智慧城市云平台构建研究

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

引言

随着城市发展和规模的不断扩大，交通拥堵、环境恶化、城市综合管理复杂、民生问题等一系列“城市病”问题不断涌现。城市发展需要先进的城市管理模式，借助现代科技手段，在城市各管理部门、公共服务企业、市民间建立起沟通快捷、处置高效的管理体系，实现信息化、标准化、精细化、动态化，使城市运行中出现的问题能及时发现和处理。

智慧城市就是运用信息和通信技术手段感知、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，从而对包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种信息进行感知、传输、处理、决策和发布，对各种需求做出智能响应，实现城市智慧式管理和运行。智慧城市是人类社会发展的高级阶段，能有效促进城市可持续发展，可全面提升城市的核心竞争力，为城市中的人创造更美好的生活。自2009年美国IBM提出“智慧城市”概念以来，全球智慧城市建设加快，以智能化为特征的新一代信息技术在交通、能源、公用设施、医疗、水资源管理、公共安全、政府服务和教育等方面的智能实践和应用效果已经凸显。智慧城市建设成为全球城市发展的战略选择，是城市竞争的制高点。美国、日本、新加坡、韩国及中国等纷纷加大智慧城市建设，开辟城市发展新模式。

国家三批智慧城市试点总数达277个，截至2016年6月，我国95%的副省级城市、76%的地级城市，总计超过500座城市，明确提出构建智慧城市。但我国智慧城市建设普遍存在如下几个问题：(1)数据可见，但不可感知； (2)信息孤岛现象； (3)缺少有效规划、重复建设； (4)缺少完整的、科学的信息化标准体系； (5)建设运营管理模式不匹配。分析原因，关键是智慧城市云平台构建存在不足，下面就此展开研究。

1 智慧城市云平台

1.1 智慧城市云平台的总体构架[2]

图1 智慧城市云平台总体架构

智慧城市包含了城市发展和文化形成的智慧，解决城市生活宜居、便捷、安全的智慧，以及城市可持续发展与提升核心竞争力的智慧。智慧城市是以多应用、多行业、异构分布式复杂系统组成的综合体，多个应用系统之间存在信息共享与交互，各应用系统需要统一汇聚数据进行综合计算与分析[1]。智慧城市云平台用于通过模拟仿真指导智慧城市的建设和运营，同时可用于智慧城市建设成果的评估以及智慧城市的运行管理。智慧城市云平台的总体构架由四层体系构成：感知层、网络层、平台层以及应用层(图1)，各层之间高度协同。感知层是智慧城市云平台的基础，主要是各种信息的感知和监测，感知范围涵盖城市基础设施、公共事务、经济发展3大应用领域。网络层是智慧城市中的信息高速公路，由覆盖整个城市范围的互联网、通信网、广电网和物联网等融合构成，高效、安全传递各种信息。平台层是智慧城市云平台的核心，由各类应用支撑公共平台和数据中心构成，实现信息的有效、科学处理，是基于BIM+3DGIS+CIM技术的复合平台； 其中3DGIS技术集中表述大场景的城市空间信息，BIM技术聚焦在建筑体内部的信息，CIM表述是城市运营中的各种信息， 3DGIS+BIM的集成技术实现城市“彻底数字化”，CIM技术实现城市的“智慧化”； 平台提供基于云存储的数据中心服务，将从网络层、各类接口汇集的各类传感监控、网络通讯、居民民生、经济运营等相关数据进行存储、映射和管理； 平台还提供各类工程支撑服务，包括信息资源交换服务和基于大数据的智能决策支撑服务，为应用层的智慧应用提供技术支撑； 同时，平台提供数据等级保护服务，保障各组织、个人能便利的获取数据的同时，在最大限度上保护居民的个人隐私和企业、政府的组织秘密。应用层是智慧城市建设成效的最终体现，涵盖智慧交通、智慧政务、智慧城管、智慧物流、智慧家居、智慧医疗、智慧园区、智慧商业等各个领域的综合应用及智能化管理。

1.2 智慧城市云平台的功能

智慧城市是以“智慧技术、智慧产业、智慧人文、智慧服务、智慧管理、智慧生活”等为重要内容的城市发展的新模式，是信息化向更高阶段发展的表现，有利于推进城市化的创新能力，有利于提高城市的管理水平，推动经济的持续发展。智慧城市涵盖了城市社会生活的方方面，汇集城市生活方方面面的信息，有着极为广阔的应用场景，智慧城市云平台在城市规划、建设和运营管理等各方面作用显著，典型的功能包括以下几个方面：

城市空间多方位多层级可视化：运用3DGIS+BIM技术，将城市地理信息与城市基础设施和建筑物信息无缝衔接，实现从空中、地面、建筑物内部等多方位多层级的城市虚拟漫游，制定高可信度的城市出行规划、旅游观光路线，带动旅游、购物、商业、娱乐等高端服务业的发展。同时也可以模拟突发事件，进行应急预案的演练。

城市规划科学化：城市规划涉及到交通、水务、电力、通讯等基础设施，土地性质、地物地貌等国土资源信息，工业、服务业、商业等业态分布信息，居住、就业、休闲、社会活动等布局信息，基于这个云平台可以精准地对上述信息进行统计分析，并对交通、环境、能耗进行专项推演，从而确保城市规划的科学化。

城市交通智能化：可以获得交通出行时空分布、交通基础设施资源等精准信息，为交通规划、交通控制与管理及相关政策的制定提供依据； 获得实时交通流量、交通事件等信息，通过智能化信息发布、公共交通资源的动态调整、面向大众出行的精准诱导，实现交通管控的智能化。

城市公共安全可控化：准确获取建筑结构与健康度、道路交通资源、建筑物空间关系、医院、消防、电力等资源，为应急救援、反恐安全、重大城市活动安全保障等提供数据支持，科学进行风险评估，制定可靠防控预案。

重大公共政策可推演：面向城市管理中涉及的一些重大公共政策，如机动车数量控制、单双号牌照车辆通行、低空气质量下的企业排放控制、基础教育入学政策、房价调控政策等，这些政策以往缺乏有效分析手段，利用城市智慧云平台，对大数据进行专业分析，可动态推演政策实施效果，为优化公共政策提供有效的决策支持。

支撑和升级传统产业：智慧城市云平台包含海量的城市空间静态数据和人流、物流、信息流、资金流、环境气象等动态数据，通过大数据平台，运用云计算技术，为环境监测、智慧医疗、智能制造、智能物流、商业咨询等提供支撑，提升传统产业的服务能级。

衍生新的产业：作为智慧城市生态系统的基础平台，智慧城市云平台与大数据、云计算、物联网等现代信息技术相结合，将衍生出许多新的产业，如无人驾驶、智慧信息服务等。

智慧城市管理：采用单元网格管理和城市部件管理法相结合的方式，集成BIM、3DGIS、RS和GPS等诸多数字城市技术，构建一个支撑精确、高效、全时段、全方位城市管理的信息平台，通过管理方式创新，再造城市管理流程，实现城市智能化管理。

2 智慧城市云平台的建设

2.1 智慧城市云平台的建设目标

战略目标：按照“统一规划、分步实施、集中管控、共建共享、资源协同”的原则，通过构建跨行业、跨部门的智慧城市公共管理与服务的云平台，系统整合城市公共资源信息，实现城市公共管理科学化、公共服务智能化和信息服务市场化。

实施目标：打造智慧城市云平台的感知体系，全面升级基础网络，构建基于3DGIS、BIM技术和CIM技术的平台体系，充分利用并改造提升城市数据中心，通过分层建设，达到平台能力及应用的可成长、可扩充，创造面向未来的智慧城市云平台。

2.2 智慧城市云平台实施步骤

(1)顶层设计：明确平台的基本功能，确定平台架构方案，提出平台建设和维护总体方案，拟定平台运营管理模式及方案。

(2)技术标准制定：制定和形成BIM、3DGIS和CIM模型的技术标准及应用标准，技术标准包括数据存储标准、信息语义标准、信息交换标准、信息分类与编码标准等； 应用标准包括基于各种应用场景的应用标准。

(3)物理平台构建：包括数据存储系统、高性能计算服务器、GPU计算服务器、集群运维管理软件、硬件虚拟化系统、智能运行监控系统、实时分析引擎、流计算引擎等基础软硬件及物理平台搭建。

(4)城市基础设施的数字化：按照制定的3DGIS模型标准构建城市地理信息系统，按照制定的BIM模型标准对既有城市基础设施包括道路、轨道、交通枢纽、给水排水、电力通讯、煤气供暖、体育设施、文化设施等公用设施进行数字化，构建智慧城市云平台应用的基本骨架。同步开发相应的城市基础设施管理与服务的应用服务，为基础设施的运维提供信息保障。

(5)城市运营信息的导入：按照制定的CIM模型标准将城市运营包括社会、经济、民生等各种信息导入系统。同步开发和市民生活息息相关的城市管理与服务的应用。

(6)开放平台数据接口和云服务，协助相关部门在交通、城市规划、应急救援、防灾救灾等公共服务方面进行功能模块开发与应用。

(7)全面功能开放与市场应用：面向相关政府职能部门、企业进一步开放数据接口，协助开发公共安全、城市发展、产业布局、资源配置等城市公共管理与服务的应用，开放面向企业云平台服务，培育和形成新的产业链模式。

目前国内智慧城市建设普遍缺乏顶层设计和统筹规划，技术标准待完善，基础信息导入不充分，信息壁垒存在、难以共享，市场应用处于发展初级阶段。

2.3 智慧城市云平台的建设和运营模式

(1)模式一：政府投资并建设运营

政府利用财政资金、依托相关事业单位所掌握的技术手段对整个的智慧化建设进行整体计划、独立投资和后期运维工作，建设用途主要是为政府机关、相关单位和公众提供服务。政府可将设计、建设、运营等业务外包给其他公司。政府投资建成后，首先用于政府机关和相关单位的公共服务，然后可将部分平台出租给服务商，通过这种方式获取利润。这种模式的优点：政府可以完全控制平台的建设和经营模式。这种模式的缺点：政府需要承担全部费用并承担投资风险，政府要负责平台运营和维护比较困难。

(2)模式二：政府投资建设、运营商运营

政府负责投资建设，运营商负责平台的运营和维护。这种模式的优点：可实现政府对平台控制的主动权； 运营商既有的投入、客户及技术人员等既有资源可得到充分利用； 政府和运营商各司其职，可实现平台的安全性，能降低投资风险。这种模式的缺点：政府要独立承担平台建设费用，仍需承担相应的投资风险； 运营商对产品规划和发展的控制权较小，可能会影响平台功能的开发。

(3)模式三：政府、运营商合资建设和运营

政府先期投入一定的启动资金，政府指导、运营商负责基础平台设施的建设，同时政府制定有关平台的政策和法律法规，之后运营商利用已有优势在政府的支持下进行后期的建设运营和维护。这种模式属于兼顾型，政府投资主要用于公共服务的支付购买，运营商可通过广告收入和其他形式的服务提供来获取市场收入，实现盈利。这种模式的优点：政府对平台的建设和运营只提供指导和支持，平台的建设和运营主要由运营商负责，双方特长能得到很好的发挥； 政府投资仅需支付购买公共服务、风险较小，运营商能通过灵活配置投资和收益模式实现项目盈利。这种模式缺点：运营商后期可能会更多地考虑项目的盈利而忽略免费的公共服务能力的提升。

(4)模式四：BOT模式

政府和相关运营公司签订特许权协议，授予签约方来承担智慧城市云平台的投资、融资、建设和维护，在协议规定的特许期限内，许可其融资建设和经营，许可其提供相应的产品和服务，准许其向用户收取费用、回收投资并赚取利润； 政府对平台有监督权，调控权，特许期满，政府将无偿收回项目设施及配套的所有权利。这种模式的优点：政府承担的投资和风险小。这种模式的缺点：运营商只在一段时期内拥有平台的专营权，难以保证能够顺利收回投资并实现盈利，不能充分调动运营商投资建设及发展的积极性。

(5)模式五：运营商独资建设和运营

运营商独立承担从建设到运营维护的全部工作，并负担全部投资，政府仅制定有关平台的政策和法律法规。这种模式与第四种模式不同之处在于，建成之后网络的使用和经营权一直由运营商掌握。运营商可以从政府和用户两个方面同时盈利，政府支付公共服务所占用的资源，而用户则付费购买其网络接入。这种模式的优点是：政府承担的投资和风险非常小，可以充分调动运营商建设与运营的积极性，发挥运营商已有的设施资源、用户资源、技术资源等优势。这种模式的缺点：由于所有的权利与责任全部在运营商手中，政府对平台的控制能力弱，公共服务能力不能得到有效保证。

具体采用何种运营模式，各城市应根据自身情况，因城施策。对于有资金实力及技术能力强、社会公众形象好的智慧城市运营商介入的城市，可选择模式五或模式四。对于地方财政实力强、地方政府管理的事业及国有企业智慧城市能力强的城市，可选择模式一或模式二。其它情况，也可以考虑采用模式三。

3 智慧城市云平台产业链分析

智慧城市产业链包含了价值链、企业链、供需链和空间链四个维度，它把一定地域空间范围内的断续或孤环形式的产业链串联了起来，并将已存在的产业链向上下游拓展延伸[3]。智慧城市产业链包括硬件设备及软件供应商、系统集成商、运营提供商和应用服务提供商，涵盖的范围较广，既能实现传统产业转型升级，又能集成新一代信息技术产业。另外，智慧城市产业链中存在上下游关系和相互价值的交换，在智慧城市运营中实现产业淘汰和更新。

3.1 上游行业

(1)硬件设备及软件提供商

硬件设备是智慧城市云平台的物质基础，包括感知设备、存储设备、网络传输设备、云计算处理设备和终端显示设备等，涵盖设备设计商、生产制造商及设备安装服务商。软件是智慧城市云平台运营的基石，包括平台软件、应用软件，其中平台软件包括操作系统、数据库、BIM、GIS等平台类，应用软件包括基于各类平台为各种应用而定制开发的软件，其中云存储、云计算、云安全类的软件是核心。目前我国芯片等硬件设备和平台类软件方面的自主创新能力较弱，核心技术缺乏，制约我国智慧城市的可持续发展能力。

(2)系统集成

智慧城市云平台通过系统集成，把云计算、物联网、移动通讯、虚拟现实、大数据、数字城市等新一代信息技术运用在城市生活的各方面，充分整合既有的城市信息化成果，实现各类设施资源、数据资源的共享。

智慧城市建设的前期，上游产业的发展机会巨大，根据相关文献的研究成果[4]， 2016年智慧城市IT投资规模达2， 746亿元，“十三五”期间的年均复合增长率为17.43%， 2020年智慧城市IT投资规模将达到5， 221亿元。

3.2 下游行业

(1)运营服务商

智慧城市云平台运营服务包括数据传输服务商(电信运营商、互联网服务商、广电网服务商)、数据运营商及信息提供商。运营服务是智慧城市云平台收益最大的产业。目前存在的问题是包括政府部门在内的信息提供商不愿公开和分享数据，导致“信息孤岛”现象的存在。未来，数据运营商及信息提供商将从行业纵向应用向横向扩展，对海量数据处理和信息管理需求将催生运营服务提供商巨头。

(2)应用服务商

智慧城市云平台能提供多元化的应用服务，包括智慧政务、智慧民生、智慧经济及智慧信息产业等四大方面，智慧政务能提升政府的城市公共管理和服务水平，智慧民生主要提升市民日常出行、医疗、娱乐、购物、教育等方面生活服务，智慧经济服务商主要为国家宏观经济决策、企业商业行为活动等提供服务，智慧信息服务商主要提升信息产业的服务水平及能级。

智慧城市建设的最终目的是“城市让生活更美好”，民众对美好生活的向往和信息技术产业的发展催生了智慧城市的建设，智慧城市建设最终的受益者将是下游产业及广大民众。

4 结 语

智慧城市是现代城市的发展方向，目前智慧城市建设的关键是构建智慧城市云平台，本文分析了智慧城市云平台的总体技术构架，梳理了智慧城市云平台的功能构成，阐述了智慧城市云平台建设的战略目标和实施目标，提出了智慧城市云平台的具体实施步骤，探讨了智慧城市云平台建设和运营模式，最后对智慧城市云平台的产业链进行了分析。

参考文献

[1] 房秉毅，张云勇，李素粉. 智慧城市云平台架构与部署方案浅析[J].邮电设计技术， 2014(6)

[2] 郑爱民，满青珊，孙亭. 一种基于云的智慧城市系统构架[J].中国电子科学研究院学报， 2014(6)

[3] 中研华信研究院.2016～2022年中国智慧城市行业深度调研与投资战略咨询研究报告.2015.12.

[4] 中投顾问产业与政策研究中心.2016～2020年中国智慧城市深度调研及投资前景预测报告》.2016.