邊緣計算和云計算在智慧城市建設中的應用

關鍵詞：邊緣計算;云計算;智慧城市建設

中圖法分類號：TP393 文獻標識碼：A

1引言

邊緣計算以互補的方式應用在智慧城市建設中，能夠解決傳統封閉式架構對云端過分依賴所導致的通信覆蓋面窄、連接和傳輸成本高、數據處理延時等問題，將計算、通信及存儲等遷移到基礎設施架構的邊緣，使云架構在時延、數據分析及成本等方面的壓力得以緩解。

2邊緣計算、云計算及智慧城市的相關概述

2.1邊緣計算

2.1.1定義

邊緣計算指的是：在網絡邊緣執行計算的新興技術模型，從數據源至云計算中心路徑之間的網絡資源、任意計算都稱為邊緣，網絡邊緣設備既可以從云中心請求服務、內容，也可以執行數據存儲、緩存、處理、隱私保護及設備管理等計算任務。

2.1.2特點

邊緣計算的特點為：其一，邊緣計算主要以運算節點下沉的方式進行流量負載，數據傳輸速度較快，能夠實現實時數據的分析和處理，使數據處理靠近源，起到縮短延遲時間的作用;其二，運營成本低。對于企業而言，以往利用數據中心網絡對本地設備上的數據進行管理時需消耗較多成本。而基于邊緣計算，企業運營管理的成本得以降低，使企業經費預算減少;其三，確保數據安全。邊緣計算主要從權限切換、統一管理及跨域數據這三個層面優化數據隱私性能，為用戶創設安全的數據使用環境，確保數據模型、用戶信息及數據切片等方面的安全性;其四，加強穩定性。與云計算大數據中心方式相比較，邊緣計算為分散的節點，便于對故障影響的范圍、數據量進行控制，使數據處理設備的負擔減輕，確保為用戶提供更加穩定的服務。

2.2云計算

2.2.1定義

云計算作為一種服務提供模型，利用網絡訪問數據中心的網絡、計算及存儲等資源為應用提供具有伸縮性的分布式計算能力，使用虛擬化技術構建共享資源池，擁有計算、監督等能力，且能夠對計算資源進行動態分割、分配，為用戶提供高效的交付服務，滿足不同用戶多樣化的需求。云計算是基于網絡技術、分布式計算機并行計算上發展而成，按照服務種類可以將其分為基礎設施、平臺、軟件。

2.2.2云計算的特點

其一，云中心服務器的規模較大。比如，目前微軟、谷歌等大型公司的云計算平臺擁有十萬臺服務器，小型公司的私有云項目擁有上百臺或上千臺服務器，意味著可以為用戶提供海量存儲空間、計算能力;其二，可靠性高。由于云計算是在分布式服務器集群基礎上設計的，為了避免單點錯誤的出現，云計算中心采取副本策略、計算節點同構互換等機制，增強云計算的可靠性;其三，拓展性強。云計算能夠根據用戶的特定需求實現資源動態化分配、釋放，當用戶需求發生改變的情況下，云計算能夠靈活地調整匹配資源，以彈性化的方式向用戶提供或釋放資源，突顯出云計算在資源方面的拓展性;其四，虛擬化。利用虛擬化技術對不同分布位置的資源進行整合，形成統一的共享資源池，便于用戶在不受時間、空間約束的情況下，通過網絡享受云計算中心所提供的服務。

2.3智慧城市

智慧城市指的是：借助先進技術來構建城市基礎設施，使城市管理服務更加便捷，為人們提供舒適、便捷的生活環境。在智慧城市建設中，將邊緣計算和云計算相結合，為城市建設提供新的計算方式，利用分布計算任務的方式使城市各個應用系統具有計算力、存儲空間等服務，從而提高城市應用系統數據的使用效率，以改善人們的生活質量和城市的環境質量。

因此，有人將云計算、邊緣計算分別比作是智慧城市的“大腦”和“眼睛、耳朵、手腳”，二者所提供的服務類型、目標應用等存在差異，如表1所示。邊緣計算的實際應用需依托云計算中心的海量存儲、計算能力，而云計算的應用需邊緣設備處理海量數據、隱私數據，在二者相互作用下，達到節約能耗、保護隱私及實時性等要求。

3邊緣計算與云計算應用于智慧城市建設的必要性分析

3.1邊緣技術與云計算結合應用于智慧城市建設的優勢

3.1.1滿足物聯網場景服務

邊緣設備具有智能性，能夠根據設備性能、任務需求，對信息是否傳回網關、云端加工處理進行有效判斷。充分利用邊緣計算所具備的計算能力，可以對業務進行實時處理，并且可以利用云計算對數據進行整體分析、處理，在二者協同作用下實現物聯網場景服務。

3.1.2節約智慧城市建設成本

智慧城市是多系統、多行業及多應用構成的綜合體。城市的各個應用體系需要信息之間的交互、資源的共享，為了充分發揮城市各系統的功能，將邊緣計算相融合應用于智慧城市建設中，能夠起到協調城市各應用系統，計算、存儲城市中的海量數據，節約智慧城市建設成本等作用。

3.1.3整合城市信息資源

當前，城市各個領域處于網狀關系，智慧城市的建設需了解、獲取城市各類信息，對各領域之間的網狀關系進行分析。其中，將信息流、資源流、人才流等信息存儲于云端，可以實現城市信息資源的整合。此外，智慧城市建設的本質是融合，在實現傳統產業與信息技術融合的過程中，為新型網站建設、快遞等行業提供發展機遇，比如利用邊緣計算、云計算平臺構建智慧政府、交通、教育及醫療等，可以為智慧城市的構建提供廣闊的發展空間。

3.2智慧城市建設存在的問題

3.2.1用戶流失，資源浪費

目前，在智慧城市建設中，社會運行管理、物聯網及醫療等方面都使用數據中心對數據進行處理，這種數據處理方式需擔負日常查詢、復雜數據清洗、數據建模、數據匯總等多方面的工作，意味著其業務壓力較大，容易出現數據反饋效率低的問題，無法滿足用戶的實際需求，導致部分用戶流失、資源浪費。

3.2.2智慧城市各應用系統的服務能力被弱化

智慧城市中數據的生成需要借助智能設備、外接式監控單元來實現，其自身無法對大規模數據進行存儲，加之不同設備所生成的數據在格式、內容量、規則及標準等方面具有一定差異，通常需將其轉換成統一標準后，才能分配給智慧城市各應用系統進行數據加工，說明其服務能力較弱。因此，在智慧城市建設中，應用邊緣計算和云計算具有必要性。

4邊緣計算和云計算有效應用于智慧城市建設的措施

4.1在智慧城市建設中應用邊緣計算

4.1.1基于邊緣計算的智慧城市架構

隨著全球信息應用市場的快速發展，政府在智慧城市建設中給予政策、市場及技術等方面的支持，加之5G技術的推動，現有的技術架構已無法滿足海量、實時數據處理和交互的需求，借助邊緣計算可以為智慧城市建設提供軟件數據處理、硬件嵌入技術及接入手段方面的支持，所構建的新智慧城市體系架構包括：數據采集、邊緣能力、基礎環境、應用提供、信息需求者及信息加工六個層面。其中，數據采集層的主要任務是：借助接口讀取不同型號傳感器所獲取的衛星定位、射頻感應等各類數據，按照該系統的格式要求對數據進行存儲，為運算工作做好準備;邊緣能力層主要負責計算標準模型的數據，以短路徑的方式將計算結果反饋給前端，該層會借助工控機、芯片及服務主機等設施對采集到的數據進行匯總、分析、反饋及處理，然后將信息傳送到相應的數據中心。

4.1.2在智慧城市建設中邊緣計算的具體應用

其一，智慧社區。為了保證小區居民的安全，將邊緣計算應用于安防管理系統，借助攝像機對小區內部車輛、人員進行監測，且對其進行結構化分析，可以警示、告警等形式輔助小區開展安全管理工作;其二，智慧交通。在城市交通管理中，為了實時監測和掌握交通路況、擁堵及違章等情況，比如在城市交通監測中，在各個路段安裝高清攝像頭，利用前端電警、卡扣等對車輛、路人行為進行規劃，實時監測交通路況、違章等情況，再借助邊緣服務器獲取、分析智能交通控制系統中的數據，可以根據實際情況對交通信息燈進行控制，以緩解交通擁堵情況，如圖1所示;其三，智慧安檢。在機場、火車站等安檢位置裝置自動檢票機器，將設備與數據庫相連接，可以提供人證合一的自助安檢服務，提高入站效率，緩解安檢人員的工作壓力。而通過站內攝像設備監測的情況，可以實時掌控站內人流情況，便于監控重點對象，確保人們出行安全;其四，智慧醫療。在醫療中，對數據響應的要求比較高，借助邊緣計算能夠滿足其快速響應的需求，便于開展遠程診斷工作，比如在流感暴發時期，醫院作為邊緣結點之一，將感染人數、治療成本及癥狀等信息與藥方、政府、醫藥企業等其他結點進行共享，便于其他邊緣結點調整和制定相應的工作方案。

4.2在智慧城市建設中應用云計算

4.2.1云計算支撐平臺的架構

基于云計算的智慧城市建設，所搭建的支撐平臺架構包括：資源池、數據處理中心、云服務中心、云操作系統及物理設備等層。其中，物理設備、資源平臺主要負責將云存儲、通信網絡等虛擬化，所搭建的資源池，為基礎計算、操作服務等實施做好準備;云計算管理層主要借助操作系統、運營平臺為用戶提供多類型的管理和業務服務，以接口協議的方式，保障各網絡應用業務端口統一、協調。

4.2.2云計算在智慧城市建設中的具體應用

其一，智慧政府。智慧政府作為智慧城市建設中的重要組成部分，涉及政府部門以智慧化的手段分配和管理城市公共資源，向市民提供智慧化的政府服務等內容。比如將智慧城市生態環境、交通運輸、基礎設施等各領域的數據集成于“云”平臺，政府內部各部門借助該平臺傳送文件、下達方針政策、傳輸公共信息等，可以確保信息數據傳輸的安全、高效，能夠在短時間內對城市資源進行調度、合理配置[4]。此外，借助云平臺向城市居民提供多種形式的服務窗口，可以提高居民對政府服務的滿意度，便于構建服務性智慧政府。

其二，智慧交通。隨著城市人口的快速增長，為了滿足居民的通行品質、安全方面等需求，需構建城市智慧交通———以自動化的方式收集車速、車流及交通狀況等方面的信息，以智能化的方式對交通通行能力進行科學評估，制定出最佳的交通調度方案，比如將傳感器設備設置于各路段，便于24小時收集道路信息。而借助云計算基地對交通運行中產生的結構復雜、體量龐大數據進行轉化為統一格式，存儲于云平臺，再利用相關軟件對道路信息進行分析，可以對交通擁堵情況進行預測，以智能化的方式規劃出最優的行車路線。

其三，智慧社區。其作為智慧城市建設的單元，智慧化程度會直接影響居民的生活質量，比如利用云計算對智慧社區中的安防、教育、醫療及物業等資源進行整合，再以家庭為單位制定出個性化服務方案、差異化資源調度計劃，可以突顯出智慧社會運行的高效性。

5結束語

在萬物互聯的時代背景下，應用服務對數據的安全性、可靠性及實效性等要求比較高，而云計算模式在隱私保護、能耗及實時性等方面具有一定缺陷。將邊緣計算與云計算相結合應用于智慧城市建設中，可以充分發揮邊緣計算模型中邊緣終端的計算能力，通過執行部分或全部計算，對隱私數據進行保護，能夠起到延伸、補充云計算的作用，為物聯網、移動計算提供高效的計算平臺。

作者簡介：

張傳澄（2001—），本科，研究方向：邊緣計算、車聯網、云計算、車路協同創新。