一种基于云的智慧城市系统架构

郑爱民，满青珊，孙 亭

(1.中国电子科学研究院，北京 100041;2.中国电子科技集团公司第28研究所，南京 210007)

0 引言

随着城镇化进程的加快，越来越多的人口涌进城市，一方面促进了城市的繁荣与发展，同时也带来了对城市基础设施，如交通、环境、能源等一系列压力。为应对以上挑战，越来越多的地方政府提出了建设智慧城市设想，同时，住建部、科技部、工信部等部委也从国家政策层面通过建立试点的方式给予推动，但从总体上说，各级政府对于智慧城市的顶层设计关注不够，通过调查，以住建部、科技部和工信部的共212个试点城市为例，以仅有64个城市发布了智慧城市建设纲要、智慧城市发展规划，开展了智慧城市的总体架构设计。因此，智慧城市总体架构设计成为了当前学术界、相关政府和部分行业的重要议题和迫切需要。本文以美国国家标准技术研究院(NIST)云计算参考模型［1］为基础，以智慧城市国家试点现状调研为依据，聚焦“泛在感知、自由互联、智能服务、安全应用”，提出了基于云计算的智慧城市总体架构和应用服务体系。

1 典型智慧城市技术架构对比与分析

智慧城市的核心是以一种更智慧的方法，通过利用以物联网、云计算等为核心的新一代信息技术，来改变政府、企业和人们相互交往的方式，对于包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出快速、智能的响应，提高城市运行效率，为居民创造更美好的城市生活［2］。得益于物联网、云计算技术的发展，智慧城市的信息感知、信息处理［3］得到了更加先进的技术支撑。当前，在智慧城市总体架构设计中，主要以基于物联网的智慧城市架构和智慧城市云平台架构的两类设计为主。

(1)基于物联网的智慧城市总体架构

智慧城市概念自出现之日起，便与物联网密切相关。物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络衍生，它利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知、识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物信息交互和无缝链接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策的目的［3］。

基于物联网的智慧城市总体架构以感知信息的采集、传输、处理和应用过程为主要关注点，其典型架构一般分为感知层、传输层、平台层和应用层［4］，并为广大智慧城市建设企业接受(如华为［5］等)，如图1所示。

图1 基于物联网的智慧城市总体架构

其中，感知层侧重于信息的感知和监测，通过全面覆盖的感知网络透明、全面地获取各类信息;网络层由覆盖整个城市范围的互联网、通信网和广电网融合构成，实现各类信息的广泛和安全传递;平台层由各类数据中心构成，为智慧城市提供计算和存储能力，实现信息有效和科学处理;应用层则涵盖应急指挥、数字城管、平安城市等各领域的综合和融合应用。

(2)基于云平台的智慧城市一般架构

云计算是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式。按照NIST的定义，云计算提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池，这些资源能够被快速提供，只需要投入很少的管理工作，或与服务提供商进行很少的交互。

云计算是一种新的计算方法和商业模式，即通过虚拟化、分布式存储和并行计算以及宽带网络等技术，按照“即插即用”的方式，自助管理计算、存储等资源能力，形成高效、弹性的公共信息处理资源，使用者通过公众通信网络，以按需分配的服务形式，获得动态可扩展信息处理能力和应用服务［3］。

智慧城市云平台架构设计主要关注智慧城市数据中心云计算的运用，主要分为IaaS层、PaaS层和SaaS 层［6］，如图2 所示。

其中，IaaS层采用统一的硬件资源，通过IaaS服务向PaaS平台及各个专业应用的平台层提供服务。PaaS层为各个应用提供标准化的共享云服务。SaaS应用层根据智慧城市8大领域进行细分应用部署，所有的应用都通过云平台统一门户进行展现。

以上两种架构都为智慧城市总体架构设计提供了良好的思路，但在基于物联网的智慧城市总体架构中，对于云计算的功能设计一般较为简单，没有给出具体的方案，在智慧城市云平台架构设计中，对感知信息采集关注不够，不能完整体现智慧城市的特征。

图2 智慧城市云平台总体架构

2 智慧城市总体架构

NIST云计算参考模型［1］从云消费者、云提供商、云运营商、云审计商、云中介的角度说明了云计算的功能，其中在云提供商的部分给出了“三层三面”的总体架构，包括物理资源层、资源提取与控制层、服务层(含 IaaS、PaaS、SaaS)、服务管理、安全和保密。参考该架构并结合智慧城市特征，本文构建了一个智慧城市总体架构，由物理资源层、资源提取与控制层、基础设施服务层、平台服务层、用户服务层、安全保障服务、运行维护服务组成，如图3所示。

图3 基于云平台的智慧城市总体架构

其中，基础设施服务层、平台服务层和基础设施服务层分别对应NIST云计算参考模型中的IaaS、PaaS和SaaS，各层之间无严格的依赖关系，如用户服务层、平台服务层可直接运行在资源提取与控制层之上。智慧城市的各项云服务可以为用户、终端和系统提供服务。

2.1 物理资源层

智慧城市通过各类通信网络及感知设施物联成网，对城市进行实时感测，并安全可靠地将各种采集信息和控制信息进行实时、准确的传递。

(1)感知设施

泛在感知是智慧城市的首要特征和构建智慧城市的先决条件［4，7］。智慧城市以物联网技术为核心，通过身份感知、位置感知、图像感知、环境感知和安全感知等手段提供对智慧城市的基础设施、环境、设备、人员等方面的识别、信息采集、监测能力。

其中:身份感知设备实现对基础设施、设备、人员等单元的统一身份编码。位置感知设备支持北斗、GPS等卫星定位、WLAN定位等技术，提供对设备、人员等的地理位置定位。

图像感知设备能够感知物体的表征及运动状态，并对视频图像采集并进行数字化编码。

环境感知设备能够采集温度、湿度、气压、压力、风力、风向、降水量等环境状态信息，以及固体颗粒物浓度、噪声、各类污染物排放等环境污染信息。

安全感知设备可采集人口密度、建筑安全性、河流流量、积水深度、有毒气体浓度以及燃气泄漏、火警和其他突发事件等涉及城市安全的信息。

物联网统一接入网关能够接入各种类型的感知设备，能够支持FTP、WebService、SNMP等多种类型和多种通信协议，支持XML、Excel、文本消息等多种消息格式，并对接入的数据进行格式转换、数据清洗等标准数据处理。

(2)网络通信设施

网络通信设施是实现自由互联的基础，提供各种数据、语音、视频、图像等的传输能力，智慧城市的网络通信设施主要包括互联网、电信网和广播电视网。

(3)计算与存储设施和支撑设施

计算与存储设施主要包括数据中心的计算资源和存储资源，支撑设施包括供热通风与空气调节设施(HVAC)、电力设施等。

2.2 资源提取与控制层

资源提取与控制层通过软件抽象，提供对物理资源的访问和管理，包括资源提取组件和控制组件，本文结合智慧城市对数据整合的需求，在资源提取组件中增加了“数据采集模块”，该模块主要是实现与城市各企事业单位IT系统的数据集成。由于各企事业单位IT系统建立的时间、标准、接口、技术参差不齐，因而数据采集模块需具备兼容多种接口的能力。

2.3 基础设施服务层

基础设施服务层为服务用户提供对所有物理资源的利用，包括计算、存储、网络和感知等物理资源，在此基础上，服务用户可以部署和运行操作系统和应用程序等任意软件。

基础设施服务层提供计算服务、存储服务、备份与恢复服务、网络通信服务和感知设备管理服务。其中:

网络通信服务包括VPN服务、数据交换服务。VPN服务结合城市内相关部门和企业的需求，建立相应的虚拟专用网络，实现用户跨区域的内部数据、语音、图像等多种业务通信服务。数据交换服务为上层应用服务系统提供统一、可靠的数据传输能力，支持信道选择，具备通信条件自适应能力。

感知设备管理服务提供了对城市各类感知设备的统一管理，能够对感知设备进行统一编号，收集设备属性信息;提供不同类型设备数据交换和操控的接口，并以设备服务的形式提供给上层应用;提供事件管理接口，将设备告警事件信息发送给上层应用。

计算服务、存储服务和备份与恢复服务为一般性的IaaS的服务，本文不进行详细展开。

2.4 平台服务层

平台服务层为用户提供应用程序的开发、部署环境和工具，平台服务层提供的服务包括智慧城市的数据资源和应用部署环境、应用集成服务、数据服务、决策支持服务。

(1)应用部署环境

应用部署环境提供了智慧城市应用托管所需的数据库管理系统、Web应用运行环境(如Tomcat)等。

(2)城市数据资源

主要包括4类数据:一是城市基础数据，内容涵盖人口、法人、自然资源和空间地理和宏观经济信息“四库”在内的基础数据;二是共享交换数据，是指需要跨部门和系统进行共享的信息资源;三是业务应用数据，将同一应用领域不同类型的数据进行规范、整合，形成该应用领域的数据资源体系，并对外提供统一的数据共享和信息服务，实现全方位管理城市的目标;四是城市感知数据，是由各类感知设备采集的数据资源。

(3)应用集成服务

智慧城市实现了城市内跨地域、跨部门、跨层次的应用集成，应用集成服务提供了进行集成所需的服务总线、业务流程服务、消息服务、内容及搜索引擎服务、门户服务、统一通信和协作服务等。

其中:企业服务总线为智慧城市提供服务构建、访问、注册和调度等功能，实现跨节点跨系统的服务的互联互通，支持节点内和节点间的服务访问模式。

业务流程服务为智慧城市提供业务流程的定义、流转、管理和监控等功能，将系统中动态变化、相互依赖的活动、资源、任务、工作流、约束、授权等要素有效组合起来，并分角色来访问，使得业务操作和管理工作标准化、规范化［7］，实现相关业务在不同业务部门的流转。

消息服务支持点到点的消息发送和基于主题的消息订阅分发，为智慧城市各类信息服务提供支撑。

门户服务提供统一的展示界面，并提供个性化能力，通过门户的管理实现菜单的集成和展现。

统一通信和协作服务平台底层异构通信网络，将语音、传真、电子邮件、移动短消息和数据等所有信息类型合为一体，使人们无论任何时间、任何地点，都可以通过任何设备、任何网络获得数据、图像和声音的服务，进行信息交流和共享。

(4)数据服务

数据服务为上层应用提供数据支撑，主要包括数据整合与处理服务和信息资源目录服务。

数据整合与处理服务主要是对各种数据进行采集、传输、综合、过滤和整合，处理和协调多信息源、多平台和多用户系统的数据信息，保证数据处理系统各单元与汇集中心间的连通性与及时通信。

信息资源目录服务实现信息资源的注册、管理、权限管理等功能，提供对数据、服务及相关的信息实体描述信息的发布发现功能。目录服务为业务应用系统提供一个公共的“黄页”服务，并为上层提供二次开发接口，实现对资源元数据的操作。

(5)决策支持服务

决策支撑服务以各类数据为基础，实现数据的智能分析。业务报表和分析服务提供报表设计、生产、统计和管理的功能，帮助用户充分利用其业务支撑系统产业的大量数据资源，实现对信息的智能化加工和处理，能够检测重大的业务事件并提醒用户，为日常工作提供及时、准确、科学的决策分析依据。智能挖掘服务全面综合地阐述统计分析的全过程，为用户提供数据规划、数据收集、部署能力，提供丰富的领域分析功能。

2.5 用户服务层

用户服务层为用户提供运行在云计算基础设施上的应用程序。通过对国家试点的212个智慧城市规划情况进行了研究，其中111个城市主要关注智慧政务、智慧生活服务、智慧城管、智能交通、智慧社区、智慧医疗、智慧教育、智慧旅游、平安城市、智慧农业、智慧生态坏境、智慧物流、智慧产业、智慧园区、智慧企业、智慧能源、智慧工业等17个应用领域，根据各应用领域主要用户群体类别，可归纳为城市管理服务、产业服务和市民服务三大类，见表1。

表1 智慧城市应用体系

(1)城市管理服务

智慧政务是电子政务发展的高级阶段，包括公众关系服务、基层组织公共管理、委办局协同办公、市长智慧决策等应用，实现政府管理的精细化、智能化和社会化，并提高政府的执政能力。智慧城管是以加强城市公共资源监管能力、提高城市公共服务水平为建设目标的城市信息综合管理体系，主要包括城市公共设施精细化管控、执法管理监督、环境卫生管理等内容［8］。平安城市是一个大型综合性的、以图像监控为基础的城市公共安全应急预警管理系统，主要包括治安管理、应急指挥、灾难事故预警、安全生产监控等内容。智慧环保是数字环保概念的延伸和拓展，主要包括重点污染监控、环境质量监控、烟尘/噪声监控、环境信息发布等内容，实现环境管理科学决策和监管效能的提升。智慧能源是对传统能源的流程架构体系进行革新改造和创新，主要包括智能油气网、智能电力网、智能水务网、智能热力网、智慧楼宇等内容，通过构建新型能源生产、消费的交互架构，建立高效率能源流的能源智能配置、智能交换体系。

(2)产业服务

智慧农业是农业生产的高级阶段，以高新技术和科学管理来换取对资源的最大节约，主要包括农业可视化远程诊断、远程控制、灾变预警等内容，在各城市的智慧城市顶层规划中，通常包括农村信息化建设的内容。智慧物流是指通过对物流过程中生产的全部或部分信息进行采集、分类、传递、汇总、识别、跟踪、查询等一系列处理活动，以实现对货物流动过程的控制，从而降低成本、提高效益，实现物流信息共享，以满足不同需求主体的信息需求。智慧园区是通过监测、分析、整合以及智慧响应的方式，采取感知化、智能化、互联化的手段，将园区中分散的、各自为政的物理基础设施、信息基础设施、社会基础设施和商业基础设施连接起来，成为新一代的智慧化基础设施，从而将园区提升为一个具有较好协同能力和调控能力的有机整体［9］。智慧商业是通过提升工商、金融、贸易等企业信息化水平，打通城市内各行业采购、营销、销售和服务等环节，最大限度地利用ICT技术所带来的便利，提升企业的协作和服务水平。智慧企业是企业信息化的高级阶段，是将企业的生产过程、物料移动、事务处理、现金流动、客户交互等业务过程数字化，提升企业管理与运营，更有效地为企业经营决策提供支持。智慧工业是将具有环境感知能力的各类终端，基于泛在技术的计算模式、移动通信等融入到工业生产的各个环节，大幅提高制造效率，改善产品质量，降低产品成本和资源消耗，将传统工业提升到智能化的新阶段，如智慧制造等。

(3)市民服务

智慧生活是围绕市民最关心的社会热点问题，整合构建面向各类人群的信息化公共服务体系，实现信息化公共服务体系的普及化和无障碍化，为市民提供便捷、透明的社会公共服务;如城市一卡通、生活账单服务、数字社保/医保、食品药品安全追溯等。智慧交通是在城市广泛互联的交通要素感知网络的基础上，对海量信息进行汇集、处理、分析、管理，实现更加丰富、更加准确、更加人性化的公众信息服务，形成一个智慧和谐的交通出行环境［10］，主要包括交通信息服务系统和交通管理系统等。智慧社区是以家居设施、社区基础设施智能化为基础，以社区居民为服务核心，将家庭、社区、社会的运行、服务、管理等要素从空间上、时间上有效组织起来，服务于家庭生活、物业管理与社区安防，实现快捷高效的社区服务，提供安全舒适的家居环境，主要包括社区公共服务、智能家居等内容。智慧医疗是利用先进的物联网、云计算等信息技术，突破传统医学模式的时空限制，将病人的诊疗信息、卫生经济信息与医院管理信息等进行最有效的收集、存储、传输、整合和利用，将“家庭健康保健、社区监测监护、医院诊断治疗、政府监管服务”融为一体的(“四位一体”)全生命周期健康服务体系。智慧教育是指通过构建智慧学习环境，运用智慧教学法，促进学习者进行智慧学习，从而提升成才期望，即培养具有高智能和创造力的人［11］;主要包括移动学习系统、智能教学系统、智能管理系统、家校通系统等内容。智慧旅游主动感知旅游资源、旅游经济、旅游活动、旅游者等方面的信息，将旅游与交通、公共服务等环节紧密融合，使旅游物理资源和信息资源得到高度系统化整合和深度开发，是服务于游客、旅游企业和政府管理部门、面向未来的全新旅游形态。

2.6 安全保障、运行维护服务

基于云计算的智慧城市的安全保障服务，除实现传统IT系统的计算安全、网络安全等安全保障功能外，重点实现:

·统一用户管理，建立全局的用户管理机制，对智慧城市所有应用实行统一的用户信息存储、认证和管理;

·统一权限管理建立智慧称呼四内统一的认证授权和单点登录机制，为所有应用系统的用户身份认证、访问权限控制提供集中管理;

·统一安全审计提供全面、完整的用户管理审计功能和用户访问审计功能。

基于云计算的智慧城市的运行维护服务，除实现传统的系统和应用管理、数据中心机房监控等运维维护功能外，重点实现:

·服务管理，提供智慧城市服务运行和管理所需的业务支撑、配置管理、迁移和互操作管理等;

·感知基础设施管理提供各类感知设备状态数据的采集、状态数据的分析处理、设备配置管理等功能。

3 典型示例

平安城市是智慧城市中发展中较为成熟的领域，参考上述架构，结合平安城市项目实践经验，给出用于公安应急指挥的系统结构，如图4所示(阴影部分是应急指挥系统特有的内容)。

图4 基于云计算的平安城市总体架构

其中，各个层次的特点如下。

物理资源层:平安城市应急指挥以视频图像感知为主，感知设施包括新建的和已有的视频镜头，以及警用单兵视频装备。网络通信设施以公安信息网、视频专网为主，以350 M集群通信、公共电话网等作为补充，实现视频、语言和数据的传输。计算与存储设施包括与公安具体接处警、指挥调度、现场处置等业务相关的专业服务器等。

基础设施服务层:增加视频设备管理服务，实现相关用户对城市内各类摄像头的控制。

平台服务层:围绕城市安全管理和处置，数据资源方面包括了“人、事、地、物、组织”的数据，数据支撑服务中增加了案事件管理服务，决策支持服务中具体为防控预警服务、视频智能分析服务和综合态势服务。

用户服务层:以城市安全管理和处置的过程为依据，设计接处警服务、视频监控服务、资源整合服务、指挥调度服务、现场处置服务。

4 结语

本文结合我国智慧城市快速发展对智慧城市总体架构设计的需求，设计了一个基于云计算的智慧城市总体架构，该架构由物理资源层、资源提取与控制层、基础设施服务层、平台服务层、用户服务层、安全保障服务、运行维护服务组成，同时以国家智慧城市试点现状调研为基础，给出了城市管理、产业和市民的应用服务体系内容。最后，以平安城市应急指挥系统为例，进行了深化设计，以期为智慧城市总体设计提供参考。

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