智慧城市信息系统及其关键技术分析(全文)

    信息化时代瞬息万变，移动互联网、物联网、云计算技术方兴未艾，其增长速度超出人们的想像。
　　
  本文基于笔者从事智慧城市的相关研究，以智慧城市信息系统架构为研究对象，论文首先分析智慧城市的概念和关键能力，提出由物联网和云计算等技术支撑的智慧城市信息系统的总体框架，进而探讨智慧城市信息系统的网络拓扑，最后就建设智慧城市给出技术发展和政策环境等方面的建议。

　　一、城市信息化的发展趋势
　　
    信息化时代瞬息万变，移动互联网、物联网、云计算技术方兴未艾，其增长速度超出人们的想像。互联网应用从只能读取内容的Web 1.0时代发展到人们可以参与共享内容的Web 2.0时代，再到现在已悄然迈进的智能化的Web 3.0时代;管理信息化应用从关注组织内部事务处理到关注组织内部工作流程，又在向组织内外协同处理的诉求发展。人们的信息化生活、生产活动逐渐从封闭、单一走向开放、智能，正迈向协同处理、信息智能的时代。城市作为人们生活和生产的载体，将无可避免地与信息产业技术发展趋势相结合，从而衍生出具备智能的城市级信息系统。智慧城市信息系统作为信息产业新技术融合的产物，将控制和协同城市居民的生活和生产活动，使之更加便捷、高效、安全、和谐。
　　
    可以将城市比作一个有机的生物体，而将其信息系统比作生物体的神经系统。高等生物的神经末梢感受体内、体外环境的信息，通过周围神经传递到中枢神经进行整合加工，再经周围神经控制、协调生物体内部各系统的功能以及生物体和外部环境的平衡。物联网感知和控制终端是智慧城市的神经末梢，宽带通信基础网络构成周围神经系统，而云计算数据中心作为城市智慧的大脑，三者共同构成智慧城市信息系统，以协调城市这个庞大的生物体各系统的运转，以及城市和自然环境的平衡。城市将愈发依赖于这种高度互联、高度协同的智慧的信息系统。
　　
    二、智慧城市的概念和关键能力
　　
    智慧城市应具备以下三个信息化关键能力。
　　
    1 信息的全面感知能力
　　
    城市中布有大量的感知终端，通过传感器网络，在运行、服务中捕获到人们生活、生产以及城市环境的多种信息元数据。
　　
    2 海量的数据处理能力
　　
    具备海量的跨部门、跨行业异构数据的存储能力，能够对海量异构数据进行高效分析、计算和处理的能力，并且能够构建基于数据分析和知识管理的智能应用能力。
　　
    3 智能的管理服务能力
　　
    在形成支撑智慧城市的行业智能应用的基础上，建立面向服务的智慧城市综合应用的统一公共管理平台，为居民生活和各行业生产提供普适的、智能的应用与服务。
　　
    三、物联网和云计算技术
　　
    智慧城市信息系统是一个面向城市管理、控制与服务的体系，它统一集中各行业数据与信息资源，为跨部门、跨行业建立协同处理和智能控制平台。
　　
    对智慧城市关键能力的分析可以看到，物联网和云计算能够为构建智慧城市信息系统提供技术支撑，它们在宽带通信基础网络的支撑下构成智慧城市信息系统的信息感知端和信息处理端。一方面，物联网渗透入各行业，提供全面的城市感知和控制网络。另一方面，云计算数据中心提供面向各个物联网行业应用的集成，面向用户和终端提供整体的智慧城市应用服务平台。两者之间由普遍覆盖的宽带通信网络在平台与终端之间提供网络环境支撑。云计算构架在宽带通信网之上，物联网将主要依赖宽带通信网来实现有效延伸，通过云计算模式可以支撑具有业务一致性的物联网集约运营。
　　
    1 物联网技术在智慧城市中的应用
　　
    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。
　　
    物联网的网络架构可以分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层对物理世界感知、识别并控制。网络层实现信息的传递。应用层在对信息计算和处理的基础上实现在各行业的应用。
　　
    物联网的关键技术包括传感与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、物联网计算与服务等。物联网的应用渗透智慧城市的方方面面，可以为智慧城市信息系统的感知和控制提供全面支持。这些应用概括起来有：
　　
    (1)工业，如生产过程控制、供应链管理、能耗控制等。
　　
    (2)农业，如农作物精细灌溉、生长环境监测、农产品流通追溯等。
　　
    (3)商业，如自动贩卖机、POS终端等。
　　
    (4)金融服务，如“金卡工程”、二代身份证等。
　　
    (5)交通，如交通流量监控、交通信号控制、电子收费、定位导航、车辆状况诊断等。
　　
    (6)电力，如智能变电站、智能用电、配电自动化等。
　　
    (7)医疗卫生，如远程诊断、医疗废物监控等。
　　
    (8)教育，如图书信息推送、远程教育等。
　　
    (9)家居，如门禁、安防、电气设备远程控制等。
　　
    (10)环境，如有害物质监测、气候环境监测等。
　　
    2 云计算技术在智慧城市中的应用
　　
    社会经济和信息化大发展，尤其是移动互联网和物联网应用的发展，提出了对海量信息的处理与低成本、普适化、智能化应用的需求。云计算因这些需求快速发展，获得了显着的商业成功。
　　
    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。如果从计算效用的角度来看，云计算通过虚拟化技术形成可管理的弹性的资源池，充分提升机群的CPU和存储的利用率，又通过分布式存储技术和并行计算技术，充分利用机群并行处理的强大计算能力和快速响应能力，并通过中间件层对上层应用透明。构建智慧城市一体化智能控制服务平台，需要处理对城市各方面的生活、生产活动以及环境的感知数据，运用统计学、机器学习、专家系统和自动规划等多种方法，从原始数据中挖掘相关信息，提炼出信息中蕴涵的知识，发现规律，提供智能的城市管理、控制和服务。对海量信息的快速处理和智能挖掘需要巨大的存储能力和计算能力，云计算的海量数据分布式存储和并行处理能力为实现人工智能提供了重要的途径。
　　
    云计算模式在显着提高资源利用率的同时，降低了对用户终端的要求。往往一个采用嵌入式芯片的终端就能承担起用户终端的功能，用户可以通过简单的终端来获得服务器端强大的计算、存储和应用程序资源。因此，云端高性能计算的支持可以降低传感器终端的复杂性，减少终端功耗，简化终端计算系统的软件结构，使复杂的协同、上下文感知、自适应策略等功能放在云中实现，从而使终端的智能能够得到显着提高。
　　
    四、智慧城市信息系统的总体框架
　　
     智慧城市的总体框架如图3所示，包括物联网感知和控制层，云计算数据中心、数字化平台、管理中心和应用五个层次。
　　
    (1)普遍部署的物联网感知终端对城市系统和环境进行感知与采集，通过宽带通信网络对感知信息进行传送。
　　
    (2)在云计算数据中心对信息进行汇聚、提取和处理。
　　
    (3)在数字化平台实现行业集成的应用接口整合。
　　
    (4)通过业务管理平台实现用户、业务、数据、安全、认证、授权和计费等管理功能。
　　
    (5)最后实现各行业的应用服务。
　　
    另外，标准、法规的完善和全局的统筹规范有利于保障整个信息系统的管理和控制，保证智慧城市的建设和运营，使系统真正具有智能运营、交付和服务能力。
　　
    五、智慧城市信息系统的网络拓扑
　　
    智慧城市信息系统是智能的开放的系统，以城市数据中心为核心，以物联网终端为触角，由内而外分为六层。
　　
    (1)城市数据中心包括网络数据中心、业务数据中心和用户数据中心，共同构成城市数据系统。
　　
    (2)云存储、云计算和云网络设备构成的云资源系统为城市信息系统提供云计算的能力，使其具有强大的计算能力与共享服务能力。
　　
    (3)能力引擎系统提供资源和支撑能力的开放使用。
　　
    (4)资源控制节点基于分布式架构技术，屏蔽系统内部复杂的物理和逻辑结构，实现自适应负载均衡能力、带宽汇聚能力、分布式存储能力、动态资源调度能力。
　　
    (5)智能接入网关将传感器终端接入云中，屏蔽不同传感器终端的差异，进行不同终端接入的智能适配，实现统一接入。
　　
    (6)终端指感知和控制，以及应用服务获取的末端设备。
　　
    六、智慧城市发展建议
　　
    智慧城市的建设和发展需要现代信息通信技术支撑，需坚持开放合作与自主创新相结合，突破海量数据处理、智能终端系统、智慧化产业支撑平台等关键技术。
　　
    另一方面，也需要依靠政府和行业主管部门制定发展规划和扶持政策以大力推进智慧城市建设，从而构建良好的产业发展环境和配套措施，建设宽带、普遍部署的通信基础网络。同时，需要推动跨行业联合制定统一的标准体系研究，实现通信、数据、信息、应用、服务的协同。此外，还需要通过立法和监管，实现数据共享，提高信息管理水平，建立数据的隐私保护和信息安全管理机制。有了以上四个方面的共同保障，才具备打造一流的智慧城市服务环境，汇聚规模化的产业集群，实现规模经济和现代服务的条件。