新型智慧城市軟件基礎設施

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引言

我國城市發展目前面臨的主要矛盾包括三個方面：一是快速城市化的需求和城市公共設施與服務供給之間的矛盾，主要表現在出行難、教育難、就醫難、住房難、應急處置效率效果不理想等；二是城市經濟增長需求與資源環境制約的矛盾，典型表現包括城市環境污染治理的難度大、見效周期長等；三是社會階層分化與管理體系滯后的矛盾，主要表現在社會矛盾、群體性事件，市民對于城市管理與服務表達意見的渠道多樣化，而城市管理體系和手段跟不上。為了解決城市發展問題，就需要建設新型智慧城市，而這是一個逐步推進、持續建設的過程。

2016年12月13日，國家信息中心發布了新型智慧城市評價指標(GB/T 33356-2016)，明確指出了八項一級指標，為全國智慧城市的建設點亮了方向。2017年9月23日，新型智慧城市建設部際協調工作組辦公室秘書處和國家信息中心權威發布了《國家新型智慧城市評價數據分析報告2017》[1]，這是我國首次發布新型智慧城市評價數據分析結果。報告肯定了新型智慧城市建設工作機制的作用，同時也明確了我國新型智慧城市發展整體尚處于起步階段。2020年1月14日，國家信息中心發布《新型智慧城市發展報告2018-2019》[2]，報告顯示，我國大量新型智慧城市建設正從預備期向起步期和成長期過渡，處于起步期和成長期的城市從2017年占比57.7%增長到80%，工作重心正從整體規劃到全面落地過渡。

2020年席卷全球的新冠疫情把城市的管理、服務、決策、應急等方面存在的短板暴露得一覽無遺，是我國新型智慧城市建設的一劑催化劑，將會加速新型智慧城市方案的迭代升級和全面落地。

黨的十九大報告強調，要“提高社會治理社會化、法治化、智能化、專業化水平”“善于運用互聯網技術和信息化手段開展工作”。目前，城市治理還面臨很多難題，而高新技術的蓬勃發展，為解決這些難題提供了新手段和新機遇。

縱觀新中國城市化的進程，以及過去五年新型智慧城市的發展，從宏觀層面看，智慧城市的建設會隨著城市文明的發展持續向前。從微觀角度看，新型智慧城市的業務效果是在運營中體現出來的，而運營是一個滿足當前業務需求與孕育新業務相互交織迭代的過程，因此，新型智慧城市是一個建設與運營相輔相成、持續迭代的過程。

1 新型智慧城市建設需要軟件基礎設施的支撐

新型智慧城市的建設，包含兩大類業務：政務服務一網通辦和城市治理一網統管。政務服務和城市治理都橫跨城市的各個領域，包括應急響應、公共安全、生態環境、醫療衛生、文化教育、產業園區、社區管理等。各領域的服務和管理都對應垂直化的政府職能部門，這些部門在持續的信息化建設過程中，積累了各自的IT基礎設施、信息化系統和業務數據，但由于各職能部門的IT系統各自規劃、各自建設、缺乏統籌，產生了大量的垂直化業務系統，同時，垂直業務所建設的感知設備產生了大量的感知數據，且這些感知數據絕大多數沒有被及時有效地收集和利用。這些系統之間的業務流程彼此孤立，數據無法互通，于是產生了我們常說的“數據孤島、應用孤島、業務流程孤島”，其典型的表現是：一個完整的業務被分割在不同的業務系統中，每個業務系統只能支撐部分環節的處置流轉，業務系統之間的銜接需要依靠人工進行數據的查看/導出和錄入，人工銜接的過程常常需要“證明”和“蓋章”來支撐，一直以來是限制業務準確性與效率提升、市民體驗升級的瓶頸。新型智慧城市建設過程中，不論是一網通辦還是一網通管，都要求更大的覆蓋率和更高的效率，這意味著，支撐業務的IT系統要具備三大核心能力。

1)大量的感知數據、業務數據要能被智能化地分析，進而轉化成信息。城市建設累計產生了ZB級的數據，但從數據到信息之間的巨大鴻溝，使用傳統的人工采樣、分析或者統計軟件，均無法填補，必須充分運用人工智能技術中對視頻圖像的分析能力、對于自然語言的理解能力，大數據技術對海量異構數據的存儲、計算、主題建模能力，以及基于機器學習的BI分析能力。

2)數據在合理授權的情況下要能被各種業務系統使用。新型智慧城市建立在大量的數據應用基礎之上，一個垂直業務的辦理常常需要用到來自多個垂直業務的數據。所有的城市數據應該被按照一定的標準規范進行編目、治理、匯聚成業務模型，形成數據資產，每一條數據資產都需要被關聯上各業務單元的讀寫權限。

3)業務流程要能在彼此孤立的業務系統之間準實時甚至是實時地、自動地流轉。越來越多的業務流程需要跨多個職能部門協同處置辦理，要將分段的且有特定先后順序的業務自動地串聯起來，才能實現業務處置的增效降本。

城市的持續發展帶來越來越多樣化的政務服務和城市治理業務，因此需要越來越豐富的IT應用系統，對于上述三大IT核心能力的需求即成為建設新型智慧城市的基礎訴求，我們稱之為智慧城市軟件基礎設施。

2 新型智慧城市軟件基礎設施的業務和技術特征

2.1 新型智慧城市軟件基礎設施的業務特征

新型智慧城市軟件基礎設施應當具備以下三個業務特征。

1)跨行業。新型智慧城市軟件基礎設施要能支撐政府多個垂直行業，這使得我們不需要為每一個垂直行業單獨建設一套基礎設施。共享同一套基礎設施，是跨行業打通業務的基礎。這意味著，軟件基礎設施要能與行業獨有的個性化業務特征解耦。

2)懂行業。新型智慧城市軟件基礎設施不能是與業務完全絕緣的軟件平臺，而要能具備行業認知，并具備持續提升行業認知的能力，這使得各業務部門基于它建立業務應用的時候，能享受到行業認知的賦能，這也是降低業務應用建設門檻的關鍵之一。

3)連接行業。新型智慧城市軟件基礎設施的另一個作用是實現不同行業的業務流程連接和業務體系的融合。一套軟件基礎設施能支持多個行業基于它構建應用，是做到了“跨行業”；多個行業的垂直業務系統還能通過軟件基礎設施進行數據的交換、流程的銜接，才是做到了“連接行業”。智慧城市的建設是多行業并行建設，只有打破各行業獨立發展的局面，促進相關行業業務體系的融合，才能最大程度地實現城市的數字化與智能化。

新型智慧城市軟件基礎設施的業務屬性如圖1所示。

2.2 新型智慧城市軟件基礎設施的技術特征

新型智慧城市軟件基礎設施還應當具備以下技術特征。

1)平臺性。新型智慧城市軟件基礎設施要能支持多行業的應用系統的持續迭代，向應用系統提供安全的、穩定的、高可用的、性能良好的數據服務、計算服務、以及各類應用引擎。

2)可迭代性。業務系統的持續發展要求新型智慧城市軟件基礎設施提供日益豐富的功能，軟件基礎設施必須具備技術上自我迭代和擴展的能力。

3)水平和垂直雙向兼容性。新型智慧城市以分城分級建設的方式開展，各地市、區縣、鄉鎮都希望結合本地特有的營商環境、風土人情來建設。通常，每個地市需要建設一套自己的智慧城市軟件基礎設施，地市管轄的區縣則可能是共享一套設施，也可能是各自建設。這就要求智慧城市軟件基礎設施要能跨地市水平兼容，這是多個城市業務聯動的必要條件；還要求能夠連接地市、區縣、鄉鎮，實現垂直兼容，這是一個地市內部多層級業務聯通的必要條件。

4)低耦合性。低耦合性包括兩個方面：一是和應用系統解耦，二是內部各組成部分之間相互解耦。智慧城市軟件基礎設施立足于全面的、中長期的城市規劃，支撐泛行業的應用系統；應用系統則應充分支撐當前業務特征，并具面向未來的迭代能力。技術上，應用系統依賴于智慧城市基礎設施，但不應該存在任何反向的依賴。智慧城市建設過程中，不同級別的業務體量或者不同的建設階段，對于基礎設施的需求不盡相同，需要能基于當前的需求靈活地拼裝成一套基礎設施，未來需求增長時，能增補更多的能力。

圖1 新型智慧城市軟件基礎設施的業務屬性

3 新型智慧城市軟件基礎設施應具備的核心能力

新型智慧城市軟件基礎設施包括以下五個組成部分：大數據泛感知能力、大數據存儲與計算能力、AI識別與分析能力、應用基礎能力、業務套件，它們之間的支撐關系如圖2所示。

3.1 大數據泛感知能力

數據是智慧城市的基礎。有些數據用來支撐業務決策，比如對于歷史業務數據的分析；有些數據就是業務流程內在不可缺少的組成部分，比如各類傳感器感知到的業務數據。從軟件的視角，數據泛感知能力的本質是把離線的或在線的各種類型的數據收集起來，為后續的計算提供數據基礎。數據來源主要包括：1)由5G+AIoT構成的物聯感知系統，除了收集物聯網設備感知到的業務數據以外，還對設備的工作狀態進行監控和管理。2)用來獲取互聯網輿情等公開數據的網絡爬蟲。3)分析政務服務和城市治理水平和問題的政務熱線體系(包括熱線電話、手機APP等融媒體渠道)，它可以從市民對于智慧城市的直接感受中獲取信息。4)在合理授權和安全脫敏的前提下，從各業務系統中獲取的業務數據。

圖2 新型智慧城市軟件基礎設施能力結構圖

3.2 大數據存儲與計算能力

對海量異構數據的存儲與計算，包括非實時的分析型計算和實時的交互查詢型計算，提供符合行業規范的數據服務或者模型計算服務。主要包括以下內容。

1)存儲計算引擎，負責存儲和計算海量的結構化、半結構化、非結構化的數據，提供兩種計算模式：對時效性要求不高的分析型計算，和要求實時返回的交互式查詢。這意味著要同時具備數據倉庫和交易性數據查詢系統的能力。

2)數據匯聚與治理，從不同的感知體系中獲取數據，之后對數據進行一系列的治理操作：質量稽核用來發現臟數據，數據清洗用來去除或者修正臟數據，根據行業數據資產編目規范對數據進行編目，按照行業慣例對數據進行一系列運算形成數據寬表，根據特定業務需求建立數據集市。

3)數據血緣與鏈路計算，對于數據匯聚、治理、使用的全流程中每一次ETL(抽取、轉化、加載)、使用的過程對數據上下游關系以及數據計算耗時做記錄和監控，用于數據溯源分析和數據鏈路性能管控。

4)數據資產管理，對于數據資產做命名、歸類、編排、訪問授權管理。數據資產包括業務數據和元數據(用來描述業務數據的數據)。數據資產的管理單位應該有不同的顆粒度，比如可以是表、行或列，也可以是文件或者文件夾。每個行業的元數據都有其特定的屬性，同時也大都具備一定的行業標準。元數據資產的預定義和管理可有效提升業務數據治理效率和業務數據資產的標準化程度，進而利于數據層面向應用系統暴露的接口的標準化。5)數據共享交換，本質上是對數據資產訪問權限的管理和對數據訪問過程的審計。管理員根據業務需求和權限與期限設定將特定的數據資產開放給特定的用戶，用戶通過數據中間庫或者數據服務API訪問數據，訪問日志被記錄下來用于事后審計或者問題排查。數據共享交換是新型智慧城市軟件基礎設施實現不同行業業務系統的數據連接的核心能力。

3.3 AI識別與分析能力

面向一網通辦和一網統管業務提供語音識別、語義識別、視頻圖像識別和機器學習行業建模的能力。值得注意的是，人工智能涉及諸多技術領域，每個領域都有一定的技術門檻。雖然近些年各領域人工智能算法達到前所未有的開放程度，但從算法到場景化落地，再到上線投入生產，需要大量的算法優化和工程化技術研發，其中的技術與業務門檻不可小覷。因此，作為智慧城市軟件基礎設施的AI能力不宜走“AI算法開放平臺”的技術路線，而應該將算法、算法工程化、線上業務效果持續調優能力封裝成面向應用系統的AI服務，使得沒有算法基礎的業務系統開發者能直接使用，輔以簡單的參數調試即可完成上線部署交付。

業務的發展會帶來場景的變化，使得AI準確率和召回率下降，為確保線上業務效果持續穩定，交付后的持續優化必不可少。然而，僅靠定期人工調試來實現是不夠的。AI生產系統要具備數據回流的能力，通過AI計算過程與業務結果的閉環分析，實現半自動甚至部分場景里全自動的參數調優。

3.4 應用基礎能力

建設大數據泛感知能力、大數據存儲與計算能力、AI識別與分析能力是為了將傳統業務流程應用升級為數字化的、智能化的應用；應用基礎能力則是為了提升應用軟件的構建效率和質量。我們對一網通辦和一網統管的業務流程做提煉，就能對其應用系統能力抽象出高頻使用的能力，并將這些能力封裝成邏輯高內聚的技術中間件。一方面，這些中間件與業務代碼解耦，使得它們具備支持多個細分行業多種應用場景的能力，并能獨立于業務代碼向前迭代(但需要在接口層面滿足向后兼容)；另一方面，這些中間件構成了應用系統的技術骨架，當它的響應速度、長期運行的穩定性、高可用性、安全性、可擴展性等技術指標得到保障后，基于其構建的業務應用系統的技術指標就有了保障。這使得應用系統開發者無需關心中間件復雜的內在邏輯，而直接使用其提供的服務，就能快速構建高質量的應用系統。應用基礎能力是新型智慧城市實現不同行業業務系統的流程銜接的核心，主要包括以下內容。

1)多級網格化組織結構與用戶管理：提供分層級的、網狀的組織結構配置能力，角色、權限、用戶的配置能力，和可供所有應用系統調用的鑒權服務。

2)報表引擎：提供通過界面配置，輔以少量的SQL代碼(或更易讀的類SQL偽代碼)的方式，由實施團隊或者業務用戶根據需求快速定制報表的能力。

3)工作流引擎：提供通過界面拖拽即可快速生成電子表單的能力，創建和配置工作流模板的能力，以及執行工作流實例的能力。

4)2D/3D高性能渲染：提供基于地圖的或者建筑內外視角的2D/3D呈現能力，這是各行業數字孿生系統在展現層被廣泛使用的能力，比如各類態勢呈現系統和業務流程協同系統用到的數字大屏。

5)時空地理數據計算：提供基于時間和空間兩個維度的數據計算能力，并將數據渲染在地圖上，常用于在地圖上呈現行業的態勢指標在一段時間和一個地理空間內的歷史變化或者未來趨勢。

6)GIS引擎：提供地圖數據的配置、計算和渲染能力。

7)BIM建模：提供樓宇建筑內外的3D建模和渲染能力。值得注意的是，智慧城市場景里的BIM和建筑設計場景不同，建模的精度可以適當降低，以減少對數據算力和渲染能力的硬件要求，降低實施成本。因此，BIM建模能力還要提供將專業建筑設計級別的BIM數據模型泛化和降維的能力。

8)移動端低代碼開發平臺：提供快速搭建移動端應用的能力。政府移動辦公、市民移動辦事，是提升智慧城市業務效率的重要手段。考慮到與PC端的屏幕大小和輸入法的差異，移動端應用主要以分析結果數據呈現、事件處置流轉、消息推送處置等不需要大量文字輸入但要求較高的處置時效性的場景為主。因此，移動端開發平臺的主要能力應該以“小而易用”為原則，比如聚焦在報表渲染、事件流轉、消息處理等功能。

9)基于元模型驅動的業務建模架構：是保障上述絕大多數能力與個性化的業務邏輯解耦的技術基礎。應用基礎能力最大的技術難點是模型抽象，不管是簡單的站內消息模型，還是復雜的交叉型組織結構，抑或是更為復雜的業務處置流程，都需要抽象出用來描述模型的模型，才能無限趨近于與業務流程徹底解耦。

3.5 業務套件

業務套件是對智慧城市業務系統進行抽象后，提取出的具備跨業務甚至跨行業通用的業務系統模塊的集合，每個業務系統的數據、流程、用戶界面都可以通過配置來實例化成某個行業的業務系統模塊。業務套件是五大能力中業務屬性最強的部分。智慧城市應用系統包括如下常用的業務套件。

1)城市態勢綜合呈現：用多項業務指標呈現城市運行的態勢，包括過去的演變歷史和未來的發展趨勢。值得注意的是，呈現出的態勢應該帶著業務的判斷，能直接地表征業務優劣程度并呈現風險，而不僅僅是物理世界的簡單的數字化渲染。

2)城市運行指標定義、監測、預警：要計算運行態勢，首先要定義城市運行指標。城市治理體系中，經濟、文化、旅游、民生、生態、公安等行業都有自己的符合一定信息管理規范或者慣例的指標，該套件自帶預定義的運行指標，同時支持用戶自定義運行指標，并支持用戶基于指標定義監測和預警規則。當指標觸發規則產生預警，預警信息封裝成標準的消息，被應用系統消費。

3)事件處置、協同指揮：事件處置是智慧城市應用系統中常見的業務形式，其難點在于如何在多個彼此孤立的系統之間完成一個事件的流轉和協同處置，尤其是在已有的舊系統和新建的系統之間流轉。傳統的做法是需要有流程關聯的系統之間兩兩對接，對已有系統改造量大，且一個事件跨的應用系統越多，事件流轉鏈路的脆弱性越高。該套件提供獨立于各應用系統之外的事件路由服務。各應用系統在事件路由服務上注冊關注的事件類型，從中獲取事件，完成處置之后，把結果提交給事件路由服務。事件路由服務定義注冊和提交的技術規范，各應用系統只需要少量的增量開發就能接入事件網絡，而不需要修改內部邏輯。事件路由服務作為整個事件網絡的中心，對并發能力、高可用、安全性有較高的技術要求。此外，該套件提供多對多的語音和視頻通信能力，提升協同指揮的效率。

4)考核評估：提供可靈活配置的考核規則、考核審批流程、考核數據流入流出等功能。

5)輔助決策：提供基于統計模型和機器學習模型的數據分析能力，以及基于知識圖譜的檢索能力。

4 小結

新型智慧城市的建設是一個持續建設的過程，隨著數字化、智能化程度的持續提升，新型的業務訴求會不斷地自然而然地涌現，這將需要越來越豐富的業務支撐系統，同時對于業務支撐系統的能力、構建速度和更新頻率的要求也會與日俱增。實施新型智慧城市軟件基礎設施是支撐業務快速發展的最佳途徑之一。新型智慧城市軟件基礎設施聚焦于五大核心能力，具備相對穩定的可預見的演進迭代路線，它使得新型智慧城市軟件體系整體可持續發展成為可能。