智慧城市体系结构

摘 要：通过对智慧城市体系结构进行的分析和研究，提出了智慧城市是由许多物联网组成的创新理论，给出了智慧城市的概念模型、智慧城市的信息体系结构、智慧城市的物理体系结构以及智慧城市的功能体系结构，并依次介绍了智慧城市的对象平台、通信平台、管理平台、服务平台和用户平台五大功能平台，阐明了智慧城市体系结构中功能体系、信息体系和物理体系的关系。

关键词：智慧城市；物联网；体系；子体系；平台；分平台；信息；物理；功能

中图分类号：TP208 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）04-00-05

0 引 言

互联网技术的飞速发展为全球带来了信息化浪潮，人类世界智能化的要求和需求也越来越高，自2008年美国IBM公司首次提出“智慧地球”的发展战略以来，世界各发达国家已经逐渐意识到智慧城市是人类社会发展的必然趋势，并开始积极开展智慧城市的建设，我国一些发达地区在数字城市建设的基础上，也开始探索智慧城市的建设，北京、上海、深圳、南京等地区已经将智慧城市列为重点课题。

目前国内外有关智慧城市的建设和发展还仅限于信息城市、智能城市的范畴，对智慧城市的理解还缺乏深度和广度，对智慧城市的体系结构尚没有明确的定论，智慧城市的建设重点和研究焦点目前主要集中在服务和应用方面，对于如何建设智慧城市没有明确的方向，致使智慧城市的美好愿景仍是空中楼阁，无法落地。本文通过对智慧城市进行探索和研究，给出了智慧城市的概念模型、信息体系结构和功能体系结构等，为智慧城市体系结构的认识提供了一种创新思维，也为智慧城市的建设和发展指明了新的方向。

1 智慧城市的概念模型

概念模型是对真实世界中事物的抽象描述，表征了事物客观本质的共性。概念模型是一种信息结构，这种信息结构并不依赖于具体的计算机系统，不是某一个数据库管理系统（DBMS）支持的数据模型，而是系统地、抽象地描述事物本质共性的模型。

智慧城市的概念模型是对智慧城市的高度抽象，是人们对智慧城市的总体认识，是对智慧城市的整体描述。智慧城市的灵魂是信息，各种信息相互联系，相互作用，形成一个巨大的智慧城市物联网。根据各种信息存在的不同形式，将智慧城市的信息分为用户、对象、感知、控制、服务、管理六种形式。智慧城市是大自然的组成部分，其组成与大自然的六合宇宙结构是一致的，智慧城市概念模型是由用户合、对象合、感知合、服务合、管理合和控制合组成的六合模型，与物联网的概念模型相吻合，如图1所示。

信息存在于整个智慧城市，浑然一体；信息的始点与终点如两仪中的天与地，用户是天，对象是地；物联网信息的感知、管理、服务、控制是物联网世界信息存在的四种形式，感知与控制对应太阴、 太阳，管理与服务对应少阴、少阳；两仪四象对应六合，从而形成智慧城市的六合概念模型，表达了智慧城市中各种物联网信息浑然一体而又相生相克的基本逻辑关系。用户合可包括人、物、人和物，同样对象合也可包括人、物、人和物，是人和物的和谐统一。感知合与控制合是信息存在的形式，感知与控制一阴一阳，相生相克。通过管理合和服务合实现了感知与控制信息在用户、对象间的转化，形成了完整的体系[1]。

从信息层面看，智慧城市是由各种信息相互传递并相互作用，通过信息的流转推动智慧城市各物理环节的启动和运行，实现智慧城市的智能化控制和管理。因此，信息是整个智慧城市的灵魂，其信息体系结构决定了智慧城市的运行模式和运转方式。

2 智慧城市信息体系结构

在智慧城市中，物联网无处不在，包括很多个不同级别的物联网体系，大的物联网体系包括很多个小的物联网体系，小的物联网体系为大的物联网体系的子体系，小的物联网体系里面又包含许多更小的物联网体系，每个小的物联网体系都可以实现智慧城市的某个功能，小的物联网体系作为大的物联网体系的某个节点或单元，大的物联网体系再作为更大的物联网体系的某个节点或单元，无限个这样的物联网体系环环相扣，互相作用，形成智慧城市这个巨大的、智能化的物联网体系。

智慧城市的信息体系结构是以用户为中心，各种物联网体系周向排布的多层结构，如图2所示。智慧城市的基本组成单元是物联网，其结构如图2中物联网1所示，物联网的信息体系结构为五域结构，信息向用户传递的次序以及各种信息的表现形式有其客观规律，对象域的感知信息依次穿过通信域、管理域、服务域，直到用户域，用户可以根据接收到的感知信息下发控制信息，同样依次经过服务域、管理域和通信域，将控制信息传输至对象域，形成闭环的信息体系，完成整个物联网的信息流转。图2中的物联网2，物联网3，……物联网n都是智慧城市下的小的物联网体系，和物联网1一样都具有五域结构，每个小的物联网都是为用户服务的一个物联网体系，实现智慧城市下的某种功能，无数个这样的物联网体系相互作用和支撑，组成高度智能化的智慧城市。从信息体系的角度来讲，所有的物联网体系都是围绕用户为中心服务的，因此，可将智慧城市的信息体系结构抽象理解为许多个物联网体系无限汇集而成的多层结构，所有的物联网体系都遵循物联网的六合五域结构，最高层都是用户，因此多个物联网汇聚而成的智慧城市信息体系的中心是用户，用户的周围按照物联网的五域结构，由内而外依次为服务域、管理域、通信域和对象域，从而形成以用户为中心的多层信息体系结构。

智慧城市的物联网体系都是五域结构，其每个信息域都与智慧城市信息平台的五个域相对应，每个物联网体系中各信息域的信息都汇集在相应的智慧城市信息域，即对象域信息集中在对象域，通信域信息集中在通信域等。可见，智慧城市的信息域是开放的，而在每个物联网体系中，其五域的信息流转仅限于该物联网体系中，即每个物联网体系的信息是闭环运行的。

3 智慧城市物理体系结构

智慧城市的物理体系结构是组成智慧城市的各种物理实体的集合，智慧城市的物理体系结构图如图3所示。智慧城市物理体系结构是信息体系结构的载体，是智慧城市实现的具体方式，比信息体系更具体，更直观。智慧城市的物理体系结构与信息体系结构类似，是以用户端为中心的五层结构，根据物理实体在智慧城市中的作用不同，将智慧城市物理实体分为传感器、传感网、运营商管理设施、公共服务设施、用户端五个物理层，其中传感器部分包括智能传感器和通信模块，传感网部分包括物联网智能网关和公用网络；运营商管理设施即运营商服务器，包括运营商通信服务器、运营商管理服务器和运营商服务服务器；公共服务设施包括公共服务网络，用户端包括手机、电脑、自助终端等各种智能终端。

在智慧城市物理体系中，无数个具有五大物理层的物联网物理体系汇聚成多层结构，根据物理实体在物联网物理体系中所起的作用和其自身的结构不同，每个物联网物理体系的实体被划分在相应的物理层。在实际应用中，不同物联网物理体系可能会相互交叉，每个物联网物理体系中的物理实体可能会同时充当两个以上的物联网物理体系中的节点，同一物理实体在不同的物联网物理体系中，所充当的节点不同，其所属的物理层也不同，因此，同一物理实体，可能会同时对应多个物理层，但对于某一物联网物理体系来讲，其所属的物理层是固定的。

4 智慧城市功能体系结构

智慧城市功能体系是智慧城市实现的方式，包括五大功能平台：对象平台、通信平台、管理平台、服务平台和用户平台，其结构如图4所示。智慧城市功能体系的两边分别对应其信息结构和物理结构，其中信息结构与物联网的信息体系结构相吻合，为五域结构，包括对象域、通信域、管理域、服务域和用户域。对象域是对象信息存在的表现方式，通信域是感知信息通信、控制信息通信存在的表现方式，管理域是感知信息管理、控制信息管理存在的表现方式，服务域是感知信息服务、控制信息服务存在的表现方式，用户域是用户信息存在的表现方式。物理结构是智慧城市五大功能平台实现的物理基础，也包括五个物理层，分别为传感器、传感网、运营商管理设施、公共服务设施和用户端。

智慧城市功能体系五大功能平台的实现是通过信息体系和物理体系共同作用，缺一不可。智慧城市功能体系中包含很多个小的物联网单元体系，每个物联网单元体系都包含对象平台、通信平台、管理平台、服务平台和用户平台五个平台，根据智慧城市统一集中管理的理念，所有物联网单元体系的各平台都集中在智慧城市相应的平台进行管理，即所有物联网单元体系的对象平台都属于智慧城市的对象平台，所有物联网单元体系的通信平台都在智慧城市的通信平台，所有物联网单元体系的管理平台都在智慧城市的管理平台进行统一管理，所有物联网单元体系的服务平台都在智慧城市的服务平台上，所有物联网单元体系的用户平台都在智慧城市的用户平台上。这样，智慧城市的每个功能平台中都包含很多个不同物联网体系的平台，但平台类型都是一致的，各个平台都属于智慧城市功能平台的分平台，功能平台按照物联网体系的层级不同分为不同的层级。

物联网体系单元只是智慧城市的最小单元，智慧城市功能体系中不仅包含物联网体系单元，还有很多由物联网体系单元相互组合组成的子体系，子体系之间再相互组合组成更高一级的子体系，最终形成如图4所示的智慧城市物联网体系。例如物联网单元体系1、2、3、4相互组合组成子体系1，物联网单元体系4、5相互组合组成子体系2，物联网单元体系6、7、……、k相互组合组成子体系3，物联网单元体系k、……、n相互组合组成子体系n；子体系1和子体系2组合组成子体系一，子体系2、子体系3和子体系n相互组合组成子体系二；子体系一、子体系二等很多个更高一级的子体系相互组合组成智慧城市体系。事实上，智慧城市的子体系的组合和分级是无穷化的，从物联网单元体系到整个智慧城市体系，中间有无穷个子体系，使得物联网单元体系的功能更加多元化，高级化。换句话说，智慧城市是没有边界的，智慧城市的智慧化程度越高，其分级就越多，组合就越复杂。在智慧城市功能体系中，不管是子体系之间，还是子体系中的物联网单元之间，都不是孤立存在的，而是相互交叉、相互作用的，例如图4中物联网单元体系2和物联网单元体系3之间相互交叉；子体系1、……、子体系m，子体系c、……、子体系n，子体系一、……、子体系S之间都存在相互交叉的关系。

智慧城市的功能体系是由其信息体系和物理体系共同组成不同的智慧城市子体系，各个子体系相互交叉、相互组合、共同作用形成的。每个子体系都可实现智慧城市的某个功能，每个大的子体系中包含小的子体系，小的子体系中包含更小的子体系，最小的子体系是物联网体系单元。

从应用的角度来说，智慧城市功能体系包括许多不同领域、不同行业为用户服务的子体系。例如，智慧公用事业服务子体系可分为社会保障子体系、智慧医疗子体系、智慧教育子体系、劳动就业子体系、智慧能源子体系、智慧交通子体系、智慧环保子体系、智慧养老子体系等。智慧能源子体系又分为公用能源智慧服务子体系和家用能源智慧服务子体系。公用能源智慧服务子体系分为公用燃气智慧服务子体系、公共用电智慧服务子体系、公共水务智慧服务子体系、公共供热智慧服务子体系。家用能源智慧服务子体系分为家用燃气智慧服务子体系、家庭用电智慧服务子体系、家庭用水智慧服务子体系和家庭供热智慧服务子体系。

智慧城市中每个子体系都由多个物联网体系单元组成，这与智慧城市的信息体系结构和物理体系结构相吻合，可以说，智慧城市子体系是智慧城市的分支，每个子体系就是一个小规模的智慧城市，拥有智慧城市的完整结构。智慧城市子体系的结构同样包含五大功能平台，分为信息结构和物理结构，具体如图5所示。

可以看出，在智慧城市子体系中五个信息域与五大功能平台一一对应，但是与物理结构的五大部分并非一一对应关系，在服务平台和管理平台、管理平台与通信平台、通信平台和对象平台之间是相互错位的关系。物理结构中的运营商管理设施中包括运营商服务服务器、运营商管理服务器和运营商通信服务器，都属于运营商管理设施的物理层，而在信息结构中，运营商服务服务器属于服务平台的范畴，运营商通信服务器属于通信平台的范畴。同样的，在物理结构中的传感器部分包括传感器和通信模块，传感器和通信模块一起安装在智能传感器终端，智能传感器终端通过通信模块将感知信息上传，并接受下发的控制信息，而在信息结构中，通信模块属于通信平台的范畴。

5 智慧城市的功能平台

5.1 对象平台

智慧城市对象平台的功能是实现感知和控制，智慧城市对象平台包含很多个分对象平台，不同的分对象平台根据其所属的智慧城市子体系类型的不同，实现不同类型的感知和控制功能。对象平台的物理实体是智能传感器，包含多个不同类型的智能传感器。由智能传感器感知到感知信息，并执行控制，智能传感器可以自动实现自我控制，也可以根据接收的控制信息实现控制。

对象平台在信息结构中对应对象域，是感知信息的起点和控制信息的终点，感知信息始于对象，经通信平台、管理平台和服务平台传输至用户，用户将感知信息转换为控制信息后，再经服务平台、管理平台、通信平台传输至对象，对对象实行控制，从而形成闭环的信息结构。一切具有感知和控制功能的事物都可以作为对象，对象可以是人，可以是物，也可以是人和物的组合。

5.2 通信平台

智慧城市通信平台的功能是实现对象平台和管理平台之间的相互通信，是整个智慧城市体系信息流转的桥梁。智慧城市的通信平台包括很多个分通信平台，通过通信分平台实现不同的智慧城市子体系的信息流转。

智慧城市通信平台在信息结构中对应通信域，其物理结构包括四部分的内容，分别为传感器的通信模块、物联网智能网关、公共网络和运营商的通信服务器。公共网络主要是指移动公用网络、Internet等。物联网智能网关不同于现在普通的网关，而是具有智能管理功能的物联网智能网关。传感器上的通信模块将感知信息发送至物联网智能网关，物联网智能网关通过公用网络将感知信息传输至运营商管理平台中的运营商通信服务器。

5.3 管理平台

智慧城市管理平台对智慧城市体系中的信息进行处理、共享、存储、分类、标识解析等，实现管理功能，为服务系统提供支撑服务，是整个智慧城市体系的综合管理平台。智慧城市的管理平台包括很多个分管理平台，不同的分管理平台根据其所属的智慧城市子体系类型的不同，实现不同类型的管理功能。如智慧能源子体系管理平台实现的是对能源计量管理、安全管理等的综合管理功能，智慧医疗子体系管理平台实现的是对医疗资源的有效分配、患者信息的有序管理等综合管理功能。

智慧城市管理平台在信息结构中对应管理域，包括感知信息管理系统和控制信息管理系统，在物理结构中对应运营商管理服务器及与服务器相连的各种设施，是信息结构中的感知信息管理系统和控制信息管理系统的载体。运营商管理服务器可以是提供同一种服务的很多个运营商的服务器，很多个提供不同服务的运营商的服务器，也可以是提供某一种具体服务的某一个具体的运营商的服务器。

5.4 服务平台

智慧城市服务平台是向用户提供服务，实现服务功能的平台，其服务内容包括公共服务和运营商服务。公共服务是政府主导的，为智慧城市体系提供公共信息资源及数据处理服务，如信息资源、市场资源、法规监管、公共数据等，运营商服务是由运营商提供的信息融合、信息存储等服务。智慧城市服务平台包括很多个分服务平台，如智慧能源服务平台、智慧交通服务平台、智慧医疗服务平台等，这些分平台分别属于不同的智慧城市子体系。

服务平台在信息结构中对应服务域，包括感知信息服务系统、控制信息服务系统、公共感知信息服务系统、公共控制信息服务系统，在物理结构中对应两部分内容，一是公共服务网络，二是运营商管理设施中的运营商服务服务器。运营商服务服务器通过公共服务网络接入用户端，无论是运营商服务服务器向用户传递感知信息，还是用户向运营商服务服务器下发控制信息，都需要经过公共服务网络，这有利于整个智慧城市体系的信息安全保障。运营商服务服务器可以是提供同一种服务的很多个运营商服务服务器，很多个提供不同服务的运营商服务服务器，也可以是提供某一种具体服务的某一个具体的运营商服务服务器。运营商服务服务器是信息结构中的感知信息服务系统和控制信息服务系统的载体，公共服务网络是信息结构中的公共感知信息服务系统和公共控制信息服务系统的载体，公共服务主要包括信息资源交换，市场资源交换，法规监管，运行维护，公共数据的融合，公共数据的存储，公共数据的处理，公共数据的接入，标识管理服务，地理信息服务，服务管理，用户服务管理等。

5.5 用户平台

智慧城市用户平台的功能是实现用户享受智慧城市体系服务的平台，用户平台在信息结构中对应用户域，在物理结构中对应用户端。用户利用各种用户端，通过人机交互，实现自身需求的输出并享受整个智慧城市体系的服务。智慧城市的用户平台包括很多个分用户平台，各个智慧城市子体系的用户平台都集中在智慧城市的用户平台上，如智慧能源子体系的用户平台、智慧交通子体系的用户平台、智慧医疗子体系的用户平台等。

用户平台的用户，既可以是单独的个体用户，也可以是用户群体，既可以是人，也可以是物，既可以是企业用户，也可以是政府用户，只要是智慧城市体系服务的对象，就是用户。在信息结构中，用户泛指所有接受智慧城市体系服务的主体，是一种抽象的概念；在物理结构中，用户是指具体的用户，可以是享受同一种服务的很多个用户，很多个享受不同服务的用户，享受很多种不同服务的某一个用户，也可以是享受某一种服务的某一个具体的用户。

智慧城市体系是信息按照一定的规律运行，通过物理载体体现出功能，由功能平台相互协作，最终实现为用户服务的体系。智慧城市体系结构中的用户、对象、通信、管理、服务都是概念范畴，在具体的智慧城市的各种功能体系中，用户、对象、通信、管理、服务是每个子体系的节点，在实际应用中，智慧城市子体系节点可以互相转化，同一实体在不同的智慧城市子体系中所归属的节点范畴可能不同，因此，智慧城市的各种子体系是相互包含、相互穿插、相互作用的，其物理体系是错综复杂的，但是其信息都是按一定的经络运行，都有固定的运行轨迹，信息体系是统一的多层五域结构。

6 结 语

本文对智慧城市的体系结构进行分析和研究，提出了智慧城市是由许多物联网组成的创新理论，给出了智慧城市的信息体系结构，物理体系结构以及智慧城市的功能体系结构，详细分析了智慧城市功能体系结构中信息体系和物理体系的关系。相信通过本文的分析和研究，必将为我国甚至整个世界的智慧城市建设开辟一条新思路，并为智慧城市的建设提供方向性指导，为智慧城市的建设内容提供基本依据。

参考文献

[1]邵泽华.物联网结构的探索与研究[J].物联网技术，2015，5（11）：46-53.

[2] 黄玉兰. 物联网体系结构的探究[J]. 物联网技术，2011，1（2）： 58-62.