智慧城市云計算平臺的設計分析

朱 磊，蘇敏杰，沈成龍

（1.華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310051；2.嘉興市12345政務熱線服務中心，浙江 嘉興 314001）

0 引 言

進入全新階段的信息技術為城市建設的發展創造了全新的途徑，同時也衍生出智慧城市這一發展概念。尋常理念下的智慧城市在很大程度上以計算機網絡通信技術為基礎，將云計算、大數據以及物聯網等技術應用到城市的開發、規劃與管理過程中，進而推動城市的智能信息現代化建設速率[1]。在這樣一個過程中誕生的數據總量非常龐大，而云計算技術則負責了海量數據的收集、計算、控制以及處理等工作，這也使得云計算平臺的設計構建必然會隨著智慧城市建設程度的不斷提升而受到更多關注，也進一步肯定了云計算平臺在智慧城市構建過程中展現出的價值。

1 智慧城市云計算平臺的設計原則

智慧城市云計算平臺本身具有規模龐大這一特質，而適用于不同地區的平臺在功能上也會存在一定的差異，再加上智慧城市的建設是具有系統化和復雜化特點的工程項目，這就意味著智慧城市云平臺的建設只有在遵循一定原則與標準的前提下才能有效實現。相比傳統計算方式，云計算方式的可接入設備與概念可借助圖1進行理解。

圖1 傳統計算與云計算特征對比

為確保智慧城市云計算平臺充分發揮其應有的作用與價值，在建設云計算平臺的過程中需遵循規范化、集中統一管理、開放性、系統松耦合、穩定性、可持續性、易用性以及安全性等幾方面原則。其中，規范化是指智慧城市云平臺的建設需要遵循統一的業務標準與技術標準，在實現項目實施風險有效控制的同時降低技術難度。集中統一管理是由中心管理平臺對門戶入口、角色職責以及管理策略等進行統一化處理，在保障效率的同時有效控制成本。開放性是指平臺中的各種協議和接口等外部鏈接渠道都符合業界的開放式標準，方便各種管理維護工作的開展。平臺松耦合指的是平臺能以數據服務的形式為平臺應用提供有效的數據支持，應用組件化概念實現平臺松耦合[2]。穩定性意味著需要對整體平臺架構進行相應的優化與簡化，保持平臺結構的穩定性，并以實際發展需求為導向拓展應用與功能。可持續性指的是設計平臺時要重視平臺的先進性、可塑性以及模塊化水平，避免平臺在完成后一段時間內還出現因為技術發展進行大規模調整的情況，僅需要簡單升級就可滿足功能需求。易用性指平臺本身的維護手段需要盡可能簡易而靈活，方便人員維護管理工作的開展。安全性則意味著平臺應具有較強的安全保護措施與故障恢復能力，進而對平臺中數據的完整性和安全性提供可靠保障[3]。

2 智慧城市云計算平臺的總體功能架構

結合上述智慧城市云計算平臺的設計原則進行分析，平臺在功能架構上的結構如圖2所示。

圖2 智慧城市云計算平臺總體功能架構示意圖

綜合圖中內容來看，智慧城市云計算平臺的功能架構總共可分為IaaS層、PaaS層以及SaaS層3部分內容。

2.1 IaaS層

IaaS層在硬件資源上具有統一化的特征，此功能層的主要目的是滿足包括PaaS層在內各專業應用平臺層的服務需求。其在內容上包括服務器、存儲、網絡以及安全設備等，并以此構建出相應的計算、網絡與安全3方面的資源池，這樣平臺中其他層乃至平臺本身在進行各類型信息處理工作（包括信息的運算、存儲、交互以及保護等）時能夠獲得可靠的基礎資源支持[4]。由此可見，IaaS層的價值在于為整個平臺提供物理硬件層面及虛擬資源層面的支持，是整個云計算平臺運行的基礎。

2.2 PaaS層

PaaS層能夠提供的功能同樣面向整個平臺，主要是為其他應用提供具有標準化特征的共享云服務。該層在結構上包括了應用孵化與業務運行兩種環境，此外還包括云服務引擎、中間件平臺以及數據平臺3個功能組件。應用孵化環境的作用是為開發者提供開發所需的環境及相關應用支持，這能在有效提升應用孵化質量的基礎上顯著縮短孵化周期。云服務引擎能夠實現對各類資源及功能的有效管理，包括服務的資源、計量、鑒權、監控及路由管理等功能。中間件平臺負責對中間件進行統一化的資源管理與動態共享，在內容上包括交易類、分析類及Web類。數據平臺則用于管理數據庫并共享資源動態[5]。除此之外，平臺自身還擁有移動和應用開發框架兩方面能力，并能夠借助終端管理實現對應用終端各類型操作（業務開通、注冊、暫停、注銷、掛起等）的有效管理。

2.3 SaaS層

該層主要負責對各類型應用進行細分與部署，當前智慧城市中主要包括8個領域，而SaaS層的作用就是運用云平臺統一門戶同步展現8個領域中所有涉及到的應用，更重要的是多行業交叉的智慧應用。

3 智慧城市云計算平臺的邏輯結構

總體功能架構側重于說明云計算平臺的功能模塊類型及內容，而要明確各功能模塊之間的相互關系，則需要分析云計算平臺的邏輯結構。通常處于不同地理位置的資源池均由管理中心引擎的資源池管理模塊進行管理，而位于管理中心引擎的能力開放引擎核心具有服務總線的功能，能為管理中心門戶提供統一的接口，包括用于對管理中心門戶各資源池進行監控及告警管理的監控接口、幫助管理中心門戶計量針對資源的計量接口、可實現云平臺上各種類型資源獲取與管理的資源接口、提供各類型應用系統的上傳、運維及部署的應用接口以及用于幫助管理中心門戶管理接入系統各類型服務的服務接口。

對于管理中心引擎而言，所有應用系統的管理都需要在應用管理模塊的支持下完成，而對于這些被管理的應用系統而言，它們會被統一存儲在管理中心，不會因地域的不同有所差別。應用管理模塊在管理這些應用的過程中會對其系統進行定義并上傳相應程序，同時也會部署相應的規格模板[6]。單個應用程序規格模板的部署并不具有唯一性，可進行復數的部署，所有應用都具有全局唯一的特征，因而有著源應用的說法。

管理中心引擎能借助服務代理的形式對各種資源池資源進行操作并發送至資源池。于資源池的角度來看，服務代理在發揮了服務總線作用的同時，會為所有出現注冊服務需求的資源值生成代理對象，用于處理具體資源池的代理工作，工作內容包括以下幾部分。

一是應用環境引擎代理。在環境引擎幫助下對資源池的部署及后續運維工作通常需要由該代理能力觸發，一般是在某一應用被部署到資源池之后，此代理會通過調動資源池的應用部署接口來部署應用程序。由于部署的過程本質上是生成運行源應用的過程，因此單個源應用可在不同資源池進行多次部署。二是IaaS代理。用戶對IaaS中各項資源的獲取、使用與管理通常需要由該應用觸發，而對單一資源池IaaS資源的訪問則需借助IaaS接口進行。三是數據庫服務代理。此代理用于觸發并響應用戶對數據庫服務的各類型實際工作需求。四是對象存儲服務代理。此代理用于觸發并響應用戶對對象存儲服務的各種實際工作需求。五是監控代理。該項代理用于響應用戶對不同資源池系統接口的調用，幫助用戶獲取各類型所需的監控數據。

只有在以資源池服務總線為渠道的前提下，才能有效執行以上各類型代理及對資源池服務的調用。通常情況下，進行的查詢操作多采用同步方式，部分查詢需求的結果會在管理中心中短時間緩存，而另一些采用異步方式的操作及調用需求則以虛擬機的啟動、部署準備及開始為主。由于管理中心和資源池并不一定處于同一區域或地域范圍內，為了避免兩者之間松耦合性產生的影響，可采用將系統所有回調方式設置唯一數據參數的做法，以標準化的格式返回所有有需求的數據內容[7]。由此可見，服務總線是所有資源池響應服務調用的核心。另外，本地資源池服務總線通常具備提供本地資源訪問接口及將本地資源池接口暴露給管理中心兩項功能，而這兩項功能具有明顯的相對性與雙向性[8]。此外，在資源池位于本地的情況下也會出現需要使用服務總線的情況，一種是應用本地總線直接訪問資源池的數據庫服務與對象存儲服務，另一種是在監控管理過程中發現有獲取對象存儲服務系統監控數據或數據庫服務系統監控數據的需求。在這種情況下會通過服務總線從PaaS的其他子系統或IaaS的系統中直接獲取監控數據。最后，資源池PaaS與IaaS之間通常會保留一個通用的IaaS接口，此接口用于完成各種針對IaaS系統進行的訪問。由于該接口的存在使得整個云計算平臺系統能夠實現對IaaS的松耦合，因此如果出現需要替換底層IaaS的情況，那么只要在通用IaaS接口開發全新的適配器即可滿足相應要求[9]。

4 智慧城市云計算平臺的應用案例

云計算平臺在十幾年前就已經得到切實的應用與落實。以香港為例，香港在智慧城市建設過程中對云計算平臺的應用主要體現在信息化基礎設施建設和城市建設管理等多個方面。

4.1 信息化基礎設施建設

云計算和物聯網等新一代信息技術的應用需要以網絡寬頻服務為基礎，而香港本身具有寬頻網絡覆蓋廣泛的優勢，因此在將云計算平臺應用到信息化基礎設施建設中后成果斐然。據可靠調查數據顯示，截止到2019年6月，香港本地的寬頻網絡用戶數量達到4 368 420戶，住戶寬頻滲透率達到97.6%。在光纖技術得到全面普及之后，香港主要網絡服務公司的平均網絡連接速度超過了550 Mb/s，部分網絡服務商的網速甚至是這個數字的10倍[10]。此外，香港的無線網絡設施鋪設同樣獲得了巨大成就，真正滿足了人們隨時隨地上網的需求。

4.2 城市建設管理

在有效應用了云計算平臺后，香港已經建成一個綜合型的GIS系統，該系統內包括基本制圖、地理信息檢索、專題信息及城市規劃信息的子系統，完全滿足港府與公眾服務的需求。其中無線射頻技術在香港機場行李確認與管理工作中得到廣泛應用，該系統通過在行李標簽中安裝識別芯片以記錄行李的簡單信息，并以此開發了相應的分揀系統，其分揀系統具有自動讀取行李信息的功能，在識別的有效性上達到97%甚至100%，大幅提升了港府機場行李分揀的準確性與機場整體的工作效率。

5 結 論

云計算平臺在智慧城市的發展建設過程中發揮了至關重要的作用，且已經被應用到世界多個國家及多個城市中，顯著推動了這些城市與區域的智慧化建設及發展。而要確保云計算平臺能充分發揮其作用，需在設計層面結合智慧城市發展建設的實際需求做好功能劃分，針對云計算平臺不同的功能分區實現不同的功能響應，推動人類社會的進一步發展。