智慧城市建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)研究

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作者:酈月飛

2016-08-31 14:07:31

摘自:《企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)》

目前我國(guó)正處在快速的城市化進(jìn)程中,城市規(guī)模不斷擴(kuò)大,在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、人文發(fā)展和拉動(dòng)國(guó)家整體發(fā)展水平上都起到非常重要的作用。

目前我國(guó)正處在快速的城市化進(jìn)程中,城市規(guī)模不斷擴(kuò)大,在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、人文發(fā)展和拉動(dòng)國(guó)家整體發(fā)展水平上都起到非常重要的作用。然而,隨著城市環(huán)保、節(jié)能、交通、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型等壓力上的日益增加,亟需新的城市發(fā)展模式與管理工具來(lái)提升城市發(fā)展水平。伴隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用,“智慧城市”的概念呼之欲出。越來(lái)越多的城市在“十二五”規(guī)劃中提出了把建設(shè)智慧城市作為轉(zhuǎn)變發(fā)展方式,所以未來(lái)智慧城市建設(shè)將在我國(guó)掀起一輪新的高潮。智慧城市作為信息技術(shù)與城市建設(shè)的完美結(jié)合,涉及技術(shù)眾多。文章主要論述了我國(guó)智慧城市的技術(shù)基礎(chǔ),并根據(jù)我國(guó)當(dāng)前的環(huán)境分析了智慧城市應(yīng)用的局限性與技術(shù)瓶頸,從而提出了創(chuàng)新技術(shù)才是創(chuàng)建智慧城市的關(guān)鍵。

文化物質(zhì)的積累、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步都是伴隨著城市而逐漸演變的,而城市大發(fā)展的動(dòng)力慢慢變成智慧的成果,就是大眾人民可以不間斷的享受創(chuàng)新技術(shù)帶來(lái)的服務(wù)與產(chǎn)品,目前智慧城市的建設(shè)已經(jīng)得到了國(guó)家的重視和各個(gè)政府的大力的推動(dòng),越來(lái)越多的智慧城市將呈現(xiàn)在民眾的面前,所謂智慧城市是指根據(jù)科學(xué)合理的城市發(fā)展理念,根據(jù)最新一代的信息技術(shù),在泛在互聯(lián)網(wǎng)和信息全面感知的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)人、物、城市功能系統(tǒng)之間無(wú)縫連接與協(xié)同聯(lián)動(dòng)的智能自感知、自?xún)?yōu)化,從而對(duì)民生、環(huán)保、公共安全、城市功能、商務(wù)活動(dòng)等多種城市需求做出智能的響應(yīng),形成具備可持續(xù)內(nèi)生動(dòng)力的安全、便捷、高校、綠色的城市形態(tài)。智慧城市實(shí)現(xiàn)的是城市系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí),使城市各系統(tǒng)根完善、更智能、更協(xié)調(diào)、更發(fā)達(dá),使城市中的人和物更智慧、更和諧,使城市中的人生活更幸福。

1 智慧城市三大技術(shù)基礎(chǔ)

智慧城市的建設(shè)需要技術(shù)創(chuàng)新、民眾意識(shí)、政府管理等各方面共同作用,而其中技術(shù)創(chuàng)新是建設(shè)智慧城市的基石。“信息”是智慧的核心,因此“信息技術(shù)”是支撐智慧城市的核心技術(shù)。

1.1 通信技術(shù)廣泛化讓智慧城市擁有了神經(jīng)系統(tǒng)

一個(gè)人要將看見(jiàn)的、聽(tīng)見(jiàn)的、觸摸到的各種信息傳遞到大腦,需要有遍布全身的神經(jīng)系統(tǒng)。對(duì)于智慧城市來(lái)說(shuō),擁有這樣的神經(jīng)系統(tǒng),是實(shí)現(xiàn)智慧的最根本要求。泛在的通信網(wǎng)絡(luò)就像城市的神經(jīng)系統(tǒng),只有有了它,信息才有可能通達(dá)。

1.2 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及,讓智慧的能力貼近普通民眾

在有互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以前,信息處理只是聚集在少數(shù)專(zhuān)用機(jī)房里的大型計(jì)算機(jī)設(shè)備的事情,和普通的民眾關(guān)系不大。雖然信息可以傳遞,但信息傳遞的范圍有很大限制,遠(yuǎn)不能到達(dá)城市的末梢?;ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)從根本上改變了人類(lèi)獲取和處理信息的方式,使得任何一個(gè)普通民眾都能夠隨意獲取和產(chǎn)生信息,智慧的能力只有真正貼近了普通民眾,智慧的城市才有可能實(shí)現(xiàn)。

1.3 嵌入式技術(shù)的發(fā)展,讓智慧的能力擴(kuò)展到物

從技術(shù)層面來(lái)看,“智慧城市”是以網(wǎng)絡(luò)信息為基礎(chǔ)的城市信息體系,其智慧能力的差別來(lái)自于對(duì)信息獲取能力的差別,智慧的城市不僅需要更多的人能夠隨時(shí)獲取和產(chǎn)生信息,城市里的各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施也需要能夠進(jìn)行信息的自動(dòng)采集、動(dòng)態(tài)監(jiān)管。從技術(shù)角度來(lái)看,就是各種各樣的設(shè)備需要具備獨(dú)立運(yùn)算和聯(lián)網(wǎng)的能力,嵌入式技術(shù)的發(fā)展使得這些成為可能,因此嵌入式技術(shù)是智慧城市的技術(shù)基礎(chǔ)之一,它使得智慧的能力從人擴(kuò)展到物品。

2 智慧城市的應(yīng)用局限性與技術(shù)瓶頸

2.1 智慧城市應(yīng)用局限性

目前的智慧城市應(yīng)用大多是一些處理數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮?jiǎn)單場(chǎng)景,簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸模式雖然有一定的領(lǐng)域,但碰到一些復(fù)雜的領(lǐng)域就無(wú)法應(yīng)對(duì)了。在我們的現(xiàn)實(shí)世界中,還有很多復(fù)雜的情況,需要不同類(lèi)型節(jié)點(diǎn)協(xié)同進(jìn)行智能計(jì)算的應(yīng)用領(lǐng)域。而且這些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸只能簡(jiǎn)單的局限于對(duì)數(shù)據(jù)的安全性、實(shí)時(shí)性和可靠性的要求均不高的領(lǐng)域,萬(wàn)一出現(xiàn)數(shù)據(jù)被盜用、篡改等情況,也不會(huì)造成很?chē)?yán)重的后果。但對(duì)于一些數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、丟失、延時(shí),將會(huì)造成重大損失的領(lǐng)域,如:醫(yī)療手術(shù)控制、火車(chē)交通控制、大型機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)控制等,由于拘束的限制,這樣的領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)都還沒(méi)有觸及。目前智慧城市典型應(yīng)用中,設(shè)備一般在較為適宜的環(huán)境下工作,而現(xiàn)實(shí)環(huán)境中則會(huì)有相當(dāng)一部分的應(yīng)用要求設(shè)備工作在相當(dāng)惡劣的環(huán)境下進(jìn)行操作,甚至有些特殊行業(yè)的設(shè)備可能面臨極端高溫和低溫、瞬間溫度劇變等極端惡劣環(huán)境,而目前我們的傳感器技術(shù)尚無(wú)法達(dá)到這點(diǎn)。我國(guó)目前智慧城市應(yīng)用已初見(jiàn)規(guī)模,但是最多也不過(guò)數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)共同工作,還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到數(shù)萬(wàn)、數(shù)十萬(wàn)、數(shù)百萬(wàn)海量節(jié)點(diǎn)規(guī)模,伴隨著節(jié)點(diǎn)規(guī)模的增加,節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)的接入能力和數(shù)據(jù)處理能力要求將呈指數(shù)級(jí)增加,故對(duì)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)速度、節(jié)點(diǎn)管理、協(xié)議高效性、數(shù)據(jù)并發(fā)等技術(shù)特點(diǎn)提出了全新的要求。

2.2 智慧城市技術(shù)瓶頸

以上分析的智慧城市應(yīng)用存在的局限性,很大程度上都是由于技術(shù)瓶頸所引起的。解決技術(shù)瓶頸、才能打破局限,擴(kuò)展需求,將使智慧城市具有更加廣闊的發(fā)展空間。目前我們主要存在四方面的技術(shù)瓶頸。其一,傳感器技術(shù)瓶頸。如何推出更小、更強(qiáng)、更便宜的傳感器。智慧城市發(fā)展首要是大量布置各種傳感器,使這些傳感器與物品緊密地結(jié)合在一起,成為物品的一部分,因此傳感器不僅要微型化,而且這樣微型化的節(jié)點(diǎn)不但要擁有相當(dāng)?shù)奶幚砟芰?,還需要能耗低,然而這樣小型高性能的傳感器目前只能用于尖端的領(lǐng)域,尚無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用。其二,通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)瓶頸。如何做到既大容量又高性能。智慧城市中很多的應(yīng)用都將是無(wú)人干預(yù)的自動(dòng)操作,其與人的通信行為有很大的不同。從規(guī)模上來(lái)看,可能要面對(duì)上千萬(wàn)、乃至上億的海量節(jié)點(diǎn),規(guī)模將遠(yuǎn)超過(guò)原有的通信規(guī)模。其三,平臺(tái)處理技術(shù)的瓶頸。如何做好海量感知信息的處理和管理。如何及時(shí)處理海量感知信息,是智慧城市發(fā)展面臨的另一個(gè)技術(shù)瓶頸,隨著智慧城市建設(shè)的深化,需要綜合運(yùn)用云計(jì)算等技術(shù)推進(jìn)平臺(tái)處理技術(shù)不斷發(fā)展,解決海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、歸類(lèi)、處理、檢索需求才能打破這種局限。其四,安全性技術(shù)瓶頸。如何應(yīng)對(duì)更為復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)安全問(wèn)題。目前階段,信息的安全問(wèn)題其實(shí)并未引起足夠的重視,其實(shí)安全問(wèn)題是智慧城市發(fā)展中要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一,它將直接決定智慧城市的發(fā)展前景。   3 創(chuàng)新技術(shù)推動(dòng)城市化進(jìn)程

3.1 大力推動(dòng)感知技術(shù)的發(fā)展

智慧城市首先需要通過(guò)感知世界來(lái)獲取信息,感知技術(shù)的發(fā)展是智慧城市發(fā)展的前提,感知技術(shù)其實(shí)包含了兩種不同的技術(shù):傳感器和無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)。感知技術(shù)需要不斷向著高性能、低能耗、微型化、低成本方向發(fā)展,才能為實(shí)現(xiàn)各種智慧城市應(yīng)用提供豐富的想象空間,擴(kuò)大智慧城市應(yīng)用的范圍。傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)(WSN)是由部署在一定區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成的,通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一個(gè)多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息,并發(fā)送給觀察者。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)核心技術(shù)主要集中于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)、多跳可靠數(shù)據(jù)交互技術(shù)、信道資源調(diào)度技術(shù)、物理層技術(shù)、協(xié)同計(jì)算與處理技術(shù)、分布式信息感知技術(shù)等。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)以其智能化、低功耗、自組織的特性提供了全新的智能化通信、控制手段,是目前大范圍、低成本獲得傳感信息最有效的解決辦法。其中無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)包括:射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)、IEEE 802.15.4、Zigbee/Zigbee Pro技術(shù)、Z-Wave技術(shù)、Wireless-

HART技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、NFC技術(shù)。

3.2 推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)能力增強(qiáng)

在當(dāng)前智慧城市的初級(jí)階段,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用數(shù)量尚不大的情況下,現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基本可以滿(mǎn)足物智慧城市的通信要求,但各種問(wèn)題已經(jīng)開(kāi)始逐步顯現(xiàn);隨著智慧城市發(fā)展的深化,物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)量擴(kuò)大,網(wǎng)絡(luò)必將產(chǎn)生巨大壓力,甚至也可能進(jìn)一步影響到現(xiàn)有的人與人的正常通信。因此需要對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性進(jìn)行研究,在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,研究和開(kāi)發(fā)適應(yīng)和滿(mǎn)足智慧城市通信特征的網(wǎng)絡(luò)能力改進(jìn),以及與之相適應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維體系,主要的研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面:網(wǎng)絡(luò)層業(yè)務(wù)特性管理、網(wǎng)絡(luò)資源分配機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化機(jī)制、靈活的QoS體系、靈活的網(wǎng)絡(luò)安全能力、移動(dòng)性管理機(jī)制。其中IPv6技術(shù)與云計(jì)算機(jī)技術(shù)就是其中的主要技術(shù),IPv6是Internet Protocol Version 6的縮寫(xiě),它是IETF(Internet Engineeri-ng Task Force,互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組)設(shè)計(jì)的用于替代現(xiàn)行版本IP協(xié)議IPv4的下一代IP協(xié)議。它具有更大的地址空間,IPv6中IP地址的長(zhǎng)度為128位,并加入了對(duì)地址自動(dòng)配置的支持;IPv6的地址分配遵循聚類(lèi)的原則,對(duì)IP包結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化,提升了路由轉(zhuǎn)發(fā)效率;增強(qiáng)了對(duì)組播及流控的支持,增加了對(duì)網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)加密,并對(duì)IP報(bào)文進(jìn)行校驗(yàn),增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的安全性;可以較好地滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)海量節(jié)點(diǎn)、高安全性等應(yīng)用特點(diǎn)的需求,是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展方向。云計(jì)算將網(wǎng)絡(luò)上分布的計(jì)算、存儲(chǔ)、服務(wù)構(gòu)件、網(wǎng)絡(luò)軟件等資源集中起來(lái),基于資源虛擬化的方式,為用戶(hù)提供方便快捷的服務(wù),它可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算與存儲(chǔ)的分布式與并行處理。云計(jì)算的主要特征主要有這幾個(gè)方面:以高度可擴(kuò)展的彈性方式交付服務(wù);利用因特網(wǎng)技術(shù)和方法來(lái)開(kāi)發(fā)和交付服務(wù);資源虛擬化及資源的自動(dòng)管理與配置;可實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的分布式并行處理;低成本并對(duì)用戶(hù)透明。

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