基于“數(shù)據(jù)湖+CIM”架構(gòu)的智慧城市設計思想

張峰

摘要：本文在總結(jié)了智慧城市建設的指導政策和實踐經(jīng)驗的基礎上，通過對智慧城市建設任務和技術路線的闡述，引出當前智慧城市在城市大腦建設方面的困境和誤區(qū)，提出基于“數(shù)據(jù)湖+CIM”架構(gòu)的智慧城市技術因素設計思想和解決方案，并論述了可行性。

Abstract： On the basis of summarizing the guiding policies and practical experience of smart city construction， this article sheds light on the current difficulties and misunderstandings of smart city construction in urban brain construction by explaining the tasks and technical routes of smart city construction， proposes the smart city technology factors design ideas and solutions based on "Data Lake+CIM" architecture， and discusses the feasibility.

關鍵詞：數(shù)據(jù)湖;CIM;智慧城市;城市大腦

Key words： Data Lake;CIM;smart city;city brain

中圖分類號：F299.2;TP391.44? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）27-0222-04

0? 引言

偉大的哲學先賢亞里士多德曾經(jīng)說過，“人類為了活著而聚集到城市，為了生活得更好而留居于城市”。城市是讓人類生活的更美好的空間。黨的十九大要求我們在繼續(xù)推動發(fā)展的基礎上，更好的滿足人民日益增長的美好生活需要。北京易華錄公司林擁軍先生在《數(shù)據(jù)湖——易華錄高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略機遇》的專題報告中指出，基于藍光存儲技術的湖存儲將會成為城市數(shù)字經(jīng)濟基礎設施的標配，以“數(shù)據(jù)湖+”理念和技術賦能新型智慧城市建設，使能人類在城市的生活更美好。

1? 智慧城市和新型智慧城市建設發(fā)展路線

當前，智慧城市建設已成為各地發(fā)展的新熱點，全球啟動智慧城市建設的城市有上千，而我國已有300多個城市提出規(guī)劃或正在興建智慧城市，成為全世界智慧城市建設規(guī)模最大的國家①。從國家政策層面上看，早在2014年3月，國務院發(fā)布的《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃（2014-2020年）》，其中有一章節(jié)專門指出“推進智慧城市建設”，同年8月，八部委聯(lián)合出臺了《關于促進智慧城市健康發(fā)展的指導意見》，定義智慧城市是運用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和空間地理信息集成等新一代信息技術，促進城市規(guī)劃、建設、管理和服務智慧化的新理念和新模式。從2016年到2018年，“國家新型智慧城市評價指標”已連續(xù)頒布兩版。在項目落地方面，綜合近年來各地新型智慧城市建設項目落地實踐來看，建設新型智慧城市的任務包括五點，首先是大力實施“互聯(lián)網(wǎng)+城市”行動;二要加強體制機制創(chuàng)新和城市資源整合;三要推進工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化融合創(chuàng)新;四要著力解決“城市病”（交通擁堵、環(huán)境惡化、洪澇災害等）和民生領域（醫(yī)療健康服務、教育、就業(yè)、住房等）的問題;五是構(gòu)建無處不在的惠民服務體系和透明高效的政治治理體系。在擬定的技術路線方面，一般認為，新型智慧城市重在建設“城市大腦”。所謂城市大腦，就是“大數(shù)據(jù)平臺+決策系統(tǒng)”。新時代，新型智慧城市建設關系著數(shù)字中國、智慧社會等目標的實現(xiàn)，更是事關國計民生的重大任務和長期工作。隨著人民對美好生活的需要和期待不斷提升，人民對新型智慧城市的要求也是越來越高。那么，如何有效提升新型智慧城市建設實效，提高市民滿意度和獲得感，實現(xiàn)創(chuàng)新型城市可持續(xù)發(fā)展？

2? 城市大腦建設的困難和誤區(qū)

“城市大腦”目前在智慧城市建設領域算是較為成熟的技術框架，作為一項新興技術，在業(yè)界有兩種不同的發(fā)展思路：一個是科學研究院的預測模型，認為城市大腦是“是依托互聯(lián)網(wǎng)的類腦化進程”②;另一個則是阿里巴巴公司在實際落地的智慧城市建設項目所提出的技術方案。阿里系認為，“城市大腦建設路徑，是基于云計算的城市人工智能系統(tǒng)建設”，內(nèi)核采用阿里云人工智能ET技術，試圖通過對城市全局實時分析，做到自動配置公共資源，修正城市運行中的缺陷。

綜合分析以上兩條建設思路，從本質(zhì)上說，都是只求城市片面，在城市某一局部，以模仿人體神經(jīng)系統(tǒng)，采集實時數(shù)據(jù)，分析處理判斷等，而忽略智慧城市發(fā)展建設全局和主體。可以從以下幾個問題切入，這樣的城市大腦夠健壯嗎？體量龐大的城市運營管理數(shù)據(jù)，使用一次就會被拋棄嗎？如果要保存如何做到安全、高效、長久、綠色、低廉的保存？智慧城市建設只求建成一個城市大腦而忽略城市軀干和血液以及靈魂的建設和發(fā)育就能解決一切問題嗎？城市中的國土、建筑、工廠、社區(qū)、道路、河流、樹木、地下空間僅僅依靠地理信息集成系統(tǒng)做些呆板死板的圖標而無法深入到任何一個城市細胞的內(nèi)部嗎？因此，客觀的講，以上兩套思路僅僅是一套“城市綜合信息處理系統(tǒng)”，尚不能構(gòu)成智慧城市的“城市大腦”。新型智慧城市應從全局出發(fā)，做頂層設計。

3? 數(shù)字孿生智慧城市

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等數(shù)字新興技術近年來迅猛發(fā)展，運行在人類世界的方方面面、時時刻刻，收集到大量數(shù)據(jù)，也被數(shù)據(jù)記錄和描述，從而形成了一整套完整的“數(shù)字世界”，和與之對應的物理世界構(gòu)成了兩大體系。這兩大體系平行發(fā)展、相互作用。數(shù)字世界因物理世界的運轉(zhuǎn)而產(chǎn)生，并為了服務物理世界而存在;物理世界又因數(shù)字世界的抽象而獲得知識，決策和指導物理世界運轉(zhuǎn)變得高效有序。數(shù)字孿生技術應運而生，從制造業(yè)逐步延伸拓展至城市空間，深刻影響著城市規(guī)劃、建設與發(fā)展。數(shù)字孿生因感知控制技術而起，因綜合技術集成創(chuàng)新而興。數(shù)字孿生城市是在城市累積數(shù)據(jù)從量變到質(zhì)變，在感知建模、人工智能等信息技術取得重大突破的背景下，建設新型智慧城市的一條新興技術路徑，是城市智能化、運營可持續(xù)化的前沿先進模式，也是一個吸引高端智力資源共同參與，從局部應用到全局優(yōu)化，持續(xù)迭代更新的城市級創(chuàng)新平臺。

從技術角度看，數(shù)字孿生城市涵蓋“云-網(wǎng)-端”三級層次，成為數(shù)據(jù)驅(qū)動決策、技術綜合集成的智慧城市綜合技術支撐體系。從城市發(fā)展看，數(shù)字孿生城市是未來實體城市的虛擬映像對象和智能操控體，形成虛實對應、相互映射、協(xié)同交互的復雜巨系統(tǒng)。從建設重點看，基于多源數(shù)據(jù)融合的城市信息模型（CIM）是核心，城市全面部署的智能設施和感知體系是前提，支撐孿生城市高效運行的智能專網(wǎng)是保障，實現(xiàn)智能操控的城市大腦是重點③。建造數(shù)字孿生城市，其載體的核心就是CIM。城市信息模型（City Information Modeling，CIM），是從BIM（Building Information Modeling）建筑信息模型發(fā)展而來，以城市信息數(shù)據(jù)為基礎，建立起三維城市空間模型和城市信息的有機綜合體。從范圍上講是大場景的GIS數(shù)據(jù)+小場景的BIM數(shù)據(jù)+物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的有機結(jié)合，數(shù)學公式表示為“CIM=f（GIS+BIM+BD）”。不管我們的方向如何變動，大數(shù)據(jù)、綜合管廊、海綿城市，或者是其他的城市信息相關的技術，都會圍繞城市信息的采集和使用展開，這些就是城市信息模型CIM的由來。數(shù)字孿生城市，就是通過計算機CIM系統(tǒng)建造一座與城市1∶1的虛擬城市，可以稱之為數(shù)字版“海市蜃樓”。

4? 基于“數(shù)據(jù)湖+CIM”架構(gòu)提出的智慧城市頂層設計思想

智慧城市頂層設計總體架構(gòu)為七層模型，技術體系要素一般包括，基礎設施架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)、業(yè)務架構(gòu)、應用架構(gòu)，以及安全體系、標準體系和產(chǎn)業(yè)體系等組織因素。在此基礎上，結(jié)合前面理論闡述和市場實踐總結(jié)，提出新型智慧城市建設的“數(shù)據(jù)湖+CIM”架構(gòu)的解決方案。如圖1所示。底座為“新一代信息通信網(wǎng)絡基礎設施”支撐的“數(shù)據(jù)湖基礎設施”所構(gòu)成“智慧城市新型基礎建設”架構(gòu)，通過“數(shù)據(jù)湖生態(tài)”，“飲水入湖”，包括城市時間數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、政務數(shù)據(jù)和民生數(shù)據(jù)，匯集城市大數(shù)據(jù)集，即“城市信息數(shù)據(jù)資源池”，向上為“智慧城市平臺層”提供數(shù)據(jù)服務。“智慧城市平臺架構(gòu)”是智慧城市的核心層，包括“數(shù)據(jù)湖大數(shù)據(jù)平臺”、“城市信息模型（CIM）庫”、算法庫和知識庫，進行數(shù)據(jù)融合和治理，并通過數(shù)據(jù)進行業(yè)務融合和技術融合，使用“應用服務中間件”，向“新型智慧城市應用平臺”輸出跨部門、跨系統(tǒng)、跨業(yè)務、跨層級、跨地域的協(xié)同管理和服務。“智慧城市應用層”，通過部署智慧政務、智慧商務、智慧社區(qū)、智慧園區(qū)等多個智慧應用子系統(tǒng)，集成城市“應急指揮系統(tǒng)”和“綜合決策系統(tǒng)”，推進公共服務便捷化、城市管理精細化、生活環(huán)境宜居化、基礎設施智能化、網(wǎng)絡信息安全長效的目標實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)湖的概念，在國際上早有提出。被譽為“數(shù)據(jù)倉庫之父”的Bill Inmon在他的著作《數(shù)據(jù)湖架構(gòu)》一書中，明確提出，“設計數(shù)據(jù)湖以避免垃圾存儲”，同時他提出了數(shù)據(jù)湖的4個基礎組件：元數(shù)據(jù)（metadata）、整合圖譜（integration mapping）、語境（context）以及原過程（metaprocess）。他還定義了數(shù)據(jù)湖內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲單元為“數(shù)據(jù)池（pond）”和不同數(shù)據(jù)池類型下的數(shù)據(jù)生命周期。而在國內(nèi)將數(shù)據(jù)湖事業(yè)做的風生水起的莫過于中國華錄集團易華錄公司推出的基于藍光存儲和光磁一體的城市數(shù)字化設施標配的IDC數(shù)據(jù)湖。（圖2）

易華錄數(shù)據(jù)湖具有六大產(chǎn)業(yè)定位，新一代城市數(shù)字經(jīng)濟基礎設施標配;新一代綠色IDC，光磁融合、冷熱存儲混合，具有多級服務功能;大數(shù)據(jù)價值挖掘，對接人工智能的DT系統(tǒng);大數(shù)據(jù)采集、存儲、整理、開放的規(guī)則，是國家治理體系和能力現(xiàn)代化的集中體現(xiàn);大數(shù)據(jù)眾創(chuàng)空間，數(shù)據(jù)眾籌、問題眾治、應用眾包、產(chǎn)業(yè)重創(chuàng);大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的孵化土壤，大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)園，信息基礎設施招商、數(shù)據(jù)招商。它與傳統(tǒng)IDC具有明顯區(qū)別，首先是設施屬性不同，數(shù)據(jù)湖作為DT時代數(shù)字經(jīng)濟基礎設施，資產(chǎn)所有權(quán)歸地方政府，協(xié)助政府構(gòu)建由政府管理城市數(shù)據(jù)資源池，可為政府提供海量、綠色、安全、高效的城市數(shù)據(jù)資源管理。存儲介質(zhì)更多。傳統(tǒng)IDC較多采用磁存儲技術，用以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和計算的迅速響應，但磁存儲的高能耗、高成本、生命周期短、安全隱患多等缺點，嚴重阻礙大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。數(shù)據(jù)湖存儲是在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心磁存儲介質(zhì)基礎上，擴展了藍光存儲介質(zhì)，采用光磁融合存儲技術，同比單一的磁存儲，數(shù)據(jù)湖存儲在容量、能耗、壽命、安全等方面具有明顯優(yōu)勢，輕松實現(xiàn)EB、PB甚至是ZB級的海量數(shù)據(jù)存儲能力。另外還有存儲策略更優(yōu)并注重生態(tài)構(gòu)建等方面優(yōu)點。

建造智慧城市，無疑數(shù)據(jù)是一個無窮大的體量。據(jù)測算，城市數(shù)據(jù)正在以每兩年翻一番的速度增長。數(shù)據(jù)如洪水一般涌入，然而面對高昂的存儲成本卻無法承接長久保存。如果沒有五年十年以上的積累，也是根本形不成大數(shù)據(jù)價值鏈。同時，數(shù)據(jù)關系的割裂更是對數(shù)據(jù)價值的直接破壞，直接導致數(shù)據(jù)環(huán)境生態(tài)流失而無法恢復。此外，關于數(shù)據(jù)產(chǎn)權(quán)糾紛也造成了嚴重的社會問題。數(shù)據(jù)作為數(shù)字經(jīng)濟的原油，作為智慧城市中的礦山，如何開發(fā)利用已經(jīng)成為時代的緊迫課題④。城市數(shù)據(jù)湖作為一個數(shù)據(jù)資源庫，通過對數(shù)據(jù)的低成本長久性的存儲和開發(fā)，打通數(shù)據(jù)壁壘，破除信息孤島，為城市發(fā)展、民生改善和產(chǎn)業(yè)調(diào)整的智慧城市建設提供新動力。

5? 結(jié)束語

綜上所述，進行智慧城市頂層設計，實行一張藍網(wǎng)管到底，綜合治理虛實融合一盤棋，政務服務、公共事業(yè)情景交融個性定制且智能主動一站式，是促進城市良性可持續(xù)發(fā)展的必由之路。基于“數(shù)據(jù)湖+CIM”架構(gòu)進行技術因素設計的智慧城市，在驅(qū)動城市智能運行，惠達民生，促進城市迭代更新，產(chǎn)業(yè)升級，平衡區(qū)域優(yōu)勢，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展等方面，是能夠提供創(chuàng)新動能的，也是完全可行勢在必行的。

注釋：

①數(shù)據(jù)來源：2018年12月中國信息通信研究院《數(shù)字孿生城市研究報告》。

②引自：《基于互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)的智慧城市建設研究》。

③引自《數(shù)字孿生城市研究報告》前沿（2018）。

④引自華錄集團總經(jīng)理張黎明先生接受人民慕課的邀請，錄制《數(shù)據(jù)湖對黨建工作的重要意義及實施步驟》的課程。

參考文獻：

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[2]郁建生，林柯.智慧城市-頂層設計與實踐[M].北京：人民郵電出版社，2017.

[3]（美）Bill Inmon.數(shù)據(jù)湖架構(gòu)[M].北京：人民郵電出版社，2017.

[4]中國信息通信研究院.數(shù)字孿生城市研究報告[R].2018.

[5]耿丹，李丹彤.智慧城市背景下城市信息模型相關技術發(fā)展綜述[J].中國建設信息化，2017.