(tǒng)的傳送能力外，還具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)計算等模塊，能就近提供網(wǎng)絡邊緣智能服務。

3.3 基于邊緣計算的無線網(wǎng)絡架構(gòu)

2019年以來，我國4G網(wǎng)絡覆蓋不斷得到完善，5G網(wǎng)絡的部署也在逐步進行中。以5G為代表的無線通信網(wǎng)絡與AI之間是相輔相成的關系，它們之間相互賦能。AI技術可以讓無線核心網(wǎng)實現(xiàn)自動化，幫助核心網(wǎng)實現(xiàn)運營、維護和自動化。網(wǎng)絡切片的建設以AI為核心，構(gòu)建一個自動化的運維體系，對網(wǎng)絡行為進行精準預測，對故障進行自動修復，實現(xiàn)對網(wǎng)絡運營實時(分鐘級)的監(jiān)控。由于5G網(wǎng)絡將帶來更多更豐富的邊緣服務需求，因此，MEC就變成了5G網(wǎng)絡的重要技術之一。在基于公共安全智能體的網(wǎng)絡體系架構(gòu)中，將邊緣計算和AI引入到了無線網(wǎng)絡架構(gòu)中，如圖9所示。

圖9 基于邊緣計算的無線網(wǎng)絡架構(gòu)

在該無線網(wǎng)絡架構(gòu)中，通過邊緣計算技術將計算、存儲和網(wǎng)絡等信息與通信技術(Information and Communications Technology，ICT)基礎設施下沉作為基礎能力提供給上層業(yè)務，實現(xiàn)上層業(yè)務的數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化?；谶吘売嬎愕臒o線網(wǎng)絡架構(gòu)的特點主要包括：硬件通用化及軟硬件解耦；計算與存儲能力的開放；軟件實現(xiàn)任務調(diào)度；按需提供實時處理能力等。

3.4 應用場景

基于公共安全智能體的AI網(wǎng)絡體系架構(gòu)為公共安全領域的各類應用提供了更為便捷、智能、高效和安全的網(wǎng)絡保障。如基于5G網(wǎng)絡的智能無線公共安全應用、多網(wǎng)融合的車載應用、基于5G網(wǎng)絡的攝像頭、電子卡口應用、傳感技術與多網(wǎng)融合結(jié)合的行業(yè)監(jiān)控應用和多技術融合的機動應急通信指揮應用。這里主要對多技術融合的機動應急通信指揮應用進行介紹，其示意圖如圖10所示。

圖10 機動應急通信指揮示意圖

重大突發(fā)事件往往需要公共安全領域多個部門聯(lián)合行動，并且現(xiàn)場環(huán)境中的陌生變量因素較多，如何處理好指揮大廳與現(xiàn)場指揮調(diào)度的統(tǒng)一協(xié)調(diào)、現(xiàn)場執(zhí)行情況向雙指揮點的信息反饋等問題就需要借助各種通信手段與統(tǒng)一通信平臺的支持才能解決。

通過集成多種通信信號為一體的應急通信指揮車可實現(xiàn)多種應急指揮方式并存，其在以應急指揮中心為核心的平臺下，依托多個層級的有線網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡，形成現(xiàn)場二級調(diào)度，將實時圖像回傳到應急指揮中心。通過指揮車上的統(tǒng)一通信平臺將視頻、語音調(diào)度融合為一，在基于AI庫的網(wǎng)絡控制平臺的協(xié)調(diào)調(diào)度下，通過無線、有線和衛(wèi)星通道，可完成視頻回傳、應急語音調(diào)度和視頻電話會議等多種功能，實現(xiàn)指揮臨場化、過程可視化、資源集約化、保障綜合化和信息全景化的應急防控一體化的數(shù)字化應急指揮平臺。

4 結(jié)束語

本文對基于公共安全智能體的AI網(wǎng)絡體系架構(gòu)進行了研究，在此基礎上給出了公共安全智能體的平臺框架和基于公共安全智能體的AI網(wǎng)絡體系架構(gòu)，給出了其在公共安全領域的部分應用場景。在基于公共安全智能體的AI網(wǎng)絡體系架構(gòu)今后的發(fā)展中，應關注如何讓其向著可知、可控、可用和可靠的方向發(fā)展。