云计算时代智慧城市系统技术架构

王良莹

（辽宁对外经贸学院大连116052）

云计算时代智慧城市系统技术架构

王良莹

（辽宁对外经贸学院大连116052）

本文对“智慧城市”的内涵进行了深入解读；介绍了智慧城市的国内外发展及研究现状；在归纳已有研究成果的基础上提出基于ICT基础平台、物联网、大数据、云计算和智慧应用的智慧城市系统总体架构；最后展望了智慧城市建设的未来发展。

智慧城市 现状 支撑技术 发展

一、引言

在信息技术迅猛发展的今天，物联网、大数据和云计算技术的广泛应用，使得“智慧城市”这种新型城市管理形态应运而生。智慧城市的理念一经提出即得到广泛的关注与认可，成为了目前最热门的研究课题之一，其市场前景巨大，社会影响深远，各国政府都很重视智慧城市建设，纷纷采取行动积极推动智慧城市建设[1]。智慧城市建设旨在解决城市快速发展过程中带来的社会管理、交通、环保、医疗等城市发展难题，是当今世界城市发展不可逆转的历史潮流。

二、智慧城市概念解读

智慧城市就是运用信息和通信技术手段感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，从而对包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出智能响应[1]。其实质是利用先进的信息技术，实现城市智慧式管理和运行，进而为城市中的人创造更美好的生活，促进城市的和谐、可持续成长[2]。

三、智慧城市的国内外发展现状

1、智慧城市建设的国际实践

智慧城市建设具有国家的经济与科技战略意义，美国、德国、法国、瑞典、爱尔兰、新加坡、日本、韩国等国家的近二百个城市已经加入到智慧城市建设的队伍中来，美国政府将“智慧城市”视为与“信息高速公路”同等重要的国家战略，欧盟将信息和通信技术作为欧洲2020年的科技创新重点，提出了一整套智慧城市建设目标，并制定了《物联网战略研究路线图》[1]。在亚洲，日本、韩国、新加坡等国政府也都相继进行了智慧城市建设发展规划，并已经在教育培训、医疗卫生和电子政务等领域付诸实施。特别是，国际三大标准化组织ISO，IEC，ITU-T在2013年相继成立了智慧城市标准化研究工作组，标志着智慧城市建设工作的全面开展[1]。

2、智慧城市在我国的发展现状

目前，我国智慧城市发展步伐很快，很多城市都已经开始启动智慧城市建设，特别是“中国梦”的提出再次加速了智慧城市建设的步伐。据统计，“十二五”期间，中国有上百个城市着手打造“智慧城市”建设，其中包括几乎所有的一线城市以及一半左右的二线城市。2012年首批国家智慧城市试点名单包含90个城市。北京、上海、深圳、宁波、武汉等主要城市在智慧城市建设中成为了领跑者。2013年国家启动智慧城市技术和标准双试点工程。2014年8月，国务院印发了《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》，从国家的高度对我国智慧城市发展的总体方向进行了规划，确保智慧城市建设健康有序推进。我国智慧城市建设已经进入规模推广阶段。

四、云计算时代智慧城市系统技术架构

智慧城市就是通过普遍的感知将生活中的物与物、物与人连接起来形成庞大物联网，进而通过云计算的方式对各种信息进行数据挖掘和融合，然后向城市居民提供智能化的服务，使得城市管理和服务更富有预见性、创造性、协作性，高效和科学。从技术角度来说，智慧城市总体体系架构应包括基础平台层、技术支撑层和智慧应用层三部分。如图1所示：

1、基础平台层

智慧城市应用的实现，离不开底层的ICT（Information Communications Technology）基础平台，需要打造泛在的信息交换网络、移动通信网络、公共服务平台和城市基础数据库。随着计算机技术和通信技术的发展，推进无线城市项目和宽带提速工程，实施下一代互联网，开展“三网融合”和网络基础设施共建共享，这一系列的举措必将打破许多智能应用和网络服务的瓶颈，促进信息资源的开发利用及深度整合，为智慧城市建设提供更坚实的软硬件基础保障。

2、技术支撑层

智慧应用和服务需要三个关键的技术支撑：高度发达的信息网络（物联网）、巨量的信息基础（大数据）和提供智慧服务的创新技术（云计算）。

（1）物联网：信息产业发展的新变革

物联网就是“物物相连的互联网”，是互联网的应用拓展，通过二维码识读设备、射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[3]。物联网应用涉及到的关键技术有：传感器技术、RFID标签技术、嵌入式系统技术、M2M长距离通讯技术。

物联网体现了信息技术在城市生活诸多行业中的应用。如图2所示，物联网的工作原理就是把感应器安装到公路、电网、汽车、建筑等各种物体中，然后将这些设施“连接”到互联网上，那么上网的“人”就与连接到网的“物”整合成为一个整体，再通过强大的计算机集群，对城市生产和生活进行高效协同与精准管控，从而达到“智慧管理”的状态。基于此物联网也被称作继计算机、互联网和移动通信之后信息技术领域的又一次变革。

物联网的发展有3个阶段：

①初级阶段：基于各种行业数据交换和传输标准的连网监测监控、两化融合等应用系统，主要以Networks of Things（物连网）的方式存在；

②中级阶段：基于局部统一的数据交换标准实现的跨行业、跨业务综合管理集成系统，如基于SaaS模式的M2M数据中心系统，初步走向Internet of Things（物联网）[4]；

③高级阶段：基于物联网统一数据标准，SOA、Web Service、云计算虚拟服务的onDemand系统，最终实现“Thing as a Service”。

我国从1999年就开始了物联网核心技术的研究，在“传感网”技术研发方面处于世界领先水平。2009年温总理提出“感知中国”战略以后，中国各级政府更是大力投资物联网，物联网产业蓬勃发展。

（2）大数据：智慧城市的信息之源

无所不在的物联网在实现数据信息采集的同时，也催生了大数据[5]。大数据（big data），即巨量数据集合，是指无法在可承受的时间范围内用常规软件工具进行捕捉、管理和处理的数据集合[6]。我国网民数量众多，每天产生的数据量也是极其庞大。几乎在各个行业都有大数据的存在，数据的单位从开始的Byte、KB、MB、GB、TB发展到PB、EB、ZB、YB甚至BB、NB、DB来衡量，其中文本、照片、音频、视频、医疗影像等非结构化内容超过85％。如何从这么庞大的数据中挖掘出有价值的信息才是研究的重点。

大数据技术包括大规模并行处理（MPP）数据库、自然语言理解、机器学习、数据挖掘、分布式文件系统、云计算平台和可扩展的存储系统等。通过这些技术对海量信息进行采集、分析、加工和管理，为智慧化应用提供数据源。图3是一个可参考的企业级大数据处理软件栈。其中MapReduce作为一种简化的分布式编程模型，为云数据中心的大规模数据处理提供支撑；HBase是Hadoop团队开发的开源数据管理模块。

目前大数据管理多从架构和并行等方面考虑，解决高并发数据存取的性能要求及数据存储的横向扩展，但对非结构化数据的内容理解仍缺乏实质性的突破和进展，这是实现大数据资源化、知识化、普适化的核心[7]。

（3）云计算：海量信息存储与计算平台

在物联网高级阶段，需要虚拟化云计算、SOA等技术的结合实现物联网泛在服务。而海量信息的管理和数据挖掘又离不开云平台的分布式计算和存储。三者的关系是密不可分的。

云计算是并行计算、分布式计算和网格计算的发展和商业实现，云计算以虚拟化为基础，通过集群化运维管理系统，实现计算、存储、网络、服务器等资源的动态分配及部署，实现“按需取用”产品和服务[8]。由于云计算将“计算能力”作为一种服务提供给广大用户，用户可以租用云平台的计算资源，方便又便宜，所以云计算的应用降低了用户软硬件部署以及系统维护的成本，提高了系统和业务的弹性。搜索引擎、在线字典、网络邮箱、数据仓库出租等是目前云计算的一些典型应用。

云计算有共有云、私有云、社区云和混合云四种部署方式。云计算技术发展的主线可以总结为如下两点：

①网格计算（包括分布式计算，机群和集群，并行与超级计算，HPC等）体系架构提供基础设施（计算节点，存储资源等），即IaaS；

②中间件（包括SOA，Web Services，Multi-Tenancy，Hypervisor单机虚拟化等技术和Grid Middleware，DRM，PFS，多机虚拟化，Utility计算等技术）提供可互操作的业务集成平台（PaaS）和在其上建立的应用软件（SaaS）[9]。云计算的三种主要服务模式如图4所示。

在国际上，Google、英特尔、微软、惠普和亚马逊等企业在“云计算”方面的研究和投入都是走在业界前列的。在国内，云计算企业的先锋是阿里巴巴。2009年9月创立的阿里云真正把“云计算”变成了可购买的公共服务。2014年11月，阿里云计算支撑了双十一促销活动571亿元的交易额。2015年1月，12306将车票查询业务部署在阿里云计算平台上，为春运高峰分流了75％的流量。另一朵“中国云”世纪互联将自身的云计算定位在基础设施即服务层面，即IAAS（Infrastructure as a Sevice）层面。此外还有中国移动的Big Cloud云平台。

3、智慧应用层

智慧应用层是智慧城市建设的最终目标。智慧应用层的建设内容包括智慧公共服务和智慧产业服务两大方面，具体包括智能物流、智能交通、数字医疗、智能社区、环境监测、智能安防、数字校园等应用。智慧城市一些初步功能已经在日常生活中得到体现，如市民卡、手机银行、手机挂号、电子政务、城市应急指挥中心等[1]。

4、信息安全与标准管理

信息安全与标准管理是智慧城市建设的保障体系。物联网和大数据应用给信息安全带来新挑战。加强智慧城市系统信息安全管理的主要措施有强化网络安全管理，推进信息安全等级保护制度，完善身份认证和系统授权，建立数据容灾备份中心等。标准规范体系是智慧城市实现泛在互联和信息交换的基础。加强相关标准规范建设，要面向重点业务领域，加快关键标准的制定和实施，以点带面，最终实现全面的技术、行业应用和服务标准化。只有形成技术创新、标准制定和知识产权协调互动机制，才能为智慧城市建设提供发展保障。

五、智慧城市未来发展展望

智慧城市的理念一经提出即得到广泛的关注与认可，但是现在距离智慧城市的终极目标还相差甚远，还有很长的一段路要走。从社会发展的视角，智慧城市建设强调通过价值创造和以人为本的协同创新，实现经济、社会、环境的全面可持续发展[10]。从技术发展的视角，无所不在的“物联网”催生了“大数据”，大数据处理产生了“云计算”需求，三者相辅相成，造就了智慧城市普适计算与融合应用的实现。随着信息技术的不断发展和普及，智慧城市建设逐步深入，将为经济发展带来新的增长点，为物联网、环保、城市服务等行业带来更多机会，也必将逐渐改变中国新一轮城市竞争格局。

[1]乔宏章，付长军.“智慧城市”发展现状与思考[J].无线电通信技术，2014，40（6）.

[2]洪丹青.为民所需大步向前——关于宁波智慧城市建设的调查与研究[J].科技视界，2015，（13）.

[3]郭任霞.物联网技术在物流行业的应用[J].科技资讯，2011，（24）.

[4]单祥茹.物联网离我们有多远[J].中国电子商情：基础电子，2010，（5）.

[5]熊枫.云计算时代的智慧城市建设研究[J].湖南科技大学学报（社会科学版），2015，18（4）.

[6]陈欣.大数据技术及在国土资源信息化中的应用思考[J].中国电子商务，2014，（16）.

[7]季敏霞，肖宇.浅谈大数据与云计算的关系及未来发展[J].黑龙江科技信息，2014，（31）.

[8]孟庆伟.云计算技术及其电信应用[J].电信快报，2010，（7）.

[9]周洪波.NIST的云计算定义[EB/OL].（2011-07-11）IT专家网，http://news.ctocio.com.cn/478/12116478.shtml.

[10]宋刚，邬伦.创新2.0视野下的智慧城市[J].北京邮电大学学报：社会科学版，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

王良莹：女（1978～）辽宁对外经贸学院副教授硕士主要研究方向：数据库、网络技术与应用。