智慧城市模型与架构

智慧城市模型与架构（共7篇）

智慧城市模型与架构 篇1

1 引言

智慧城市建设正成为支撑国内新一代信息技术产业发展的重要内需市场[1], 中国工程院预计“十二五”期间智慧城市投资规模将超2万亿。智慧城市云服务中心是智慧城市建设的重心, 也是利用信息手段推动城市向宜居、生态与健康方向发展的基础设施, 智慧城市云平台是其核心技术支撑[2]。

时空信息总线 (Spatial-Temporal Bus, STB) 就是旨在建立智慧城市的神经中枢, 通过提供云主机、移动设备、传感器信息的实时接入、异构时空信息数据的无缝融合、分布式数据交换、面向部门级别的数据智能路由和支撑全平台的综合服务的需求, 提供可靠的时空消息传输、时空服务接入、时空服务协议转换、时空数据格式转换以及基于内容的时空信息路由等功能, 支撑空天地一体的智慧城市数据感知[3]、时空数据大数据挖掘分析与价值提取, 并最终向用户提供多样化的信息服务产品。

本质上, 时空总线的目的是在云端一体化的智慧城市云平台既有Iaa S、Paa S、Saa S和Terminal之外, 构建管理即服务 (Management as a Service, Maa S) 技术体系 (图1) , 充分利用时空总线基于消息的数据交换能力, 实现从小到传感器、虚拟机, 大到跨地域数据之间实时可靠状态同步与协调调度, 奠定基于地理建模、地理设计、地理监测与地理控制的智慧城市云平台时空信息同化模型[2]的实现基础, 支撑政府、企业与个人等智慧城市多样化需求。

2 时空总线技术体系

时空总线需要解决实时监控、跨平台通用与复杂流程定制三大问题。当前智慧城市建设不仅需要建设高效稳定可管理的云服务平台, 而且需要将形成空天地一体化对地感知网络, 实时感知城市中信息世界、人类社会和现实世界的整体实时状态 (参考ISR模型) [2], 要实现此目标需要解决海量数据管理、不同平台协议的传感器信息的实时接入与融合处理、多源异构传感器信息的统一接入与加载标准、多源异构信息的自主加载与交换融合, 形成面向主题的综合信息服务、面向智慧城市运行的空间信息智能处理等问题。由于数据包括来自GNSS的位置数据、来自遥感平台的影像等传感数据以及来自嵌入式传感器的实时监控数据, 数据格式、传输协议、数据量以及更新频率都大相径庭。为了更好的支撑应用, 就需要构建统一、标准化的智慧城市时空信息交换平台。

如图2所示, 基于时空总线技术架构从下至上可以分为:

(1) 目标对象层, 即监测与控制的目标。其主要实现监听与执行两类接口, 前者可以采用Push/Pull结合的模式汇集来自智慧城市云平台中桌面、服务器应用, 信息消费者的Web及移动终端应用, 及基于多样化通信技术 (短波、微信、Zig Bee、4G、Wi-Fi和Ad Hoc) 通过物联网网关采集的传感器网络等众多信息, 后者则支持将控制信息反向推送到各个应用或者基于协同控制网构建的物联网控制器中。目标对象层不仅是城市各类运行状态的信息来源, 而且是决策控制信息平台的执行基础, 其实现手段包括Nagios、I2C总线、现场总线、CAN总线等软硬件、车联网、工业级监控技术。

(2) 消息代理层, 通过伺服代理模式, 将目标对象层采集的数据进行标准化编码 (时空总线通常采用扩展过的轻量级Geo JSON数据标准格式, 支持基本要素与包含三维和多媒体等的复合对象) , 并基于AMQP/JMS/MQTT等消息中间件传输协议将其数据发布进入云中心的消息队列, 同时伺服代理也负责订阅来自云中心的消息频道, 将实时控制信息解码后, 通过调用开放API或者在受控前提下采用钩子等系统侵入手段将控制命令传入目标对象层各类应用中。

(3) 智能路由层。基于Rabbit MQ、Web Sphere等消息中间件技术搭建[4], 将来自消息代理层的各类时空关联数据汇聚分类入不同的主题频道, 并支持用户动态定义的消息路由, 实现主题消息的订阅、广播、协议转换等多样化的交换模式 (如Enterprise Integration Pattern技术) , 从而支撑智慧城市中复杂的信息流调度管理, 支持基于用户的权限管理, 此外还需要采用分布式技术 (消息中间件集群) 实现高并发环境下路由层的水平扩展, 支持基于实时数据库 (如Redis技术) 及海量列存储 (如HBase技术) 技术对时空信息实时查询与历史数据挖掘, 实时处理与挖掘分析形成的决策控制指令也编码后传入特定频道推送到目标对象。

(4) 管理应用层, 在智能路由层之上, 构建管理门户界面, 支持对消息中间件的状态查询、消息频道的定义与管理、用户安全管理、路由定义执行等系统功能, 并将其封装暴露为开放API, 供智慧城市、互联网及各类智慧应用嵌入使用。

3 时空总线在智慧城市中的应用

时空总线拥有实时普适灵活的数据交换特点, 可以成为建设“全面透彻的感知”的智慧城市的有力工具。如图3所示, 时空总线的应用模式即围绕总线实时连接各类设备与个人, 打通感知、存储、处理、分析决策与控制信息化服务流程。因其拥有跨平台的监控能力, 所以可以接入手机平台、车载、行业专用及工作站和PC等各类设备[5], 因其多样化的路由能力支持将数据并行快速汇入实时数据库、历史数据库与备份数据库, 从而在支持电子围栏预警分析等实时任务之外, 并定期调用相关流程进行数据ETL、专题地图生成等大数据复杂挖掘计算。

在2013年发生的四川省雅安市芦山县7.0级强烈地震中, 超图软件基于时空总线技术在第一时间快速定制开发了应急救灾应用“灾务通”, 并提供国家民政部减灾中心进行现场核灾工作, 支持灾害现场信息的快速填绘报, 并为减灾人员提供综合移动信息服务。

图4是2013年4月27~29日对倒房和地块进行数据与图片采集的成果统计, 可见基于时空信息总线技术, 有效地将原本需要分头采集定期汇总的核灾业务实时协同化, 提高了核灾与辅助决策的效率, 对救灾物资的及时准确筹备投放提供了有效支撑。

摘要：时空总线技术旨在建立智慧城市的神经中枢, 通过构筑目标对象层、消息代理层、智能路由层、管理应用层的四层架构, 提供支持服务器、移动、物联网的跨平台的信息监听与指令执行、实时安全信息订阅发布及基于消息路由的系统集成功能, 解决实时监控、跨平台通用与复杂流程定制的智慧城市信息协同三大问题。基于时空总线构筑智慧城市云平台中的管理即服务能力, 提升云服务中心的可管理性。并同时介绍了基于时空总线的智慧城市应用模型及在芦山地震中的应用案例。

关键词：智慧城市,云计算,时空总线,城市协同,数据交换,物联网,移动互联网,大数据

参考文献

[1]梁军, 黄骞.从数字城市到智慧城市的技术发展机遇与挑战[J].地理信息世界, 2013 (01) :81-86.

[2]黄骞, 梁军.智慧城市云平台机理研究[J].信息技术与标准化, 2014 (07) :26-30.

[3]李德仁.论空天地一体化对地观测网络[J].地球信息科学学报, 2012, 14 (04) :419-425.

[4]甄甫, 刘民, 董明宇, 等.基于面向服务架构消息中间件的业务流程系统集成方法研究[J].计算机集成制造系统, 2009, 15 (05) :968-972, 989.

[5]滕寿威, 王尔琪, 黄骞.交通状况信息交换系统研究与实现[J].测绘与空间地理信息, 2013, 36 (S0) :121-127.

浅谈智慧城市体系架构 篇2

1 智慧城市建设现状

智慧城市已被世界各国确定为金融危机后振兴经济的关键策略。近年来,众多国家、地区和城市先后提出了建设“智慧国家”、“智慧城市”的发展战略计划,先后启动了智慧城市的建设。北美、欧盟、俄罗斯、亚太地区等国政府均出台了相关政策,明确智慧城市建设方向和重点,引导、鼓励和支持各类市场主体共同培育智慧城市可持续发展模式。有些国家还通过出台战略框架、规划计划、行动方案、设立专项试点等方式确定智慧城市发展目标和建设重点,引导社会力量参与。

全球50多个国家和地区开展智慧城市业务,产生1200余个智慧解决方案。遍及公共安全、交通、电网、建筑、能源、公用事业等领域。

中国的城市信息化起始于上世纪80年代初,至90年代后期为初始阶段,城市信息化的内容包括了管理信息系统、信息管理系统、办公自动化系统等;随着互联网技术及其应用的全面展开,迎来了数字城市建设阶段,城市信息化内容包括了电子政务、电子商务、行业管理、远程教育、智能建筑、空间地理信息、城市一卡通等。目前正处在智慧城市建设阶段,从概念启动期(2010-2012)进入到规划/设计/实施期(2012至今)。

当前中国智慧城市建设概括有如下几个特点:

(1)智慧城市(区、镇)试点项目全面展开,发改委、住建部、工信部、科技部等部委,电信运营商和电信制造商,有关的行业管理局和行业协(学)会,某些大城市等相继开展了智慧城市(区、镇)试点。相关部委和单位并确定了智慧城市建设指标体系。

(2)住建部、工信部、科技部、国标委等分别开展智慧城市标准体系研究。

(3)有条件的城市(区、镇)规划/设计实施全面展开。不同地区、规模城市(区、镇)设计理念、建设目标(需求和愿景)以及规划设计各有亮点和差异。

这段时期以来,总括如下几类建设理念:

1)优先低碳、节能和环保;

2)强化信息基础设施建设;

3)强调以人为本,改善民生;

4)基于电子政务、强化城市科学管理;

5)突出发展特色产业;

.....

这段时期以来,更加明确智慧城市建设目标,总括如下四个方面:

1)改善民生——面向市民;

2)激励创新和发展经济——面向企业;

3)科学管理/决策——面向领导;

4)低碳/生态——面向全局。

对应以上四个建设目标,可以列出20余个可选的城市智慧应用和服务项目。

(4)有数字城市建设经验的大城市进展较快。北京、上海、广州、深圳等大城市纳入“十二五”规划。

(5)自2012～2013年,住建部已开展了两批国家智慧城市(区、镇)试点202个,目前已有若干城市(区、镇)获得了建设成果,并进一步推广其建设经验。例如:北京东城、上海浦东、南京建邺、广州番禺、佛山乐从……

(6)建设的资金逐步落实,“十二五”期间国家投资规模达5000亿,2020年预计达数万亿。

2 智慧城市建设标准体系制定的必要性

为全面支撑我国智慧城市建设,配合国家智慧城市试点工作,必须具备一套科学合理的、较完善的、可操作的标准化体系。智慧城市建设标准体系的目标首先是为国家智慧城市试点提供标准化技术支撑,落实国家智慧城市试点指标体系中的要求,全面支撑指标体系;其次为智慧城市建设提供标准化技术参考模型,不仅全国的智慧城市建设具有统一的技术框架,也为智慧交通、智慧电网、智慧楼宇、智慧社区、平安城市等专项或行业应用融入智慧城市提供了统一的软硬件接口、互操作和通信协议、信息安全要求等,以便于各专项或行业应用之间能有效地实现互联互通、信息共享、业务协调和信息安全,促进城市(区、镇)跨部门大集成和综合化应用,提供科学的、合理的智慧城市建设方案;同时通过智慧城市标准体系的贯彻和落实,可促进宽带网、互联网和物联网应用、大数据、云计算等新一代信息技术产业发展,进一步推动城市的产业规划、产业转型和包括智慧产业的新兴产业的发展;在经济全球化的形势下,世界各国之间的经济关系越来越紧密,技术和产品也越来越紧密,在制定我国智慧城市标准体系的同时,努力将智慧城市国家标准国际化,力争成为或纳入ISO、IEC、ITU等国际标准。

3 智慧城市体系架构的重要性

智慧城市标准体系由体系架构和标准系列两部分组成。

智慧城市体系架构的重要性在于:它是编制智慧城市标准体系的基础,它反映了智慧城市的总体构成,清晰地表示了标准系列的纵横结构;它是一个精缩的、易于理解的模型,该模型描述了智慧城市(区、镇)的构成、各智慧行业和专项应用的划分和相互关系;它对智慧城市(区、镇)具体规划和实施起着指导作用,在智慧城市顶层规划设计确定后,体系架构是具体指导实践行为的指针。智慧城市体系架构一般描述如图1所示。

架构的主体部分由五层组成,另加两个辅助模块。叙述如下:

感知控制层自下而上包括了城市基础设施、传感/执行器、短距离通信网和网关四个子层,该层的主要功能是自下而上的数据采集和自上而下的控制,并通过网关与网络传输层连接。

网络传输层主要功能是实现数据的传输,是城市信息基础设施的核心。

数据层包括了数据存储与管理、公共资源数据库两个子层,后者包括城市基础数据库和各个行业数据库,构成智慧城市的数据平台。

服务支撑层包括服务支撑技术、云计算服务两个子层,该层的主要功能是构成云计算服务平台,支撑上面的应用服务层。

应用服务层包括了指标体系第三级中可选的智慧城市应用系统。本层主要功能是基于下层云计算服务平台实现智慧城市的各类应用,并由城市运营管理中心统一管理。

政策法规和信息安全两个模块保障了主体部分功能的实现和正常运行。

4 住建部智慧城市体系架构

住建部智慧城市体系架构如图2所示。

智慧城市体系架构主体部分包括城市基础设施和城市建设应用服务两部分。城市基础设施由信息通信网和水网、能源网、交通网四个物理基础“网络”模块组成;城市建设应用服务由智慧建设与宜居、智慧管理与服务以及智慧产业与经济三部分组成。此外,体系架构中还包括政策与法规、安全与运维两个全局性的辅助模块。以下分别讨论信息通信网络模块和城市建设应用服务两个模块。

4.1 信息通信网络模块

该模块由四层结构组成:感知控制层、网络传输层、数据层和平台层。

4.1.1 感知控制层

感知控制层是智慧城市的基础设施,采用各类传感设备,对城市中的人、车、物、道路、基础设施、地下管网、气象、环境和资源、能源、企业、地理、民生服务等要素进行自动感知、自动数据采集和自动控制。

感知控制层具有两方面的作用,一是形成由各类感知终端组成的覆盖全市(区、镇)的感知控制网络,进行城市各类要素的自动感知、数据的自动采集以及自动控制;二是对感知控制网络进行有效的管理,确保各感知终端正常工作。

4.1.2 网络传输层

智慧城市的网络传输层的任务是将感知层采集到的信息通过各种网络汇总、传输,将相关信息进行整合、处理和应用。各部门各行业众多子系统能够互联互通和多网融合,完成大规模数据信息的传输和处理,实现城市级的在线统一运营。

4.1.3 数据层

智慧城市的建设是一个包罗万象的复杂巨系统,需要分布处理、贮存和提供服务,逻辑上为多层次的数据平台结构,首先汇聚下层提供的各类信息进行处理和存入各专业数据库,组成下层数据平台;然后对上层提供各类数据,经过数据处理、汇聚转换并加载到云存储数据仓库,形成公共资源数据中心。

智慧城市数据层是“智慧”的来源,它要将海量数据进行通用编码、存储、整合等处理,建立“全信息链数据体系”,在此基础上构建公共资源数据中心,为上层的各类智慧应用提供数据支撑。同时,数据层还要在保障数据安全的情况下进行数据挖掘,并提供先进的搜索引擎,方便各类应用快速准确地进行数据获取。

4.1.4 平台层

智慧城市是一个多源异构的复杂巨系统,为了系统从下至上都能够相互兼容,一些技术将会对系统的资源、数据、服务能力等起着重要的支撑作用,主要包括云计算服务、Web服务技术、面向服务的体系结构(SOA)和中间件四种基础技术,归纳起来称为共性支撑技术。同时,共性支撑技术也是标准化和共享程度高的通用性服务能力的共性技术。为上层应用提供承载运行环境,在满足应用隔离要求的同时,提供具备高性能和可伸缩性的运行容器、中间件和文件系统,从而形成一个公共信息服务平台。通过统一的服务目录,为上层应用提供统一的业务服务(门户集成、决策支持、地理信息、报表展示)、技术服务(流程服务、消息服务、规则服务、日志服务)和数据服务(数据整合交换、数据挖掘),实现跨应用的横向能力共享。

4.2 城市建设应用服务模块

该模块的目的是面对政府部门、企业、公众解决好城市发展中的“建设与宜居”、“管理与服务”和“产业与经济”的智慧化应用。

智慧城市将会形成全新的服务经济。城市中的水、电、气的供给都将变成服务,出现新的服务供应商;政府的职能也会因为移动互联网、物联网,以至统一管理运营平台的出现逐渐转变成为公众服务的角色,并在社会管理的过程中逐步转化成服务型政府。

智慧城市的应用服务是由管理部门及机构、行业团体及企业、公众及个人组成的用户群,为满足日常工作生活生产所需要使用的具体应用服务。这些应用服务主要分为建设与宜居、功能与服务、产业与经济应用等三大部分。

4.2.1 建设与宜居

城市建设与宜居包括城市建设管理和城市功能提升两部分。城市建设管理由城乡规划、数字化城市管理、建筑市场管理、房产管理、园林绿化、历史文化保护、绿色建筑与建筑节能组成。城市功能提升是对水、电、气、热、垃圾和地下管线等的管理的应用系统。城市建设与宜居应用服务的主要目的是在城市规划设计、建设和管理等环节强化环保、绿色和节能理念,营造绿色低碳的城市环境。

4.2.2 管理与服务

城市管理与服务主要由政务服务、基本公共服务和专项应用三部分组成。主要目的是提升政府服务效率和应急管理能力,优化对市民教育、就业、医疗、社保等民生服务水平,保障城市绿色便捷的能源和水资源管理,构建安全通畅的城市交通运输系统。

4.2.3 产业与经济应用

产业与经济行业应用所涉及到的应用主要包括产业规划、产业升级和新兴产业三个方面,主要满足城市推动产业经济结构优化、转型升级、可持续发展等方面的支撑需求。总体上,该部分内容应由各地经济主管部门根据本地产业规划、转型升级以及聚集的产业要素等提出相应规范与标准等。

5 结束语

智慧城市建设是个复杂的系统工程,随着建设的深入发展,长期性和艰巨性越来越显露出来。在目前国内成百近千个试点项目如火如荼地规划和实施的情况下,包括体系架构在内的智慧城市标准体系是何等重要。为了避免城市信息孤岛、城市中行业信息应用孤岛以及建筑物中的信息系统孤岛,统一、合理、完善、可操作的智慧城市体系架构是技术保障的底线。

参考文献

[1]中国智慧城市标准体系研究报告.郭理桥主编.中国建筑工业出版社,2013

智慧城市模型与架构 篇3

1 智慧城市发展模式的层次划分

智慧城市根据地域特点可以划分三个层次, 即国家、区域和市域。

不同的国家, 其经济文化以及社会资源等等之间都存在着差异, 这就决定了智慧城市发展模式的建立必然存在着各自的特点。对于智慧城市的建设, 国家层面主要体现为总体的规划, 通过将指挥城市的发展规范以制度的方式建立起来, 对于智慧城市具有实行约束力, 并树立制度的权威性, 对于智慧城市的建设具有宏观调控的作用。

智慧城市的发展模式建立在区域层面上, 其主要体现为城市之间所存在的差异, 这也决定了其在发展模式上, 依据城市管理和运行机制的不同而有所差异。比如, 以美国为代表的美洲模式, 智慧城市的治理是以市民为中心的;以法国和英国为代表的欧盟模式是建立在经济增长基础之上的, 所以智慧城市的建设以欧盟委员会统筹规划, 各个欧盟成员国发挥各自的特点;以韩国为代表的亚洲模式, 则是以政府为主导, 将建立构成智慧城市的各项元素发展起来, 其主要是建立在信息技术的基础之上。

市域层面的智慧城市发展, 是根据城市所具备的条件不同, 在智慧城市的发展战略上也会选择不同的模式。比如, 当信息技术成为推动社会发展的主导因素的时候, 智慧城市的发展模式就会建立在信息技术的基础之上。各种虚拟城市, 数字城市等等成为了诸多城市发展建设的目标。比如我国的北京建立起“城域网”, 主要向用户提供各种公开信息;北京主办2008年奥运会, 为了便于信息的传递和简化服务流程, 建立了北京数字城市。

2 智慧城市发展模式逻辑架构

智慧城市, 不是单纯的“数字城市”的简单升级, 而是建立在城市信息化的基础之上, 以民生需求为核心的, 城乡一体化可持续发展的过程。通过网络化管理, 将先进的信息技术与先进的城市经营服务理念进行有效融合, 通过对城市中的基础设施、基础环境以及与城市中的居民生活息息相关的产业, 通过多方位的数字化、信息化技术进行实时处理和充分利用, 使城市的治理与运营更为简捷、高效、灵活。创新技术的应用与安全、环保的服务模式, 让现代城市更安全、健康地向未来发展。智慧城市发展模式逻辑架构如下图。

2.1 智慧城市的主体要素

智慧城市发展的主导者是政府, 其作为城市发展的领导者, 承担着城市规划建设以及管理的责任。在城市市场化运作的过程中, 要促进城市的可持续发展, 就需要将市民的力量充分地发挥出来。智慧城市的建设, 除了城市基础设施建设之外, 还要注人文气息、观念意识等等, 城市居民作为城市基础设施的使用者和消费者, 其文化素质与城市的发展密切相关, 并成为了智慧城市建设的必要条件。

2.2 智慧城市的资源要素

基础设施和应用性服务是构成城市资源的两项基本要素。智慧城市的建立, 就意味着物联网技术的普及。城市环境有网络服务构成了一个有机的整体, 为市民的生活提供了诸多的便利。然而智慧城市并不是单纯的“数字城市”的简单升级, 而是建立在城市信息化的基础之上, 以民生需求为核心的, 城乡一体化可持续发展的过程。比如, 贝尔信所提出的智慧城市, 是对新一代智慧信息通讯技术的应用, 主要包括人工智能和模式识别技术、大容量智能存储技术、智能感知和自动语义识别及统计技术、新型计算机图形技术、多媒体图像表现技术、高倍压缩传输高清格式视频图像技术、3DGIS实景建模和虚拟现实技术、目标识别和自动跟踪技术、结合已有的网络信息化技术、有线与无线网络组网和传输技术等。

2.3 智慧城市的环境保护要素

智慧城市建设的一项重要目标就是建立城市的自然生态平衡, 以推动城市的可持续发展。城市需要各种能源, 这是它的生命所在。居住在城市中的居民, 通常都习惯于应用科学技术来满足自己的需要, 让一切行动都顺畅、通达, 让自己的生活可以随心所欲。单方面的欲求导致了城市一步一步地趋近崩溃的边缘。智慧城市的理念则是, 让城市中的居民与城市的规划之间互动起来。城市可以提供给居民日常所需, 但是不可以奢求, 同样, 居民也要在自己获得周到的服务的同时, 为城市做出一份贡献, 那就是控制自己的欲望, 不要过分索取。在倡导低碳生活的今天, 节约能源, 并不断地开发新能源, 成为了智慧城市发展的主题。比如, 在城市电能的使用上, 通过感知器以及自动跟踪装置, 能够随时检测出电能的使用状况。将电能的配置结构优化, 以保证电能使用能够灵活调配,

2.4 智慧城市的社会管理要素

“建设智慧城市, 创新社会管理”是2011年为国际城市论坛年会的主题。社会管理, 是政府和社会组织对整个社会的运行过程进行组织、协调、监督和控制。为了促进社会系统的协调运转, 相应的管理部门要对社会系统的组成部分、社会生活的不同领域以及社会发展的各个环节进行统筹管理。几乎城市中的所有的因素都包容在这座智慧城市中, 有公共设施, 有基础设施, 有人类生活的环境, 还有自然资源, 城市资源, 能源、企业、经济和金融、社会民生服务等等都经过了数字化处理, 让城市公众可以享受到信息资源。社会管理被提到了城市管理的日程上面来, 它已经成为了建设智慧城市的一个重要的研究领域。

3 总结

综上所述, 智慧城市是建立在知识城市的基础之上的, 其发展模式中的各项要素相互作用, 形成了推动城市发展的综合体系。如果说知识城市是一个有目的地鼓励培育知识的城市, 那么, 智慧城市则是在战略上执行一项有目的地鼓励知识培育、技术创新、科学研究和提升创造力, 来推动知识经济和社会发展的进程。

摘要：智慧城市是信息技术高度发展的产物, 以研发、技术、智慧创造出来的新产值推动城市经济发展。科学治理城市, 使城市更趋于合理化发展。智慧城市发展模式, 是将各项要素建立起内在的关联以形成综合逻辑架构。本文针对智慧城市发展模式——综合逻辑架构进行研究。

云计算时代智慧城市系统技术架构 篇4

关键词：智慧城市,现状,支撑技术,发展

0 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。

1 智慧城市概念解读

目前对智慧城市的定义多种多样,IBM对智慧城市的定义是: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]。这个定义比较有代表性,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[1]。

2 智慧城市的国内外发展现状

2.1 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、德、法、日、韩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]。

2.2 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。

3 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:

3.1 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。

3.2 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)。

3.2.1 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[2]。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。

物联网的发展需要经历3个阶段:①初级阶段:以行业内部的数据交换和传输标准为基础,实现行业内的连网监测监控;②中级阶段:以局部统一的数据交换标准为基础,实现跨行业、跨业务的综合管理集成;③高级阶段:以物联网统一数据标准、SOA、Web Services、云计算虚拟服务为基础,实现“按需取用”产品和服务[3]。

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。

3.2.2 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[4]。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[5]。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Map Reduce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[6]。

3.2.3 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[7]。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。

云计算技术发展的主线可以总结如下:①通过网格计算(包括分布式计算、并行计算、HPC等)体系架构提供网络、服务器和存储等硬件基础设施,即Iaa S;②通过中间件(包括SOA、Web Services、多租户、DRM、PFS、虚拟化等技术)提供可互操作的业务集成平台(Paa S)和在其上建立的应用软件(Saa S)[8]。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。

3.3 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,具体包括智能物流、智能社区、数字医疗、数字校园、环境监测、智能安防等很多方面。我们生活中所熟悉的车联网、手机银行、网上挂号、城市应急指挥中心等应用都是智慧城市服务初级阶段的功能体现[1]。

3.4 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。

4 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[9]。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。

参考文献

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

[3]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)

[4]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)

[5]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)

[6]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)

[7]孟庆伟.云计算技术及其电信应用[J].电信快报,2010,(7)

[8]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

大数据支持下智慧城市架构的研究 篇5

1 智慧城市的发展现状

1.1 智慧城市的理论内涵

随着中国城市化进程的不断推进, 能源紧缺、交通拥堵、环境污染等问题也越发凸显。智慧城市的建设是城市信息化过程以及人类社会发展过程的必然产物, 有利于解决城市发展带来的一系列问题, 有利于提升城市信息化水平, 有利于促进国家可持续发展。智慧城市建设必须依靠信息技术的飞速发展, 正是由于云计算、大数据及物联网技术的日趋成熟, 才使得智慧城市的建设成为可能。云计算的分布式处理能力, 大数据技术的信息处理能力和物联网的智慧感知能力, 都能够提升城市管理和运转效率, 提升城市人民的生活质量, 促进城市的可持续发展, 使人们真正感受到建设智慧城市带来的便利。

1.2 智慧城市建设的国际经验

国外对智慧城市的研究要早于国内, 比如:2008年11月, IBM在纽约提出了“智慧的地球”这一理念。2009年, 迪比克市与IBM合作, 建立美国第一个智慧城市, 利用物联网技术, 在一个有6万居民的小区里将城市公用资源连接起来, 监测、分析和整合各种数据以做出智能化的响应, 更好地服务市民。欧盟的“Fireball协同行动”于2010年5月在第七个科技框架下启动, 共有5个核心试点城市, 包括荷兰阿姆斯特丹的智慧能源, 英国曼彻斯特的智慧远景, 葡萄牙里斯本的智能电网的商业生态系统, 西班牙巴塞罗那的数字空间与ICT结合, 提高城市生活质量, 芬兰赫尔辛基的未来开放网络创新生态系统。2009年, 日本推出“I-Japan智慧日本战略2015”, 旨在将数字信息技术融入生产生活的每个角落, 目前将目标聚焦在电子政务治理、医疗健康服务、教育与人才培养三大公共事业领域。从这些国际案例中可以总结出一些经验: (1) 智慧城市建设的推进主要依靠政府的支持。因此, 我国政府要做好智慧城市建设的顶层设计, 制定出一套强有力的政策, 从而推进智慧城市的建设。 (2) 智慧城市建设要注重服务的智慧性, 要注意保障民生, 尤其是要保护生态环境, 坚持可持续发展。 (3) 要充分取得群众力量的支持和信任, 鼓励人民的主动参与, 同时加入竞争机制, 提高智慧城市建设的效率, 加快步伐。 (4) 各个城市要因地制宜, 一切都要从自己的实际出发。因此, 河北省建设智慧城市要结合自己的实际, 抓住京津冀一体化发展的大好机会, 统观全局, 有计划、分步骤地有序推进。

2 智慧城市建设关键技术介绍

智慧城市的概念强调更透彻的感知、更深度的互联互通、更广泛的智能应用, 正是由于物联网、云计算和大数据等新一代技术的飞速发展, 才使得智慧城市建设成为可能。智慧城市数据源的采集获取、数据管理与存储、分析功能和业务应用等技术都与传统的信息化城市有所不同。下面简要介绍一下智慧城市建设的关键技术。

(1) 物联网技术。物联网这个概念, 美国早在1999年就提出来了。物联网的发展给智慧城市的建设提供数据采集支持, 它通过RFID、红外感应器等信息传感设备, 将智能终端连入互联网, 从而为实现智慧交通、智慧医疗、智慧旅游等提供了技术支持, 因此有人提出“处处是终端”的说法。物联网使得人、机器之间的互联互通, 世界无线研究论坛曾预测, 到2017年, 地球上将有大约7万亿传感器为人们提供服务。

(2) 云计算技术。云计算是分布式计算 (Distributed Computing) 、网络存储 (Network Storage Technologies) 、虚拟化 (Virtualization) 、负载均衡 (Load Balance) 等传统计算机和网络技术发展融合的产物, 是一种全民参与的模式, 它的计算、存储和交互能力是动态可伸缩的, 而且是以服务的模式进行的。云计算的计算和存储能力都被隐藏起来, 对用户都是透明的, 用户只需要知道自己对信息服务的需求就行。而具体的功能实现时虚拟化的城市数据中心、大量的异构服务器等设备, 从而, 实现最大程度的信息统筹和共享。

(3) 大数据技术。大数据目前已经出现了多类新型技术, 为大数据采集、存储、处理提供了有力的保障。大数据拥有Volume容量大、Variety种类多、Velocity速度快和价值密度低Value四个特征。海量的各类数据, 如:大量博客信息、物联网数据、空间数据、3D数据等, 被采集、存储、分类、挖掘和分析, 对复杂事件作出智慧的决策。正是由于大数据技术的发展, 才使得同源异构数据的集合与共享成为可能。

大数据技术可以对大量的、多源异构数据进行深入的数据分析和挖掘, 可以发现一些潜在规律或关系。比如美国有专家利用大数据挖掘技术, 通过对超市数据进行分析, 得出啤酒和尿布同时出现的概率特别大的规律。同样的, 大数据技术也可以为智慧城市的建设提供服务, 比如智慧交通、智慧医疗、智慧金融、智慧农业等。智慧城市建设过程中, 可以将大数据技术与各个行业业务深度融合, 为各领域的分析决策提供支持服务。大数据技术可以帮助智慧城市建设过程中产生的类似多源数据进行关联分析、数据建模、数据仿真、数据报告等服务。在智慧城市中综合各行业和大数据技术, 形成趋势预测判断和数据共享等功能, 为智慧城市的各行业的互联互通、创新社会高效管理、社会良性竞争与经济可持续发展提供技术支持, 大数据分析决策与优化是新型智慧城市的核心, 是提升智慧城市“智商”的关键。

3 智慧城市架构

3.1 智慧城市架构的重要性

智慧城市信息技术发展到一定阶段的必然产物。智慧城市的建设特别依赖与国家和政府政策支持和顶层设计, 只有有了整体的发展规划和蓝图, 才能使得各个城市信息化建设实现资源共享, 避免出现各个部门各自为政, 形成信息孤岛。因此, 智慧城市建设必须要从局部走向系统, 从参差不齐走向标准化, 这就需要设计合理的建设架构。

河北省第一批智慧城市试点就有6个, 随着京津冀一体化的大力推进, 构建适合河北自身的智慧城市建设的总体架构显得尤为迫切, 因此, 经过充分的前期调研和分析, 构造出河北省智慧城市总体架构, 参考前期学者研究成果的基础上, 加入了生态环境和可持续发展的发展理念。

3.2 智慧城市架构的研究现状

国内外研究学者对智慧城市建设也作了深入研究, 但其理论架构研究相对比较少, 经过分析总结, 具有代表性的是:Komninos强调在智慧城市建设中要将信息技术和区域创新系统紧密结合, 将其理论架构分为3个层次:智慧城市基础架构层, 组织云端层, 技术云端层。许庆瑞等进行了更为详细地划分, 提出了三层四柱的理论架构;张陶新等将城市分为四层基本结构:智能感知网络、信息资源中心、运行管理应用层及公共服务中心;袁峰等将智慧城市架构为四个层次:感知层、传输层、知识层和应用层。以往部分研究学者有的只是把其中的一个或两个方面进行细分, 大多是基于技术性层面, 没有考虑符合本地实际的社会因素、生态环境和可持续发展等方面。

3.3 河北省智慧城市架构的设计

智慧城市的理论架构能够让我们清晰地了解智慧城市的实现路径, 有助于我们对智慧城市有一个宏观把握。参考国内外学者研究的架构, 结合我省实际情况, 加入了社会因素和生态环境保护因素, 将智慧城市理论架构设计为4层。第一层为信息感知层;第二层为数据传输层;第三层为服务层;第四层为应用层, 并且在智慧城市可持续发展和系统信息安全的前提下进行设计。智慧城市的总体架构主要由获取数据的感知层对信息进行传输交互的传输层层, 提供海量数据存储、实时分析和处理的服务层, 以及面向最终用户的应用层组成, 如图1所示。

4 结语

目前, 国内外城市都在积极参与建设智慧城市。但是, 我们要在保障民生的前提下, 在保护生态环境、可持续发展和信息安全的前提下, 实现智慧城市的建设工作, 这样不仅能提升城市的经济和政治实力, 还可以促进社会和文化的繁荣发展。比之城市发展的其它各种形态, 智慧城市是城市发展的更完美的形态。切合实际的智慧城市架构可以帮助城市实现“经济—社会—生态”的全面可持续发展, 最终满足居民生活的安全感和幸福感。本文提出基于大数据的智慧城市的架构, 为未来的智慧城市建设提供一定的理论参考。但是, 智慧城市的实现, 需要进一步建设更加完善的信息基础设施, 需要维持智慧城市运营的更多的技术支撑。因此, 智慧城市的建设还在路上, 需要我们继续努力。

参考文献

[1]郑爱民, 满青珊, 孙亭.一种基于云的智慧城市系统架构[J].中国电子科学研究院学报, 2014 (3) :226-233.

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[5]张铭.“智慧城市”中大数据技术的应用[J].通讯世界, 2014 (2) :5-7.

智慧城市模型与架构 篇6

移动云计算是一种提供一组共享的计算资源的方法, 用户可以通过连接的智能移动设备访问在云端的应用程序。云端拥有大规模的数据中心, 计算资源如果可以动态总署并共享, 可以显著实现节能高效的规模经济。当前, 云计算的应用主要体现在客户可以直接从“云”里 (服务器端) 获得计算能力, 并按照使用情况付费。为了满足民生领域的信息化服务需求, 智慧城市建设中需要集成居民生活、生产、生活和管理的信息环节, 大量数据需要存储、访问。云数据通信中心主要依靠云存储区域网络来达到云存储设施之间的数据传输。提出动态云的智慧城市移动应用平台架构, 将尝试将一些客户端纳入云中, 通过虚拟化客户端资源, 提高云存储网络的安全性, 可用性和有效性和扩容性来达到数据访问的同时保护数据的安全, 将云中心的部分数据存储压力合理转移, 减少中心建设的成本, 是本文讨论的关键。

1 云计算在智慧城市中应用现状介绍

“智慧城市”是指能够充分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智能的响应, 为人类创造更美好的城市生活。智慧城市的发展, 从技术的角度来讲, 应该是用最小的资源实现需要的功能, 满足用户真正的具体需要来达到目的。城市是一个高速的物流、人流、信息流、资金, 人通过信息流来控制城市的运转。城市建设中需要将人与人、人与物、物与物的关联, 通过物联网及智能感知手段关联起来。我们的物理基础建设, 如机场、公路, 水电气相关设置等与我们的宽带、个人电脑, 数据中心是分开建设的。如何有效的规划、管理, 以改善我们现有的管理运营生态, 从局部应用上升到更多层面, 需要理性的思考和审慎的决策。

智慧城市建设中的基于云服务的医疗服务, 可建立庞大的医疗、医药云, 实现用户的实时问诊;基于云服务的地理信息服务, 以云服务的方式向移动智能终端设备提供有关地理位置、拥堵情况、道路选择、公里测算等智能化的应用服务;另外, 当移动云服务与物联网互联时, 用户使用移动智能终端将能够拥有非凡的用户体验, 如用户可以随时随地的与家中的任何设备进行通信联系, 建立自己的云档案, 实现智能家庭、智能办公、智能健康等。

2 智慧城市建设中的云存储

智慧城市建设面临海量信息数据如何存储的问题, 而云存储可以在网络上方便快捷的存储处理这些信息。云存储实际上是在云计算机概念上延伸和发展出来的一个新的概念。它是指通过集群应用、网格技术或分布式文件系统等功能, 将网络中大量各种不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作, 共同对外提供数据存储和业务访问功能的一个系统。云存储不仅仅是一个硬件, 而是一个网络设备、存储设备、服务器、应用软件、公用访问接口、接入网和客户端程序等多个部分组成的复杂系统。各部分以存储设备为核心, 通过应用软件来对外提供数据存储和业务访问服务。云存储有两个不同层面的含义, 一个层面是指借助于云计算理念和技术提供存储服务, 如google的picassoweb在线照片存储服务;另一层面则为实现云计算机系统提供存储技术和支撑, 如网络文件系统、分布式文件系统和高性能并发文件系统 (HFPS) 等技术。

云存储的两个层面是作为云计算支撑的存储计算, 主要涉及分布式存储 (如分布式文件系统、IPSAN、数据同步、复制) 、数据存储 (如重数据删除、数据压缩、数据编码) 和数据保护 (如RAID、CDP、快照、备份与容灾) 等技术领域。和云安全技术一样, 云存储技术也需要利用现有的所有存储技术对平台进行分层架构, 同时对架构中的各个环节采用适当的存储技术, 才能取得最佳效果。

3 智慧城市动态云架构

数据存储在任何IT机构中一直是关键的问题。存储是复杂和昂贵的。在动态云环境中, 云存储是一种将存储抽象为定义良好接口的技术, 可以以自助服务的方式管理。智慧城市的动态云架构涉及客户端数据动态存储、客户端数据动态处理和客户端资源虚拟化三个方面。

数据动态存储是将企业客户端的数据存储能力结合到数据中心, 在用户使用时, 作业服务提供给其他客户使用, 包括用户或者其他第三方企业。智慧城市移动云架构如果是强数据中心, 弱客户端的架构, 那么, 如图1, 最终用户都是和云中心互动, 所有数据都需要汇集到云中心平台处理。而如果采用动态云架构, 那么, 如图2所示, 最终用户似乎都是和云中心互动, 实际是云中心只提供中转, 具体数据存储或处理可以到第三方企业终端调取, 弱化了云中心的存储和处理数据的能力。对于用户来说, 没有感觉到明显变化, 因为用户无需了解云中心的具体架构。在不需要和用户交互时候, 该架构可以从图2收缩成图1;需要和用户交互时, 又恢复到图2架构, 实现动态云架构。

4 智慧城市移动云存储平台建设原则

平台是战略的基础, 建设智慧城市, 提供各种便民应用服务, 涉及到国情民生和各职能部门, 必须谨慎, 充分考虑可管理性, 可成长性, 可扩充性, 需要一个成熟高效的数据存储平台作为支撑, 这个面向未来的的智慧城市移动服务存储平台框架, 需要充分考虑各方数据的融合处理, 还要考虑业务流程的处理, 尽可能减少在后期因为需求和技术变化而产生的重复性投入。

4.1 依托整体的战略规划部署应用

信息建设的发展需要高速的宽带网络和智能平台的支撑。智慧城市建设的重点是消除信息孤岛和利益壁垒。城市的公共研究设施资源、公共数据资源、公共服务资源需要统一建设, 真正实现信息共享, 系统共生, 为了更好的为各种智慧应用服务, 统一的的规划和部署显得尤为重要。

4.2. 依托统一的技术标准拓展应用

建立智慧城市移动应用信息化架构标准, 有助于协调各方资源, 实现包括公共安全、政务、医疗、交通、文化教育、旅游、农业、园区、环保、物流等诸多城市公共系统的信息共通共享, 实现跨系统应用集成, 跨部门信息共享, 最大限度的开发、整合和利用各类信息资源, 实现移动应用集成化, 进一步将智慧城市移动应用推向更高的深度和广度发展, 进一步丰富服务民生的各个应用。

5 云存储平台体系架构设计

5.1 平台的体系架构

智慧城市动态云存储平台体系设计以“统一架构、统一支撑、统一管理”为基本思路。通过整合现有数据资源, 重视移动应用信息的共享和业务的协调, 逐步实现各类信息的整合集中与共享, 避免重复建设。智慧城市移动云存储服务平台整体体系着眼于提升政府服务效率、节约政府管理成本, 在需求最迫切、最易实现的领域开展移动应用项目建设, 以点带面, 重点推进, 同时加强安全意识, 保证信息安全。

智慧城市移动应用云存储平台的体系框架以标准规范体系为保障, 分为数据服务层、数据管理层、数据存储层、用户访问层共四层 (如下图所示) 。

数据存储层提供智慧城市移动应用领域的数据支撑。存储设备可以是FC光纤通道存储设备, 或是NAS和ISCSI等IP存储设备, 或是SCSI或SAS等DAS存储设备。云存储中的存储设备数量庞大, 分布区域多, 彼此通过网络连接, 存储设备之上是一个统一存储设备的管理系统, 通过存储设备的虚拟化和多链路冗余管理, 以及硬件设备的状态监控和故障维护等, 实现云存储的基础部分。

数据管理层通过集群、分布式文件系统和网格计算等技术, 实现多存储设备之间的协同工作, 提供更强更好的数据访问性能, 通过DDN内容分发系统, 数据加密技术数据安全, 数据备份和容灾技术可以保证数据不会丢失。考虑用户信息安全, 实现各类信息的整合与集中, 聚合业务数据并具备副本数据服务二次封装整合的集成能力。

数据服务层提供了对用户、对设备、对应用的综合管理服务, 并在此基础上提供统一应用、内容发布、接入控制、用户验证等关键服务接口, 为智慧城市移动应用打造完善全面的移动数据服务体系。

用户访问层解决用户对数据的访问问题, 如个人空间服务、运营商空间租赁等。企业单位访问数据归档, 视频等。根据智慧城市移动应用领域的业务需求, 为政府、企业和市民提供精细化、智能化的数据访问和信息推送服务。移动数据访问应用包括政务、公共安全、能源、交通、文化教育、农业、企业等领域, 面向政府人员、企业人员, 普通市民主要实现移动办公和现场移动作业等。移动服务应用主要面向市民和企业, 提供对外客户服务, 延伸政府及企业服务窗口, 借助先进的移动互联网技术, 为市民和企业提供全面快捷的社会服务。

5.2 平台的存储方法

移动云存储平台的云中心, 涉到大海量的数据的管理, 为了满足不断变化的存储需求, 云存储平台的存储管理方法有三种。

直接连接存储 (DAS) :存储设备在本地总线上完成, 存储设备可能是计算机内部的硬盘存储器, 或是外部驱动器, 或者可能是在服务器上或专用服务器上共享的网络资源。多台机器可以共享存储, 但DAS通常不能被其他服务器直接访问, 在DAS的布置中, 一般不能共享数据, 但可以让一组用户访问。

存储区域网络 (SAN) :存储设备互相连接的高速网络。这些存储设备可以是服务器、光盘驱动器或其他存储介质。用户的局域网或广域网上的所有设备都可以访问那里的所有存储设备。它需要大量的配置和安装支持。

网络可寻址存储 (NAS) :NAS通常被构造为特殊的计算机, 被连接到网络上, 为其他计算机提供基于文件的存储。它是一种采用直接与网络介质相连的特殊设备实现数据存储的机制, 它容易安装, 并提供了可靠的文件级数据整合。NAS在数据必须长距离传送的环境中可以很好地发挥作用, 但没有SAN高速。如果对数据管理程度要求较高;网络中有异构平台就可以考虑NAS。

6 结论

智慧城市的发展离不开各种新技术和新模式的应用, 构建一体化移动应用数据资源中心, 需要政府和企业不断协调和规划, 尽管商业化的云存储平台像如亚马逊等, 能够提供成熟的解决方案, 在具体的部署数据规划时, 仍然需要考虑哪些应用和数据出于保密和安全的考虑存储在政府或企业内部, 哪些存储在公共云中, 而只有公共云部分才能考虑运用动态云技术。运用动态云, 将智慧城市建设中第三方企业终端是否纳入云中心来实现云存储平台动态的扩展和伸缩, 实现处理和资源化, 可以减少硬件成本, 降低网络性能要求, 它是值得考虑和研究的问题, 如何提高访问速度和效率, 真正实现城市信息资源数据共享应用, 是智慧城市移动应用建设始终要面对的问题。移动云存储平台仍然需要围绕各个架构层面以及用户、设备等, 以硬件加密和安全证书等安全措施为系统安全基石来规范智慧城市移动信息化建设。

摘要：智慧城市建设一般采用“云—端”模式, 架构采用强数据中心 (服务端) , 瘦 (弱) 客户端模式。本文从减轻云数据中心的数据存储、数据处理、资源配置等压力出发, 考虑动态云的智慧城市移动云存储平台架构, 考虑将一定存储能力和处理数据能力的企业客户端, 根据需要, 结合到云数据中心, 使云中心动态的扩大或缩小, 同时讨论了基于动态云的智慧城市移动云存储平台的架构设计及存储管理方法, 该架构具有一定的应用意义。

关键词：动态云,智慧城市,移动应用,平台

参考文献

[1]John W.rittinghouse James F.Ransome云计算实现、管理与安全[M], 机械工业出版社, 2010.5

[2]周洪波云计算技术、应用、标准和商业模式[M], 电子工业出版社, 2011.06

智慧城市模型与架构 篇7

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、智慧生活为特征的城市发展新模式,它是信息行业应用的综合性集成,云计算的海量数据分布式存储和并行处理能力为智慧城市提供了重要的途径。而云计算的发展离不开高速可靠的网络传输平台,需组建快速可靠的通信系统是智慧城市拓扑结构。

面对上述需求,一体化空间通信网络技术成为了最现实的系统架构可能。这种无线异构网络融合了不同类型的无线网络设备,适合我国地理环境的“无缝覆盖”“大容量”“复杂应用”等通信网络要求。

1.1 无线异构网络技术发展现状

无线异构网络融合强调从底层开始的网络互操作性,从而实现资源优化和业务Qo S保障。一些研究机构已开展了有关异构融合的关键性技术研究,如ETSI BRAN/3GPP,欧盟信息社会技术(IST)框架下的WINE GLASS,MOBY DICK,SUITED,BRAIN/MIND,DRIVE/OVERDRIVE,TRUST/SCOUT等项目。针对异构无线网络融合模型的研究主要有以蜂窝移动网络作为广域覆盖、WLAN作为热点(Hot Spots)嵌入的网络互联方案和以IEEE802系列无线网络相互融合方案。前者研究的重点是在如何实现移动通信终端通过陆基移动通信网接入局域网、Internet网等网络;后者重点研究以IEEE802.16城域网作为骨干网,而共享作为热点覆盖的IEEE802.11的工作频段。Berlemann[1]提出了采用IEEE802.16作为基站和基本帧结构控制IEEE802.11的工作站的协同工作方式;而Mohr[2]和Mangold[3]则以IEEE802.16中继IEEE802.11业务为其研究重点;Wijaya[4]、Mangold[5]则在异构网络的MAC控制方面进行了探讨。

1.2 网络拓扑与拓扑控制技术

网络拓扑研究从“点对多点”的组网发展到MESH组网。具备多跳路由功能的MESH网络由于提供了组网的方便性、灵活性、多路径的可靠性等特性,从而提升了网络的无线覆盖能力(避免阴影区)。MESH组网要求网络有良好的拓扑控制能力,即:通过功率检测和功率控制构成MESH物理连接。拓扑控制主要研究节点分配功率以获得特定的网络拓扑结构和优化网络的目标函数,目前:拓扑控制已经形成节点功率控制[6]、层次型拓扑控制[7]以及网内节点协同启发机制(休眠调度)等研究方向。

在异构网络环境下,拓扑控制面临诸多新的问题:首先由于每个节点所形成的发射范围是各不相同的,所以必须考虑网络的连通性和覆盖性。其次由于节点具有不同的接收灵敏度和发射功率,必须考虑网络的能量特性。此外,在空间拓扑结构方面国际上也仅仅展开了较为有限的研究:美国北卡罗莱纳大学的Yu Wang,Lijuan Cao and Teresa A.Dahlberg提出网络在三维空间容错的拓扑控制算法,并证明了三维几何拓扑3D k-RNG、3D k-GG和3D k-YG的连通性。因此在异构网络拓扑与拓扑控制技术上还需进行大量的研究工作。

2 一体化空间网络架构

2.1“一体化空间网络”通信体系应用场景

文章提出的智慧城市中信息传输平台典型工作场景,天地空一体化三维空间的异构网络,如图1所示。因此,本课题研究的重点就在于组网模式即如何将低空转信平台与地面通信系统密集设备有机地联系起来构成“空间异构网”的拓扑结构。地面中继站与空间转信平台的切换、站点的入网方式、多址方式、双工通信方式、组网方式、同步方式和调制解调方式等都将是“一体化空间网络”无线通信体系中要研究和探索的内容,而本课题重点讨论该组网环境所带来的拓扑控制和无线资源分配的理论问题。

2.2 适应“一体化空间网络”的拓扑控制技术

拓扑控制通常考虑网络节点设备拥有相同收发器的“同构”网络,而本课题将要研究的“一体化空间网络”的拓扑控制算法不仅要考虑发射功率对网络拓扑的影响,也要考虑不同设备的接收灵敏度,相关计算如下:

其中,RXmin表示信号能被正确译码的最低门限,β表示节点的接收敏感度,N0表示噪声,Ij表示接收节点j收到的干扰。从目前研究资料的结果表明,在三维空间试图寻找拓扑控制问题的最优解是NP-Hard的,所以本课题在研究的过程中应该寻求三维空间拓扑控制的实用解。研究异构网络三维拓扑结构的可靠性和可重构能力。找到一种保证网络性能又能提升网络可靠性的一种拓扑结构,并对网络可靠性进行评价。

3 具体实施

3.1 一体化空间网络新架构,支持智慧城市中的多业务网络在协议栈底层的互操作性

目前的无线通信系统是通过顺从频率管理要求,按照预先制订的频谱规划方案以及设备所遵守的控制规程来避免不同无线通信网络(同构或异构网络)之间的无线干扰。这种静态规划方法不能适应无线快速部署需求。课题探索一种网络架构体系,解决不同无线通信系统的无线共存性问题。研究出发点是:动态资源控制(管理)与底层协议互通。

3.2 以各种通信系统一维时间序列的静态帧结构为基础探索构建“空间异构”无线网络新的帧结构

针对“空间异构”无线网络的体系架构进行新的帧结构设计时,将在各种通信系统一维时间序列的静态帧结构的基础上,从时间域,频率域,地理位置域和能量域、空间域等方面进行综合考虑,然后进行合理拓展,同时融合随机接入和受控接入两种接入机制来适应非同步和同步系统的不同需求,并且也将考虑从确定性资源分配到不确定性资源分配的合理演进,这样既可满足异种网络的融合,也方便移动子网的融合。因此,完成新的帧结构的设计具备相应的条件,具有实现的可能性。

IEEE802系列无线通信网络这种共存方式仅考虑到局部区域的共存性,并未涉及频率域,地理位置域和能量域、空间域等,本研究将通过资源控制和异构网络的帧融合,统一对多维度的资源进行控制,保障不同通信系统工作在至少一维不重叠的资源块内,避免相互干扰,子容器的结构能为站点提供足够的且必要的控制信息,将局部区域共存推向立体空间的全局共存,因此实现无线资源统一控制亦具有可行性。

3.3 MESH拓扑控制是实体异构网络向虚拟异构融合的合理发展手段

“虚拟异构网”是在实体异构网络的基础之上,实现拓扑控制算法从“低维”到“高维”、从“静态”到“动态”、从“物理”到“虚拟”的转变,如图2所示。在异构环境中结合邻近图DRNG(Directed Relative Neighborhood Graph)和DLSS(Directed Local Spanning Subgraph)等来解决网络的连通性和导向性问题;在三维空间中利用3D-DRNG等邻近图理论来解决空间异构环境下的拓扑控制机制和策略。因此,在拓扑控制算法上有相应可行的算法基础支撑。

4 结语

文章紧密结合我国智慧城市建设需求,对智慧城市中的通信组网开展理论研究。提出了一种新的多维帧结构设计方法,新的帧设计可有效地利用信道资源,并支持异构网络的融合、移动子网融合;并提出了对异构拓扑控制与异构无线资源分配算法研究思路,适应多任务体制下的通信系统需要。

摘要：随着IT技术的快速发展,国外已开始建设智慧城市,为使智慧城市中的多元业务高效传输,有必要设计一体化空间网络架构。

关键词：智慧城市,一体化空间网络,网络架构

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