智慧城市的頂層設計與發展

張中偉 張之義

摘要：在智慧城市建設過程中，根據實踐經驗提出了智慧城市建設的總體思路與建設思想，以智慧城市建設實例展開闡述其建設的需求分析、總體架構和實現技術等主要內容，對智慧城市建設過程進行分享。根據智慧城市建設實踐，總結了智慧城市建設的經驗與對策，并對其發展趨勢進行了分析與展望，為其他智慧城市建設提供參考。

關鍵詞：智慧城市；系統架構；統一感知；統一運維；柔性架構

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）11-51-3

城市在人類社會發展過程中發揮著越來越重要的作用，應該積極地將科學技術引入到城市的建設與管理過程當中，使城市獲得高速發展，為人類生活提供美好的生活空間。諾貝爾經濟學獎獲得者斯蒂格利茨曾經說過，有兩件大事影響21世紀人類社會發展進程，即中國城市化和美國高科技[1]。以物聯網為基礎，基于數字城市建設，利用和融合更為先進的技術，為未來城市發展提供技術支撐，極大影響著城市的發展，通過智慧城市建設，對城市的科學、合理建設等方面進行探究，對智慧城市建設和發展具有重大意義。

智慧城市的概念一直沒有統一定義，較有代表性的定義包括：IBM公司對智慧城市的解釋是充分運用信息和通信技術手段感測、分析、整合城市運行核心系統的各項關鍵信息，從而對包括民生、環保、公共安全、城市服務和工商業活動在內的各種需求做出智能的響應，為人類創造更美好的生活[2]；李德仁等提出智慧城市是在各行各業充分應用新一代的IT技術，通過傳感器將各種物體普遍連接，形成物聯網，并與互聯網整合，更加精細和動態地管理生產和生活[3]；國家發展改革委等給出的定義是智慧城市是運用物聯網、云計算、大數據和空間地理信息集成等新一代信息技術，促進城市規劃、建設、管理和服務智慧化的新理念和新模式[4]。

盡管智慧城市的定義眾說紛紜，但是本文認為智慧城市的實質是物聯網、云計算、大數據和空間地理信息等新一代信息技術創新應用與城市轉型發展的深度融合，促進城市規劃、建設、管理和服務智慧化的新理念和新模式[5]，體現城市走向綠色、低碳、可持續、以人為本和高效運行的發展需求。

智慧城市建設以實現城市建設目標為目的，以領域應用來體現智慧城市建設的重點內容，是達到城市目標要素的實現過程，在進行城市建設過程中需要通過頂層設計進行全局規劃，以城市的實際需求為輸入，結合城市運行的客觀實際進行建設方案的設計與實施[6]。

2.1需求分析

根據信息化基礎設施調研材料，梳理信息化建設需求，結合需求分析和立足城市建設需要，歸納出其智慧城市建設的戰略目標：統一融合、高速安全的基礎設施；實時高效、無處不在的信息服務；全程全時、實用實惠的惠民服務；穩定和諧、細致安全的社會治理；低碳綠色、治理有序的宜居環境；創新融合、持續健康的產業生態。

為了實現戰略目標，需要依據信息化建設需求，解決城市運行過程中存在的問題，堅持以人為本，最大化滿足城市發展、民眾需要、便捷安全的城市理念，使用頂層設計的思路和方法進行智慧城市頂層設計規劃。

2.2系統架構

智慧城市分層架構，如圖1所示。系統架構設計為分層架構，分為基礎設施、公用用平臺和公共服務3部分。

智慧城市分層架構包括：

“一云、一網、一中心”基礎設施：一云指統一集中的云計算基礎設施；一網指整合城市通信網絡和物聯網基礎設施資源，融合成一張“天地一體化泛在網絡”；一中心指結合發展趨勢，建設城市運營管理中心，實現城市功能整合，按需服務。

“一圖、一庫、一平臺”公用平臺：一圖指建設全市三維立體全景圖，實現對城市地上地下空間資源統一管理；一庫指建設城市綜合管理庫，覆蓋各種基礎庫以及各業務應用專題庫；一平臺指構建一個信息共享、開放、安全的通用功能平臺，形成統一資源、數據融合、促進綜合、推進開放、保障安全的開放通用信息環境。

“一號、一窗、一證”公共服務：主要以面向市民服務為中心，橫向打通各類信息化系統，實現便捷、優質、高效的惠民服務，即以12345為統一接入號碼的市民服務熱線、以市民服務中心為統一行政審批窗口的業務辦理平臺以及以身份證號碼為統一身份識別標志的公民信息認證線上線下服務體系。

2.3總體設計

智慧城市的總體框架緊緊圍繞智慧城市的四大核心目標“惠民服務”“城市管理”“社會治理”“產業發展”進行設計。在分領域進行智慧創新建設的同時，建設城市信息基礎設施，包括云計算/大數據中心、城市運營管理中心、天地一體化泛在通信網絡、通用功能平臺以及網絡空間安全體系等工程，智慧城市系統總體設計如圖2所示。

2.4實現技術

2.4.1通信網絡

智慧城市通信網絡架構采用3層架構：傳輸層、承載層和服務層，其中傳輸層根據地位、作用分為接入網和核心網2部分。對已有的不同網系進行一體化整合，通過統一的通信網絡在線監測對全網進行路由與流量監測和網絡業務性能監測，最終得到全網網絡拓撲、流量拓撲和業務態勢等狀態信息，可作為資源策略控制系統進行信息傳輸QoS控制的依據，業務控制統一通信可以完成不同業務網系互聯互通時信令和媒體的適配，承載層和服務層的網絡能力可通過服務化封裝的方式提供給上層應用，通過標準的接口直接調用。

2.4.2云計算

云計算數據中心以XaaS模式提供對外的服務，在不同的服務層次，如IaaS，PaaS，SaaS直接提供對外接口。

2.4.3服務化技術

面向服務技術架構（SOA）作為核心服務的基礎，提供統一的門戶服務、目錄服務、身份認證服務、搜索發現服務、消息服務、中介服務、安全服務和資源管理服務。

2.4.4信息安全體系

城市網絡空間安全體系建設就是打造安全可控的網絡環境、保護信息與信息交互安全、構建健康有序的網絡秩序。在物理域保護構建城市網絡空間的關鍵基礎設施、通信網絡設施、數據中心、計算中心和終端設備的安全。在邏輯域保護城市網絡空間承載的各種應用服務、平臺和數據的安全；在社會域對城市網絡空間各種信息數據所反映的意識形態、反恐維穩、國家安全、網絡輿情進行內容安全監管和風險防控。

隨著智慧城市建設進程的推進，在政府服務、城市治理、交通管制、應急指揮、便民服務、產業發展和行業應用等方面取得了一定的成效，但是，也出現了缺乏城市定位與特色打造、缺乏頂層設計的重復建設、新興技術應用貧乏且缺失智慧、重硬輕軟、重實輕文、政策變化影響建設實施一級缺乏持續發展生態環境與業務模式等問題。

對于出現的問題可以采取以下措施：確立城市精準定位與建設目標；注重頂層規劃、避免重復建設；加強科技創新和智能服務能力；以人為本，科技與人文相結合；政府部門制定長效政策；創新智慧城市運營與商業模式。

在智慧城市建設實踐過程中，智慧城市正在呈現信息技術改造傳統、移動互聯改變生活、無人化城市應用、萬億規模感知、大數據與智能化及新技術應用等特點[7]，主要得益于科學技術的發展與推動，與智慧城市相關的技術及發展趨勢如下：

①系統架構設計：智慧城市頂層設計過程需要研究一套具有可復用、松耦合、高擴展性、易于理解和指導性強等特點的適合國情的科學的方法體系，對智慧城市頂層設計進行指引。

②統一感知技術：以物聯網技術為基礎的智慧城市需要統一感知技術的支撐，以此對智慧城市的科學、合理建設對策進行探尋，對我國智慧城市的建設和發展有著極為重大的意義。

③大數據技術：城市大數據的戰略意義在于對含有意義的數據進行專業化處理，提高對數據的加工能力，通過加工實現數據的增值，在市場經濟建設和城市管理等方面都有著不可替代的作用[8]。

④統一運維：智慧城市建設需要統一的城市大腦實現城市資源管理、城市運行和城市維護等功能，實現城市運維向云化架構演進，增強系統擴展能力，降低系統擴容成本，提升系統運維效率。

⑤柔性架構技術：柔性架構技術可充分利用云計算的大規模、高可用、按需服務和可擴展性等特點，打造城市全局核心服務模式，實現跨地區、跨部門的異構系統間智能互操作。

⑥軟件化技術：利用虛擬化、軟件定義網絡和軟件定義無線電等技術，解決計算資源與存儲資源耦合綁定、網絡資源固化以及資源不能動態定義等問題，實現各類資源的動態調配和功能軟件定義等功能。

⑦人工智能技術：發揮人工智能在城市模擬、便捷服務、智能設備、城市大腦以及智能應用等重點應用領域的優勢，提升城市運行、公共服務、便民生活和產業發展等方面的能力[9]。

⑧城市智能化：通過智能化技術，以人和環境互為協調的整合體功能，實現具有感知、傳輸、記憶、推理、判斷和決策的有生命特征的智慧能力，形成有效提升各類智能化系統信息綜合應用的功能環境。

智慧城市是將物聯網、互聯網、數字信息、云計算、人工智能、大數據和互聯網等新一代信息技術和一系列科技創新技術應用于城市的管理與轉型，達到高效的城市管理及規劃建設，實現惠民的便民服務，提高城市的可持續發展。智慧城市要遵循統一規劃、立足本地和以人為本的基本原則進行建設，不僅能推動國家經濟的發展，更重要的是保障國民生活水平的有效提高，引導城市建設實現綠色、健康和環保低碳的發展戰略。

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