新型智慧城市软件基础设施

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引言

我国城市发展目前面临的主要矛盾包括三个方面：一是快速城市化的需求和城市公共设施与服务供给之间的矛盾，主要表现在出行难、教育难、就医难、住房难、应急处置效率效果不理想等；二是城市经济增长需求与资源环境制约的矛盾，典型表现包括城市环境污染治理的难度大、见效周期长等；三是社会阶层分化与管理体系滞后的矛盾，主要表现在社会矛盾、群体性事件，市民对于城市管理与服务表达意见的渠道多样化，而城市管理体系和手段跟不上。为了解决城市发展问题，就需要建设新型智慧城市，而这是一个逐步推进、持续建设的过程。

2016年12月13日，国家信息中心发布了新型智慧城市评价指标(GB/T 33356-2016)，明确指出了八项一级指标，为全国智慧城市的建设点亮了方向。2017年9月23日，新型智慧城市建设部际协调工作组办公室秘书处和国家信息中心权威发布了《国家新型智慧城市评价数据分析报告2017》[1]，这是我国首次发布新型智慧城市评价数据分析结果。报告肯定了新型智慧城市建设工作机制的作用，同时也明确了我国新型智慧城市发展整体尚处于起步阶段。2020年1月14日，国家信息中心发布《新型智慧城市发展报告2018-2019》[2]，报告显示，我国大量新型智慧城市建设正从预备期向起步期和成长期过渡，处于起步期和成长期的城市从2017年占比57.7%增长到80%，工作重心正从整体规划到全面落地过渡。

2020年席卷全球的新冠疫情把城市的管理、服务、决策、应急等方面存在的短板暴露得一览无遗，是我国新型智慧城市建设的一剂催化剂，将会加速新型智慧城市方案的迭代升级和全面落地。

党的十九大报告强调，要“提高社会治理社会化、法治化、智能化、专业化水平”“善于运用互联网技术和信息化手段开展工作”。目前，城市治理还面临很多难题，而高新技术的蓬勃发展，为解决这些难题提供了新手段和新机遇。

纵观新中国城市化的进程，以及过去五年新型智慧城市的发展，从宏观层面看，智慧城市的建设会随着城市文明的发展持续向前。从微观角度看，新型智慧城市的业务效果是在运营中体现出来的，而运营是一个满足当前业务需求与孕育新业务相互交织迭代的过程，因此，新型智慧城市是一个建设与运营相辅相成、持续迭代的过程。

1 新型智慧城市建设需要软件基础设施的支撑

新型智慧城市的建设，包含两大类业务：政务服务一网通办和城市治理一网统管。政务服务和城市治理都横跨城市的各个领域，包括应急响应、公共安全、生态环境、医疗卫生、文化教育、产业园区、社区管理等。各领域的服务和管理都对应垂直化的政府职能部门，这些部门在持续的信息化建设过程中，积累了各自的IT基础设施、信息化系统和业务数据，但由于各职能部门的IT系统各自规划、各自建设、缺乏统筹，产生了大量的垂直化业务系统，同时，垂直业务所建设的感知设备产生了大量的感知数据，且这些感知数据绝大多数没有被及时有效地收集和利用。这些系统之间的业务流程彼此孤立，数据无法互通，于是产生了我们常说的“数据孤岛、应用孤岛、业务流程孤岛”，其典型的表现是：一个完整的业务被分割在不同的业务系统中，每个业务系统只能支撑部分环节的处置流转，业务系统之间的衔接需要依靠人工进行数据的查看/导出和录入，人工衔接的过程常常需要“证明”和“盖章”来支撑，一直以来是限制业务准确性与效率提升、市民体验升级的瓶颈。新型智慧城市建设过程中，不论是一网通办还是一网通管，都要求更大的覆盖率和更高的效率，这意味着，支撑业务的IT系统要具备三大核心能力。

1)大量的感知数据、业务数据要能被智能化地分析，进而转化成信息。城市建设累计产生了ZB级的数据，但从数据到信息之间的巨大鸿沟，使用传统的人工采样、分析或者统计软件，均无法填补，必须充分运用人工智能技术中对视频图像的分析能力、对于自然语言的理解能力，大数据技术对海量异构数据的存储、计算、主题建模能力，以及基于机器学习的BI分析能力。

2)数据在合理授权的情况下要能被各种业务系统使用。新型智慧城市建立在大量的数据应用基础之上，一个垂直业务的办理常常需要用到来自多个垂直业务的数据。所有的城市数据应该被按照一定的标准规范进行编目、治理、汇聚成业务模型，形成数据资产，每一条数据资产都需要被关联上各业务单元的读写权限。

3)业务流程要能在彼此孤立的业务系统之间准实时甚至是实时地、自动地流转。越来越多的业务流程需要跨多个职能部门协同处置办理，要将分段的且有特定先后顺序的业务自动地串联起来，才能实现业务处置的增效降本。

城市的持续发展带来越来越多样化的政务服务和城市治理业务，因此需要越来越丰富的IT应用系统，对于上述三大IT核心能力的需求即成为建设新型智慧城市的基础诉求，我们称之为智慧城市软件基础设施。

2 新型智慧城市软件基础设施的业务和技术特征

2.1 新型智慧城市软件基础设施的业务特征

新型智慧城市软件基础设施应当具备以下三个业务特征。

1)跨行业。新型智慧城市软件基础设施要能支撑政府多个垂直行业，这使得我们不需要为每一个垂直行业单独建设一套基础设施。共享同一套基础设施，是跨行业打通业务的基础。这意味着，软件基础设施要能与行业独有的个性化业务特征解耦。

2)懂行业。新型智慧城市软件基础设施不能是与业务完全绝缘的软件平台，而要能具备行业认知，并具备持续提升行业认知的能力，这使得各业务部门基于它建立业务应用的时候，能享受到行业认知的赋能，这也是降低业务应用建设门槛的关键之一。

3)连接行业。新型智慧城市软件基础设施的另一个作用是实现不同行业的业务流程连接和业务体系的融合。一套软件基础设施能支持多个行业基于它构建应用，是做到了“跨行业”；多个行业的垂直业务系统还能通过软件基础设施进行数据的交换、流程的衔接，才是做到了“连接行业”。智慧城市的建设是多行业并行建设，只有打破各行业独立发展的局面，促进相关行业业务体系的融合，才能最大程度地实现城市的数字化与智能化。

新型智慧城市软件基础设施的业务属性如图1所示。

2.2 新型智慧城市软件基础设施的技术特征

新型智慧城市软件基础设施还应当具备以下技术特征。

1)平台性。新型智慧城市软件基础设施要能支持多行业的应用系统的持续迭代，向应用系统提供安全的、稳定的、高可用的、性能良好的数据服务、计算服务、以及各类应用引擎。

2)可迭代性。业务系统的持续发展要求新型智慧城市软件基础设施提供日益丰富的功能，软件基础设施必须具备技术上自我迭代和扩展的能力。

3)水平和垂直双向兼容性。新型智慧城市以分城分级建设的方式开展，各地市、区县、乡镇都希望结合本地特有的营商环境、风土人情来建设。通常，每个地市需要建设一套自己的智慧城市软件基础设施，地市管辖的区县则可能是共享一套设施，也可能是各自建设。这就要求智慧城市软件基础设施要能跨地市水平兼容，这是多个城市业务联动的必要条件；还要求能够连接地市、区县、乡镇，实现垂直兼容，这是一个地市内部多层级业务联通的必要条件。

4)低耦合性。低耦合性包括两个方面：一是和应用系统解耦，二是内部各组成部分之间相互解耦。智慧城市软件基础设施立足于全面的、中长期的城市规划，支撑泛行业的应用系统；应用系统则应充分支撑当前业务特征，并具面向未来的迭代能力。技术上，应用系统依赖于智慧城市基础设施，但不应该存在任何反向的依赖。智慧城市建设过程中，不同级别的业务体量或者不同的建设阶段，对于基础设施的需求不尽相同，需要能基于当前的需求灵活地拼装成一套基础设施，未来需求增长时，能增补更多的能力。

图1 新型智慧城市软件基础设施的业务属性

3 新型智慧城市软件基础设施应具备的核心能力

新型智慧城市软件基础设施包括以下五个组成部分：大数据泛感知能力、大数据存储与计算能力、AI识别与分析能力、应用基础能力、业务套件，它们之间的支撑关系如图2所示。

3.1 大数据泛感知能力

数据是智慧城市的基础。有些数据用来支撑业务决策，比如对于历史业务数据的分析；有些数据就是业务流程内在不可缺少的组成部分，比如各类传感器感知到的业务数据。从软件的视角，数据泛感知能力的本质是把离线的或在线的各种类型的数据收集起来，为后续的计算提供数据基础。数据来源主要包括：1)由5G+AIoT构成的物联感知系统，除了收集物联网设备感知到的业务数据以外，还对设备的工作状态进行监控和管理。2)用来获取互联网舆情等公开数据的网络爬虫。3)分析政务服务和城市治理水平和问题的政务热线体系(包括热线电话、手机APP等融媒体渠道)，它可以从市民对于智慧城市的直接感受中获取信息。4)在合理授权和安全脱敏的前提下，从各业务系统中获取的业务数据。

图2 新型智慧城市软件基础设施能力结构图

3.2 大数据存储与计算能力

对海量异构数据的存储与计算，包括非实时的分析型计算和实时的交互查询型计算，提供符合行业规范的数据服务或者模型计算服务。主要包括以下内容。

1)存储计算引擎，负责存储和计算海量的结构化、半结构化、非结构化的数据，提供两种计算模式：对时效性要求不高的分析型计算，和要求实时返回的交互式查询。这意味着要同时具备数据仓库和交易性数据查询系统的能力。

2)数据汇聚与治理，从不同的感知体系中获取数据，之后对数据进行一系列的治理操作：质量稽核用来发现脏数据，数据清洗用来去除或者修正脏数据，根据行业数据资产编目规范对数据进行编目，按照行业惯例对数据进行一系列运算形成数据宽表，根据特定业务需求建立数据集市。

3)数据血缘与链路计算，对于数据汇聚、治理、使用的全流程中每一次ETL(抽取、转化、加载)、使用的过程对数据上下游关系以及数据计算耗时做记录和监控，用于数据溯源分析和数据链路性能管控。

4)数据资产管理，对于数据资产做命名、归类、编排、访问授权管理。数据资产包括业务数据和元数据(用来描述业务数据的数据)。数据资产的管理单位应该有不同的颗粒度，比如可以是表、行或列，也可以是文件或者文件夹。每个行业的元数据都有其特定的属性，同时也大都具备一定的行业标准。元数据资产的预定义和管理可有效提升业务数据治理效率和业务数据资产的标准化程度，进而利于数据层面向应用系统暴露的接口的标准化。5)数据共享交换，本质上是对数据资产访问权限的管理和对数据访问过程的审计。管理员根据业务需求和权限与期限设定将特定的数据资产开放给特定的用户，用户通过数据中间库或者数据服务API访问数据，访问日志被记录下来用于事后审计或者问题排查。数据共享交换是新型智慧城市软件基础设施实现不同行业业务系统的数据连接的核心能力。

3.3 AI识别与分析能力

面向一网通办和一网统管业务提供语音识别、语义识别、视频图像识别和机器学习行业建模的能力。值得注意的是，人工智能涉及诸多技术领域，每个领域都有一定的技术门槛。虽然近些年各领域人工智能算法达到前所未有的开放程度，但从算法到场景化落地，再到上线投入生产，需要大量的算法优化和工程化技术研发，其中的技术与业务门槛不可小觑。因此，作为智慧城市软件基础设施的AI能力不宜走“AI算法开放平台”的技术路线，而应该将算法、算法工程化、线上业务效果持续调优能力封装成面向应用系统的AI服务，使得没有算法基础的业务系统开发者能直接使用，辅以简单的参数调试即可完成上线部署交付。

业务的发展会带来场景的变化，使得AI准确率和召回率下降，为确保线上业务效果持续稳定，交付后的持续优化必不可少。然而，仅靠定期人工调试来实现是不够的。AI生产系统要具备数据回流的能力，通过AI计算过程与业务结果的闭环分析，实现半自动甚至部分场景里全自动的参数调优。

3.4 应用基础能力

建设大数据泛感知能力、大数据存储与计算能力、AI识别与分析能力是为了将传统业务流程应用升级为数字化的、智能化的应用；应用基础能力则是为了提升应用软件的构建效率和质量。我们对一网通办和一网统管的业务流程做提炼，就能对其应用系统能力抽象出高频使用的能力，并将这些能力封装成逻辑高内聚的技术中间件。一方面，这些中间件与业务代码解耦，使得它们具备支持多个细分行业多种应用场景的能力，并能独立于业务代码向前迭代(但需要在接口层面满足向后兼容)；另一方面，这些中间件构成了应用系统的技术骨架，当它的响应速度、长期运行的稳定性、高可用性、安全性、可扩展性等技术指标得到保障后，基于其构建的业务应用系统的技术指标就有了保障。这使得应用系统开发者无需关心中间件复杂的内在逻辑，而直接使用其提供的服务，就能快速构建高质量的应用系统。应用基础能力是新型智慧城市实现不同行业业务系统的流程衔接的核心，主要包括以下内容。

1)多级网格化组织结构与用户管理：提供分层级的、网状的组织结构配置能力，角色、权限、用户的配置能力，和可供所有应用系统调用的鉴权服务。

2)报表引擎：提供通过界面配置，辅以少量的SQL代码(或更易读的类SQL伪代码)的方式，由实施团队或者业务用户根据需求快速定制报表的能力。

3)工作流引擎：提供通过界面拖拽即可快速生成电子表单的能力，创建和配置工作流模板的能力，以及执行工作流实例的能力。

4)2D/3D高性能渲染：提供基于地图的或者建筑内外视角的2D/3D呈现能力，这是各行业数字孪生系统在展现层被广泛使用的能力，比如各类态势呈现系统和业务流程协同系统用到的数字大屏。

5)时空地理数据计算：提供基于时间和空间两个维度的数据计算能力，并将数据渲染在地图上，常用于在地图上呈现行业的态势指标在一段时间和一个地理空间内的历史变化或者未来趋势。

6)GIS引擎：提供地图数据的配置、计算和渲染能力。

7)BIM建模：提供楼宇建筑内外的3D建模和渲染能力。值得注意的是，智慧城市场景里的BIM和建筑设计场景不同，建模的精度可以适当降低，以减少对数据算力和渲染能力的硬件要求，降低实施成本。因此，BIM建模能力还要提供将专业建筑设计级别的BIM数据模型泛化和降维的能力。

8)移动端低代码开发平台：提供快速搭建移动端应用的能力。政府移动办公、市民移动办事，是提升智慧城市业务效率的重要手段。考虑到与PC端的屏幕大小和输入法的差异，移动端应用主要以分析结果数据呈现、事件处置流转、消息推送处置等不需要大量文字输入但要求较高的处置时效性的场景为主。因此，移动端开发平台的主要能力应该以“小而易用”为原则，比如聚焦在报表渲染、事件流转、消息处理等功能。

9)基于元模型驱动的业务建模架构：是保障上述绝大多数能力与个性化的业务逻辑解耦的技术基础。应用基础能力最大的技术难点是模型抽象，不管是简单的站内消息模型，还是复杂的交叉型组织结构，抑或是更为复杂的业务处置流程，都需要抽象出用来描述模型的模型，才能无限趋近于与业务流程彻底解耦。

3.5 业务套件

业务套件是对智慧城市业务系统进行抽象后，提取出的具备跨业务甚至跨行业通用的业务系统模块的集合，每个业务系统的数据、流程、用户界面都可以通过配置来实例化成某个行业的业务系统模块。业务套件是五大能力中业务属性最强的部分。智慧城市应用系统包括如下常用的业务套件。

1)城市态势综合呈现：用多项业务指标呈现城市运行的态势，包括过去的演变历史和未来的发展趋势。值得注意的是，呈现出的态势应该带着业务的判断，能直接地表征业务优劣程度并呈现风险，而不仅仅是物理世界的简单的数字化渲染。

2)城市运行指标定义、监测、预警：要计算运行态势，首先要定义城市运行指标。城市治理体系中，经济、文化、旅游、民生、生态、公安等行业都有自己的符合一定信息管理规范或者惯例的指标，该套件自带预定义的运行指标，同时支持用户自定义运行指标，并支持用户基于指标定义监测和预警规则。当指标触发规则产生预警，预警信息封装成标准的消息，被应用系统消费。

3)事件处置、协同指挥：事件处置是智慧城市应用系统中常见的业务形式，其难点在于如何在多个彼此孤立的系统之间完成一个事件的流转和协同处置，尤其是在已有的旧系统和新建的系统之间流转。传统的做法是需要有流程关联的系统之间两两对接，对已有系统改造量大，且一个事件跨的应用系统越多，事件流转链路的脆弱性越高。该套件提供独立于各应用系统之外的事件路由服务。各应用系统在事件路由服务上注册关注的事件类型，从中获取事件，完成处置之后，把结果提交给事件路由服务。事件路由服务定义注册和提交的技术规范，各应用系统只需要少量的增量开发就能接入事件网络，而不需要修改内部逻辑。事件路由服务作为整个事件网络的中心，对并发能力、高可用、安全性有较高的技术要求。此外，该套件提供多对多的语音和视频通信能力，提升协同指挥的效率。

4)考核评估：提供可灵活配置的考核规则、考核审批流程、考核数据流入流出等功能。

5)辅助决策：提供基于统计模型和机器学习模型的数据分析能力，以及基于知识图谱的检索能力。

4 小结

新型智慧城市的建设是一个持续建设的过程，随着数字化、智能化程度的持续提升，新型的业务诉求会不断地自然而然地涌现，这将需要越来越丰富的业务支撑系统，同时对于业务支撑系统的能力、构建速度和更新频率的要求也会与日俱增。实施新型智慧城市软件基础设施是支撑业务快速发展的最佳途径之一。新型智慧城市软件基础设施聚焦于五大核心能力，具备相对稳定的可预见的演进迭代路线，它使得新型智慧城市软件体系整体可持续发展成为可能。