智慧城市建设与发展研究

　　1 引言

　　城市是社会生产力发展和科技进步的结果，是承载了多项功能的一个综合体，随着社会的发展，城市的内涵在不断发生变化，影响城市发展的因素也在不断增多。所以，城市化的过程就是一个人类生产生活方式、社会结构不断发展、完善的动态过程，美国城市地理学家诺瑟姆于1975年提出的城市化过程S型曲线也充分说明了城市化阶段性的发展规律和特点。

　　智慧城市是城市化的高级阶段，以物联网技术为基础，通过更深入的智慧化、更全面的互联互通、更有效的交换共享、更协作的关联应用，最终成为一个高效安全、学习创新、和谐友好、智慧开放的类生命体。因此，发展成熟的智慧城市具有像生命体一样的特征，如具有较为完善的行为意识和调控能力、智能感知、情境感知与认知能力，成熟的信息知识智能转换机制及决策能力，一定的自我学习、自我成长和自我创新能力。显然，智慧城市的成长不是一蹴而就的，像一个生命体的成长过程一样，将经历一个长期的建设发展、学习创新、自我完善的过程，仍将遵循城市化发展的基本规律，经历起步、发展、成熟三个不同阶段。

　　根据智慧城市的内涵及特征，智慧城市建设将涵盖信息基础设施、应用体系、产业发展和支撑体系等，这几部分涉及面宽、结构复杂，且需要相互支撑、相互促进。所以，智慧城市在起步、发展、成熟等三个阶段的特征将是完全不一样的。

　　目前，全球许多城市都在进行智慧城市的试点，中国已有近50个城市或地区提出了建设智慧城市的目标，智慧城市相关的市场规模超过1500亿元。大量新城区的建设以及城市企业信息化发展的各类新趋势驱动了智慧城市市场。

　　智慧城市建设的动因主要有以下3个方面：

　　(1)调整经济结构，转变增长方式：实现企业转型，创建智慧的业务机制，降低成本，规避风险，实现整合，提升领导力建设。

　　(2)传统产业升级：助力传统企业升级转型并走向世界，石油、天然气、钢铁、化工及其它制造业(如智能电网，智能交通，新能源服务等)。

　　(3)新兴产业培育：支持支持现代化服务业发展(如物流，外包，银行核心业务，旅游等新型产业)。

　　2 智慧城市的定义及需求

　　2.1 智慧城市的定义

　　《维基百科》对智慧城市有如下定义：智慧城市是以“智慧技术、智慧产业、智慧人文、智慧服务、智慧管理、智慧生活”等为重要内容的城市发展的新模式，是信息化向更高阶段发展的表现，具有更强的集中智慧发现问题、解决问题的能力，因而具有更强的创新发展能力。

　　该定义是从服务和应用角度，对智慧城市的一个宏观层面的定义，如果从建设和技术支撑手段方面来看，智慧城市可以理解为：智慧城市是物联网行业应用的综合性集成，并通过数据的统一集中管理，信息的智能化处理，形成的面向城市管理、控制与服务的应用模式。

　　为了更好的支撑城市智慧化的应用，形成“智慧技术、智慧产业、智慧人文、智慧服务、智慧管理、智慧生活”等六项内容，一个智慧城市的发展目标主要是围绕城市的可持续发展，提供全面感知，有效控制，高效管理，优良服务。

　　从技术手段上而言，智慧城市主要需借助物联网、互联网以及无线通信网以及IT支撑等基础设施，充分发挥信息通信技术(ICT)的集成能力，构建产业的智慧化发展环境，形成基于海量信息和智能过滤处理的新的生活、产业发展、社会管理等模式，构建全新的智慧化应用环境，实现协同、高效、安全以及低成本的城市环境。

{$page$}

　　IDC预测到2020年，全球的数据规模将会达到35.2 ZB(ZB=1000EB=106PB)，未来将面临大数据量的挑战，具体的如存储能力如何提供？计算能力如何提供？支撑面向大数据的服务的体系如何构建等问题，均需要好的技术架构来支撑。

　　(1)信息全面感知

　　通过网络把各种终端、传感器和网络，在运行、服务中捕获到的多种信息元数据，包括行业运行数据、上下文感知数据、服务过程数据和用户特征数据。

　　(2)海量数据处理

　　●具备P级的多部门、多行业异构数据的存储。

　　●实现海量数据并行计算与分布式处理。

　　●构建基于人工智能的数据分析和知识管理的智能应用。

　　(3)智能信息化管理

　　形成支撑智慧城市的行业智能应用。建立面向服务的智慧城市综合应用的统一公共管理平台。通过网络提供普适、智能的应用与服务。

　　2.2 智慧城市的支撑技术

　　城市的发展经过了数字化，无线化、移动化的发展过程(见图1)，目前随着物联网技术及模式的不断发展和成熟，城市的发展以及经营正在向物联化方向迈进。

图1 智慧城市的发展过程

　　物联化的城市发展面临的主要问题是：全面感知，有效获取，海量数据的存储、管理、控制，信息的智能处理及智慧化应用支撑。

　　目前，信息化技术的发展主要针对以上四大挑战的解决途径分别是：物联网，物联网+通信网+互联网，云计算+普适计算，云计算+人工智能。

　　同时，为了保证城市的可持续化发展，需要不断建设和完善面向城市智慧化经营的服务体系架构。整个的技术与服务体系的互相促进，实现智慧化城市的发展。因此，支撑智慧城市的具体技术有云计算，普适计算，固定宽带网，3G移动网，无线局域网，智能终端，物联网，GIS与系统集成技术。

　　(1)物联网的定义

{$page$}

　　物联网是“万物沟通”的、具有全面感知、可靠传送、智能处理特征的连接物理世界的网络，实现了任何时间、任何地点及任何物体的连结。可以帮助实现人类社会与物理世界的有机结合，使人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，从而提高整个社会的信息化能力。

　　物联网的核心技术包括传感与RFID融合技术、识别与环境感知技术、物联网节点及网关技术、物联网通信与频管技术、物联网接入与组网技术、物联网软件与算法、物联网交互与控制和物联网计算与服务。

　　物联网的典型架构如图2所示，主要分为感知层，网络层以及应用层。

图2 物联网典型架构

　　(2)云计算技术

　　云计算是一种新的计算方法：通过虚拟化、分布式处理和宽带网络等技术，按照“即插即用”的方式，自助管理运算、存储等资源能力，形成高效、弹性的公共信息处理资源；云计算也是一种新的商业模式：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，也是电信运营商新的信息服务产品和ICT交付模式。

　　云计算的主要技术包括虚拟化、分布式处理、云管理、云终端、绿色IT、云安全等。云计算的技术及服务架构如图3所示。

图3 云计算的技术及服务架构

　　(3)普适计算技术

　　普适计算(Pervasive Computing或Ubiquitous Computing)最早起源于1988年Xerox PARC(Palo Alto Research Center)实验室计划。1991年Mark Weiser在The Computer for the 21th Century一文中首先提出了普适计算的概念。普适计算是指在普适环境下使人们能够可以在任意时间，使用任意设备，通过任意网络来获得所需的服务。

　　普适计算与云计算的关系如表1所示，普适计算提供随时随地的计算服务云计算提供强大、共享的计算服务。

表1 普适计算与云计算的关系

　　(4)终端技术发展

　　支撑智慧城市的终端发展主要有：

　　●瘦终端，传感终端，虚拟终端，多设备内容同步等终端技术。

　　●面向家庭、企业的智能融合业务终端。

　　3 智慧城市的整体架构

　　如图4所示，智慧城市包括智慧城市服务数据中心，应用及服务平台，网络以及终端等4类重要元素：以数据中心为核心、以物联网终端为触角，以Wi-Fi，3G无线全覆盖，宽带通信为高速信息通道，以信息处理提供应用支撑能力，以异地备份提供数据保障，信用透明度评估能力保障信用安全，从而形成一个闭环式的服务体系，构成融合无线通信、宽带通信、物联网和云计算的整体集成解决方案。

图4 智慧城市的概念架构

　　作为城市智慧化服务的核心，数据是最重要的基础。如图5所示，智慧城市的重点在于建设城市级数据系统(CDS)。具体的：城市级数据系统包括基础设施数据子系统，城市人数据子系统以及行业数据子系统。其中，基础设施数据子系统主要用于收集、存储、处理支撑智慧城市的基础设施如网络，传感器、平台等的数据，进行基础设施能力的智能化配置；城市人的数据子系统，主要对人员使用服务的行为数据进行特征分析和挖掘，建立相应的策略特征库，从而面向城市人提供个性化，智能化的人性服务。CDS是一个基于云计算分布式数据库和分布式文件系统、专家系统、机器学习和自动规划等，构成的网人工智能系统，即城市的“大脑”，使城市的管理、服务具有智能特性。

　　智慧城市的运营，需要建立面向城市管理、控制与服务的体系架构(见图6)，统一集中各行业数据与信息资源，建立跨部门、跨行业建立协同平台。通过物联网，将行业应用的数据进行集中，构建CDS，同时由跨部门、跨行业的协同处理平台，进行协同处理和智能控制，通过智能网络，实现面向城市人或物的普实话智能服务。

图6 智慧城市的运营架构

　　智慧城市的平台架构如图7所示，建立以CDS为中心，基于IaaS云平台管理下的集中资源，通过资源的智能适配，承载和建设开放的业务引擎，包括业务控制引擎，事务处理引擎，数据分析引擎以及上下文感知协同引擎等。与各种终端协同，形成面向智慧城市服务的统一化平台。

图7 智慧城市的平台架构

　　智慧城市的网络架构如图8所示，以城市大规模数据中心为核心，进行资源集中，基于数据中心，构建三种基础设施能力，包括计算、存储以及网络的能力，同时提供四种引擎，面向城市提供多样化的服务。

　　4 智慧城市的建设

　　如图9所示，智慧城市的建设包括了6种基本的内容，具体包括云计算数据中心、基础通信、终端、应用系统、物联网以及业务支撑平台。

图9 智慧城市的建设内容

　　(1)云计算数据中心。是承载智慧化应用，构成各种支撑能力的核心基础设施。一方面承载各种物联网、三网融合等的数据，更重要的是承载用户行为数据，构成智慧化应用的核心能力。

　　(2)基础通信网络。包括宽带接入、承载以及传输等有线宽带网络，3G蜂窝通信网络以及无线Wi-Fi全覆盖。

　　(3)终端。包括各种终端(如PC，电视，电话，各种瘦终端，物联网终端等)。

　　(4)业务支撑平台。支撑各种智慧化应用的业务，包括订单管理，用户管理，服务管理以及各种基本能力支撑，如数据库，基本的管理应用系统等。

　　(5)物联网。物联网传输、汇聚以及物联网信息采集、存储、预处理等系统。

　　(6)典型应用系统。主要是包括各种应用系统(如管理应用，一卡通应用，智能物流，监控应用，三网融合应用等)。

　　智慧城市的建设目标如图10所示，可以概括为以云计算数据中心为核心、以物联网为触角，以Wi-Fi，3G无线全覆盖，宽带通信为高速信息通道，构建智慧城区。

图10 智慧城市的建设目标

　　如图11所示，智慧城市中基础设施的集成主要分为基础设施层，感知层，网络层，平台层以及具体应用层。

　　(1)把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被泛在连接，形成“物联网”。

　　(2)通过感知层，将不同环境下的感应器收集到感知层。

　　(3)通过网络支撑层，将不同的感知层通过不同的网络进行汇集。

　　(4)通过超级计算机和云计算将“物联网”整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。

　　(5)把新一代IT技术面向用户，面向产业，充分运用在各行各业之中，更加精细和动态的方式管理生产和生活，从而达到“智慧”状态。

　　智慧城市的信息处理集成架构如图12所示，依托公众通信网络，以数据心为核心，通过多接入终端实现泛在接入，面向服务的端到端体系架构。

图12 智慧城市的信息处理集成架构

　　5 智慧城市经营探讨

　　在智慧城市的经营和服务过程中，有几个主体要素，分别是政府，智慧城市的经营者和服务提供者，云计算基础设施服务提供者以及云计算应用服务提供者。确保智慧城市的良性发展，必须坚持以上四个主体(包括政府、经营者)，云计算基础设施服务提供商以及云计算应用服务提供商，能够四位一体，共同推动集中化、集约化、规模化、创新性的智慧城市健康生态环境。

　　5.1 政府

　　是智慧城市的牵头组织者，必须具备智慧城市建设、运营以及服务开展的全程监管，优化和综合各种应用，形成城市的整体发展合力。

　　5.2 智慧城市的经营者和服务提供者

　　如图13所示，随着社会信息化应用的进一步推进，信息通信服务的进一步发展和提升，要建立创新应用，可靠运营，开放平台，优质服务，共享资源，有效监管的智慧城市，必须有有力的智慧城市经营与服务者，具体是智慧城市的践行者，负责牵头实施，整体规划，运营安全保障，服务过程保障，服务拓展以及需求搜集等工作。

图13 智慧城市的经营与服务

　　5.3 云计算基础设施服务提供者

　　主要关注于规模化投资建设，完善的运营与服务保障制度以及流程，建设安全的信息保障和监管。

　　5.4 云计算应用服务提供者

　　提供创新性、开放性以及共享性的云计算应用服务和行业应用服务。

{$page$}

　　6 面临的挑战

　　6.1 协同方面的挑战

　　(1)加强各种政策之间的协同和衔接，形成政策体系。

　　(2)智慧城市的顺利开展涉及多个行业，不同主管部门制定不同的行标和规范，协同性有待加强。

　　(3)现阶段信息互联互通与数据共享程度还较低，信息融合有待进一步加强。

　　6.2 技术人才方面的挑战

　　云计算行业近期处于快速增长阶段。这种爆发式的增长使得云计算工作开展中碰到的最大问题之一就是人才缺乏，人才的缺乏会制约云计算的发展。

　　6.3 安全模式及用户习惯的挑战

　　云计算安全问题也是云计算商业推广中的主要问题之一，由于“云”对外部不透明，云计算的服务提供并没有对业务给出细节的具体说明，如何在内部IT支撑中给业务系统提供安全可信、数据隔离是云计算的重要影响因素之一。用户习惯尚不是很成熟，需要进一步培养。