智慧城市云計(jì)算平臺的設(shè)計(jì)分析

朱 磊，蘇敏杰，沈成龍

（1.華信咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310051；2.嘉興市12345政務(wù)熱線服務(wù)中心，浙江 嘉興 314001）

0 引 言

進(jìn)入全新階段的信息技術(shù)為城市建設(shè)的發(fā)展創(chuàng)造了全新的途徑，同時也衍生出智慧城市這一發(fā)展概念。尋常理念下的智慧城市在很大程度上以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為基礎(chǔ)，將云計(jì)算、大數(shù)據(jù)以及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)應(yīng)用到城市的開發(fā)、規(guī)劃與管理過程中，進(jìn)而推動城市的智能信息現(xiàn)代化建設(shè)速率[1]。在這樣一個過程中誕生的數(shù)據(jù)總量非常龐大，而云計(jì)算技術(shù)則負(fù)責(zé)了海量數(shù)據(jù)的收集、計(jì)算、控制以及處理等工作，這也使得云計(jì)算平臺的設(shè)計(jì)構(gòu)建必然會隨著智慧城市建設(shè)程度的不斷提升而受到更多關(guān)注，也進(jìn)一步肯定了云計(jì)算平臺在智慧城市構(gòu)建過程中展現(xiàn)出的價值。

1 智慧城市云計(jì)算平臺的設(shè)計(jì)原則

智慧城市云計(jì)算平臺本身具有規(guī)模龐大這一特質(zhì)，而適用于不同地區(qū)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(shè)是具有系統(tǒng)化和復(fù)雜化特點(diǎn)的工程項(xiàng)目，這就意味著智慧城市云平臺的建設(shè)只有在遵循一定原則與標(biāo)準(zhǔn)的前提下才能有效實(shí)現(xiàn)。相比傳統(tǒng)計(jì)算方式，云計(jì)算方式的可接入設(shè)備與概念可借助圖1進(jìn)行理解。

圖1 傳統(tǒng)計(jì)算與云計(jì)算特征對比

為確保智慧城市云計(jì)算平臺充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用與價值，在建設(shè)云計(jì)算平臺的過程中需遵循規(guī)范化、集中統(tǒng)一管理、開放性、系統(tǒng)松耦合、穩(wěn)定性、可持續(xù)性、易用性以及安全性等幾方面原則。其中，規(guī)范化是指智慧城市云平臺的建設(shè)需要遵循統(tǒng)一的業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目實(shí)施風(fēng)險有效控制的同時降低技術(shù)難度。集中統(tǒng)一管理是由中心管理平臺對門戶入口、角色職責(zé)以及管理策略等進(jìn)行統(tǒng)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(xié)議和接口等外部鏈接渠道都符合業(yè)界的開放式標(biāo)準(zhǔn)，方便各種管理維護(hù)工作的開展。平臺松耦合指的是平臺能以數(shù)據(jù)服務(wù)的形式為平臺應(yīng)用提供有效的數(shù)據(jù)支持，應(yīng)用組件化概念實(shí)現(xiàn)平臺松耦合[2]。穩(wěn)定性意味著需要對整體平臺架構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化與簡化，保持平臺結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并以實(shí)際發(fā)展需求為導(dǎo)向拓展應(yīng)用與功能。可持續(xù)性指的是設(shè)計(jì)平臺時要重視平臺的先進(jìn)性、可塑性以及模塊化水平，避免平臺在完成后一段時間內(nèi)還出現(xiàn)因?yàn)榧夹g(shù)發(fā)展進(jìn)行大規(guī)模調(diào)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(hù)手段需要盡可能簡易而靈活，方便人員維護(hù)管理工作的開展。安全性則意味著平臺應(yīng)具有較強(qiáng)的安全保護(hù)措施與故障恢復(fù)能力，進(jìn)而對平臺中數(shù)據(jù)的完整性和安全性提供可靠保障[3]。

2 智慧城市云計(jì)算平臺的總體功能架構(gòu)

結(jié)合上述智慧城市云計(jì)算平臺的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行分析，平臺在功能架構(gòu)上的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智慧城市云計(jì)算平臺總體功能架構(gòu)示意圖

綜合圖中內(nèi)容來看，智慧城市云計(jì)算平臺的功能架構(gòu)總共可分為IaaS層、PaaS層以及SaaS層3部分內(nèi)容。

2.1 IaaS層

IaaS層在硬件資源上具有統(tǒng)一化的特征，此功能層的主要目的是滿足包括PaaS層在內(nèi)各專業(yè)應(yīng)用平臺層的服務(wù)需求。其在內(nèi)容上包括服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)以及安全設(shè)備等，并以此構(gòu)建出相應(yīng)的計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行各類型信息處理工作（包括信息的運(yùn)算、存儲、交互以及保護(hù)等）時能夠獲得可靠的基礎(chǔ)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(jì)算平臺運(yùn)行的基礎(chǔ)。

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(yīng)用提供具有標(biāo)準(zhǔn)化特征的共享云服務(wù)。該層在結(jié)構(gòu)上包括了應(yīng)用孵化與業(yè)務(wù)運(yùn)行兩種環(huán)境，此外還包括云服務(wù)引擎、中間件平臺以及數(shù)據(jù)平臺3個功能組件。應(yīng)用孵化環(huán)境的作用是為開發(fā)者提供開發(fā)所需的環(huán)境及相關(guān)應(yīng)用支持，這能在有效提升應(yīng)用孵化質(zhì)量的基礎(chǔ)上顯著縮短孵化周期。云服務(wù)引擎能夠?qū)崿F(xiàn)對各類資源及功能的有效管理，包括服務(wù)的資源、計(jì)量、鑒權(quán)、監(jiān)控及路由管理等功能。中間件平臺負(fù)責(zé)對中間件進(jìn)行統(tǒng)一化的資源管理與動態(tài)共享，在內(nèi)容上包括交易類、分析類及Web類。數(shù)據(jù)平臺則用于管理數(shù)據(jù)庫并共享資源動態(tài)[5]。除此之外，平臺自身還擁有移動和應(yīng)用開發(fā)框架兩方面能力，并能夠借助終端管理實(shí)現(xiàn)對應(yīng)用終端各類型操作（業(yè)務(wù)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(fù)責(zé)對各類型應(yīng)用進(jìn)行細(xì)分與部署，當(dāng)前智慧城市中主要包括8個領(lǐng)域，而SaaS層的作用就是運(yùn)用云平臺統(tǒng)一門戶同步展現(xiàn)8個領(lǐng)域中所有涉及到的應(yīng)用，更重要的是多行業(yè)交叉的智慧應(yīng)用。

3 智慧城市云計(jì)算平臺的邏輯結(jié)構(gòu)

總體功能架構(gòu)側(cè)重于說明云計(jì)算平臺的功能模塊類型及內(nèi)容，而要明確各功能模塊之間的相互關(guān)系，則需要分析云計(jì)算平臺的邏輯結(jié)構(gòu)。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(jìn)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(wù)總線的功能，能為管理中心門戶提供統(tǒng)一的接口，包括用于對管理中心門戶各資源池進(jìn)行監(jiān)控及告警管理的監(jiān)控接口、幫助管理中心門戶計(jì)量針對資源的計(jì)量接口、可實(shí)現(xiàn)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(yīng)用系統(tǒng)的上傳、運(yùn)維及部署的應(yīng)用接口以及用于幫助管理中心門戶管理接入系統(tǒng)各類型服務(wù)的服務(wù)接口。

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

管理中心引擎能借助服務(wù)代理的形式對各種資源池資源進(jìn)行操作并發(fā)送至資源池。于資源池的角度來看，服務(wù)代理在發(fā)揮了服務(wù)總線作用的同時，會為所有出現(xiàn)注冊服務(wù)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(nèi)容包括以下幾部分。

一是應(yīng)用環(huán)境引擎代理。在環(huán)境引擎幫助下對資源池的部署及后續(xù)運(yùn)維工作通常需要由該代理能力觸發(fā)，一般是在某一應(yīng)用被部署到資源池之后，此代理會通過調(diào)動資源池的應(yīng)用部署接口來部署應(yīng)用程序。由于部署的過程本質(zhì)上是生成運(yùn)行源應(yīng)用的過程，因此單個源應(yīng)用可在不同資源池進(jìn)行多次部署。二是IaaS代理。用戶對IaaS中各項(xiàng)資源的獲取、使用與管理通常需要由該應(yīng)用觸發(fā)，而對單一資源池IaaS資源的訪問則需借助IaaS接口進(jìn)行。三是數(shù)據(jù)庫服務(wù)代理。此代理用于觸發(fā)并響應(yīng)用戶對數(shù)據(jù)庫服務(wù)的各類型實(shí)際工作需求。四是對象存儲服務(wù)代理。此代理用于觸發(fā)并響應(yīng)用戶對對象存儲服務(wù)的各種實(shí)際工作需求。五是監(jiān)控代理。該項(xiàng)代理用于響應(yīng)用戶對不同資源池系統(tǒng)接口的調(diào)用，幫助用戶獲取各類型所需的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

只有在以資源池服務(wù)總線為渠道的前提下，才能有效執(zhí)行以上各類型代理及對資源池服務(wù)的調(diào)用。通常情況下，進(jìn)行的查詢操作多采用同步方式，部分查詢需求的結(jié)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(diào)用需求則以虛擬機(jī)的啟動、部署準(zhǔn)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(qū)域或地域范圍內(nèi)，為了避免兩者之間松耦合性產(chǎn)生的影響，可采用將系統(tǒng)所有回調(diào)方式設(shè)置唯一數(shù)據(jù)參數(shù)的做法，以標(biāo)準(zhǔn)化的格式返回所有有需求的數(shù)據(jù)內(nèi)容[7]。由此可見，服務(wù)總線是所有資源池響應(yīng)服務(wù)調(diào)用的核心。另外，本地資源池服務(wù)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(xiàng)功能，而這兩項(xiàng)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(xiàn)需要使用服務(wù)總線的情況，一種是應(yīng)用本地總線直接訪問資源池的數(shù)據(jù)庫服務(wù)與對象存儲服務(wù)，另一種是在監(jiān)控管理過程中發(fā)現(xiàn)有獲取對象存儲服務(wù)系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)或數(shù)據(jù)庫服務(wù)系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的需求。在這種情況下會通過服務(wù)總線從PaaS的其他子系統(tǒng)或IaaS的系統(tǒng)中直接獲取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。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(tǒng)進(jìn)行的訪問。由于該接口的存在使得整個云計(jì)算平臺系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對IaaS的松耦合，因此如果出現(xiàn)需要替換底層IaaS的情況，那么只要在通用IaaS接口開發(fā)全新的適配器即可滿足相應(yīng)要求[9]。

4 智慧城市云計(jì)算平臺的應(yīng)用案例

云計(jì)算平臺在十幾年前就已經(jīng)得到切實(shí)的應(yīng)用與落實(shí)。以香港為例，香港在智慧城市建設(shè)過程中對云計(jì)算平臺的應(yīng)用主要體現(xiàn)在信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和城市建設(shè)管理等多個方面。

4.1 信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的應(yīng)用需要以網(wǎng)絡(luò)寬頻服務(wù)為基礎(chǔ)，而香港本身具有寬頻網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣泛的優(yōu)勢，因此在將云計(jì)算平臺應(yīng)用到信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中后成果斐然。據(jù)可靠調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，截止到2019年6月，香港本地的寬頻網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量達(dá)到4 368 420戶，住戶寬頻滲透率達(dá)到97.6%。在光纖技術(shù)得到全面普及之后，香港主要網(wǎng)絡(luò)服務(wù)公司的平均網(wǎng)絡(luò)連接速度超過了550 Mb/s，部分網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商的網(wǎng)速甚至是這個數(shù)字的10倍[10]。此外，香港的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)施鋪設(shè)同樣獲得了巨大成就，真正滿足了人們隨時隨地上網(wǎng)的需求。

4.2 城市建設(shè)管理

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

5 結(jié) 論

云計(jì)算平臺在智慧城市的發(fā)展建設(shè)過程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，且已經(jīng)被應(yīng)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(qū)域的智慧化建設(shè)及發(fā)展。而要確保云計(jì)算平臺能充分發(fā)揮其作用，需在設(shè)計(jì)層面結(jié)合智慧城市發(fā)展建設(shè)的實(shí)際需求做好功能劃分，針對云計(jì)算平臺不同的功能分區(qū)實(shí)現(xiàn)不同的功能響應(yīng)，推動人類社會的進(jìn)一步發(fā)展。