基于对比分析方法的智慧城市架构体系建设

李忠伟 苏才江

（南京信息工程大学人工智能学院，江苏 南京 210044）

随着历史变迁，城市规模越来越大，城镇化率越来越高，城市功能越来越丰富。2019年中国的城镇化率接近60%，到2035年预计达到75%[1]。城市规模的扩大和城镇化率的提高对传统的城市管理模式带来巨大挑战，必须有全新的管理理念和管理手段来应对，智慧城市是城市规模化发展的必然选择。

根据IBM《智慧城市在中国》白皮书中的定义，智慧城市是基于新一代信息技术的应用，智慧城市基本特征为全面物联、充分集成、激励创新、协同运作等四方面。智能传感设备将城市公共设施物联成网，物联网与互联网系统完全对接融合，政府、企业在智慧基础设施之上进行科技和业务的创新应用，城市的各个关键系统和参与者实现高效运作。

《中国智慧城市标准化》白皮书中对智慧城市的定义为使用各种先进的技术手段尤其是信息技术手段改善城市状况，解决城市中存在的各种问题，使城市生活更加便捷，城市运行效率进一步提高，城市部门协同更加灵活。智慧城市以智慧的理念规划城市，以智慧的方式建设城市，以智慧的手段管理城市，用智慧的方式发展城市，提高城市空间可达性，提升城市活力，保证长足发展。智慧城市下四大基本特征包括深层感知、广泛互联、智能应用、高度共享[2]。

对于智慧城市的发展规划，我国自2009年在《让科技引领中国可持续发展》中明确了建设智慧城市的目标，到2013年住房城乡建设部公布首批国家智慧城市试点名单，2016年“十三五”规划提出建设一批新型示范性智慧城市，2018年政策出台了智慧城市顶层设计的总体原则，2021年“十四五”规划指出需要推进构建网格化管理、精细化服务、信息化支撑、开放共享的继承管理服务平台，加强和创新城市社会治理，推进城市社会治理现代化。全国各地已经将智慧城市建设写入2021年首要发展任务。各项推进智慧城市建设的政策证明建设智慧城市是目前中国城市建设的重点。

建设智慧城市符合我国城市发展规律，建设智慧城市能够有效解决目前我国城市中出现的各类不利于城市居民幸福感提升的问题；能够有效促进以物联网（IOT）、人工智能（AI）等先进技术的实际落地应用。文章从国内各大城市采用的智慧城市架构出发，比较各层功能与技术，指出设计不足和优点。对我国智慧城市建设事业具有一定参考价值。

1 智慧城市重要组成部分

智慧城市的出现是为了解决现有城市中存在的问题，如交通拥堵、城市管理成本高、信息传递与获取速度慢等情况。智慧城市主要功能包括全面实时感知、数据高速获取与传递、智能信息处理与可视化、提供高效与智能的安全防卫、提供有效且便捷的操作管理等内容。

智慧城市的本质是一个复杂的巨型系统，涉及自然、社会、经济、人文等方面。建设智慧城市是将复杂的巨型系统推向数字化、网络化、智能化的过程，是人的自然智能与计算机人工智能的深度融合。新型智慧城市由多个系统及子系统组成。系统之间由接口传递信息。智慧城市核心技术包括物联网感知技术、5G与WiFi通信技术、数据存储技术、数据分析与可视化技术、人工智能技术、地理信息系统技术以及安全技术。智慧城市的重要组成部分包括城市建筑基础设施、交通基础设施、通信基础设施、超级计算中心、数据存储仓库、城市大脑、物联网传感设施等。

以此为基础，我国各城市在建设智慧城市过程中提出了不同建设方向的设计架构。智慧城市建设是一项工程量巨大、涉及面广泛、技术庞杂的项目，需要较长的建设周期以及科学完善的架构设计方案指导。

2 三地基本情况比较

2.1 上海市基础情况

根据上海市统计局发布的《2020年上海市国民经济和社会发展统计公报》，上海市全年生产总值（GDP）38 155.32亿元，比上年增长6.0%。其中，第一产业增加值103.88亿元，下降5.0%；第二产业增加值10 299.16亿元，增长0.5%；第三产业增加值27 752.28亿元，增长8.2%。第三产业增加值占上海市生产总值的比重为72.7%，比上年提高1.8%。按常住人口计算，上海市人均生产总值为15.73万元。由于大量人口迁入和外来流动人口迅速增长，上海市人口总量不断扩大，全市常住人口2 418.33万人，外来常住人口972.68万人，户籍常住人口1 445.65万人。

2020年上海累计建设5G室外基站2.66万个，5G室内小站3.5万个，实现中心城区和郊区重点区域连续覆盖，平均下载网速达到200 M/s以上，重点区域下载速网速超500 M/s。

上海市的城市道路分为快速路、主干路、次干路和支路。上海城市道路总里程为5 494 km，快速路207 km、主干道723 km、次干路1 236 km、支路3 327 km。上海市环城高速公路包括内环线、中环线、外环线和郊环线等四条。

2.2 杭州市基础情况

2020年杭州实现地区生产总值16 106亿元，比上年增长3.9%。第一产业增加值326亿元，下降1.1%；第二产业增加值4 821亿元，增长2.3%；第三产业增加值10 959亿元，增长5.0%。三次产业结构为2.0 : 29.9 : 68.1（经最终核实，2019年杭州GDP修订为15 419亿元，比上年增长6.8%，三次产业增加值结构为2.1 : 31.4 : 66.5）。数字经济核心产业增加值4 290亿元，增长13.3%，高于GDP增速9.4%，占GDP的26.6%。电子信息产品制造、软件与信息服务、数字内容和机器人产业分别增长14.7%、12.9%、12.7%和12.3%。

根据全国第七次人口普查报告中的数据，全市常住人口为1 193.6万人，与2010年第六次全国人口普查的870万人相比，十年共增加了323.6万人，增长37.19%，年平均增长率为3.21%。全市常住人口中共有家庭户443.59万户，集体户51.9万户，家庭户人口为1 046.96万人，集体户人口为146.64万人。平均每个家庭户人口为2.36人。

截至2020年底共建成5G基站6.26万个，实现全省县城以上地区和部分重点乡镇覆盖。杭州市全市已经基本实现网络全覆盖，城区网络覆盖率100%，农村网络覆盖率97%。平均下载网速达到150 M/s以上，重点区域下载网速超400 M/s。

杭州市城市境内公路线路总里程2 058 km，国道省道干线里程1 807.95 km，城管路段249.56 km（含干线公路80.11 km）。

2.3 深圳市基础情况

2020年深圳市地区生产总值27 670.24亿元，同比增长3.1%。2020年，全市规模以上工业增加值增长2.0%。先进制造业和高技术制造业是工业经济的主体，占规模以上工业比重分别为72.5%和66.1%。先进制造业和高技术制造业产品产量增长快。截至2020年底，深圳总人口为1 756.01万人。与2019年末常住人口相比，增加412.13万人。全市共有家庭户为642.46万户，集体户为106.26万户，家庭户人口为1 448.07万人，集体户人口为307.94人。平均每个家庭户的人口为2.25人。截至2020年12月份，深圳市累计建成4.6万个5G通信基站，实现全城网络全覆盖。平均网络下载速度达到400 M/s。

深圳市道路总里程为7 796 km，包括一级公路、主干道、高速公路和快速路等四种。

2.4 三市基本情况对比

通过对上海、杭州和深圳市的基本情况介绍，上海市常住人口最多、国内生产总值最高，深圳市网络下载速度最高。三座城市的网络覆盖率均已达到100%。三地基本情况对比如表1所示。

表1 三地基本情况对比

3 现有智慧城市架构

文章分别选取上海、杭州、深圳三座城市的智慧城市建设架构作为比较样例。对三座城市建设的智慧城市架构进行对比，分析得出三地智慧城市架构的相同点和不同点。

3.1 上海市智慧城市架构

上海市采用了四层架构，自下而上分别物联感知层、网络通信层、数据中心层、智慧应用层。还包括贯穿四层的标准管理体系和安全保障体系。

物联感知层包括GPS/北斗导航定位系统、传感器设备、设备监控和智能终端；网络通信层包括光纤宽带、无线宽带、下一代广电网；数据中心层主要包括数据资源，数据支撑，服务支撑。数据资源包括基础数据库、专业数据库和公共数据库；数据支撑包括数据采集与汇集、数据整合与处理、智能挖掘与分析、数据管理以及治理等；服务支撑包括统一身份认证、公共资源目录、安全认证以及数据交换管理等；智慧应用层包括访问接入和综合应用；访问接入包括社会公众接入、企业用户接入、城市管理决策用户接入等；综合应用包括经济产业、社会民生、城市运行以及政府行政的各个应用。

上海市智慧城市架构如图1所示。

图1 上海市智慧城市架构

3.2 杭州市智慧城市架构

杭州市智慧城市架构如图2所示。

图2 杭州市智慧城市架构

杭州智慧城市架构包括三层，自下而上分为基础感知平台和计算平台；数据资源平台、行业引擎和智能服务平台；智能应用。还包括贯穿三层的安全规范体系和开放生态服务。基础感知平台主要功能为借助安装在城市各个位置的传感器，全方面感知与探测城市运行过程中的重要信息。基础感知平台是杭州智慧城市的各种信息与数据的重要来源。计算平台主要对各类数据与信息进行计算和分析，计算平台与基础感知平台位于同一层，在基础感知平台获取到相关数据之后，直接在边缘侧进行计算处理。数据资源平台对感知和计算后的数据进行存储并提供相关接口供其他重要层使用。行业引擎面向各大企业，其主要功能是提供杭州市各个企业接入到智慧城市系统接口，为企业的运行提供各项支持，如提供数据、协调资源、政策信息共享等。智慧应用为城市居民提供各项便民服务，如水电服务、政务服务、日常通信服务等。安全规范体系的主要功能为保障智慧城市整体安全。开放生态服务主要功能为对智慧城市的后续功能扩展起到促进作用。

3.3 深圳市智慧城市架构

深圳市智慧城市架构如图3所示。

图3 深圳市智慧城市架构

深圳智慧城市架构自下而上包括智慧城市感知网络体系层；智慧城市运行管理中心和城市大数据中心层；智慧应用层。智慧城市感知网络体系层主要包括各类感知（交通感知、环境感知、视频感知、社会网络感知）；市计算中心；市政务资源中心；区数据中心；各类网络连接（WiFi、移动网、NB-IOT、政务网）。智慧应用层主要包括公共服务（民生服务、政务服务等）；公共安全（应急、治理等）；城市治理（水务、交通治理等）；智慧产业（商贸和制造等）。数据中心层主要包括城市运行管理中心；城市大数据中心；数据资源平台；支撑云平台。数据中心层提供时空数据引擎、数据可视化、大数据分析、共享交换、服务开放和资源管理等功能。标准规范体系和网络完全规范贯穿所有层。

智慧城市感知网络体系主要功能包括全面感知城市运行过程中来自各方的信息，如交通、环境、舆论信息等。市超算中心为城市运行过程中各类型的智能化、高效化处理提供算力支持。市政务资源中心与区数据中心存储城市运行过程中处理完毕与未处理的各类数据，如电力缴费数据、交通出行数据等。各类网络链接提供丰富、多样的连接方式，综合提高网络连接传输效率。智慧应用层涵盖的民生服务、政务服务、公共安全、城市治理、智慧产业等都与城市居民息息相关，满足智慧城市居民对于生活方面的各项需求。数据中心层的各项功能为智慧城市运行过程中的各项管理与数据分析存储任务提供业务支撑。

3.4 国外智慧城市架构

文章选取国外智慧城市专家Chai[3]提出的智慧城市架构作为参考。架构主要包括物联网感知层、连接层、数据层、智慧层、各种智慧应用、城市大脑以及贯穿全部横向层的安全层和操作管理控制层。Chai智慧城市架构如图4所示。

图4 Chai智慧城市架构

物联网感知层包含各种物联网设备、传感器、视频监控等基础感知设备。连层主要包括WiFi，NB-IoT，5G和网关设备等。智慧层包含人工智能算法，其主要对各种设备及设备附属功能实施智能管理。安全层负责管理和控制整个智慧城市的安全防卫。操作管理层负责智慧城市所有事务的控制和管理。各种智慧应用为智慧城市居民提供各类城市服务。

4 智慧城市架构比较

对上海、杭州、深圳三座城市的智慧城市架构进行比较。为了更好地呈现对比效果，文章选取由Chai提出的智慧城市架构作为比较标准。由Chai提出的智慧城市架构分为五层，分别为物理层、连接层、人工智能驱动的物联网连接层、人工智能与数据分析层、应用层。安全层与操作控制管理贯穿所有层。Chai提出的国际通用智慧城市架构设计在国际应用领域覆盖较广，框架具有极大的可扩展性，作为基本理想架构，框架描述的智慧城市架构被高度抽象，文章中仅作为各城市智慧城市架构的对比基准。

安全层贯穿所有横向架构层次，起到保护物理感知设备，保护各个终端设备，保护网络连接设备，保护数据存储设备，保护智能应用的作用；操作控制层贯穿所有横向架构层次，操作和控制所有设备，包括物理感知设备、各个终端设备、网络连接设备、数据存储设备、各个智能应用等；“城市大脑”通过使用人工智能技术统合智慧城市所有功能，实现全面自动化智能运行，提高城市整体运行效率；数据资源库将物理感知设备和终端设备获取到的海量数据通过数据清洗和数据处理后存储到数据资源库中；网络通信层将物理感知设备和各个终端设备获取到的数据信息传输到其他各个层次；应用接口提供各应用接入智慧城市系统的重要接入点，可以灵活扩展接入各个智慧城市应用，以便提供不同服务；计算平台提供智慧城市系统的各类运算服务，包括数据分析服务、资源调度运算服务等；运行管理中心统领智慧城市系统各个部分的有序高效率运行和提供城市高效管理。

三种架构重要特征比较如表2所示。

表2 三种架构重要特征比较

由表2可知，三座城市使用的智慧城市架构均包含分层架构、数据资源库、计算平台、未使用“城市大脑”、未使用安全层、未使用操作控制层。

三座城市使用的架构不同点包括层数不一致，上海市使用4层架构，杭州市、深圳市使用3层架构；上海市智慧城市架构未使用人工智能技术；上海市智慧城市架构提供应用接口，杭州市、深圳市架构未提供应用接口。

通过与Chai提出的国际通用智慧城市架构对比发现，上海市、杭州市、深圳市三座城市的智慧城市架构均缺少贯穿全部横向层的安全层；贯穿全部横向层的操作管理层；“城市大脑”。所以，上海市、杭州市、深圳市需要在智慧城市建设过程中，保障整个智慧城市安全的安全层建设，构建操作管理层，建设“城市大脑”以提高城市运行过程中对各项事务的反应能力和处理速度。

5 结语

文章选取上海市、杭州市、深圳市三座智慧城市架构设计方案进行对比，找出三种智慧城市架构设计方案中的共同点与不同点。对比三座智慧城市架构设计方案发现建设方案中需要添加安全层、操作管理层、“城市大脑”。添加贯穿全部横向层的安全层，形成对包括物理感知层、数据层、连接层应用层的全方面保护效果，防止智慧城市系统出现病毒植入、数据泄露等安全问题。

添加贯穿全部横向层的操作管理层，全面管理和操作智慧城市系统各个组成部分，有效协调智慧城市系统的各个功能组件，提高智慧城市系统运行效率。通过“城市大脑”组件提高城市运行过程中对各项问题反应能力和处置速度，使智慧城市系统全面自主运行，有效解决目前城市出现的各种问题，提高城市服务质量，实现提高市民生活质量的目标。