以大數據為支撐的智慧城市建設研究

王兆慶 賀勇

摘 要：大數據是智慧城市建設的核心要素。在大數據的支撐下，我國智慧城市建設已取得良好的發展，城市發展已步入大數據的新時代。通過對智慧城市建設中支撐要素的分析和大數據關鍵技術的研究，闡明了大數據不僅對城市建設具有驅動作用，也決定了智慧城市未來的趨勢，最后提出了智慧城市建設的解決方案。

關鍵詞：大數據；智慧城市；數據挖掘；物聯網；云計算

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）01-00-03

0 引 言

智慧城市的出現是現代城市發展和科技進步相融合的必然結果。信息數字化推動著城市向更智能化、科學化和智慧化的方向發展，網絡的全覆蓋使得城市產生了大量的數據資源，摧生了大數據的產生和應用，而運用大數據技術所產生的社會效益也給城市建設帶來了強大的推動力，很好地支持了整個經濟社會發展的決策行動和管理水平，成為智慧城市建設的核心技術。云計算技術為智慧城市支撐起了管理和共享平臺，為社會資源整合、數據挖掘和分析提供了可能。同時，完成了統一通信與協作，為跨部門的相互協同提供了技術保障。

1 智慧城市大數據架構

智慧城市架構的形成是一個系統工程。首先，完成城市的數字化、網絡化和智能化之后，通過人的智慧與城市系統的融合，實現城市硬件的智慧化架構建設，形成智慧城市的信息化基礎設施支撐系統；其次，新興信息技術與城市各系統相結合，形成智慧的城市技術支撐系統；再次，智慧城市架構組織通過人的智慧管理，實現城市可持續發展的競爭力和提升生活質量的最終目標，形成智慧城市頂層設計決策系統。

1.1 智慧城市中的支撐要素

數字化是城市信息化的初級階段，在城市網絡、通信等基礎設施發展完善后，城市信息化又進一步推動城市向智能化發展，從而走向更高級智慧城市的方向。因此，信息網絡基礎設施、通訊信息基礎設施和數字信息技術是智慧城市的支撐要素，決定著智慧城市建設的未來。智慧城市技術要素如圖1所示。

目前，智慧城市建設高度運用了最新一代的通信網絡技術，云計算、物聯網、移動寬帶等技術的應用，影響著城市發展的結構形態和發展模式；互聯網、空間信息網和數據安全等技術的應用，影響著城市發展的基礎設施、未來發展方向和智能化格局；城市寬帶、三網融合和信息通訊等技術的應用，影響著對城市的未來設計、預測和決策。在智慧城市建設中技術管理平臺不僅完成對外提供應用服務、對內實現數據采集、數據資源管理和信息業務一體化的整合，將不同類型、來源和格式的應用數據進行分析、集中、規范和整合，并對外提供統一的信息共享和數據服務，而且為智慧城市的發展建設提供數字化、網絡化、智能化和信息化的技術保障和支持[1]。

1.2 智慧城市大數據架構

在完成數字化和信息化基礎建設后，以大數據為基礎的智慧城市建設，利用各種技術手段對城市的物理空間信息、局域數據和原有的“孤島”系統數據進行整合對接，對流入的信息經數據處理后，再通過服務管理平臺實現數據的互聯互通，服務于醫療教育、社保養老、創新就業、公共安全、食藥安全、社區服務、家庭服務等城市建設。智慧城市大數據架構如圖2所示。

大數據采集系統是一個網絡互聯系統。其中，通過物聯網采集城市表征的各類數據；通過局域網采集各行業數據；通過互聯網采集各類數據庫的資源數據；通過空間信息網采集時空數據。在大數據處理過程中，由于采集導入的是海量數據，每秒鐘的導入量可達千兆級別，需要先對數據做必要的清洗和預處理工作，然后對普通海量數據進行分析和分類匯總，再在現有分類數據的基礎上進行基于各種算法的計算，取得關聯的預測效果，實現一些高級別數據分析的需求， 挖掘有價值的知識。對分析挖掘得到的數據，利用大數據傳輸技術依照適當的規程，經過鏈路，在數據源和數據宿之間進行數據傳送。在大數據存儲技術的支持下，對經過傳輸通道得到的數據進行必要的存儲處理。據統計，目前人類社會活動所產生的數據通常每年以50%的速度快速增長，特別是非結構化數據，必須對其進行壓縮處理、刪除重復數據，以大量減少存儲容量，存儲的方式有云耦合存儲、分布式存儲、對象存儲等[2]。在大數據管理系統中，首先，大數據應用服務平臺為智慧城市建設提供數據資源，用于實現智慧出行、智慧電網、智慧生產、智慧安保、智慧教育、智慧醫療等城市智慧功能；其次，大數據安全管理平臺要保證數據在使用中不受損、不被偷窺、不被修改和不被偷竊，可通過數據識別取證、數據完整性驗證、安全密鑰、推理控制、隱私保護等技術實現保障；再次，在城市的不斷建設中又產生了許多新的組合數據，大數據資源管理平臺需對這些信息進行整合，形成新數據集，通過大數據存儲層進行數據交換和存儲，實現數據的再循環利用。

2 大數據在智慧城市建設中的關鍵技術

在城市信息化的建設過程中會產生大量數據，大數據是智慧城市的信息引擎。研究發現，經過技術挖掘這些數據可產生大量有用的知識，對城市建設規劃和頂層決策有極大的利用價值，由此產生了大數據技術和數據挖掘技術。物聯網采集的海量數據在城市系統的流動過程中，如果實時存儲將占用巨大的空間，所以需要對大數據進行處理，主要運用云計算的分布式技術來完成數據整合存儲。同時，為了確保城市信息系統的高效運行，大數據的安全必須得到保障。因此，云計算技術、數據挖掘技術、物聯網技術、數據安全技術是智慧城市建設中的關鍵技術。

2.1 云計算技術

在智慧城市建設中，云計算技術為城市數據的分析和處理提供技術支持。云計算是互聯網技術的發展和延伸，充分發揮著自身強大的計算能力，通過對物理設施在網絡上的虛擬化，動態組織和分配資源，高效快速地處理海量數據，經過互聯網向用戶提供服務，實現高速計算、海量儲存和數據交換的應用模式。云計算的核心技術包括并行計算、分布式計算、分布式儲存、虛擬技術、數據管理集成技術和網格計算等眾多技術分支，具有訪問便捷、按需分配、付費服務、虛擬共享、通用可靠和動態拓展等特點。在建設模式上，云計算提供三層服務方式：SaaS服務（軟件即服務）、PaaS服務（平臺即服務）和IaaS服務（基礎設施即服務）。

2.2 大數據挖掘技術

在城市數字化和智慧化建設中，跨地域、跨行業、跨部門也會產生大量的數據資源。隨著時間的推移，存儲量級不斷提高，這些數據資源中是否存在有利用價值的信息成為人們思考的問題。通過分析，發現這些數據中的信息具有可分類、可運用、可挖掘和有價值的知識。這種對每個數據都進行分析，從大量數據中尋找其規律的技術稱為大數據挖掘技術。在數據挖掘過程中，首先需要對信息進行收集、集成、規約、清理、變換等數據預處理，然后進行數據分析挖掘、模式評估、知識表示等挖掘實施過程，完成關聯、聚類、分類、異常、特異群組和演變等分析任務，最后以大數據可視化、大數據存儲、大數據檢索和大數據情報等方式實現大數據的應用[3]。大數據挖掘的核心技術包括人工智能技術、數據規約技術、統計分析技術、數據庫技術、大數據分析技術和大數據存儲及管理技術等眾多技術分支，在智慧城市建設中得到了廣泛應用。

2.3 物聯網技術

物聯網是基于城市基礎設施的數字化、信息化、智能化改造升級所進行的互聯網和移動互聯網等城市網絡的擴展和延伸，在智慧城市建設中為全面感知城市物理空間和信息采集提供技術支撐。物聯網核心技術包括傳感器網絡技術、全球定位技術、射頻識別技術、紅外感應技術、激光掃描技術等眾多技術分支。運用嵌入技術把傳感組件裝備到感應器設備中，通過物聯網技術，把感應器滲透到城市基礎設施的各個環節和區域，再利用傳感器網絡把城市景物監控器、圖像語音識別控制器、網絡微支付系統機器、人員和移動應用程序部件等聯系在一起，形成物與物、人與物的相互關聯和遠程控制，為城市建設提供各種信息數據和決策分析服務，實現城市的監控、預警、監測和實時管理，為智慧城市建設頂層設計提供數據支持。

2.4 大數據安全技術

大數據有以下三大特征：

（1）數據大容量，數量級別已經發展至ZB乃至YB，難以用傳統的手段對如此龐大的數據群進行處理；

（2）傳輸速度高，難以用原有的傳輸方式對數據進行高速率實時傳輸；

（3）數據多樣，難以用統一模式處理不同類型和來源的海量異構數據[4]。

由于大量數據在系統中集中存儲，一旦被成功攻擊將導致巨大的損失。同時，隨著計算機通信技術和人工智能的發展，各種應用技術如防火墻、服務器、數據挖掘等都滲透到大數據系統建設中，給城市建設提供更多的技術幫助。然而，技術融入也會造成許多安全問題，例如，協議無法互認，系統漏洞增多、易于沖擊，平臺被入侵癱瘓等，這些都會增大數據的安全風險。另外，大數據來源多樣化、數據范圍廣泛，因組合后的數據體系與原數據保護邊界發生變化，又給數據的安全保護增添了更多的困難，在推動大數據技術應用過程中面臨著諸多挑戰和安全風險。因此，在技術層面上要加強對大數據網絡系統、主機控制、終端設備等基礎設施運行環境的安全防護，采取邊界訪問控制、異常流量監控、入侵檢測、操作監控、漏洞掃描、病毒防護、準入控制、病毒防護和補丁修復等安全手段。常用的大數據安全技術有防火墻技術、入侵檢測技術、用戶認證及訪問控制技術、VLAN技術、MPLS技術、加密與密鑰交換技術、物聯網安全技術、內容安全檢測技術、大數據安全分析技術、安全管理平臺技術等。

3 智慧城市建設解決方案

智慧城市是涵蓋深層“智慧”含義特征的城市系統，既體現了新興信息技術智能化的物的要素，又體現了人的智慧與城市宜居環境良好交融的人的要素。通過智慧建設帶動城市系統的不斷優化，使城市發展的層次更優化、效益更良好、效率更高效，使人們的生活環境能夠不斷創新、智能又綠色環保，同時，促進社會的可持續性發展[5]。智慧城市是運用信息技術、移動通信技術、網絡技術與城市的經濟、文化、社會、生態等重要領域實現良好融合的城市系統，包括感知系統、網絡系統、數據系統、應用系統和安全管理系統五個層次。智慧城市結構體系如圖3所示。

感知系統主要完成數據信息的收集、放大和前期等技術處理。包括寬帶物聯網、傳感體系、自動識別、導航定位等組成部分。

網絡系統主要完成數據信息的傳輸、協議和網絡基礎設施等技術處理。包括光纖網絡、無線網絡、互聯網、空間信息網、三網融合等組成部分。

數據系統主要完成數據平臺的整合、存儲和軟硬件資源共享等技術處理。包括城市云平臺、大數據支撐平臺、大數據應用平臺、大數據存儲平臺等組成部分。

應用系統主要完成數據信息在平臺支撐下對城市系統智慧應用的決策、管理和整體布局等技術處理[6]。通過城市智慧服務平臺，連接城市各部門的智能化信息平臺，實現城市物理設施廣泛接入以及城市關鍵系統在運行中自動感知、數據智能處理和信息互聯互通，包括智慧政務與管理、智慧交通與環境、智慧生產與經濟、智慧醫療與民生等組成部分。

大數據的安全管理關系到智慧城市建設的成敗，數據安全是核心，一旦被泄密或盜取，將直接影響到個人信息、社會資源和企業數據的安全，甚至威脅國家安全。安全管理包括安全制度管理、安全法規管理、安全認證管理、安全加密管理、安全資源管理、平臺安全管理等內容。要從制度法規上建立大數據安全體系，搭建大數據法律法規保護的基礎框架，建立以數據為中心的安全系統；通過安全認證和安全加密等管理手段，健全完善大數據安全技術標準和認證機制；利用資源安全和平臺安全管理措施，加強對資源平臺的管理，確保公共數據資源在需求配置、合理運行、高效交換與共享開放等應用領域的安全，對大數據平臺企業人員加強職業道德和法律法規等方面的教育，建立建全的管理責任制度。

4 結 語

隨著互聯網、云計算、物聯網、人工智能等新一代信息技術的融合應用，我國智慧城市建設步入了高速發展的快車道。智慧城市雖然還存在諸如數據安全、法律法規、信息共享和技術融合等不完善的問題，但是作為城市建設的發展方向，仍是目前最佳的選擇方案。通過智慧城市建設，可提升城市的整體發展水平，實現城市智慧式管理，進而為人們創建更美好的生活，提高人們的幸福指數，促進城市和諧、可持續發展。

參考文獻

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