智慧城市建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)研究

　　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、自優(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?！靶畔ⅰ笔侵腔鄣暮诵?，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)人要將看見的、聽見的、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，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)造成很嚴(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)用已初見規(guī)模，但是最多也不過數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)共同工作，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(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、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)安全問題。目前階段，信息的安全問題其實(shí)并未引起足夠的重視，其實(shí)安全問題是智慧城市發(fā)展中要解決的關(guān)鍵問題之一，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，通過無(wú)線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)基本可以滿足物智慧城市的通信要求，但各種問題已經(jīng)開始逐步顯現(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，研究和開發(fā)適應(yīng)和滿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，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)用戶透明。