以大數(shù)據(jù)為支撐的智慧城市建設(shè)研究

引 言

智慧城市的出現(xiàn)是現(xiàn)代城市發(fā)展和科技進(jìn)步相融合的必然結(jié)果。信息數(shù)字化推動著城市向更智能化、科學(xué)化和智慧化的方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋使得城市產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)資源，摧生了大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和應(yīng)用，而運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)所產(chǎn)生的社會效益也給城市建設(shè)帶來了強(qiáng)大的推動力，很好地支持了整個(gè)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的決策行動和管理水平，成為智慧城市建設(shè)的核心技術(shù)。云計(jì)算技術(shù)為智慧城市支撐起了管理和共享平臺，為社會資源整合、數(shù)據(jù)挖掘和分析提供了可能。同時(shí)， 完成了統(tǒng)一通信與協(xié)作，為跨部門的相互協(xié)同提供了技術(shù)保障。

1 智慧城市大數(shù)據(jù)架構(gòu)

智慧城市架構(gòu)的形成是一個(gè)系統(tǒng)工程。首先，完成城市的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化之后，通過人的智慧與城市系統(tǒng)的融合，實(shí)現(xiàn)城市硬件的智慧化架構(gòu)建設(shè)，形成智慧城市的信息化基礎(chǔ)設(shè)施支撐系統(tǒng)；其次，新興信息技術(shù)與城市各系統(tǒng)相結(jié)合，形成智慧的城市技術(shù)支撐系統(tǒng) ；再次，智慧城市架構(gòu)組織通過人的智慧管理，實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的競爭力和提升生活質(zhì)量的最終目標(biāo)，形成智慧城市頂層設(shè)計(jì)決策系統(tǒng)。

1.1 智慧城市中的支撐要素

數(shù)字化是城市信息化的初級階段，在城市網(wǎng)絡(luò)、通信等基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展完善后，城市信息化又進(jìn)一步推動城市向智能化發(fā)展，從而走向更高級智慧城市的方向。因此，信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、通訊信息基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)字信息技術(shù)是智慧城市的支撐要素，決定著智慧城市建設(shè)的未來。智慧城市技術(shù)要素如圖 1 所示。

目前，智慧城市建設(shè)高度運(yùn)用了最新一代的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動寬帶等技術(shù)的應(yīng)用，影響著城市發(fā)展的結(jié)構(gòu)形態(tài)和發(fā)展模式；互聯(lián)網(wǎng)、空間信息網(wǎng)和數(shù)據(jù)安全等技術(shù)的應(yīng)用，影響著城市發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施、未來發(fā)展方向和智能化格局；城市寬帶、三網(wǎng)融合和信息通訊等技術(shù)的應(yīng)用，影響著對城市的未來設(shè)計(jì)、預(yù)測和決策。在智慧城市建設(shè)中技術(shù)管理平臺不僅完成對外提供應(yīng)用服務(wù)、對內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)資源管理和信息業(yè)務(wù)一體化的整合，將不同類型、來源和格式的應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、集中、規(guī)范和整合，并對外提供統(tǒng)一的信息共享和數(shù)據(jù)服務(wù)，而且為智慧城市的發(fā)展建設(shè)提供數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和信息化的技術(shù)保障和支持［1］。

1.2 智慧城市大數(shù)據(jù)架構(gòu)

在完成數(shù)字化和信息化基礎(chǔ)建設(shè)后，以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的智慧城市建設(shè)，利用各種技術(shù)手段對城市的物理空間信息、局域數(shù)據(jù)和原有的 孤島 系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合對接，對流入的信息經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，再通過服務(wù)管理平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，服務(wù)于醫(yī)療教育、社保養(yǎng)老、創(chuàng)新就業(yè)、公共安全、食藥安全、社區(qū)服務(wù)、家庭服務(wù)等城市建設(shè)。智慧城市大數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖 2 所示。

大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)系統(tǒng)。其中，通過物聯(lián)網(wǎng)采集城市表征的各類數(shù)據(jù)；通過局域網(wǎng)采集各行業(yè)數(shù)據(jù)； 通過互聯(lián)網(wǎng)采集各類數(shù)據(jù)庫的資源數(shù)據(jù)；通過空間信息網(wǎng)采集時(shí)空數(shù)據(jù)。在大數(shù)據(jù)處理過程中，由于采集導(dǎo)入的是海量數(shù)據(jù)，每秒鐘的導(dǎo)入量可達(dá)千兆級別，需要先對數(shù)據(jù)做必要的清洗和預(yù)處理工作，然后對普通海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和分類匯總，再在現(xiàn)有分類數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行基于各種算法的計(jì)算， 取得關(guān)聯(lián)的預(yù)測效果，實(shí)現(xiàn)一些高級別數(shù)據(jù)分析的需求，挖掘有價(jià)值的知識。對分析挖掘得到的數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)依照適當(dāng)?shù)囊?guī)程，經(jīng)過鏈路，在數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)宿之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。在大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的支持下，對經(jīng)過傳輸通道得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的存儲處理。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前人類社會活動所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通常每年以 50% 的速度快速增長，特別是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，必須對其進(jìn)行壓縮處理、刪除重復(fù)數(shù)據(jù)，以大量減少存儲容量，存儲的方式有云耦合存儲、分布式存儲、對象存儲等［2］。在大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，首先，大數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)平臺為智慧城市建設(shè)提供數(shù)據(jù)資源，用于實(shí)現(xiàn)智慧出行、智慧電網(wǎng)、智慧生產(chǎn)、智慧安保、智慧教育、智慧醫(yī)療等城市智慧功能；其次，大數(shù)據(jù)安全管理平臺要保證數(shù)據(jù)在使用中不受損、不被偷窺、不被修改和不被偷竊，可通過數(shù)據(jù)識別取證、數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證、安全密鑰、推理控制、隱私保護(hù)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)保障；再次，在城市的不斷建設(shè)中又產(chǎn)生了許多新的組合數(shù)據(jù)， 大數(shù)據(jù)資源管理平臺需對這些信息進(jìn)行整合，形成新數(shù)據(jù)集， 通過大數(shù)據(jù)存儲層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和存儲，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的再循環(huán)利用。

2 據(jù)在智慧城市建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)

在城市信息化的建設(shè)過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)是智慧城市的信息引擎。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過技術(shù)挖掘這些數(shù)據(jù)可產(chǎn)生大量有用的知識，對城市建設(shè)規(guī)劃和頂層決策有極大的利用價(jià)值，由此產(chǎn)生了大數(shù)據(jù)技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)采集的海量數(shù)據(jù)在城市系統(tǒng)的流動過程中，如果實(shí)時(shí)存儲將占用巨大的空間，所以需要對大數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要運(yùn)用云計(jì)算的分布式技術(shù)來完成數(shù)據(jù)整合存儲。同時(shí)，為了確保城市信息系統(tǒng)的高效運(yùn)行，大數(shù)據(jù)的安全必須得到保障。因此，云計(jì)算技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)安全技術(shù)是智慧城市建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 云計(jì)算技術(shù)

在智慧城市建設(shè)中，云計(jì)算技術(shù)為城市數(shù)據(jù)的分析和處

理提供技術(shù)支持。云計(jì)算是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和延伸，充分發(fā)揮著自身強(qiáng)大的計(jì)算能力，通過對物理設(shè)施在網(wǎng)絡(luò)上的虛擬化，動態(tài)組織和分配資源，高效快速地處理海量數(shù)據(jù)，經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)向用戶提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)高速計(jì)算、海量儲存和數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用模式。云計(jì)算的核心技術(shù)包括并行計(jì)算、分布式計(jì)算、分布式儲存、虛擬技術(shù)、數(shù)據(jù)管理集成技術(shù)和網(wǎng)格計(jì)算等眾多技術(shù)分支，具有訪問便捷、按需分配、付費(fèi)服務(wù)、虛擬共享、通用可靠和動態(tài)拓展等特點(diǎn)。在建設(shè)模式上，云計(jì)算提供三層服務(wù)方式：SaaS 服務(wù)（軟件即服務(wù)）、PaaS 服務(wù)（平臺即服務(wù)）和IaaS 服務(wù)（基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）。

2.2 大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

在城市數(shù)字化和智慧化建設(shè)中，跨地域、跨行業(yè)、跨部門也會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)資源。隨著時(shí)間的推移，存儲量級不斷提高，這些數(shù)據(jù)資源中是否存在有利用價(jià)值的信息成為人們思考的問題。通過分析，發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)中的信息具有可分類、可運(yùn)用、可挖掘和有價(jià)值的知識。這種對每個(gè)數(shù)據(jù)都進(jìn)行分析， 從大量數(shù)據(jù)中尋找其規(guī)律的技術(shù)稱為大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。在數(shù)據(jù)挖掘過程中，首先需要對信息進(jìn)行收集、集成、規(guī)約、清理、變換等數(shù)據(jù)預(yù)處理，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析挖掘、模式評估、知識表示等挖掘?qū)嵤┻^程，完成關(guān)聯(lián)、聚類、分類、異常、特異群組和演變等分析任務(wù)，最后以大數(shù)據(jù)可視化、大數(shù)據(jù)存儲、大數(shù)據(jù)檢索和大數(shù)據(jù)情報(bào)等方式實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用［3］。大數(shù)據(jù)挖掘的核心技術(shù)包括人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)規(guī)約技術(shù)、統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和大數(shù)據(jù)存儲及管理技術(shù)等眾多技術(shù)分支，在智慧城市建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是基于城市基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化、信息化、智能化改造升級所進(jìn)行的互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)等城市網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展和延伸，在智慧城市建設(shè)中為全面感知城市物理空間和信息采集提供技術(shù)支撐。物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)包括傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、全球定位技術(shù)、射頻識別技術(shù)、紅外感應(yīng)技術(shù)、激光掃描技術(shù)等眾多技術(shù)分支。運(yùn)用嵌入技術(shù)把傳感組件裝備到感應(yīng)器設(shè)備中，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，把感應(yīng)器滲透到城市基礎(chǔ)設(shè)施的各個(gè)環(huán)節(jié)和區(qū)域，再利用傳感器網(wǎng)絡(luò)把城市景物監(jiān)控器、圖像語音識別控制器、網(wǎng)絡(luò)微支付系統(tǒng)機(jī)器、人員和移動應(yīng)用程序部件等聯(lián)系在一起，形成物與物、人與物的相互關(guān)聯(lián)和遠(yuǎn)程控制，為城市建設(shè)提供各種信息數(shù)據(jù)和決策分析服務(wù)，實(shí)現(xiàn)城市的監(jiān)控、預(yù)警、監(jiān)測和實(shí)時(shí)管理，為智慧城市建設(shè)頂層設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

2.4 大數(shù)據(jù)安全技術(shù)

大數(shù)據(jù)有以下三大特征：

（1）數(shù)據(jù)大容量，數(shù)量級別已經(jīng)發(fā)展至 ZB 乃至 YB，難以用傳統(tǒng)的手段對如此龐大的數(shù)據(jù)群進(jìn)行處理；

（2） 傳輸速度高，難以用原有的傳輸方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行高速率實(shí)時(shí)傳輸；

（3） 數(shù)據(jù)多樣，難以用統(tǒng)一模式處理不同類型和來源的海量異構(gòu)數(shù)據(jù)［4］。

由于大量數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中集中存儲，一旦被成功攻擊將導(dǎo)致巨大的損失。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)通信技術(shù)和人工智能的發(fā)展， 各種應(yīng)用技術(shù)如防火墻、服務(wù)器、數(shù)據(jù)挖掘等都滲透到大數(shù)據(jù)系統(tǒng)建設(shè)中，給城市建設(shè)提供更多的技術(shù)幫助。然而，技術(shù)融入也會造成許多安全問題，例如，協(xié)議無法互認(rèn)，系統(tǒng)漏洞增多、易于沖擊，平臺被入侵癱瘓等，這些都會增大數(shù)據(jù)的安全風(fēng)險(xiǎn)。另外，大數(shù)據(jù)來源多樣化、數(shù)據(jù)范圍廣泛，因組合后的數(shù)據(jù)體系與原數(shù)據(jù)保護(hù)邊界發(fā)生變化，又給數(shù)據(jù)的安全保護(hù)增添了更多的困難，在推動大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用過程中面臨著諸多挑戰(zhàn)和安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，在技術(shù)層面上要加強(qiáng)對大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、主機(jī)控制、終端設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行環(huán)境的安全防護(hù)，采取邊界訪問控制、異常流量監(jiān)控、入侵檢測、操作監(jiān)控、漏洞掃描、病毒防護(hù)、準(zhǔn)入控制、病毒防護(hù)和補(bǔ)丁修復(fù)等安全手段。常用的大數(shù)據(jù)安全技術(shù)有防火墻技術(shù)、入侵檢測技術(shù)、用戶認(rèn)證及訪問控制技術(shù)、VLAN 技術(shù)、MPLS 技術(shù)、加密與密鑰交換技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)、內(nèi)容安全檢測技術(shù)、大數(shù)據(jù)安全分析技術(shù)、安全管理平臺技術(shù)等。

3 智慧城市建設(shè)解決方案

智慧城市是涵蓋深層 智慧 含義特征的城市系統(tǒng)，既體現(xiàn)了新興信息技術(shù)智能化的物的要素，又體現(xiàn)了人的智慧與城市宜居環(huán)境良好交融的人的要素。通過智慧建設(shè)帶動城市系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，使城市發(fā)展的層次更優(yōu)化、效益更良好、效率更高效，使人們的生活環(huán)境能夠不斷創(chuàng)新、智能又綠色環(huán)保， 同時(shí)，促進(jìn)社會的可持續(xù)性發(fā)展［5］。智慧城市是運(yùn)用信息技術(shù)、移動通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與城市的經(jīng)濟(jì)、文化、社會、生態(tài)等重要領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)良好融合的城市系統(tǒng)，包括感知系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)和安全管理系統(tǒng)五個(gè)層次。智慧城市結(jié)構(gòu)體系如圖 3所示。

感知系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的收集、放大和前期等技術(shù)處理。包括寬帶物聯(lián)網(wǎng)、傳感體系、自動識別、導(dǎo)航定位等組成部分。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的傳輸、協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等技術(shù)處理。包括光纖網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、空間信息網(wǎng)、三網(wǎng)融合等組成部分。

數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)平臺的整合、存儲和軟硬件資源共享等技術(shù)處理。包括城市云平臺、大數(shù)據(jù)支撐平臺、大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺、大數(shù)據(jù)存儲平臺等組成部分。

應(yīng)用系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息在平臺支撐下對城市系統(tǒng)智慧應(yīng)用的決策、管理和整體布局等技術(shù)處理［6］。通過城市智慧服務(wù)平臺，連接城市各部門的智能化信息平臺，實(shí)現(xiàn)城市物理設(shè)施廣泛接入以及城市關(guān)鍵系統(tǒng)在運(yùn)行中自動感知、數(shù)據(jù)智能處理和信息互聯(lián)互通，包括智慧政務(wù)與管理、智慧交通與環(huán)境、智慧生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)、智慧醫(yī)療與民生等組成部分。

大數(shù)據(jù)的安全管理關(guān)系到智慧城市建設(shè)的成敗，數(shù)據(jù)安全是核心，一旦被泄密或盜取，將直接影響到個(gè)人信息、社會資源和企業(yè)數(shù)據(jù)的安全，甚至威脅國家安全。安全管理包括安全制度管理、安全法規(guī)管理、安全認(rèn)證管理、安全加密管理、安全資源管理、平臺安全管理等內(nèi)容。要從制度法規(guī)上建立大數(shù)據(jù)安全體系，搭建大數(shù)據(jù)法律法規(guī)保護(hù)的基礎(chǔ)框架，建立以數(shù)據(jù)為中心的安全系統(tǒng) ；通過安全認(rèn)證和安全加密等管理手段，健全完善大數(shù)據(jù)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證機(jī)制；利用資源安全和平臺安全管理措施，加強(qiáng)對資源平臺的管理，確保公共數(shù)據(jù)資源在需求配置、合理運(yùn)行、高效交換與共享開放等應(yīng)用領(lǐng)域的安全，對大數(shù)據(jù)平臺企業(yè)人員加強(qiáng)職業(yè)道德和法律法規(guī)等方面的教育，建立建全的管理責(zé)任制度。

4 結(jié) 語

隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)的融合應(yīng)用，我國智慧城市建設(shè)步入了高速發(fā)展的快車道。智慧城市雖然還存在諸如數(shù)據(jù)安全、法律法規(guī)、信息共享和技術(shù)融合等不完善的問題，但是作為城市建設(shè)的發(fā)展方向， 仍是目前最佳的選擇方案。通過智慧城市建設(shè)，可提升城市的整體發(fā)展水平，實(shí)現(xiàn)城市智慧式管理，進(jìn)而為人們創(chuàng)建更美好的生活，提高人們的幸福指數(shù)，促進(jìn)城市和諧、可持續(xù)發(fā)展。