基于對比分析方法的智慧城市架構體系建設

李忠偉 蘇才江

（南京信息工程大學人工智能學院，江蘇 南京 210044）

隨著歷史變遷，城市規模越來越大，城鎮化率越來越高，城市功能越來越豐富。2019年中國的城鎮化率接近60%，到2035年預計達到75%[1]。城市規模的擴大和城鎮化率的提高對傳統的城市管理模式帶來巨大挑戰，必須有全新的管理理念和管理手段來應對，智慧城市是城市規模化發展的必然選擇。

根據IBM《智慧城市在中國》白皮書中的定義，智慧城市是基于新一代信息技術的應用，智慧城市基本特征為全面物聯、充分集成、激勵創新、協同運作等四方面。智能傳感設備將城市公共設施物聯成網，物聯網與互聯網系統完全對接融合，政府、企業在智慧基礎設施之上進行科技和業務的創新應用，城市的各個關鍵系統和參與者實現高效運作。

《中國智慧城市標準化》白皮書中對智慧城市的定義為使用各種先進的技術手段尤其是信息技術手段改善城市狀況，解決城市中存在的各種問題，使城市生活更加便捷，城市運行效率進一步提高，城市部門協同更加靈活。智慧城市以智慧的理念規劃城市，以智慧的方式建設城市，以智慧的手段管理城市，用智慧的方式發展城市，提高城市空間可達性，提升城市活力，保證長足發展。智慧城市下四大基本特征包括深層感知、廣泛互聯、智能應用、高度共享[2]。

對于智慧城市的發展規劃，我國自2009年在《讓科技引領中國可持續發展》中明確了建設智慧城市的目標，到2013年住房城鄉建設部公布首批國家智慧城市試點名單，2016年“十三五”規劃提出建設一批新型示范性智慧城市，2018年政策出臺了智慧城市頂層設計的總體原則，2021年“十四五”規劃指出需要推進構建網格化管理、精細化服務、信息化支撐、開放共享的繼承管理服務平臺，加強和創新城市社會治理，推進城市社會治理現代化。全國各地已經將智慧城市建設寫入2021年首要發展任務。各項推進智慧城市建設的政策證明建設智慧城市是目前中國城市建設的重點。

建設智慧城市符合我國城市發展規律，建設智慧城市能夠有效解決目前我國城市中出現的各類不利于城市居民幸福感提升的問題；能夠有效促進以物聯網（IOT）、人工智能（AI）等先進技術的實際落地應用。文章從國內各大城市采用的智慧城市架構出發，比較各層功能與技術，指出設計不足和優點。對我國智慧城市建設事業具有一定參考價值。

1 智慧城市重要組成部分

智慧城市的出現是為了解決現有城市中存在的問題，如交通擁堵、城市管理成本高、信息傳遞與獲取速度慢等情況。智慧城市主要功能包括全面實時感知、數據高速獲取與傳遞、智能信息處理與可視化、提供高效與智能的安全防衛、提供有效且便捷的操作管理等內容。

智慧城市的本質是一個復雜的巨型系統，涉及自然、社會、經濟、人文等方面。建設智慧城市是將復雜的巨型系統推向數字化、網絡化、智能化的過程，是人的自然智能與計算機人工智能的深度融合。新型智慧城市由多個系統及子系統組成。系統之間由接口傳遞信息。智慧城市核心技術包括物聯網感知技術、5G與WiFi通信技術、數據存儲技術、數據分析與可視化技術、人工智能技術、地理信息系統技術以及安全技術。智慧城市的重要組成部分包括城市建筑基礎設施、交通基礎設施、通信基礎設施、超級計算中心、數據存儲倉庫、城市大腦、物聯網傳感設施等。

以此為基礎，我國各城市在建設智慧城市過程中提出了不同建設方向的設計架構。智慧城市建設是一項工程量巨大、涉及面廣泛、技術龐雜的項目，需要較長的建設周期以及科學完善的架構設計方案指導。

2 三地基本情況比較

2.1 上海市基礎情況

根據上海市統計局發布的《2020年上海市國民經濟和社會發展統計公報》，上海市全年生產總值（GDP）38 155.32億元，比上年增長6.0%。其中，第一產業增加值103.88億元，下降5.0%；第二產業增加值10 299.16億元，增長0.5%；第三產業增加值27 752.28億元，增長8.2%。第三產業增加值占上海市生產總值的比重為72.7%，比上年提高1.8%。按常住人口計算，上海市人均生產總值為15.73萬元。由于大量人口遷入和外來流動人口迅速增長，上海市人口總量不斷擴大，全市常住人口2 418.33萬人，外來常住人口972.68萬人，戶籍常住人口1 445.65萬人。

2020年上海累計建設5G室外基站2.66萬個，5G室內小站3.5萬個，實現中心城區和郊區重點區域連續覆蓋，平均下載網速達到200 M/s以上，重點區域下載速網速超500 M/s。

上海市的城市道路分為快速路、主干路、次干路和支路。上海城市道路總里程為5 494 km，快速路207 km、主干道723 km、次干路1 236 km、支路3 327 km。上海市環城高速公路包括內環線、中環線、外環線和郊環線等四條。

2.2 杭州市基礎情況

2020年杭州實現地區生產總值16 106億元，比上年增長3.9%。第一產業增加值326億元，下降1.1%；第二產業增加值4 821億元，增長2.3%；第三產業增加值10 959億元，增長5.0%。三次產業結構為2.0 : 29.9 : 68.1（經最終核實，2019年杭州GDP修訂為15 419億元，比上年增長6.8%，三次產業增加值結構為2.1 : 31.4 : 66.5）。數字經濟核心產業增加值4 290億元，增長13.3%，高于GDP增速9.4%，占GDP的26.6%。電子信息產品制造、軟件與信息服務、數字內容和機器人產業分別增長14.7%、12.9%、12.7%和12.3%。

根據全國第七次人口普查報告中的數據，全市常住人口為1 193.6萬人，與2010年第六次全國人口普查的870萬人相比，十年共增加了323.6萬人，增長37.19%，年平均增長率為3.21%。全市常住人口中共有家庭戶443.59萬戶，集體戶51.9萬戶，家庭戶人口為1 046.96萬人，集體戶人口為146.64萬人。平均每個家庭戶人口為2.36人。

截至2020年底共建成5G基站6.26萬個，實現全省縣城以上地區和部分重點鄉鎮覆蓋。杭州市全市已經基本實現網絡全覆蓋，城區網絡覆蓋率100%，農村網絡覆蓋率97%。平均下載網速達到150 M/s以上，重點區域下載網速超400 M/s。

杭州市城市境內公路線路總里程2 058 km，國道省道干線里程1 807.95 km，城管路段249.56 km（含干線公路80.11 km）。

2.3 深圳市基礎情況

2020年深圳市地區生產總值27 670.24億元，同比增長3.1%。2020年，全市規模以上工業增加值增長2.0%。先進制造業和高技術制造業是工業經濟的主體，占規模以上工業比重分別為72.5%和66.1%。先進制造業和高技術制造業產品產量增長快。截至2020年底，深圳總人口為1 756.01萬人。與2019年末常住人口相比，增加412.13萬人。全市共有家庭戶為642.46萬戶，集體戶為106.26萬戶，家庭戶人口為1 448.07萬人，集體戶人口為307.94人。平均每個家庭戶的人口為2.25人。截至2020年12月份，深圳市累計建成4.6萬個5G通信基站，實現全城網絡全覆蓋。平均網絡下載速度達到400 M/s。

深圳市道路總里程為7 796 km，包括一級公路、主干道、高速公路和快速路等四種。

2.4 三市基本情況對比

通過對上海、杭州和深圳市的基本情況介紹，上海市常住人口最多、國內生產總值最高，深圳市網絡下載速度最高。三座城市的網絡覆蓋率均已達到100%。三地基本情況對比如表1所示。

表1 三地基本情況對比

3 現有智慧城市架構

文章分別選取上海、杭州、深圳三座城市的智慧城市建設架構作為比較樣例。對三座城市建設的智慧城市架構進行對比，分析得出三地智慧城市架構的相同點和不同點。

3.1 上海市智慧城市架構

上海市采用了四層架構，自下而上分別物聯感知層、網絡通信層、數據中心層、智慧應用層。還包括貫穿四層的標準管理體系和安全保障體系。

物聯感知層包括GPS/北斗導航定位系統、傳感器設備、設備監控和智能終端；網絡通信層包括光纖寬帶、無線寬帶、下一代廣電網；數據中心層主要包括數據資源，數據支撐，服務支撐。數據資源包括基礎數據庫、專業數據庫和公共數據庫；數據支撐包括數據采集與匯集、數據整合與處理、智能挖掘與分析、數據管理以及治理等；服務支撐包括統一身份認證、公共資源目錄、安全認證以及數據交換管理等；智慧應用層包括訪問接入和綜合應用；訪問接入包括社會公眾接入、企業用戶接入、城市管理決策用戶接入等；綜合應用包括經濟產業、社會民生、城市運行以及政府行政的各個應用。

上海市智慧城市架構如圖1所示。

圖1 上海市智慧城市架構

3.2 杭州市智慧城市架構

杭州市智慧城市架構如圖2所示。

圖2 杭州市智慧城市架構

杭州智慧城市架構包括三層，自下而上分為基礎感知平臺和計算平臺；數據資源平臺、行業引擎和智能服務平臺；智能應用。還包括貫穿三層的安全規范體系和開放生態服務。基礎感知平臺主要功能為借助安裝在城市各個位置的傳感器，全方面感知與探測城市運行過程中的重要信息。基礎感知平臺是杭州智慧城市的各種信息與數據的重要來源。計算平臺主要對各類數據與信息進行計算和分析，計算平臺與基礎感知平臺位于同一層，在基礎感知平臺獲取到相關數據之后，直接在邊緣側進行計算處理。數據資源平臺對感知和計算后的數據進行存儲并提供相關接口供其他重要層使用。行業引擎面向各大企業，其主要功能是提供杭州市各個企業接入到智慧城市系統接口，為企業的運行提供各項支持，如提供數據、協調資源、政策信息共享等。智慧應用為城市居民提供各項便民服務，如水電服務、政務服務、日常通信服務等。安全規范體系的主要功能為保障智慧城市整體安全。開放生態服務主要功能為對智慧城市的后續功能擴展起到促進作用。

3.3 深圳市智慧城市架構

深圳市智慧城市架構如圖3所示。

圖3 深圳市智慧城市架構

深圳智慧城市架構自下而上包括智慧城市感知網絡體系層；智慧城市運行管理中心和城市大數據中心層；智慧應用層。智慧城市感知網絡體系層主要包括各類感知（交通感知、環境感知、視頻感知、社會網絡感知）；市計算中心；市政務資源中心；區數據中心；各類網絡連接（WiFi、移動網、NB-IOT、政務網）。智慧應用層主要包括公共服務（民生服務、政務服務等）；公共安全（應急、治理等）；城市治理（水務、交通治理等）；智慧產業（商貿和制造等）。數據中心層主要包括城市運行管理中心；城市大數據中心；數據資源平臺；支撐云平臺。數據中心層提供時空數據引擎、數據可視化、大數據分析、共享交換、服務開放和資源管理等功能。標準規范體系和網絡完全規范貫穿所有層。

智慧城市感知網絡體系主要功能包括全面感知城市運行過程中來自各方的信息，如交通、環境、輿論信息等。市超算中心為城市運行過程中各類型的智能化、高效化處理提供算力支持。市政務資源中心與區數據中心存儲城市運行過程中處理完畢與未處理的各類數據，如電力繳費數據、交通出行數據等。各類網絡鏈接提供豐富、多樣的連接方式，綜合提高網絡連接傳輸效率。智慧應用層涵蓋的民生服務、政務服務、公共安全、城市治理、智慧產業等都與城市居民息息相關，滿足智慧城市居民對于生活方面的各項需求。數據中心層的各項功能為智慧城市運行過程中的各項管理與數據分析存儲任務提供業務支撐。

3.4 國外智慧城市架構

文章選取國外智慧城市專家Chai[3]提出的智慧城市架構作為參考。架構主要包括物聯網感知層、連接層、數據層、智慧層、各種智慧應用、城市大腦以及貫穿全部橫向層的安全層和操作管理控制層。Chai智慧城市架構如圖4所示。

圖4 Chai智慧城市架構

物聯網感知層包含各種物聯網設備、傳感器、視頻監控等基礎感知設備。連層主要包括WiFi，NB-IoT，5G和網關設備等。智慧層包含人工智能算法，其主要對各種設備及設備附屬功能實施智能管理。安全層負責管理和控制整個智慧城市的安全防衛。操作管理層負責智慧城市所有事務的控制和管理。各種智慧應用為智慧城市居民提供各類城市服務。

4 智慧城市架構比較

對上海、杭州、深圳三座城市的智慧城市架構進行比較。為了更好地呈現對比效果，文章選取由Chai提出的智慧城市架構作為比較標準。由Chai提出的智慧城市架構分為五層，分別為物理層、連接層、人工智能驅動的物聯網連接層、人工智能與數據分析層、應用層。安全層與操作控制管理貫穿所有層。Chai提出的國際通用智慧城市架構設計在國際應用領域覆蓋較廣，框架具有極大的可擴展性，作為基本理想架構，框架描述的智慧城市架構被高度抽象，文章中僅作為各城市智慧城市架構的對比基準。

安全層貫穿所有橫向架構層次，起到保護物理感知設備，保護各個終端設備，保護網絡連接設備，保護數據存儲設備，保護智能應用的作用；操作控制層貫穿所有橫向架構層次，操作和控制所有設備，包括物理感知設備、各個終端設備、網絡連接設備、數據存儲設備、各個智能應用等；“城市大腦”通過使用人工智能技術統合智慧城市所有功能，實現全面自動化智能運行，提高城市整體運行效率；數據資源庫將物理感知設備和終端設備獲取到的海量數據通過數據清洗和數據處理后存儲到數據資源庫中；網絡通信層將物理感知設備和各個終端設備獲取到的數據信息傳輸到其他各個層次；應用接口提供各應用接入智慧城市系統的重要接入點，可以靈活擴展接入各個智慧城市應用，以便提供不同服務；計算平臺提供智慧城市系統的各類運算服務，包括數據分析服務、資源調度運算服務等；運行管理中心統領智慧城市系統各個部分的有序高效率運行和提供城市高效管理。

三種架構重要特征比較如表2所示。

表2 三種架構重要特征比較

由表2可知，三座城市使用的智慧城市架構均包含分層架構、數據資源庫、計算平臺、未使用“城市大腦”、未使用安全層、未使用操作控制層。

三座城市使用的架構不同點包括層數不一致，上海市使用4層架構，杭州市、深圳市使用3層架構；上海市智慧城市架構未使用人工智能技術；上海市智慧城市架構提供應用接口，杭州市、深圳市架構未提供應用接口。

通過與Chai提出的國際通用智慧城市架構對比發現，上海市、杭州市、深圳市三座城市的智慧城市架構均缺少貫穿全部橫向層的安全層；貫穿全部橫向層的操作管理層；“城市大腦”。所以，上海市、杭州市、深圳市需要在智慧城市建設過程中，保障整個智慧城市安全的安全層建設，構建操作管理層，建設“城市大腦”以提高城市運行過程中對各項事務的反應能力和處理速度。

5 結語

文章選取上海市、杭州市、深圳市三座智慧城市架構設計方案進行對比，找出三種智慧城市架構設計方案中的共同點與不同點。對比三座智慧城市架構設計方案發現建設方案中需要添加安全層、操作管理層、“城市大腦”。添加貫穿全部橫向層的安全層，形成對包括物理感知層、數據層、連接層應用層的全方面保護效果，防止智慧城市系統出現病毒植入、數據泄露等安全問題。

添加貫穿全部橫向層的操作管理層，全面管理和操作智慧城市系統各個組成部分，有效協調智慧城市系統的各個功能組件，提高智慧城市系統運行效率。通過“城市大腦”組件提高城市運行過程中對各項問題反應能力和處置速度，使智慧城市系統全面自主運行，有效解決目前城市出現的各種問題，提高城市服務質量，實現提高市民生活質量的目標。