1 引言

　　城市是社會生產(chǎn)力發(fā)展和科技進步的結(jié)果，是承載了多項功能的一個綜合體，隨著社會的發(fā)展，城市的內(nèi)涵在不斷發(fā)生變化，影響城市發(fā)展的因素也在不斷增多。所以，城市化的過程就是一個人類生產(chǎn)生活方式、社會結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展、完善的動態(tài)過程，美國城市地理學家諾瑟姆于1975年提出的城市化過程S型曲線也充分說明了城市化階段性的發(fā)展規(guī)律和特點。

　　智慧城市是城市化的高級階段，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過更深入的智慧化、更全面的互聯(lián)互通、更有效的交換共享、更協(xié)作的關(guān)聯(lián)應用，最終成為一個高效安全、學習創(chuàng)新、和諧友好、智慧開放的類生命體。因此，發(fā)展成熟的智慧城市具有像生命體一樣的特征，如具有較為完善的行為意識和調(diào)控能力、智能感知、情境感知與認知能力，成熟的信息知識智能轉(zhuǎn)換機制及決策能力，一定的自我學習、自我成長和自我創(chuàng)新能力。顯然，智慧城市的成長不是一蹴而就的，像一個生命體的成長過程一樣，將經(jīng)歷一個長期的建設(shè)發(fā)展、學習創(chuàng)新、自我完善的過程，仍將遵循城市化發(fā)展的基本規(guī)律，經(jīng)歷起步、發(fā)展、成熟三個不同階段。

　　根據(jù)智慧城市的內(nèi)涵及特征，智慧城市建設(shè)將涵蓋信息基礎(chǔ)設(shè)施、應用體系、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和支撐體系等，這幾部分涉及面寬、結(jié)構(gòu)復雜，且需要相互支撐、相互促進。所以，智慧城市在起步、發(fā)展、成熟等三個階段的特征將是完全不一樣的。

　　目前，全球許多城市都在進行智慧城市的試點，中國已有近50個城市或地區(qū)提出了建設(shè)智慧城市的目標，智慧城市相關(guān)的市場規(guī)模超過1500億元。大量新城區(qū)的建設(shè)以及城市企業(yè)信息化發(fā)展的各類新趨勢驅(qū)動了智慧城市市場。

　　智慧城市建設(shè)的動因主要有以下3個方面：

　　(1)調(diào)整經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變增長方式：實現(xiàn)企業(yè)轉(zhuǎn)型，創(chuàng)建智慧的業(yè)務機制，降低成本，規(guī)避風險，實現(xiàn)整合，提升領(lǐng)導力建設(shè)。

　　(2)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級：助力傳統(tǒng)企業(yè)升級轉(zhuǎn)型并走向世界，石油、天然氣、鋼鐵、化工及其它制造業(yè)(如智能電網(wǎng)，智能交通，新能源服務等)。

　　(3)新興產(chǎn)業(yè)培育：支持支持現(xiàn)代化服務業(yè)發(fā)展(如物流，外包，銀行核心業(yè)務，旅游等新型產(chǎn)業(yè))。

　　2 智慧城市的定義及需求

　　2.1 智慧城市的定義

　　《維基百科》對智慧城市有如下定義：智慧城市是以“智慧技術(shù)、智慧產(chǎn)業(yè)、智慧人文、智慧服務、智慧管理、智慧生活”等為重要內(nèi)容的城市發(fā)展的新模式，是信息化向更高階段發(fā)展的表現(xiàn)，具有更強的集中智慧發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，因而具有更強的創(chuàng)新發(fā)展能力。

　　該定義是從服務和應用角度，對智慧城市的一個宏觀層面的定義，如果從建設(shè)和技術(shù)支撐手段方面來看，智慧城市可以理解為：智慧城市是物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應用的綜合性集成，并通過數(shù)據(jù)的統(tǒng)一集中管理，信息的智能化處理，形成的面向城市管理、控制與服務的應用模式。

　　為了更好的支撐城市智慧化的應用，形成“智慧技術(shù)、智慧產(chǎn)業(yè)、智慧人文、智慧服務、智慧管理、智慧生活”等六項內(nèi)容，一個智慧城市的發(fā)展目標主要是圍繞城市的可持續(xù)發(fā)展，提供全面感知，有效控制，高效管理，優(yōu)良服務。

　　從技術(shù)手段上而言，智慧城市主要需借助物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)以及無線通信網(wǎng)以及IT支撐等基礎(chǔ)設(shè)施，充分發(fā)揮信息通信技術(shù)(ICT)的集成能力，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)的智慧化發(fā)展環(huán)境，形成基于海量信息和智能過濾處理的新的生活、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、社會管理等模式，構(gòu)建全新的智慧化應用環(huán)境，實現(xiàn)協(xié)同、高效、安全以及低成本的城市環(huán)境。

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　　IDC預測到2020年，全球的數(shù)據(jù)規(guī)模將會達到35.2 ZB(ZB=1000EB=106PB)，未來將面臨大數(shù)據(jù)量的挑戰(zhàn)，具體的如存儲能力如何提供？計算能力如何提供？支撐面向大數(shù)據(jù)的服務的體系如何構(gòu)建等問題，均需要好的技術(shù)架構(gòu)來支撐。

　　(1)信息全面感知

　　通過網(wǎng)絡把各種終端、傳感器和網(wǎng)絡，在運行、服務中捕獲到的多種信息元數(shù)據(jù)，包括行業(yè)運行數(shù)據(jù)、上下文感知數(shù)據(jù)、服務過程數(shù)據(jù)和用戶特征數(shù)據(jù)。

　　(2)海量數(shù)據(jù)處理

　　●具備P級的多部門、多行業(yè)異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲。

　　●實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)并行計算與分布式處理。

　　●構(gòu)建基于人工智能的數(shù)據(jù)分析和知識管理的智能應用。

　　(3)智能信息化管理

　　形成支撐智慧城市的行業(yè)智能應用。建立面向服務的智慧城市綜合應用的統(tǒng)一公共管理平臺。通過網(wǎng)絡提供普適、智能的應用與服務。

　　2.2 智慧城市的支撐技術(shù)

　　城市的發(fā)展經(jīng)過了數(shù)字化，無線化、移動化的發(fā)展過程(見圖1)，目前隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及模式的不斷發(fā)展和成熟，城市的發(fā)展以及經(jīng)營正在向物聯(lián)化方向邁進。

圖1 智慧城市的發(fā)展過程

　　物聯(lián)化的城市發(fā)展面臨的主要問題是：全面感知，有效獲取，海量數(shù)據(jù)的存儲、管理、控制，信息的智能處理及智慧化應用支撐。

　　目前，信息化技術(shù)的發(fā)展主要針對以上四大挑戰(zhàn)的解決途徑分別是：物聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)+通信網(wǎng)+互聯(lián)網(wǎng)，云計算+普適計算，云計算+人工智能。

　　同時，為了保證城市的可持續(xù)化發(fā)展，需要不斷建設(shè)和完善面向城市智慧化經(jīng)營的服務體系架構(gòu)。整個的技術(shù)與服務體系的互相促進，實現(xiàn)智慧化城市的發(fā)展。因此，支撐智慧城市的具體技術(shù)有云計算，普適計算，固定寬帶網(wǎng)，3G移動網(wǎng)，無線局域網(wǎng)，智能終端，物聯(lián)網(wǎng)，GIS與系統(tǒng)集成技術(shù)。

　　(1)物聯(lián)網(wǎng)的定義

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　　物聯(lián)網(wǎng)是“萬物溝通”的、具有全面感知、可靠傳送、智能處理特征的連接物理世界的網(wǎng)絡，實現(xiàn)了任何時間、任何地點及任何物體的連結(jié)。可以幫助實現(xiàn)人類社會與物理世界的有機結(jié)合，使人類可以以更加精細和動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，從而提高整個社會的信息化能力。

　　物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)包括傳感與RFID融合技術(shù)、識別與環(huán)境感知技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點及網(wǎng)關(guān)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)通信與頻管技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)接入與組網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)軟件與算法、物聯(lián)網(wǎng)交互與控制和物聯(lián)網(wǎng)計算與服務。

　　物聯(lián)網(wǎng)的典型架構(gòu)如圖2所示，主要分為感知層，網(wǎng)絡層以及應用層。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)典型架構(gòu)

　　(2)云計算技術(shù)

　　云計算是一種新的計算方法：通過虛擬化、分布式處理和寬帶網(wǎng)絡等技術(shù)，按照“即插即用”的方式，自助管理運算、存儲等資源能力，形成高效、彈性的公共信息處理資源；云計算也是一種新的商業(yè)模式：使用者通過公眾通信網(wǎng)絡，以按需分配的服務形式，獲得動態(tài)可擴展信息處理能力和應用服務，也是電信運營商新的信息服務產(chǎn)品和ICT交付模式。

　　云計算的主要技術(shù)包括虛擬化、分布式處理、云管理、云終端、綠色IT、云安全等。云計算的技術(shù)及服務架構(gòu)如圖3所示。

圖3 云計算的技術(shù)及服務架構(gòu)

　　(3)普適計算技術(shù)

　　普適計算(Pervasive Computing或Ubiquitous Computing)最早起源于1988年Xerox PARC(Palo Alto Research Center)實驗室計劃。1991年Mark Weiser在The Computer for the 21th Century一文中首先提出了普適計算的概念。普適計算是指在普適環(huán)境下使人們能夠可以在任意時間，使用任意設(shè)備，通過任意網(wǎng)絡來獲得所需的服務。

　　普適計算與云計算的關(guān)系如表1所示，普適計算提供隨時隨地的計算服務云計算提供強大、共享的計算服務。

表1 普適計算與云計算的關(guān)系

　　(4)終端技術(shù)發(fā)展

　　支撐智慧城市的終端發(fā)展主要有：

　　●瘦終端，傳感終端，虛擬終端，多設(shè)備內(nèi)容同步等終端技術(shù)。

　　●面向家庭、企業(yè)的智能融合業(yè)務終端。

　　3 智慧城市的整體架構(gòu)

　　如圖4所示，智慧城市包括智慧城市服務數(shù)據(jù)中心，應用及服務平臺，網(wǎng)絡以及終端等4類重要元素：以數(shù)據(jù)中心為核心、以物聯(lián)網(wǎng)終端為觸角，以Wi-Fi，3G無線全覆蓋，寬帶通信為高速信息通道，以信息處理提供應用支撐能力，以異地備份提供數(shù)據(jù)保障，信用透明度評估能力保障信用安全，從而形成一個閉環(huán)式的服務體系，構(gòu)成融合無線通信、寬帶通信、物聯(lián)網(wǎng)和云計算的整體集成解決方案。

圖4 智慧城市的概念架構(gòu)

　　作為城市智慧化服務的核心，數(shù)據(jù)是最重要的基礎(chǔ)。如圖5所示，智慧城市的重點在于建設(shè)城市級數(shù)據(jù)系統(tǒng)(CDS)。具體的：城市級數(shù)據(jù)系統(tǒng)包括基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)子系統(tǒng)，城市人數(shù)據(jù)子系統(tǒng)以及行業(yè)數(shù)據(jù)子系統(tǒng)。其中，基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)子系統(tǒng)主要用于收集、存儲、處理支撐智慧城市的基礎(chǔ)設(shè)施如網(wǎng)絡，傳感器、平臺等的數(shù)據(jù)，進行基礎(chǔ)設(shè)施能力的智能化配置；城市人的數(shù)據(jù)子系統(tǒng)，主要對人員使用服務的行為數(shù)據(jù)進行特征分析和挖掘，建立相應的策略特征庫，從而面向城市人提供個性化，智能化的人性服務。CDS是一個基于云計算分布式數(shù)據(jù)庫和分布式文件系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、機器學習和自動規(guī)劃等，構(gòu)成的網(wǎng)人工智能系統(tǒng)，即城市的“大腦”，使城市的管理、服務具有智能特性。

　　智慧城市的運營，需要建立面向城市管理、控制與服務的體系架構(gòu)(見圖6)，統(tǒng)一集中各行業(yè)數(shù)據(jù)與信息資源，建立跨部門、跨行業(yè)建立協(xié)同平臺。通過物聯(lián)網(wǎng)，將行業(yè)應用的數(shù)據(jù)進行集中，構(gòu)建CDS，同時由跨部門、跨行業(yè)的協(xié)同處理平臺，進行協(xié)同處理和智能控制，通過智能網(wǎng)絡，實現(xiàn)面向城市人或物的普實話智能服務。

圖6 智慧城市的運營架構(gòu)

　　智慧城市的平臺架構(gòu)如圖7所示，建立以CDS為中心，基于IaaS云平臺管理下的集中資源，通過資源的智能適配，承載和建設(shè)開放的業(yè)務引擎，包括業(yè)務控制引擎，事務處理引擎，數(shù)據(jù)分析引擎以及上下文感知協(xié)同引擎等。與各種終端協(xié)同，形成面向智慧城市服務的統(tǒng)一化平臺。

圖7 智慧城市的平臺架構(gòu)

　　智慧城市的網(wǎng)絡架構(gòu)如圖8所示，以城市大規(guī)模數(shù)據(jù)中心為核心，進行資源集中，基于數(shù)據(jù)中心，構(gòu)建三種基礎(chǔ)設(shè)施能力，包括計算、存儲以及網(wǎng)絡的能力，同時提供四種引擎，面向城市提供多樣化的服務。

　　4 智慧城市的建設(shè)

　　如圖9所示，智慧城市的建設(shè)包括了6種基本的內(nèi)容，具體包括云計算數(shù)據(jù)中心、基礎(chǔ)通信、終端、應用系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)以及業(yè)務支撐平臺。

圖9 智慧城市的建設(shè)內(nèi)容

　　(1)云計算數(shù)據(jù)中心。是承載智慧化應用，構(gòu)成各種支撐能力的核心基礎(chǔ)設(shè)施。一方面承載各種物聯(lián)網(wǎng)、三網(wǎng)融合等的數(shù)據(jù)，更重要的是承載用戶行為數(shù)據(jù)，構(gòu)成智慧化應用的核心能力。

　　(2)基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡。包括寬帶接入、承載以及傳輸?shù)扔芯€寬帶網(wǎng)絡，3G蜂窩通信網(wǎng)絡以及無線Wi-Fi全覆蓋。

　　(3)終端。包括各種終端(如PC，電視，電話，各種瘦終端，物聯(lián)網(wǎng)終端等)。

　　(4)業(yè)務支撐平臺。支撐各種智慧化應用的業(yè)務，包括訂單管理，用戶管理，服務管理以及各種基本能力支撐，如數(shù)據(jù)庫，基本的管理應用系統(tǒng)等。

　　(5)物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)傳輸、匯聚以及物聯(lián)網(wǎng)信息采集、存儲、預處理等系統(tǒng)。

　　(6)典型應用系統(tǒng)。主要是包括各種應用系統(tǒng)(如管理應用，一卡通應用，智能物流，監(jiān)控應用，三網(wǎng)融合應用等)。

　　智慧城市的建設(shè)目標如圖10所示，可以概括為以云計算數(shù)據(jù)中心為核心、以物聯(lián)網(wǎng)為觸角，以Wi-Fi，3G無線全覆蓋，寬帶通信為高速信息通道，構(gòu)建智慧城區(qū)。

圖10 智慧城市的建設(shè)目標

　　如圖11所示，智慧城市中基礎(chǔ)設(shè)施的集成主要分為基礎(chǔ)設(shè)施層，感知層，網(wǎng)絡層，平臺層以及具體應用層。

　　(1)把感應器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，并且被泛在連接，形成“物聯(lián)網(wǎng)”。

　　(2)通過感知層，將不同環(huán)境下的感應器收集到感知層。

　　(3)通過網(wǎng)絡支撐層，將不同的感知層通過不同的網(wǎng)絡進行匯集。

　　(4)通過超級計算機和云計算將“物聯(lián)網(wǎng)”整合起來，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合。

　　(5)把新一代IT技術(shù)面向用戶，面向產(chǎn)業(yè)，充分運用在各行各業(yè)之中，更加精細和動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，從而達到“智慧”狀態(tài)。

　　智慧城市的信息處理集成架構(gòu)如圖12所示，依托公眾通信網(wǎng)絡，以數(shù)據(jù)心為核心，通過多接入終端實現(xiàn)泛在接入，面向服務的端到端體系架構(gòu)。

圖12 智慧城市的信息處理集成架構(gòu)

　　5 智慧城市經(jīng)營探討

　　在智慧城市的經(jīng)營和服務過程中，有幾個主體要素，分別是政府，智慧城市的經(jīng)營者和服務提供者，云計算基礎(chǔ)設(shè)施服務提供者以及云計算應用服務提供者。確保智慧城市的良性發(fā)展，必須堅持以上四個主體(包括政府、經(jīng)營者)，云計算基礎(chǔ)設(shè)施服務提供商以及云計算應用服務提供商，能夠四位一體，共同推動集中化、集約化、規(guī)模化、創(chuàng)新性的智慧城市健康生態(tài)環(huán)境。

　　5.1 政府

　　是智慧城市的牽頭組織者，必須具備智慧城市建設(shè)、運營以及服務開展的全程監(jiān)管，優(yōu)化和綜合各種應用，形成城市的整體發(fā)展合力。

　　5.2 智慧城市的經(jīng)營者和服務提供者

　　如圖13所示，隨著社會信息化應用的進一步推進，信息通信服務的進一步發(fā)展和提升，要建立創(chuàng)新應用，可靠運營，開放平臺，優(yōu)質(zhì)服務，共享資源，有效監(jiān)管的智慧城市，必須有有力的智慧城市經(jīng)營與服務者，具體是智慧城市的踐行者，負責牽頭實施，整體規(guī)劃，運營安全保障，服務過程保障，服務拓展以及需求搜集等工作。

圖13 智慧城市的經(jīng)營與服務

　　5.3 云計算基礎(chǔ)設(shè)施服務提供者

　　主要關(guān)注于規(guī)模化投資建設(shè)，完善的運營與服務保障制度以及流程，建設(shè)安全的信息保障和監(jiān)管。

　　5.4 云計算應用服務提供者

　　提供創(chuàng)新性、開放性以及共享性的云計算應用服務和行業(yè)應用服務。

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　　6 面臨的挑戰(zhàn)

　　6.1 協(xié)同方面的挑戰(zhàn)

　　(1)加強各種政策之間的協(xié)同和銜接，形成政策體系。

　　(2)智慧城市的順利開展涉及多個行業(yè)，不同主管部門制定不同的行標和規(guī)范，協(xié)同性有待加強。

　　(3)現(xiàn)階段信息互聯(lián)互通與數(shù)據(jù)共享程度還較低，信息融合有待進一步加強。

　　6.2 技術(shù)人才方面的挑戰(zhàn)

　　云計算行業(yè)近期處于快速增長階段。這種爆發(fā)式的增長使得云計算工作開展中碰到的最大問題之一就是人才缺乏，人才的缺乏會制約云計算的發(fā)展。

　　6.3 安全模式及用戶習慣的挑戰(zhàn)

　　云計算安全問題也是云計算商業(yè)推廣中的主要問題之一，由于“云”對外部不透明，云計算的服務提供并沒有對業(yè)務給出細節(jié)的具體說明，如何在內(nèi)部IT支撐中給業(yè)務系統(tǒng)提供安全可信、數(shù)據(jù)隔離是云計算的重要影響因素之一。用戶習慣尚不是很成熟，需要進一步培養(yǎng)。