云計算在數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用研究

摘 要：針對城市海量數(shù)據(jù)綜合管理、廣泛的社會公眾查詢需求、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等實際應(yīng)用，建立了以“云計算”為核心的數(shù)字城市架構(gòu)。通過對云計算和數(shù)字城市的介紹，指出數(shù)字城市的實現(xiàn)需要云計算，云計算數(shù)據(jù)中心的創(chuàng)建將為數(shù)字城市的建設(shè)提供有力平臺支撐和技術(shù)保障。給出了基于包括物理資源層、虛擬化層、服務(wù)管理層、信息資源層、應(yīng)用層、表現(xiàn)層六個層面的云計算數(shù)據(jù)中心建設(shè)思路，從政府服務(wù)、教育、公共安全、交通、醫(yī)療、能源與電力等方面對云計算在數(shù)字城市建設(shè)中的具體應(yīng)用進行了分析。應(yīng)用表明云計算數(shù)據(jù)中心的建立對簡化城市的IT管理、降低城市的IT設(shè)施成本、提高城市整體信息化水平均具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：云計算；數(shù)字城市；虛擬化 

中圖分類號：TP393.03文獻標(biāo)識碼：A

[WT]文章編號：1672-1098(2011)02-0044-05

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收稿日期：2011-04-11

作者簡介：何留進(1962-)，男，安徽碭山人，一直從事信息化建設(shè)和云計算方面的研究工作。

[JZ(〗[WT3BZ]Application of Cloud Calculation in Digital City Construction

HE Liu-jin

(Huainan Municipal Government Information Office， Huainan Anhui 232001， China)

Abstract:The digital city framework with “cloud computing” is established for the integrated management of the city mass data， a wide range of needs of the public inquiry， intelligence， networking and other practical applications. The construction of digital city requires cloud computing through introduction of the cloud and the digital city. The cloud computing data center will create a powerful digital platform and technical support for the city's building. Thinking of cloud computing data center that based on physical resources， including layer， virtual layer， service management， information resource layer， application layer， presentation layer is given， application of cloud computing in the digital city construction is analyzed from government services， education， public safety， transportation， medical care， energy and power and so on. The application shows that construction of cloud computing data center has great significance to simplify the city's IT management， reduce the city's IT infrastructure costs and improve city’s information technology.

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Key words: cloud calculation; digital city; virtualization

城市作為一個國家或地區(qū)的政治、經(jīng)濟和文化中心，其現(xiàn)代化、信息化水平和數(shù)字化程度的提高具有重要的戰(zhàn)略意義。目前我國的數(shù)字城市建設(shè)正處于初期階段，在面臨城市海量數(shù)據(jù)綜合管理、廣泛的社會公眾查詢需求、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等實際應(yīng)用時，迫切要求建立便捷、高效的管理系統(tǒng)和信息化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而現(xiàn)有的IT設(shè)施并不能提供很好的支持。云計算作為一種新的技術(shù)途徑應(yīng)運而生，它提供了更高的效率、巨大的可擴展性和更快、更容易的軟件開發(fā)。因此，數(shù)字城市的建設(shè)和實現(xiàn)需要云計算，智能醫(yī)療、水資源監(jiān)控、公共安全和智能交通等具體應(yīng)用更加離不開基于云計算的數(shù)據(jù)計算與處理平臺——云計算數(shù)據(jù)中心。

1 數(shù)字化城市內(nèi)涵與國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)字城市廣義上指城市信息化，是城市信息技術(shù)的綜合應(yīng)用。包括電子政務(wù)、電子商務(wù)、城市智能交通、市政基礎(chǔ)設(shè)施管理、公眾信息服務(wù)、教育管理、社會保障管理、城市環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與管理、社區(qū)管理等幾乎涵蓋城市生產(chǎn)與生活的所有管理方面和經(jīng)濟層面［1］。

國外數(shù)字城市發(fā)展經(jīng)歷了四個階段：第一階段是網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；第二階段是城市政府與企業(yè)內(nèi)部信息化建設(shè)；第三階段是城市政府與企業(yè)之間的互聯(lián)網(wǎng)連接；第四階段是完成數(shù)字大廈、數(shù)字社區(qū)、數(shù)字城市的建設(shè)。目前，美國、加拿大等發(fā)達國家基本上已經(jīng)完成了前三個階段的任務(wù)，正在開始第四階段的建設(shè)。而中國數(shù)字城市的理論研究和關(guān)鍵技術(shù)體系研發(fā)基本還處于起步階段。

全國已有近百個城市提出建設(shè)數(shù)字城市規(guī)劃，這些工程大多是在省市信息化目標(biāo)框架下的3S工程［2］。這些城市在經(jīng)過階段性信息化建設(shè)后，現(xiàn)在已基本上建立了以公眾和企業(yè)為中心的電子政務(wù)體系，但數(shù)字城市建設(shè)水平與經(jīng)濟社會發(fā)展的需求還存在著較大的差距。目前面臨的挑戰(zhàn)主要集中在兩個方面。

1) 信息溢出的挑戰(zhàn)。為了滿足更快、更及時發(fā)布公眾關(guān)心的政務(wù)信息，提供各種業(yè)務(wù)及應(yīng)用服務(wù)的需求，整合各政府職能部門和企業(yè)的信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)已成為必然趨勢。因此海量信息存儲的要求及提供多種應(yīng)用服務(wù)的選擇，必然需要一個海量的數(shù)據(jù)中心進行信息的存儲與交換。

2) 信息技術(shù)(IT)花費的挑戰(zhàn)。從2003年到2010年全球每年的 IT花費估計如圖1所示，可以看出IT花費主要用在服務(wù)器管理，并且呈現(xiàn)逐年增長趨勢。但如果采用云計算數(shù)據(jù)中心，則由于其具有高擴展性、通用性、極其廉價等特性，因而可以減輕企業(yè)、事業(yè)單位的IT花費。而且將企業(yè)、事業(yè)單位不同檔次的服務(wù)器(x86服務(wù)器、小型計算機)、不同操作系統(tǒng)的物理服務(wù)器經(jīng)過虛擬化后都可以整合到云計算平臺中。

年份

圖1 全球每年的 IT花費估計

2 云計算相關(guān)知識

21 云計算的定義

云計算(Cloud computing)是一種新近提出的計算模式。維基百科給云計算下的定義：云計算將IT相關(guān)的能力以服務(wù)的方式提供給用戶，允許用戶在不了解提供服務(wù)的技術(shù)、沒有相關(guān)知識以及設(shè)備操作能力的情況下，通過Internet獲取需要服務(wù)［3］。

中國云計算網(wǎng)將云定義為：云計算是分布式計算(Distributed computing)、并行計算(Parallelcomputing)和網(wǎng)格計算(Grid computing)的發(fā)展，或者說是這些科學(xué)概念的商業(yè)實現(xiàn)［4］。

基本上，云計算只是一種把 IT 資源當(dāng)作服務(wù)來提供的手段。幾乎所有 IT 資源都可以作為云服務(wù)來提供：應(yīng)用程序、計算能力、存儲容量、聯(lián)網(wǎng)、編程工具，以至于通信服務(wù)和協(xié)作工具。

22 云計算的分類

云計算按照服務(wù)類型大致可以分為IaaS(將基礎(chǔ)設(shè)施作為服務(wù))、PaaS(將平臺作為服務(wù))和SaaS(將軟件作為服務(wù))這三類［5］(見圖2)。

圖2 云計算的服務(wù)類型

IaaS將硬件設(shè)備等基礎(chǔ)資源封裝成服務(wù)供用戶使用，如亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(Amazonwebservices，AWS)的彈性計算云和簡單存儲服務(wù)(Simplestorage service，S3)。在IaaS環(huán)境中，用戶相當(dāng)于在使用裸機和磁盤，雖然可以在其上運行Windows或Linux，做許多事情，但用戶必須考慮如何讓多臺機器協(xié)同工作。亞馬遜云計算提供了在節(jié)點之間互通消息的接口簡單隊列服務(wù)(Simplequeueservice，SQS)。IaaS的最大優(yōu)勢在于允許用戶動態(tài)申請或釋放節(jié)點，按使用量計費。運行IaaS的服務(wù)器規(guī)模通常多達幾十萬臺，用戶幾乎可以認為能夠申請的資源是無限的。由于IaaS是供公眾共享的，因而資源使用率會較高。

PaaS對資源的抽象層次更進了一步，它提供用戶應(yīng)用程序的運行環(huán)境，典型的如谷歌應(yīng)用引擎(Googleappengine)。微軟的云計算操作系統(tǒng)“Microsoftwindowsazure”也可大致歸入這一類。PaaS自身負責(zé)資源的動態(tài)擴展和容錯管理，用戶應(yīng)用程序不必過多考慮節(jié)點間的配合問題。但同時，用戶的自主權(quán)降低，必須使用特定的編程環(huán)境和遵照特定的編程模型。這有點像在高性能集群計算機里進行消息傳遞接口(Messagepassing interface，MPI)編程一樣，只適用于解決某些特定的計算問題。例如，“Googleappengine”只允許使用Python和Java語言，基于稱作Django的Web應(yīng)用框架，以及調(diào)用“Googleappengine”SDK(Softwaredevelopmentkit，軟件開發(fā)工具)來開發(fā)在線應(yīng)用服務(wù)。

SaaS的針對性更強，它將某些特定應(yīng)用軟件功能封裝成服務(wù)，如Salesforce公司提供的在線客戶關(guān)系管理(Clientrelationshipmanagement，CRM)服務(wù)。SaaS既不像PaaS一樣提供計算或存儲資源類型的服務(wù)，也不像IaaS一樣提供運行用戶自定義應(yīng)用程序的環(huán)境，而是只提供某些專門用途的服務(wù)。

23 云計算的特點

1) 規(guī)模超大。“云”具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，包括廣泛的網(wǎng)絡(luò)連接、足夠的帶寬資源、開放的應(yīng)用程序接口等。一個計算架構(gòu)可以有云計算的其他屬性，如果沒有云規(guī)模的部分，也必將被云環(huán)境持續(xù)快速發(fā)展的速度所淘汰。

2) 虛擬化。所謂虛擬化，不僅僅是一個具體的技術(shù)選擇。關(guān)鍵是基礎(chǔ)設(shè)施不應(yīng)受限于任何特定的硬件或應(yīng)用軟件。從理論上講，在不影響上層應(yīng)用程序正常運行的同時，可以更換任何組件。至關(guān)重要的是，基礎(chǔ)設(shè)施的抽象化為基礎(chǔ)架構(gòu)提供向上或向下的彈性擴展能力。

3) 可靠性高。“云”使用了數(shù)據(jù)多副本容錯、計算節(jié)點同構(gòu)可互換等措施來保障服務(wù)的可靠性，使用云計算比使用本地計算機更加可靠。

4) 具有通用性。云計算不針對特定的應(yīng)用，在“云”的支撐下可以構(gòu)造出千變?nèi)f化的應(yīng)用，同一片“云”可以同時支撐不同的應(yīng)用運行。

5) 可擴展性高。“云”的規(guī)模可以動態(tài)伸縮，滿足應(yīng)用和用戶規(guī)模增長的需要。

6) 按需服務(wù)。即便現(xiàn)有的平臺和應(yīng)用也可以套用“即用即付”的模式，但虛擬機并不是云計算。企業(yè)用戶仍然要支付巨額的管理開銷，浪費大量計算資源。公有云和私有云構(gòu)成了“云”下一個龐大的資源池。公有云具有“即用即付”的特點，虛擬化與自動化的配置和管理讓按需使用成為可能，也是企業(yè)用戶考慮應(yīng)用私有云時比較關(guān)注的部分。毫無疑問，虛擬化和自動化在節(jié)省成本和提高生產(chǎn)率方面發(fā)揮重要作用。

7) 費用廉價。利用“云”的特殊容錯措施，“云”可通過廉價的節(jié)點來構(gòu)成。“云”的自動化管理使數(shù)據(jù)中心管理成本大幅降低，其公用性和通用性使資源的利用率大幅提升，其設(shè)施可以建在電力資源豐富的地區(qū)而大幅降低能源成本，因此“云”具有前所未有的性能價格比。

3 云計算數(shù)據(jù)中心的創(chuàng)建

基于云計算數(shù)據(jù)中心的總體框架包括物理資源層、虛擬化層、服務(wù)管理層、信息資源層、應(yīng)用層、表現(xiàn)層六個層面(見圖3)，主要為政府、企業(yè)、公眾提供服務(wù)。

圖3 云計算數(shù)據(jù)中心的總體框架

物理資源層(Physicalresource layer)：包括各種硬件基礎(chǔ)設(shè)施；各種小型機和服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲設(shè)備等。

虛擬化層(Virtualizationlayer)：對計算資源進行抽象的一個廣義概念。虛擬化對上層應(yīng)用或用戶隱藏了計算資源的底層屬性。它既包括使單個的資源(比如一個服務(wù)器，一個操作系統(tǒng)，一個應(yīng)用程序，一個存儲設(shè)備)劃分成多個虛擬資源，也包括將多個資源(比如存儲設(shè)備或服務(wù)器)整合成一個虛擬資源。虛擬化技術(shù)是指實現(xiàn)虛擬化的、具體的技術(shù)性手段和方法的集合性概念。虛擬化技術(shù)根據(jù)對象可以分成存儲虛擬化、計算虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等。物理設(shè)施被虛擬化后則提供一個靈活的資源池，可提高資源利用率。

服務(wù)管理層(Servicemanagementlayer)：包括安全管理、用戶帳戶管理、虛擬映像管理、性能管理、數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)、服務(wù)生命期管理、應(yīng)用請求管理等。

信息資源層(Informationresource iayer)：統(tǒng)籌規(guī)劃，分步實施，協(xié)調(diào)發(fā)展，建立和完善信息資源體系、信息資源開發(fā)體系、信息資源利用服務(wù)體系，以服務(wù)利用體系建設(shè)帶動信息資源采集、開發(fā)體系建設(shè)。通過對關(guān)系型數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)等資源，及應(yīng)用資源分散業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的整合，利用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互平臺，實現(xiàn)城市各政務(wù)部門、企業(yè)的數(shù)據(jù)交互、共享、采集、挖掘。加大信息資源的開發(fā)力度，建立和完善城市的基礎(chǔ)信息庫，逐步制定城市的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)規(guī)范，開發(fā)建立各專業(yè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)之上的省級電子政務(wù)綜合數(shù)據(jù)倉庫。利用數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，為輔助決策系統(tǒng)提供支持。通過應(yīng)用層和表現(xiàn)層，為各政務(wù)部門、企業(yè)和公眾提供有價值的信息服務(wù)。

應(yīng)用層(Application layer)：在集成各類資源、業(yè)務(wù)流程和各項子應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，是針對電子政務(wù)各類任務(wù)和服務(wù)建立起來的。電子政務(wù)應(yīng)用層可細化為四個層次：集成框架層、公共應(yīng)用支撐層、應(yīng)用業(yè)務(wù)層和公共服務(wù)層。集成框架層上構(gòu)建數(shù)據(jù)集成框架、流程集成框架以及應(yīng)用集成框架，實現(xiàn)不同地域、不同工作流程、異構(gòu)數(shù)據(jù)資源、不同應(yīng)用軟件的集成。公共應(yīng)用支撐層提供省級各類基礎(chǔ)應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)交互平臺、地理信息系統(tǒng)、電子身份認證系統(tǒng)等，為上層的各類應(yīng)用系統(tǒng)提供公共的平臺和支撐，改善城市整個電子業(yè)務(wù)環(huán)境。應(yīng)用業(yè)務(wù)層開展推進服務(wù)政務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)，提高政務(wù)部門內(nèi)部工作效率，利用電子政府手段，規(guī)范政府運行模式，增強政府對經(jīng)濟和市場的監(jiān)管能力。公共服務(wù)層是通過規(guī)范行政審批制度，轉(zhuǎn)變工作方式、促進管理型政府向服務(wù)型政府的轉(zhuǎn)變，為企業(yè)和公眾提供公開、透明、高效的服務(wù)。在這四個子層中，集成框架層、公共應(yīng)用支撐層為整個應(yīng)用體系的后臺，是對各類原有應(yīng)用、數(shù)據(jù)資源的集成和整合，并通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互平臺加速和推進應(yīng)用系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化；應(yīng)用業(yè)務(wù)層和公共服務(wù)層為應(yīng)用體系的前臺，是直接面向政務(wù)部門、公眾和企業(yè)提供服務(wù)的。通過這四個層次的相互支持和相互作用，使應(yīng)用層成為統(tǒng)一的集成服務(wù)平臺。

表現(xiàn)層(Representationlayer)：各級政務(wù)部門、大專院校、軍區(qū)、駐軍、武警、企業(yè)、公眾可以通過網(wǎng)絡(luò)、撥號、移動網(wǎng)絡(luò)等各類接入手段，利用WEB、Phone、Fax、SMS方式，訪問電子政務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)各類信息的索取和各項業(yè)務(wù)的網(wǎng)上辦理。

安全保障體系(Securityassurancesystem)應(yīng)作用于以上各個層面，對任何一個層次以及層次之間的應(yīng)用、數(shù)據(jù)交互、資源共享提供安全的運行環(huán)境。保障網(wǎng)絡(luò)安全，保證信息的真實性、可用性、完整性、保密性。通過安全保障體系，促進電子政務(wù)安全、健康的發(fā)展。安全保障體系是數(shù)據(jù)中心建設(shè)的保障。

4云計算在數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用

數(shù)字化城市的建設(shè)和實現(xiàn)有賴于云計算，云計算將使城市生活更加美好。數(shù)字化城市體系框架如圖4所示。云計算數(shù)據(jù)中心在數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用主要集中在以下幾個方面［6］。

1) 政府服務(wù)。實現(xiàn)行政和日常事務(wù)的網(wǎng)上管理，建立政府、企業(yè)和公眾之間的有機服務(wù)系統(tǒng)，將打破現(xiàn)有的人為組織界限，構(gòu)成一個電子化的虛擬政府機關(guān)，從而提高政府資源使用效率，實現(xiàn)電子政務(wù)信息化水平提升。并可為全體市民提供所需的服務(wù)，提高信息共享和推動所有跨政府機構(gòu)、服務(wù)供應(yīng)商和其他組織之間的協(xié)作以幫助政府做出更明智的決策。

2) 教育。云計算以師生為中心，讓數(shù)據(jù)和服務(wù)圍繞著個人，通過云計算平臺強大的計算能力，使師生輕松獲得所需數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)信息和資源的有效共享。并可幫助城市培育最有價值的人才資源，以系統(tǒng)化的視角看待他們的教育體系，以全方位的角度對學(xué)生進行評估，這將會有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，提升他們的整體素質(zhì)和能力，幫助他們在課堂內(nèi)外都能有優(yōu)秀的表現(xiàn)。

圖4 數(shù)字化城市建設(shè)體系框架

3) 公共安全。鑒于高達45％的市政預(yù)算用以保障公共安全，基于云計算數(shù)據(jù)平臺，可逐步將城市重點安全防范場所、單位的監(jiān)控納入到城市聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)中，并以此為基礎(chǔ)逐步整合公安部門原有的各種監(jiān)控系統(tǒng)。利用先進的技術(shù)，采取以社區(qū)為基礎(chǔ)的方法來預(yù)測和預(yù)防犯罪和突發(fā)事件，而不僅僅是響應(yīng)。

4) 交通。利用云計算數(shù)據(jù)中心，數(shù)字城市可將智慧融入整個交通運輸系統(tǒng)中，導(dǎo)致人們出行模式的轉(zhuǎn)變，可使交通流量減少20％之多，并改善駕駛者的通行，為城市規(guī)劃人員提供更有價值的信息，提高企業(yè)效率及市民的生活質(zhì)量。

5) 能源與電力。可將能耗降低15％，智慧的電力系統(tǒng)能夠針對能源流動提供實時信息，幫助市民和電力公司做出明智的決策，以更負責(zé)、更有效地對電力進行采購、銷售和管理。

6) 醫(yī)療。基于云計算網(wǎng)絡(luò)的智慧醫(yī)療包括建立高效的醫(yī)療體系、實現(xiàn)互連互通、提供高質(zhì)量的醫(yī)療服務(wù)、以及對醫(yī)療科研的支持等幾大領(lǐng)域。可涵蓋患者基本信息、病歷記錄、各種實驗室檢驗信息，乃至財務(wù)信息，打造一系列整合各種應(yīng)用的信息化平臺，從而方便患者、醫(yī)生、管理者輸入和管理使用信息，緊密鏈接各醫(yī)療部門乃至醫(yī)療機構(gòu)間的業(yè)務(wù)，以靈活強大的信息化手段實現(xiàn)醫(yī)患資源優(yōu)化流動，提供更好的醫(yī)療保健服務(wù)，并有效地預(yù)測和預(yù)防疾病，同時，還能激勵每個人做出更明智的健康選擇。

總之，數(shù)字城市建設(shè)能夠提高政府為民服務(wù)的效率，提升政府形象，深化數(shù)字化建設(shè)的社會效應(yīng)，營造政府、企業(yè)、民眾多方獲益的和諧氛圍，創(chuàng)建長期共贏的可持續(xù)發(fā)展模式。除了文中所述的應(yīng)用規(guī)劃外，數(shù)字城市建設(shè)還包括了基礎(chǔ)軟件、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、保障體系、項目管理、人才支撐等多個方面，是一個需要進行長期規(guī)劃的復(fù)雜工程。在建設(shè)之前，首先要明確項目建設(shè)的目標(biāo)、內(nèi)容、規(guī)模、周期和模式，以及后期運營模式；同時，需要統(tǒng)籌兼顧、綜合考慮、科學(xué)設(shè)計、合理規(guī)劃、完善布局。

5 結(jié)束語

云計算是未來IT發(fā)展的趨勢，也是IT產(chǎn)業(yè)一次新的變革。云計算數(shù)據(jù)中心的建立為數(shù)字城市的建設(shè)提供有力平臺支撐和技術(shù)保障。云計算將信息產(chǎn)業(yè)變成綠色環(huán)保和資源節(jié)約型產(chǎn)業(yè)，將IT基礎(chǔ)設(shè)施變成如水電一樣按需使用和付費的社會公用基礎(chǔ)設(shè)施，將軟件產(chǎn)業(yè)變成傳統(tǒng)工業(yè)流水線一樣的高效產(chǎn)業(yè)，極大地簡化了企業(yè)、事業(yè)單位的IT管理，有效降低企、事業(yè)的IT基礎(chǔ)設(shè)施成本，全面提高社會整體信息化水平。

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(責(zé)任編輯：李 麗，范 君)