智慧城市技术架构设计

——论青海省贵德县新型智慧城市建设实践

洪恺¹ 才让扎西²

(1.西宁大数据服务管理局，西宁810000；

2.青海东山恒智信息科技开发有限公司，贵德811700)

摘要：技术架构设计具有承上启下作用，是指导智慧城市建设工作的重要基础。智慧城市顶层设计需要遵循三个方面的要求：（1）《新型智慧城市发展白皮书(2018)》；（2）国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会发布的《智慧城市顶层设计指南》（GB/T36333-2018）；（3）应在开展城市现状调研的基础上，结合城市自身对智慧化愿景的目标，设计相应的建设内容和实施路径，明确相关信息技术手段及技术架构。

关键词：智慧城市；技术架构；设计

引言

随着城镇化进程的不断加快，人类生存环境面临严峻挑战。城市化意味着生产和消费的更加集中、更大规模、更社会化和更高的生产效率，同时也意味着更大的资源需求、更复杂的城市管理和社会关系。城市将面临着诸如环境、交通、能源、水资源、住房、公共卫生、防灾减灾、医疗、社会治安、人口老化等各方面的挑战和衍生的各类城市病现象问题。有预测表明，到2050年全球将会有一半以上的人口都要生活在城市中。为此世界各国政府都在加大智慧城市的建设，为城市的有序运行、城市居民的安居乐业提供更加便利的服务。

“智慧城市”是以为民服务全程全时、城市治理高效有序、数据开放共融共享、经济发展绿色开源、网络空间安全清朗为主要目标，通过体系规划、信息主导、改革创新，推进新一代信息技术与城市现代化深度融合、迭代演进，实现国家与城市协调发展的新生态。基于此，应以“一个体系架构、一张天地一体的栅格网、一个通用功能平台、一个数据集合、一个城市运行中心、一套标准”等“六个一”推进“新型智慧城市”建设，从而实现治理更现代、运行更智慧、发展更安全、人民更幸福。

智慧城市是通过综合运用现代科学技术、整合信息资源、统筹业务应用系统，加强城市规划、建设和管理的新途径， 充分运用信息和通讯等技术手段感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，从而对民生、环保、安全防灾、公共服务、经济活动等方面作出智慧的响应， 使人民生活得更美好的城市发展新模式。

智慧城市是将政府职能、城市管理、民生服务、企业经济通过“智慧城市”这个大平台融为一体。采用信息化、物联化、智能化科技方法手段，将城市所涉及的社会经济、综合管理与社会服务资源进行全面整合和充分利用，为城市的经济社会可持续发展、城市综合管理和社会民生服务， 为保障城镇化进程健康发展、建立和谐社会提供一个可实施途径和强有力的技术支撑。中国通信学会智慧城市论坛《智慧城市白皮书（2012）》认为，智慧城市的愿景是使城市 “发展更科学，管理更高效，生活更美好”。其未来趋势将表现为城市的绿色宜居、平安有序、幸福和谐、集约高效和科学决策^[1]。

1国内智慧城市建设规划、技术标准中存在的问题

1.1缺乏整体规划、顶层标准规范

由于我国各地区经济基础的差异，信息产业基础设施水平不同致使智慧城市建设步伐不一致。部分地区制定当地智慧城市发展规划目标不明确，更没有配套出台相关信息产业发展的政策法规、建设标准。智慧城市试点主要集中在各领域应用的建设上，缺乏统一的顶层设计规范，导致智慧城市顶层设计的定位和主要内容存在差异。在信息化项目建设中还存在着以各部门、各行业信息化建设为出发点，全局观念薄弱，缺乏区域间城市顶层整体上的规划设计，缺乏科学、实用的城市信息化建设的总体框架，不同部门组织制订的信息化标准之间不协调，导致信息化项目重复建设现象的出现。

1.2信息孤岛现象严重

伴随各行业信息化建设的开展和各部门在信息化建设中按自己的业务需求出发，产生的业务数据、信息的积累，各类信息资源日益丰富。但是各信息化项目所产生的信息资源由于在建设过程中缺乏统筹规划，缺少统一的数据标准和规范，存储分散，缺乏共享或共享服务质量与效率不高，并且缺乏深度开发和综合利用，相关系统建设的时间成本、经济成本较高。

1.3体制机制改革

随着智慧城市的深入建设，地方政府需要从过去的管理型政府逐步转型为服务型政府。那么在遇到技术与“文件”发生冲突的时候，应当遵循科学合理的解决途径，保持正常的沟通渠道，采用新办法解决“老问题”的思路，利用更为先进的技术手段达到政府服务社会的功效。

2青海省贵德县新型智慧城市的技术体系架构设计

智慧城市技术架构应依据城市建设需求和目标，从业务、数据、应用、基础设施、安全、标准等维度对业务架构、应用架构、基础设施架构等方面开展设计。从具体应用及产业布局出发，智慧城市的应用计算呈分布式的特点，各智慧行业的专业应用处理均由行业私有云计算中心完成。因此，在智慧城市技术体系架构设计中要充分利用整合现有信息系统资源，以数据资源共享交换为基础，以智慧应用为目的，促进智慧城市的技术架构设计。

贵德智慧城市总体架构设计原则为：充分借鉴其他区域智慧城市建设经验，利用大数据、人工智能、物联网、5G、云计算等当下最新技术，围绕“一城一策”的构建思路，重点突出区域特色，坚决抵制复制照搬。必须“以人为本”，从贵德实际情况及用户出发，设计出符合当前业务的平台架构和功能，在此基础上进行网络、计算、存储、备份层面的规划设计，其优点是，整体设计既满足现有用户需求，又可进行适当冗余，从而满足未来5～10年的横向扩展需求，真正做到了顶层设计。最后，智慧城市的所有平台和应用必须满足“共建共享”的原则，即充分利用“低耦合”“面向接口”的设计思路，避免重复投资重复建设的现象发生。

（1）充分利用已有资源

在智慧城市技术架构设计中，数据的聚集交换共享是城市管理和服务的基础，需要优先整合利用自身资源，充分利用外部资源，从整合信息资源并为未来信息化建设提供统一支撑的角度，打破各个系统间数据不能共享的现状，实现空间信息和非空间信息的统筹管理、统一服务、共享共用。一是涉及多个部门的应用系统应梳理、整合相关部门已建系统或已有数据。二是要充分利用现有社会化平台和企业信息化基础。三是充分利用已有的网站、信息屏、感知器、视频摄像头等各类服务渠道和感知终端。四是应充分利用外部资源，包括政策、技术、数据等，形成各类数据资源为跨部门共享共用、为智慧城市运营提供支撑保障^[2]。

数据资源处理是智慧城市建设的灵魂，它搭建了对外提供应用服务、对内实现聚合的数据资源管理和信息服务的业务服务平台，将不同来源、不同格式、不同类型、不同应用的数据进行规范、融合，形成智慧城市的数据资源体系，提供信息的共享、交换、查询等方面的服务和相应的信息数据接口以支撑智慧城市的应用，形成城市级别的跨行业信息平台和各个不同行业的相应信息平台互联互通，推动智慧-31-2020年第2期青海科技城市行业应用的开发及服务。

（2）共享基础设施充分共享全县共性基础设施。一是应用系统建设中，涉及图像、物联信息等信息共享交换需求的，应统一使用县级共性支撑平台。二是需要使用人口、法人、空间地理等基础数据或相关领域主题数据的，应统一使用县级基础数据库和主题共享库。三是需要使用或布设感知和服务终端等相关设备的，应按照分建共享的要求统筹部署。四是根据实际情况充分共享县大数据中心服务器、存储等设备以及软件云服务。

（3）加强系统整合与对接加强功能类似或关联系统的整合与对接，避免信息孤岛。一是在探索和创新过程中应充分考虑未来推广和对接的需求。二是要理清跨部门应用与关联系统之间的关系，做好系统、数据等各方面对接，实现数据一表化采集和跨部门共享。三是要严格按照相关标准开展建设，为系统对接提供基础。

（4）同步构建数据资源体系在完善系统和网络建设的同时，应同步加强数据资源体系建设。一是按照相关要求做好数据标准化采集，保障一数一源、多元校核、动态更新，减少重复采集数据，不超范围采集数据。二是各部门对内要加强信息资源落地和管理，对外做好数据提供和维护。三是共享数据通过全区（县）统一的数据共享交换平台归集到基础数据库和主题数据库，经过清洗、建模形成融合数据库，统一向外提供数据共享服务。四是经济社会信息化建设要为政务信息资源体系提供相关数据。

（5）保障数据共享交换安全可控数据共享交换平台各接入方应当加强数据资源安全管理。一是不得滥用、非授权使用、未经许可扩散所获取的政务数据资源。二是因使用不当造成安全问题的，依法追究使用单位及相关责任人的责任。三是加强对数据归集、共享过程的安全管理，切实做好数据安全保障工作。

贵德智慧城市建设整体架构如下所示：

整体架构可以用“一个中心、两个网络、三个平台、四个服务、五个保障、N个应用”来理解，其中“一个中心”指的是贵德数据中心；“两个网络”指的是依托电子政务外网搭建平台，利用互联网拓展服务范围；“三个平台”指的是智慧城市三大核心平台，即“大数据平台”“物联网IoT平台”“跨部门公共服务平台”；“四个服务”指的是基于合理的架构设计，最终为城市、政府、企业、群众提供4个方面的服务；“五个保障”指的是组织保障、政策保障、标准保障、安全保障、运维保障；“N个应用”指的是基于政务管理类、产业发展类、民生服务类三大类提供的满足用户需求的定制化智慧应用。详细内容可依照云计算三层架构进行解释：

（1）IaaS层

通过整合各单位信息资源，包含异构数据库、多源业务系统以及现有网络、计算、存储资源，构建智慧城市IT承载中心，搭建政府私有云，中心主要包含各类网络、计算、存储、备份等方面资源，在此之上构建智慧城市数据中心，划分人口、法人等六大基础成果视窗-32-青海科技2020年第2期库。这些资源纵向可与州上进行无缝对接，行成“一片云”；横向可为上层基础平台和各类智慧应用提供应用支撑。

（2）PaaS层

基于智慧城市“海量”的数据资源体系，构建数据共享交换标准，通过数据资源目录的梳理，实现中心数据的动态、鲜活、准确的更新机制，在此基础上，按照国家和地方规范，实现部门间的数据共享共用。另外，智慧城市涉及到众多物联网感知数据，这些数据通过IoT平台进行统一收集和整合，再通过交换标准，提供给上层各智慧应用。大数据平台是基于当前最新的大数据架构，实现智慧城市“海量”数据的智能分析、挖掘和应用，不断提升智慧城市的“智慧等级”。

（3）SaaS层

基于整体架构为智慧城市服务的四个重要角色提供云端服务。针对城市，通过项目提升了城市的整体基础水平（包含硬件设施、信息化设施等），利用物联网感知体系可实时监测城市生态水平；针对政府，通过大数据分析、挖掘技术为关键决策提供有力科学的数据支撑；针对企业，通过项目可及时获取相关政策支持，提升企业经营能力；针对公众，可准确、直观地掌握城市交通出行情况。

智慧城市的建设归根到底首先是“感知”的需求，生态、宜居的城市属性需要为居民提供多样、泛在的信息服务，包括低碳的环境服务、便捷的政府服务、安全的社会服务等。提供智慧化的服务就需要城市海量的数据信息，包括生态环境数据、节能数据、交通及安全数据、政务服务数据、产业商务数据等，通过这些数据信息的采集、传递、存储、挖掘、分析、利用、转化、呈现，为政府和企业管理者提供“大数据”服务，为居民提供丰富的信息应用，切身感受到城市的智慧。

整合资源，共享共用。充分重视数据资源的重要性，推进现有数据资源的深度整合与应用，以互联互通、信息共享为目标，突破部门界限和体制障碍，加强政府部门之间、政府与社会间的数据共享，实现省、州、县数据的整合与共享，逐步有序推动数据的社会化开发利用，激发数据创新活力，提升数据创新能力，充分释放数据红利，以“大数据”促进“大振兴”。

从贵德县新型智慧城市建设实践的经验总结，智慧城市顶层技术架构设计应满足以下的基本能力：①在应用服务方面要提供快速响应能力：快速应用服务需要可信赖成熟的支撑平台、开发套件、计算引擎及模块化组件等有力的支撑。②第三方系统的集成能力：随着物联网技术在智慧城市中的深入运用，专业外设、外部专用系统需要集成，智慧城市的一体化特征要求串联各智慧行业。智慧城市中平台应是一个开放的、标准化、自适应的平台，与外部系统在通信接口、数据结构、控制信令环节无缝融合，通过消息传递的服务总线串联。③城市系统资源共享能力：基础设施服务的平台化，按需分配回收机制，计算、存储、网络资源的复用，安全服务的协同。智慧城市的技术体系架构应具有开放性设计特征，根据物联网的体系架构提出智慧城市发展要点：前瞻考虑、整体设计、自上而下、全局应用和架构的规划，面向应用聚合演进考虑。

同时，可扩展性也是智慧城市技术体系架构设计的另一个要求，可扩展性要求智慧城市技术体系具备灵活而便捷的方式：

（1）松耦合性：为了控制智慧城市技术体系的复杂性，要求整个系统必须在逻辑上进行划分，各个逻辑块之间应该是松散耦合，需要对不同领域的理解和仔细分析。在技术体系架构模块层次上，层与层之间、技术模块之间均采用松耦合方式，彼此之间的依赖度要低。为应用开发提供弹性的业务环境。

（2）可重构性：智慧城市的技术体系架构设计中，涉及不同行业、不同应用，技术体系架构随着时间的变化而发生变化，因此可扩展性不是一蹴而就的，需要随着对相关业务领域理解的深入而不断重构获得。可重构性使系统软件和硬件模块都可以根据变化的数据流或算法进行重新配置或重新设置。

（3）可演化性：在智慧城市的技术体系架构中，应根据应用需求和网络环境的变化而发生动态演化，这些演化体现在构成其实体元素数目的可变性、结构关系的可调节性和结构形态的动态可配置性。因此，可扩展性应该具备适应开放、动态和多变环境的应变能力。在系统的演化过程中，时刻准备着对复杂性保持关注，确保这些复杂性得到消化。

智慧城市是以智慧化、人性化的观念提出的城市规划建设思想，其发展方式、管理理念突出以人为本、智能高效。然而智慧城市建设涉及行业众多、系统复杂，应用繁杂，搞好顶层技术架构设计是其建设成效的关键所在。因此，必须在做好顶层设计的基础上有计划有步骤地分步实施，达到建设智慧城市的美好愿景。

3结语

智慧城市顶层设计是介于智慧城市总体规划和具体建设规划之间的关键环节，应根据不同城市经济发展、产业布局、人力资源、城市特色等因素，结合城市智慧化发展目标，从城市面临问题、城市发展需求出发，明确城市智慧化建设目标，设计相应的建设内容和实施路径^[3]。从顶层设计角度全局出发进行设计，要充分考虑智慧城市的技术要求，在创新、实用、智能、扩展、兼容、安全、规范性上多方位进行平衡。在功能需求方面深入推进基础性与应用型信息系统开发设计和各类信息资源利用，形成技术集成、综合应用、高端发展的网络化、信息化、智能化为重要内容的城市发展新模式。

参考文献：

[1]李光亚，张鹏翥，孙景乐，等.智慧城市大数据[M].上海:上海科学技术出版社，2015：23.

[2]佚名.智慧城市大数据解决方案[EB/OL].http://edu.cnw.com.cn，2013-08-16.

[3]中华人民共和国国家标准: GB/T36333-2018智慧城市顶层设计指南[S].国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会.

作者简介：

洪恺，男，大专，高级工程师，注册咨询工程师，注册监理工程师，主要从事信息技术管理工作。

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