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高新技术:绘制智慧城市之手

[日期:2015-07-14] 来源:中关村在线  作者: [字体: ]

  智慧城市是新一代信息技术支撑、知识社会创新环境下的城市形态,需要综合采用物联网、云计算、大数据、新一代互联网等信息技术,通过综合集成来实现的全面透彻的感知、宽带泛在的互联、智能融合的应用、形成以人为本的社会化智慧创新和可持续发展的城市形态。

  近年来,世界很多国家都将智慧城市建设提升为振兴经济的国家战略。在中国,智慧城市已经成为“感知中国”的重大实践行动,成为新一轮信息技术革命背景下推动国家产业升级、迈向信息社会的顶层战略。从2012年开始,国家启动大规模智慧城市试点,目前国家智慧城市试点已达193个。

  智慧城市是新一代信息技术支撑、知识社会创新环境下的城市形态,需要综合采用物联网、云计算、大数据、新一代互联网等信息技术,通过综合集成来实现的全面透彻的感知、宽带泛在的互联、智能融合的应用、形成以人为本的社会化智慧创新和可持续发展的城市形态。

智慧城市

  一、智慧城市关键支撑技术

  智慧城市所需要的关键支撑技术主要涉及物联网、云计算、大数据、宽带互联等新一代信息技术、物联网提供对城市系统的信息感知和采集,宽带互联网提供感知数据的传输承载,大数据技术提供对采集数据的深度综合分析,云计算技术提供信息应用系统的承载。这几项关键技术需要通过蛇毒整合集成,才能有效支撑智慧城市建设,达到预期的效果。

  采用物联网技术,可建立城市的神经网络。通过传感器、图像识别、语音识别、卫星定位、电子标签等感知技术,构建智能化物体的互联感知网络,感知遍布城市各个角落的信息并通过网络传递给城市数据中心。

  宽带互联网技术,用来构建高速信息传送网络。承载和传输城市社会运行和生活的各种数据、城市运行状态数据,如城市环境数据、城市运行状态数据、互联网业务数据、物联网数据等等,将这些海量数据传送到城市数据中心。

  云计算技术,用来建立城市的信息中暑系统运行平台。各种信息服务的应用架构在云平台上面,用户只需要提出自己对信息服务的需求。计算资源和能力被隐藏在云层后面,主要是虚拟化的城市数据中心,大量异构的服务器、存储和平台被虚拟化成统一的服务资源,信息资源被最大程度地统筹和共享。

  大数据技术,将建立城市的海量综合数据库。海量的各类数据,如大量城市环境数据、运行数据、交通信息、博客信息、物联网数据、空间数据、3D数据等等,被采集、存储、分类、挖掘和分析,对复杂时间做出只会分析和决策支持。

  接下来,我们就来看一下,支撑智慧城市各项技术的具体分析。

  二、物联网技术

  1、物联网定义:

  物联网即通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。简而言之,物联网就是“物物相连的互联网”。

  物联网是人与物、物与物之间相互通信的网络,是智慧城市的感知技术。在两化融合领域,物联网技术已在产品信息化、生产制造、经营管理、节能减排、安全生产等领域等到了应用。在电子政务领域,物联网技术在公安、国土、环保、交通、海关、海关、质检、安监、林业等政府主管部门得到初步应用。

  2、物联网的技术架构:

  物联网主要由感知层、网络层、应用层组成。

  1)感知层由各种传感器构成,包括温湿度传感器、二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头、红外线、GPS等感知终端。感知层是物联网识别物体、采集信息的来源。

  2)网络层由各种网络,包括互联网、广电网、网络管理系统和云计算平台等组成,是整个物联网的中枢,负责传递和处理感知层获取的信息。

  3)应用层是物联网和用户的接口,它与行业需求结合,实现物联网的智能应用。

  3、物联网的关键技术:

  在物联网应用中有三项关键技术:

  1)传感器技术,这也是计算机应用中的关键技术。大家都知道,到目前为止绝大部分计算机处理的都是数字信号。自从有计算机以来就需要传感器把模拟信号转换成数字信号计算机才能处理。

  2)RFID标签也是一种传感器技术,RFID技术是融合了无线射频技术和嵌入式技术为一体的综合技术,RFID在自动识别、物品物流管理有着广阔的应用前景。

  3)嵌入式系统技术是综合了计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术为一体的复杂技术。经过几十年的演变,以嵌入式系统为特征的智能终端产品随处可见;小到人们身边的MP3,大到航天航空的卫星系统。

  嵌入式系统正在改变着人们的生活,推动着工业生产以及国防工业的发展。如果把物联网用人体做一个简单比喻,传感器相当于人的眼睛、鼻子、皮肤等感官,网络就是神经系统用来传递信息,嵌入式系统则是人的大脑,在接收到信息后要进行分类处理。这个例子很形象的描述了传感器、嵌入式系统在物联网中的位置与作用。

  4)M2M:是将数据从一台终端传送到另一台终端,是机器对机器之间的对话。

  4、物联网技术在智慧城市中的应用

  目前物联网技术已在产品信息化、生产制造环节、经营管理环节、节能减排、安全生产等领域得到应用。并在公安、国土、环保、交通、海关、海关、质检、安监、林业等政府主管部门得到初步应用,取得了良好的效果。

  1)产品信息化:在汽车、家电、工程机械船舶等行业通过应用物联网技术,提高了产品的智能化水平。

  2)在生产制造领域的应用:应用于生产线过程的检测、实时参数采集、生产设备与产品监控管理等。

  3)在经营管理领域的应用:应用于物流管理、生产管理等。

  4)在节能减排应用:主要在钢铁、有色金属、电力、化工、纺织、造纸等高能耗、高污染行业应用。

  5)在安全生产领域的应用:主要在煤炭、钢铁、有色等行业保障安全生产的重要技术手段,利用物联网技术对矿山井下人、机、环境进行监控。

  三、云计算技术

  1、云计算技术定义:

  根据美国国家标准和技术研究所的定义,云计算(cloudcomputing)是一种可以随时随地方便而按需地通过网络访问可配置计算资源(如网络、服务器、存储、应用程序和服务)的共享池的模式,这个池可以通过最低成本的管理或服务提供商交会来快速配置和释放资源。

  2、云计算技术的特点

  1)快速弹性

  弹性是指根据需要可伸缩地使用资源的能力。对于消费者来说,云似乎是无限的,消费者可以根据需要购买计算力资源。

  2)测量服务

  在测量服务中,云服务提供商控制和监视云服务的各个方面。这对计费、访问控制、资源优化配置、容量规划和其他任务来说是至关重要的。

  3)按需自助服务

  这意味着消费者可以根据需要使用云服务,不需要与云服务提供商进行人机交互。

  4)无处不在的网络接入

  无处不在的网络接入意味着用户可以通过网络获取云服务商的能力。

  3、云计算的主要类型:

  1)按照资源类型分类:

  云计算可以认为包括以下几个层次的服务:基础设施即服务(IaaS),平台即服务(PaaS)和软件即服务(SaaS)。这里所谓的层次,是分层体系架构意义上的“层次”。IaaS,PaaS,SaaS分别在基础设施层,软件开放运行平台层,应用软件层实现。

  IaaS(Infrastructure-as-a-Service):基础设施即服务。消费者通过Internet可以从完善的计算机基础设施获得服务。

  Iaas通过网络向用户提供计算机(物理机和虚拟机)、存储空间、网络连接、负载均衡和防火墙等基本计算资源;用户在此基础上部署和运行各种软件,包括操作系统和应用程序。

  PaaS(Platform- as-a-Service):平台即服务。PaaS实际上是指将软件研发的平台作为一种服务,以SaaS的模式提交给用户。因此,PaaS也是SaaS模式的一种应用。但是,PaaS的出现可以加快SaaS的发展,尤其是加快SaaS应用的开发速度。平台通常包括操作系统、编程语言的运行环境、数据库和 Web服务器,用户在此平台上部署和运行自己的应用。用户不能管理和控制底层的基础设施,只能控制自己部署的应用。

  SaaS(Software-as-a-Service):软件即服务。它是一种通过Internet提供软件的模式,用户无需购买软件,而是向提供商租用基于Web的软件,来管理企业经营活动。

  云提供商在云端安装和运行应用软件,云用户通过云客户端(通常是Web浏览器)使用软件。云用户不能管理应用软件运行的基础设施和平台,只能做有限的应用程序设置。

  2)按照资源使用方式分类

  按照云计算资源使用方式,可以将云计算分为:公共云、私有云、混合云。

  公共云,是指多个客户公用一个云服务提供商的IT资源。每个用户根据自己的占用、消耗IT资源的多少,向云服务提供商支付费用。公共云比较适合于中、小企业、微型企业、政府基层单位和个人用户。

  私有云:是指政府和企业事业单位建设一个云计算中心或云服务平台供自己使用,不对外开放,不向外单位提供云计算服务。私有云适用于大型企业集团、国家部委、省和地市一级政府,采用虚拟化等技术,对传统计算中心、数据中心进行升级改造。

  混合云:是指公共云和私有云的混合体。混合云的一部分资源公用,对外开放;一部分私用,不对外开放。混合云适用于IT资源有富余的单位,在满足自身应用的同时,把多余IT资源卖给外单位。

  4、云计算技术在智慧城市中的应用

  云计算技术已在工业设计、工业仿真、在线软件、企业数据中心等领域得到初步应用。

  四、移动互联网技术

  移动互联网指由蜂窝移动通信系统通过终端接入互联网,它和3G、4G等构成一个统一的无线、移动、互联网系统,使用户可以在任何地点、任何时间都能方便接入,以获得互联网上丰富的信息资源和服务。

  1、移动通信技术:

  1)第一代和第二代移动通信技术

  第一代移动通信技术(1G)采用频分多址(FDMA)模拟语音调制技术,这种系统主要缺点是频谱利用率低,信令干扰话音业务。

  第二代移动通信技术(2G)主要采用时分多址(TDMA)的数字调制方式,提高了系统容量,并采用独立信道传送信令,使系统性能大大改善.

  2)第三代移动通信技术

  第三代移动通信系统(3G),也称IMT2000,是正在全力开发的系统,其最基本的特征是智能信号处理技术,智能信号处理单元将成为基本功能模块,支持话音和多媒体数据通信,它可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业务,例如高速数据、慢速图像与电视图像等。第三代移动通信系统的通信标准共有 WCDMA,CDMA2000、TD-SCDMA和WIMAX。

  WCDMA是欧洲提出的宽带CDMA技术,这套系统能够架设在现有的GSM网络上,是当前世界上采用的国家以及地区最多、终端种类最丰富的一种3G标准。

  CDMA2000 是美国高通北美公司为主导提出的摩托罗拉、Lucent、韩国三星参与。目前使用的地区只用中国、日本、韩国、北美。TD-SCDMA是由中国独自制定的 3G标准,1999年6月由大唐电信向ITU提出。2009年1月工业化和信息化部批准了中国移动基于TD-CDMA的3G运营许可。

  WIMAX成为无线城域网。2007年被国际电信联盟批准为继WCDMACDMA2000和TD-SCDMA之后的第四个全球3G标准。

  3)第四代移动通信技术

  4) 第四代移动通信技术(4G)是一种能够传输高清视频的高带宽移动通信技术,用户能以100Mbps的速度下载,目前国际上4G的标准有TD-LTE和 FDD-LTE两种。FDD-LTE标准已于2011年年初在欧美国家正式商用。目前中国移动、中国电信、中国联通都在测试、部署4G网络。

  2、Wi-Fi和WLAN

  Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备等终端以无线方式互相连接或帮助用户访问互联网的技术。

  WLAN是指无线局域网,用户通过手机、平板电脑、笔记本电脑灯移动终端通过WLAN上网卡高速接入互联网和企业局域网,获得信息,进行移动办公和娱乐。

  3、智能终端

  主要包括智能手机、平板电脑。

  4、移动互联网技术的应用:

  移动互联网技术的应用主要包括移动电子商务、移动电子政务。

  1)移动电子商务:

  将因特网、移动通信技术、短距离通信技术及其他信息处理技术完美结合起来,使人们可以在任何时间、任何地点进行各种商贸活动,实现随时随地、线上线下的购物与交易,在线电子支付,以及各种交易活动、商务活动、金融活动和相关的综合服务活动等。

  2)移动电子政务:

  指用户可以通过终端盒无线通信网络获取政府部门提供的信息和服务。可以随时随地的处理公文,可以随时随地查阅信息。提高了办事效率。

  五、大数据技术

  1、大数据技术的定义:

  大数据是指无法再一定时间内用常规软件工具对内容进行抓取、管理和处理的数据集合。随着城市信息化建设的深入,许多政府部门和企业积累了海量的数据资源,迫切需要利用大数据技术对这些数据资源进行处理、分析和挖掘,提供政府部门的行政管理和公共服务水平,提高企业的生产经营管理水平,使海量的数据资源转化成巨大的社会财富。

  2、大数据技术的特征:

  大数据技术的主要包括数据差异化程度大、数据容量极大、处理速度快、时效性强、可视性强、复杂度高。

  3、政府大数据的必要性和可行性分析

  必要性:

  1)发展大数据是促进政务信息资源开发利用的必然需要;2)发展大数据是提高政府决策科学化水平的必然要求;3)发展大数据是提高城市管理精细化水平的必然要求;4)发展大数据是促进现代化服务业的必然要求。

  可行性:

  1)中国政府的数据量已经初具规模,2)大数据技术逐步成熟。

  六、空间信息技术

  1、空间信息技术的定义:

  空间信息技术的一个显着的特点是地理空间的可视化,即能够把经济、社会等领域的非空间信息与地理空间位置进行叠加显示,使人们可以非常直观地认识城市中的各种事物。空间信息技术重要包括遥感、卫星导航系统、地理信息系统。

  1)遥感:

  遥感技术是从远距离感知目标反射或自身辐射的电磁波、可见光、红外线,对目标进行探测和识别的技术。遥感系统主要包括空间信息采集系统、地面接收和预处理系统、地面实况调查系统、信息分析应用系统。

  2)卫星导航系统

  全球定位系统(GPS)是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的,是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验,耗资300亿美元,到 1994年3月,全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。

  3)地理信息系统

  地理信息系统(GIS)是一种具有信息系统空间专业形式的数据管理系统。在严格的意义上,这是一个具有集中、存储、操作、和显示地理参考信息的计算机系统。它与各管理信息系统的根本差异在于它不仅能够存储、分析和表达现实世界中各类对象的属性信息,而且能处理、表达事物之间地理空间分布状况的空间关系,从空间特征和属性特征两个方面对现实世界进行综合、分析、管理,方便地获取信息、满足应用和研究的需要。

  2、空间信息技术和其他技术的融合

  1)物联网技术和空间信息技术的融合

  物联网将对GIS的数据获取、动态监测、图形化控制等方面产生深刻的影响。

  2)云计算技术与空间信息技术的融合

  云计算技术具有计算力和存储空间的弹性扩展,资源动态分配和共享等特点,将对GIS数据处理、存储和应用服务产生大的影响。

  3)移动互联网技术与空间信息技术的融合

  通过移动互联网,用户可以随时随地的获取地理信息,开展GIS应用。

  4)大数据技术与空间信息技术的融合

  通过遥感采集地理信息、真三维GIS应用等都面临着海量数据处理的问题,采用大数据技术,可以显着提高遥感图像的处理效率,促进3DGIS的普及。

  七、结语

  随着数字城市向智慧城市的发展不断深入,以物联网和云计算为支撑基础的智慧型的基础设施初露端倪。数字城市与现实城市将不再是相互割裂的对象,而可以有机地进行融合。现实城市通过智慧传感网将数据和信息实时采集,并在数字城市的基础框架中更新和发布,使人类和机器可以方便地交互,并将海量数据与复杂计算问题通过云计算平台实时地分析和处理,最终通过融合在基础框架上的智慧控制网对现实城市进行控制和管理。同时,智慧的安全网为其提供多层次安全的保障。目前,智慧城市仍然存在着数据量大而无序、信息质量参差不齐、信息不安全、隐私权和产权易受侵犯等问题。这需要在标准、法律、技术和应用等层面上对智慧城市的建设开展更为深入的探索和实践。

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