云計算時代智慧城市系統技術架構

王良瑩

（遼寧對外經貿學院大連116052）

云計算時代智慧城市系統技術架構

王良瑩

（遼寧對外經貿學院大連116052）

本文對“智慧城市”的內涵進行了深入解讀；介紹了智慧城市的國內外發展及研究現狀；在歸納已有研究成果的基礎上提出基于ICT基礎平臺、物聯網、大數據、云計算和智慧應用的智慧城市系統總體架構；最后展望了智慧城市建設的未來發展。

智慧城市 現狀 支撐技術 發展

一、引言

在信息技術迅猛發展的今天，物聯網、大數據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應運而生。智慧城市的理念一經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展過程中帶來的社會管理、交通、環保、醫療等城市發展難題，是當今世界城市發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的各項關鍵信息，從而對包括民生、環保、公共安全、城市服務、工商業活動在內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，實現城市智慧式管理和運行，進而為城市中的人創造更美好的生活，促進城市的和諧、可持續成長[2]。

三、智慧城市的國內外發展現狀

1、智慧城市建設的國際實踐

智慧城市建設具有國家的經濟與科技戰略意義，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”同等重要的國家戰略，歐盟將信息和通信技術作為歐洲2020年的科技創新重點，提出了一整套智慧城市建設目標，并制定了《物聯網戰略研究路線圖》[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展規劃，并已經在教育培訓、醫療衛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展現狀

目前，我國智慧城市發展步伐很快，很多城市都已經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。據統計，“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，國務院印發了《關于促進智慧城市健康發展的指導意見》，從國家的高度對我國智慧城市發展的總體方向進行了規劃，確保智慧城市建設健康有序推進。我國智慧城市建設已經進入規模推廣階段。

四、云計算時代智慧城市系統技術架構

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網，進而通過云計算的方式對各種信息進行數據挖掘和融合，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、創造性、協作性，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，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絡、移動通信網絡、公共服務平臺和城市基礎數據庫。隨著計算機技術和通信技術的發展，推進無線城市項目和寬帶提速工程，實施下一代互聯網，開展“三網融合”和網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絡服務的瓶頸，促進信息資源的開發利用及深度整合，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：高度發達的信息網絡（物聯網）、巨量的信息基礎（大數據）和提供智慧服務的創新技術（云計算）。

（1）物聯網：信息產業發展的新變革

物聯網就是“物物相連的互聯網”，是互聯網的應用拓展，通過二維碼識讀設備、射頻識別（RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統和激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[3]。物聯網應用涉及到的關鍵技術有：傳感器技術、RFID標簽技術、嵌入式系統技術、M2M長距離通訊技術。

物聯網體現了信息技術在城市生活諸多行業中的應用。如圖2所示，物聯網的工作原理就是把感應器安裝到公路、電網、汽車、建筑等各種物體中，然后將這些設施“連接”到互聯網上，那么上網的“人”就與連接到網的“物”整合成為一個整體，再通過強大的計算機集群，對城市生產和生活進行高效協同與精準管控，從而達到“智慧管理”的狀態。基于此物聯網也被稱作繼計算機、互聯網和移動通信之后信息技術領域的又一次變革。

物聯網的發展有3個階段：

①初級階段：基于各種行業數據交換和傳輸標準的連網監測監控、兩化融合等應用系統，主要以Networks of Things（物連網）的方式存在；

②中級階段：基于局部統一的數據交換標準實現的跨行業、跨業務綜合管理集成系統，如基于SaaS模式的M2M數據中心系統，初步走向Internet of Things（物聯網）[4]；

③高級階段：基于物聯網統一數據標準，SOA、Web Service、云計算虛擬服務的onDemand系統，最終實現“Thing as a Service”。

我國從1999年就開始了物聯網核心技術的研究，在“傳感網”技術研發方面處于世界領先水平。2009年溫總理提出“感知中國”戰略以后，中國各級政府更是大力投資物聯網，物聯網產業蓬勃發展。

（2）大數據：智慧城市的信息之源

無所不在的物聯網在實現數據信息采集的同時，也催生了大數據[5]。大數據（big data），即巨量數據集合，是指無法在可承受的時間范圍內用常規軟件工具進行捕捉、管理和處理的數據集合[6]。我國網民數量眾多，每天產生的數據量也是極其龐大。幾乎在各個行業都有大數據的存在，數據的單位從開始的Byte、KB、MB、GB、TB發展到PB、EB、ZB、YB甚至BB、NB、DB來衡量，其中文本、照片、音頻、視頻、醫療影像等非結構化內容超過85％。如何從這么龐大的數據中挖掘出有價值的信息才是研究的重點。

大數據技術包括大規模并行處理（MPP）數據庫、自然語言理解、機器學習、數據挖掘、分布式文件系統、云計算平臺和可擴展的存儲系統等。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據源。圖3是一個可參考的企業級大數據處理軟件棧。其中MapReduce作為一種簡化的分布式編程模型，為云數據中心的大規模數據處理提供支撐；HBase是Hadoop團隊開發的開源數據管理模塊。

目前大數據管理多從架構和并行等方面考慮，解決高并發數據存取的性能要求及數據存儲的橫向擴展，但對非結構化數據的內容理解仍缺乏實質性的突破和進展，這是實現大數據資源化、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

在物聯網高級階段，需要虛擬化云計算、SOA等技術的結合實現物聯網泛在服務。而海量信息的管理和數據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、分布式計算和網格計算的發展和商業實現，云計算以虛擬化為基礎，通過集群化運維管理系統，實現計算、存儲、網絡、服務器等資源的動態分配及部署，實現“按需取用”產品和服務[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維護的成本，提高了系統和業務的彈性。搜索引擎、在線字典、網絡郵箱、數據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、社區云和混合云四種部署方式。云計算技術發展的主線可以總結為如下兩點：

①網格計算（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在“云計算”方面的研究和投入都是走在業界前列的。在國內，云計算企業的先鋒是阿里巴巴。2009年9月創立的阿里云真正把“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容包括智慧公共服務和智慧產業服務兩大方面，具體包括智能物流、智能交通、數字醫療、智能社區、環境監測、智能安防、數字校園等應用。智慧城市一些初步功能已經在日常生活中得到體現，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。物聯網和大數據應用給信息安全帶來新挑戰。加強智慧城市系統信息安全管理的主要措施有強化網絡安全管理，推進信息安全等級保護制度，完善身份認證和系統授權，建立數據容災備份中心等。標準規范體系是智慧城市實現泛在互聯和信息交換的基礎。加強相關標準規范建設，要面向重點業務領域，加快關鍵標準的制定和實施，以點帶面，最終實現全面的技術、行業應用和服務標準化。只有形成技術創新、標準制定和知識產權協調互動機制，才能為智慧城市建設提供發展保障。

五、智慧城市未來發展展望

智慧城市的理念一經提出即得到廣泛的關注與認可，但是現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。從社會發展的視角，智慧城市建設強調通過價值創造和以人為本的協同創新，實現經濟、社會、環境的全面可持續發展[10]。從技術發展的視角，無所不在的“物聯網”催生了“大數據”，大數據處理產生了“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。隨著信息技術的不斷發展和普及，智慧城市建設逐步深入，將為經濟發展帶來新的增長點，為物聯網、環保、城市服務等行業帶來更多機會，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”發展現狀與思考[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查與研究[J].科技視界，2015，（13）.

[3]郭任霞.物聯網技術在物流行業的應用[J].科技資訊，2011，（24）.

[4]單祥茹.物聯網離我們有多遠[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.大數據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.淺談大數據與云計算的關系及未來發展[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，http://news.ctocio.com.cn/478/12116478.shtml.

[10]宋剛，鄔倫.創新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～）遼寧對外經貿學院副教授碩士主要研究方向：數據庫、網絡技術與應用。