智慧城市及其关键技术研究

王庆光

摘 要：智慧城市是当前城市发展的新理念和新模式，是信息时代的新型城市化发展模式。为解决城市发展过程中的各种问题，应大力发展智慧城市，利用新技术处理城市问题，提升市民的生活品质和幸福感，为此世界各国不约而同将智慧城市作为未来的发展模式。概述国内外智慧城市的发展，重点研究智慧城市建设的关键技术，总结目前智慧城市建设中的问题，并提出相应的策略，为今后更有效的智慧城市建设提供参考。

关键词：智慧城市 云计算 大数据 物联网 空间信息

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（b）-0025-04

Abstract： Smart city is a new idea and new mode of the current urban development， and it is the new urbanization development pattern of the information time. To solve the various problems in the process of urban development， we should vigorously develop smart city， and use new technology to deal with urban problems， and enhance people's quality of life and happiness， therefore various countries in the world happens to coincide to smart city as the future developing mode. This paper expounds the development situation of smart city at home and abroad， and puts emphasis on key technologies of supporting the construction of smart city， and summaries the problem in current construction of smart city， and comes up with the corresponding strategy， and provides a reference for more effective smart city construction in the future.

Key Words： Smart city； Cloud computing； Big data； Internet of things； Spatial information

隨着社会经济的快速发展以及城市化进程的加快，出现了许多的“城市病”：城市规模大、办事效率低、交通拥堵、能源消耗过度等，传统城市管理大方法已经力不从心了，于是“智慧城市”逐渐兴起。

智慧城市是当前城市发展的新理念和新模式，以改善城市人居环境质量、优化城市管理和生产生活方式、提升城市居民幸福感受为目的，是信息时代的新型城市化发展模式，对于城市实现以人为本、全面协调可持续的科学发展具有重要意义[1]。

该文拟论述智慧城市理论及其在国内外发展的基础上研究智慧城市的关键技术，分析目前智慧城市建设存在的问题与应对策略。

1 从数字城市到智慧城市

数字城市来源于美国。1998年1月，时任美国副总统的戈尔发表了题为“数字地球：在21世纪认识我们的行星”的演说，提出了“数字地球”的概念。 “数字城市”是“数字地球”的具体体现，是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带，运用遥感、全球定位系统、地理信息系统、遥测、仿真-虚拟等技术，对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述。智慧城市同样来源于美国。2008年底，IBM提出“智慧地球的概念，对未来全球的任务进行了前瞻性的展望，提出了智慧地球和智慧城市的理念。

数字城市在我国经过十几年的发展，积累了大量的基础数据，同时也面临诸多挑战，包括超级海量信息的采集、存储、分析、传输、利用等问题，数字城市还停留在虚拟系统中，尚未与物理城市进行互动。智慧城市是数字城市的智能化，是数字城市功能的延伸、拓展和升华，通过物联网把数字城市与物理城市无缝连接起来，利用云计算和网格计算技术对实时感知数据进行快速和协同处理，并提供智能化服务，主要表现为感知能力、逻辑思维能力、自学习与自适应能力、行为决策能力[2]。因此，智慧城市是来源于数字城市，又高于数字城市。

2 国内外智慧城市发展概况

目前，智慧城市已成为全球城市发展关注的热点，因此受到各国政府的欢迎，相继提出了“智慧城市”的战略举措：2009年9月，美国爱荷华州的迪比克市与IBM共同宣布，将建设美国第一个“智慧城市”；欧盟在2007年提出一整套智慧城市建设目标并付诸实施；日本政府于2009年7月推出《I-Japan（智慧日本）战略2015》。

中国作为一个发展中的大国，近年来非常重视智慧城市的建设：2010年，科学技术部等部门在武汉举办了“2010中国智慧城市论坛”；2011年5月，国家测绘局更名为国家测绘地理信息局；2014年8月，国家发展改革委员会、工业和信息化部、科学技术部等8部委出台了《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》，指出智慧城市建设的主要目标是到2020年，建成一批特色鲜明的智慧城市。2016年3月，李克强总理在全国两会上作关于政府工作的报告时也指出：打造智慧城市，改善人居环境，使人民群众生活得更安心、更省心、更舒心。

3 智慧城市关键技术

智慧城市的建设过程，就是以社会经济繁荣为目标，以社会和谐稳定为前提，以民生幸福为考核标准，将新的信息技术充分地运用到城市的各行各业，人类可以用一种更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”的状态。目前来说，新的信息技术包括云计算技术、大数据技术、物联网技术、信息安全技术和空间信息技术等。

3.1 云计算技术

随着数字技术和互联网的急速发展，互联网上的数据量高速增长，而互联网数据处理能力不足。同时物联网上存在着大量处于闲置状态的计算设备和存储资源，如果能够将其聚合起来统一调度提供服务，则可大大提高其利用率，让更多的人从中受益，这正是云计算要实现的重要目标之一[3]。云计算是一种基于互联网的大众参与的计算模式，其计算资源是动态、可伸缩、被虚拟化的，而且以服务的方式提供[4]。基于云计算技术，建立从基础设施、数据、平台到服务的一体化的时空信息云平台，将空间大数据、视频大数据以及各类应用中的大数据进行有效管理，并按照实际需求进行处理、存储、管理，并提供相应服务，能够满足交通、物流、城市管理、旅游、安防、应急等各行业和城市综合的智慧应用，推动智慧城市的完善和发展。云计算是实现智慧城市的核心技术，提供强大的智能决策支撑能力。

3.2 大数据技术

大数据指的是收集和分析大量信息的能力，目的在于从复杂的数据里找到过去不容易昭示的规律[5]。大数据之“大”，并不仅仅在于“容量之大”，更多的意义在于人类可以发现新的知识，创造新的价值，带来“大知识、大利润”和“大发展”[6]。

智慧城市中由海量传感器组成的物联网将不断地采集海量的数据，而这些大数据需要经过存储、处理、查询和分析后才能充分用于各類应用，从而提供智慧服务，并且对大数据存储、处理、查询和分析的实时性要求越来越高，随之将带来一系列的问题和挑战[7]。在智慧城市中，大数据应用主要体现在大数据融合、大数据处理以及大数据分析挖掘等方面。

3.2.1 大数据融合

目前政府掌握的公共数据量大、面广、价值密度高，但由于部门利益不协调、技术规范不一致、安全责任不明晰等原因，不同行业、部门、地域的数据普遍被隔离，相关数据之间天然的关联性和耦合性被割裂，“信息孤岛、信息盲点、数据垄断”和“数据打架”现象大量存在[8]。为此，大数据融合技术加强大数据标准建设、海量异构数据建模、融合、存储与索引等关键技术研发，为底层数据集成的信息共享提供标准和技术保障。

3.2.2 大数据处理

大数据环境下，需要分析的数据来源广泛、类型丰富、数据量大。大规模数据在智慧城市系统中流动频繁，需要对大规模数据进行与处理，通过数据提取、转换和加载等操作，提高大数据分析质量和效率，以满足数据分析和挖掘的需要。

3.2.3 大数据分析挖掘

大数据的真正价值在于挖掘和分析，找到这些数据之间的关联，发现它们背后的规律，为解决实际问题服务。在目前的智慧城市建设中，我们需要注重的应该是如何盘活已有数据存量，用好大数据增量，来提升城市公共服务能力和管理决策水平。

3.3 物联网技术

物联网，就是物物相连的互联网。它有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了物品与物品之间，进行信息交换和通信。

物联网能实现人与人、人与机器、机器与机器的互联互通，各类型的传感器能通过各类有线和无线网络为用户提供固定、游牧和移动式无所不在的应用和服务。因此，物联网技术的发展对智慧城市在市政管理智能化、农业园林智能化、医疗智能化、楼宇智能化、交通智能化、旅游智能化及其他应用智能化等方面起到基础技术支持的作用。

3.4 信息安全技术

智慧城市是以物联网和云计算等新技术建设的新型城市，涉及信息的采集、传输、处理等多个环节，智慧城市所面临的风险根源也是来自其实现基础——物联网和云计算技术。信息安全技术以提高信息安全防护、发现安全隐患和漏洞为主要研究目标，是保证智慧城市能够安全和稳定运行的坚实基础[9]。

3.4.1 物联网安全

智慧城市的物联网无处不在，承载着把物理世界和信息世界建立全面联系的重任，物联网设备化、智能化和互联化的特征，致使其存在着较大的安全隐患。

目前，物联网技术的体系结构总体上可归结为感知层、网络层及应用层三层。物联网的感知层节点一旦被攻击者控制后，与其交互的信息都将被攻击者获取，还可能发出错误的信息，从而影响系统的正常运行，因此，感知层安全措施必须能够判断和阻断恶意节点，保障感知层的连通性。物联网网络层是对感知层和应用层之间的通信数据进行安全可靠的传递。保障物联网网络传输层安全的技术措施主要包括：安全路由协议和恶意代码防御技术[10]。物联网应用层提供丰富的基于物联网的应用，是物联网发展的根本目标。应用层涉及到分布式计算、数据融合、云计算、数据挖掘、语义分析等核心技术。通过授权认证、加密等安全机制来保证用户在通信中的隐私安全：授权认证机制只有合法用户才能读取相应级别的数据；加密机制使得只有拥有解密密钥的合法用户才能读取物联网终端上的信息，并保证信息在传输过程不被中间人监听。

3.4.2 云计算安全

云计算的安全问题无疑是云计算应用最大的瓶颈和顾虑。云计算拥有庞大的计算能力与丰富的计算资源，越来越多的恶意攻击者正在利用云计算服务实施恶意攻击[11]。

云计算安全主要包括数据安全、应用安全和虚拟化安全。数据安全主要为云计算中存储的数据提供安全保证[12]。应用安全主要是用来保障运行在云计算平台上的各种应用系统的安全。虚拟化安全是对底层的计算、存储和网络等资源进行抽象，为上层服务提供灵活富有弹性的资源池。

3.5 空间信息技术

空间信息技术是20世纪60年代兴起的一门新兴技术，是卫星定位系统、地理信息系统和遥感与通讯技术、网络技术的综合集成。卫星定位系统是一个基于人造卫星、面向全球的全天候无线电定位、定时系统[13]，由空间卫星、地面控制和用户设备等三部分构成，具有实时定位速度快、抗干扰性好、精度高、效率高、仪器操作简便等特点，为实时获取城市室外地表物体的位置信息提供了可能，在智慧城市建设各领域发挥重要作用。地理信息系统是由计算机系统、地理数据和用户组成[14]。建设智慧城市，离不开城市地理信息系统服务平台的建设，有了服务平台，智慧城市建设才有施展空间。城市地理信息系统服务平台可为政府部门、企业单位和公众提供空间数据支撑和服务，实现与地理空间信息的充分共享[15]。遥感是通过远距离记录目标物的电磁波特性，分析、解译、揭示其变化规律。遥感在获取数据时具有宏观、综合、动态和快速等特点[16]，因此被广泛采应用于智慧城市空间数据的获取。目前遥感数据已经成为智慧城市最基本的空间数据来源。

4 问题与策略

智慧城市理念为城市未来的发展描绘了美好蓝图，国内外智慧城市建设也在如火如荼进行，但是智慧城市建设的过程中也存在着一些问题，为此必须采取相应策略来推动智慧城市健康发展。

4.1 缺乏统筹规划

目前的智慧城市建设过程中，可参照的政策法规和核心技术标准不足，造成项目建设水平、基础参差不齐，制约智慧城市的健康发展。为此，要根据技术变革方向和实际需求，准确把握未来的智慧城市发展的前沿方向，制定高标准的智慧城市建设规划全面统筹建设各领域的智慧项目，按计划、有重点、分层次地协调推进智慧城市的建设。国家主管部门要牵头研究制定技术标准、加快政策的制定和法律法规的出台，为智慧城市建设提供保障。

4.2 缺乏地域特色。

中国目前还缺乏可以参照的智慧城市“样板”，缺乏好的经验，不同的城市之间相互“借鉴学习”，造成智慧城市建设“千城一面”，缺乏地域特色。为此需要我们在今后的智慧城市建设过程中结合城市的性质特征、功能、历史文化等，突出城市的区域优势和特色。要在充分论证、民主决策的基础上，制定能够突出区域优势地位的智慧城市建设的短期、中期、长期发展规划，相应的规划应由当地人大按照法律途径表决通过并公布，以法治的路径确保科学合理的智慧城市建设规划能够稳妥推进。智慧城市的建设应该结合当地区域优势而进行，保障相邻城市之间形成专业协作关系，促使相邻城市之间的经济结构实现互补和有序转换。

4.3 “信息孤岛”现象普遍存在

资源的整合，尤其是信息资源的整合，是智慧城市建设的关键所在。各部门、各行业、各地域间有价值的公共信息资源和商业数据的开放程度较低，“信息孤岛”普遍存在，互联互通程度不足，与智慧城市的大数据要求相差甚远。信息资源的开放、共享、利用仍是难啃的‘硬骨头，信息碎片化是我国智慧城市建设的核心挑战。” 这些“碎片化”的信息资源导致了大量的“信息孤岛、智能孤岛”，成为智慧城市建设的巨大障碍。为此必须形成智慧城市建设的统一领导，破除体制藩篱，改变信息垄断、不透明的状况，完善各业务部门间的协作机制，促成跨部门、跨行业互联互通与资源共享。

参考文献

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