基于新興技術(shù)支持下的智慧城市的應(yīng)用研究

趙米橋

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司）

1 引言

智慧城市的出現(xiàn)標(biāo)志著中國(guó)城市化和信息化水平均邁上了一個(gè)新臺(tái)階。隨著支付寶、微信等一系列便民軟件的出現(xiàn)，中國(guó)老百姓可以通過手機(jī)進(jìn)行一鍵式購(gòu)物消費(fèi)。絕大部分城市實(shí)現(xiàn)了水、氣、油、煤、電與互聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)整合，醫(yī)療、教育、工作更是與當(dāng)下互聯(lián)網(wǎng)的最新技術(shù)密不可分。智慧城市的建設(shè)更好地保障了老百姓的衣食住行，為提高老百姓的幸福指數(shù)貢獻(xiàn)出力量，智慧城市[1]已經(jīng)成為當(dāng)下社會(huì)進(jìn)步不可缺少的關(guān)鍵一環(huán)。

2 智慧城市的內(nèi)涵

與普通城市相比，智慧城市通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)的大力支持，可實(shí)現(xiàn)信息的高度互聯(lián)互通。不管是普通百姓還是企事業(yè)單位，均可通過簡(jiǎn)單地操作獲取自己所需的各種信息。

早在2008年，“智慧地球”這一概念被IBM引入。該概念一經(jīng)推出，智慧城市的建設(shè)便被各國(guó)提上日程并在全球范圍內(nèi)迅速傳播。

2006年，歐盟創(chuàng)立Living Lab組織，通過調(diào)動(dòng)各種先進(jìn)技術(shù)以此體現(xiàn)集體的智慧，解決社會(huì)問題。同年，新加坡提出“智慧國(guó)2015”計(jì)劃，通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等一系列最新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將新加坡打造成經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展的國(guó)際化大都市。美國(guó)也在2009年與IBM合作，在迪比克市建立了第一座智慧型城市。

基于智慧城市巨大的潛力與世界各國(guó)建設(shè)智慧城市的巨大潮流。為滿足人民對(duì)物質(zhì)生活與精神生活美好追求的向往，我國(guó)也加快了智慧城市建設(shè)進(jìn)程。隨著眾多科研學(xué)者對(duì)智慧城市概念的不斷深化，目前，智慧城市的建設(shè)普遍被認(rèn)為離不開大數(shù)據(jù)[2]、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等的技術(shù)支持。由此，可以構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智慧應(yīng)用的智慧城市四層模型。

3 智慧城市的四層架構(gòu)模型

當(dāng)前，我國(guó)已全面建成小康社會(huì)，5G技術(shù)、北斗導(dǎo)航、區(qū)塊鏈等技術(shù)的不斷發(fā)展，進(jìn)一步體現(xiàn)了中國(guó)信息化建設(shè)正在飛速的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)正在進(jìn)行革命性的巨變，萬物互聯(lián)的時(shí)代已經(jīng)來臨。信息技術(shù)的日新月異使得人們已經(jīng)不滿足當(dāng)前傳統(tǒng)城市的數(shù)字化。智慧互通逐步成為城市發(fā)展的目標(biāo)，智慧城市由此而生且不可阻擋。筆者將對(duì)建設(shè)智慧城市的四層模型進(jìn)行介紹，對(duì)其所需物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智慧應(yīng)用等技術(shù)進(jìn)行分析。

3.1 概念模型

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為基礎(chǔ)，運(yùn)用傳感器技術(shù)、射頻技術(shù)、集成電路、嵌入式開發(fā)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的信息互聯(lián)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[3]，對(duì)事物進(jìn)行識(shí)別、監(jiān)督，同時(shí)對(duì)識(shí)別到的目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，產(chǎn)生大數(shù)據(jù)。將大數(shù)據(jù)作為第二層，大數(shù)據(jù)具有體積量大、種類繁多等特征。大數(shù)據(jù)涉及的技術(shù)很多，包括分布式文件系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)，以此對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)清洗等，為城市的智慧化提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。而第三層的云計(jì)算層則運(yùn)用到了虛擬技術(shù)、分布式存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)安全、軟件安全等技術(shù)。云計(jì)算技術(shù)具有降級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)行成本、提高數(shù)據(jù)可靠性、可無限存儲(chǔ)等功能，因此，很好地解決了大數(shù)據(jù)所帶來的數(shù)據(jù)量大、運(yùn)算困難、種類復(fù)雜等技術(shù)難題。智慧應(yīng)用作為最后一層，是人們所追求的目標(biāo)所在。智慧應(yīng)用的種類很多，包括智慧農(nóng)業(yè)、智慧快遞等方面。

3.2 模型詳述

3.2.1 第一層：物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)作為智慧城市的基礎(chǔ)層，其架構(gòu)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成。

1）感知層

主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的狀態(tài)感知與采集。其中運(yùn)用到大量的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。以智慧城市下的智慧農(nóng)業(yè)大棚為例，氣體濃度傳感器可以時(shí)刻采集農(nóng)業(yè)大棚中氣體，如二氧化碳、氧氣的濃度含量，便于人們了解農(nóng)業(yè)大棚中作物光合作用的效果。而溫濕度傳感器、土壤PH傳感器、光照傳感器同樣在農(nóng)業(yè)大棚中扮演著不可或缺的角色。溫濕度傳感器可以測(cè)量出土壤、空氣中的溫濕度，PH傳感器測(cè)量土壤PH值，光照傳感器采集光照，便于農(nóng)民調(diào)整出最合適農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境條件。物聯(lián)網(wǎng)中感知層采集數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確直接影響最終農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的生存環(huán)境。

2）網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層也叫作傳輸層。網(wǎng)絡(luò)層的主要作用是傳輸來自感知層的數(shù)據(jù)。其中應(yīng)用到模擬通信系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)、確知信號(hào)、隨機(jī)信號(hào)、無線信道、有線信道等技術(shù)。

3）應(yīng)用層

主要提供人與物之間通信所需的接口。還是以智慧城市下的智慧大棚為例，應(yīng)用層提供的是數(shù)字化操作平臺(tái)。感知層采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)綌?shù)字化平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，農(nóng)民通過實(shí)時(shí)顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋操作。比如，農(nóng)民通過操作平臺(tái)發(fā)現(xiàn)某一種作物的土壤濕度下降，便可通過數(shù)字化平臺(tái)進(jìn)行作物澆水的操作。應(yīng)用層與實(shí)際需要相結(jié)合，從而激發(fā)出物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用領(lǐng)域[4]。

3.2.2 第二層：大數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)對(duì)智慧城市起到支柱性作用。智慧城市通過物聯(lián)網(wǎng)采集到大量數(shù)據(jù)，包括圖片、視頻、文檔等。數(shù)據(jù)的種類復(fù)雜且數(shù)量巨大，這就造成單一的計(jì)算機(jī)根本無法處理如此龐大且繁雜的數(shù)據(jù)。要想解決這一棘手問題，必須采用分布式設(shè)計(jì)思想。大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式主要采取的是基于分布式架構(gòu)的分布式存儲(chǔ)方式。

大數(shù)據(jù)的技術(shù)架構(gòu)通常分為數(shù)據(jù)收集層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)整合層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層。

1）數(shù)據(jù)收集層

數(shù)據(jù)收集層的主要作用是對(duì)來自各種數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字倉(cāng)庫(kù)技術(shù)（ETL），對(duì)復(fù)雜、零碎的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行收集轉(zhuǎn)換與加載操作。

2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層主要負(fù)責(zé)對(duì)收集處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。存儲(chǔ)的方式有兩種：ROM存儲(chǔ)、RAM存儲(chǔ)。ROM存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在斷電、關(guān)機(jī)之后，數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。RAM存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)雖然讀寫速度快，但斷電、關(guān)機(jī)之后、數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)丟失情況。

3）數(shù)據(jù)處理層

智能化計(jì)算主要是通過模擬人類思維進(jìn)行計(jì)算的一種計(jì)算方法。主流的遺傳算法、退火算法、蟻群算法等，都是智能化計(jì)算的具體算法應(yīng)用。維度建模主要是應(yīng)用于數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)建設(shè)中的一種模型建構(gòu)方法。通過將數(shù)據(jù)劃分出上下文關(guān)系，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。

4）數(shù)據(jù)整合層

由于數(shù)據(jù)的種類復(fù)雜、數(shù)據(jù)內(nèi)容巨大，將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)挖掘、模型構(gòu)建，為業(yè)務(wù)部門提供有價(jià)值、有參考意義的優(yōu)質(zhì)底層數(shù)據(jù)。

5）數(shù)據(jù)應(yīng)用層

數(shù)據(jù)應(yīng)用層作為大數(shù)據(jù)技術(shù)的最終目標(biāo)。將優(yōu)質(zhì)的底層數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析、關(guān)聯(lián)性討論等數(shù)學(xué)運(yùn)算，為部門提供極具價(jià)值的數(shù)據(jù)信息。

3.2.3 第三層：云計(jì)算

云計(jì)算的本質(zhì)是運(yùn)用分布式思想，將大數(shù)據(jù)分解成多個(gè)小組數(shù)據(jù)，將小組數(shù)據(jù)分配給不同的服務(wù)器進(jìn)行運(yùn)算處理，將得到的結(jié)果反饋給用戶。云計(jì)算技術(shù)在大數(shù)據(jù)與智慧城市之間起到了橋梁性作用。大數(shù)據(jù)的價(jià)值，也只有通過云計(jì)算才可體現(xiàn)出來。

云計(jì)算技術(shù)的架構(gòu)主要分為顯示層、中間層、基礎(chǔ)設(shè)施層。

1）顯示層

顯示層的主要作用是以一種友好的方式對(duì)用戶進(jìn)行效果展示。主要包括HTML、JavaScript、CSS，都是基于Web技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，可以很好地利用云計(jì)算的中間層提供服務(wù)。

2）中間層

中間層通過分布式緩存技術(shù)、并行處理、REST等技術(shù)，可以很好地調(diào)用基礎(chǔ)設(shè)施層的各種服務(wù)。縱向來看，中間層起到了承上啟下的作用。

3）基礎(chǔ)管理層

基礎(chǔ)管理層運(yùn)用虛擬化技術(shù)，使一臺(tái)服務(wù)器可以生成多臺(tái)虛擬服務(wù)器。同時(shí)，基礎(chǔ)管理層通過采用分布式存儲(chǔ)技術(shù)[5]對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理與優(yōu)化。

3.2.4 第四層：智慧應(yīng)用

智慧應(yīng)用[6]作為智慧城市的最后一層，可以說包含了智慧城市的方方面面。智慧應(yīng)用主要包含兩方面，一是智慧項(xiàng)目，二是用戶。智慧項(xiàng)目主要包括智能家居、智能醫(yī)療、智能公交、智能快遞等智能應(yīng)用，構(gòu)成了智慧城市的基本單元。而用戶的社會(huì)身份是復(fù)雜的，可能是政府機(jī)關(guān)單位負(fù)責(zé)人、學(xué)生、老師、社會(huì)務(wù)工人員等，針對(duì)不同的社會(huì)人員，開發(fā)適合不同人群的智慧應(yīng)用才是智慧城市建設(shè)的核心關(guān)鍵。

4 推進(jìn)智慧城市建設(shè)的具體措施

4.1 加速發(fā)展硬件制造

目前，中國(guó)的硬件制造水平相較于西方國(guó)家還具有一些差距。硬件制造尤其是芯片制造行業(yè)，中國(guó)具有起步較晚，發(fā)展底子薄的特點(diǎn)。而硬件制造尤其是芯片制造是建設(shè)智慧城市的必然需求，所以加速提升硬件制造工藝水平成了目前智慧城市建設(shè)的重中之重。

4.2 大力引進(jìn)科技人才

任何領(lǐng)域的發(fā)展，都離不開人才，智慧城市的建設(shè)同樣如此。著力培養(yǎng)社會(huì)人才，做到以人才帶動(dòng)城市發(fā)展，以城市發(fā)展回饋社會(huì)人才的良性循環(huán)。

4.3 堅(jiān)持以人民為中心

智慧城市的建設(shè)，需要切實(shí)考慮人們的生活習(xí)慣。智慧城市的建設(shè)不能是簡(jiǎn)單地相互抄襲。不同的城市要有各自的特色，要根據(jù)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境、社會(huì)因素因地制宜。智慧城市的建設(shè)要以點(diǎn)帶面，逐步推動(dòng)，不可一蹴而就，急功近利而忽視人民的切實(shí)需求。

5 結(jié)語

綜合上述方面，可以認(rèn)識(shí)到，在當(dāng)前，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智慧應(yīng)用技術(shù)為支撐的智慧城市建設(shè)已成為時(shí)代的潮流。但智慧城市建設(shè)所依賴的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，仍然有一些問題，這就需要我們合理利用互聯(lián)網(wǎng)，在智慧城市的建設(shè)中充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，嚴(yán)格把控風(fēng)險(xiǎn)。相信智慧城市的建設(shè)必將豐富老百姓的日常生活，提高人民的生活幸福感。