来源：《地理空间信息》2019年1期
作者：何保国，洪亮，段红伟，王海涛
摘 要：针对当前中小型智慧城市建设中技术薄弱、资金不足、重建设轻运营等问题，以“智慧老河口”项目为例，阐述了“智慧老河口”建设服务云化的架构、技术实施路线和建设运行模式，总结了“智慧老河口”建设的工作经验，并提出了目前存在的问题以及未来的目标与方向，为其他中小城市提供了可借鉴的建设模板，为中小型智慧城市的建设提供了有益的探索和宝贵经验。
关键词：智慧城市;中小型城市;“智慧老河口”;建设模板
智慧城市是数字城市的高级发展阶段，是城市信息化、工业化和城镇化的深度融合，国内外学者与机构从不同视角对智慧城市的概念提出了各自的理解与认识。从技术上讲，智慧城市要实现透彻感知、互联互通和深度智能，涵盖数字城市、物联网、云计算、ICT、Web2.0等技术领域;从城市治理模式上讲，智慧城市是看待城市的新理念、新视角和新思维，是创新与变革的城市治理观念。许多学者分别从智慧城市本质、城市生态与环境、城市规划、城市科学管理等角度对城市智慧化治理进行重要探索。我国从2013年开始由国家住建部、国土资源部、科技部、发改委等部委开始智慧城市试点建设，2014年国家发展改革委等8个部门联合印发了《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》，从顶层设计与统筹规划、体制机制创新、网络安全等方面进行指导。2016年国家发展改革委、中央网信办联合印发了《新型智慧城市建设部际协调工作组2016～2018年任务分工》，全面推进智慧城市建设。
目前国内启动的智慧城市建设多采用传统建设模式，即“独立建设”或“地方主导、省级支持”的模式，然而智慧城市建设不是一蹴而就的，需要长期、持续的建设、运营和管理，但一般市县多存在人才不足、技术力量薄弱、资金不足、重建设轻运营等问题，从而导致县级智慧城市建设与运营存在较大隐患。
老河口市版图面积为1032 km2，人口为53万，城市化率为56%，是县级城市的典型代表。2017年10月智慧老河口时空信息云平台建设试点通过国家验收，成为全国范围内首个通过国家验收的县级城市。2018年1月老河口市被中国智慧城市论坛授予“2017年中国智慧城市示范城市”。2018年9月，“2018中欧绿色和智慧城市奖”在浙江省宁波市揭晓，湖北省老河口市从中国、欧洲的80多个申报城市和企业中脱颖而出，获得“2018中欧绿色和智慧城市奖”中的产业创新奖。本文以“智慧老河口”项目为例，对其服务云化的项目架构、技术实施、建设模式进行描述，总结了“智慧老河口”建设的工作经验，为目前中小型智慧城市建设提供借鉴性模板。
1 服务云化的项目架构
“智慧老河口”项目(以下简称为项目)按照“总体设计、基础先行、业务驱动、分步实施”的建设思路，以北斗时空信息为基础，资源整合共享为重点，时空信息云服务平台为载体，基于SOA、云计算、物联网等技术打造了基础设施即服务、平台即服务的云服务框架，实现了一口受理、网上交互和业务协同，最终实现了城市政府从管理到服务、从治理到运营、从零碎分割的局部应用到协同一体的平台服务。项目总体架构如图1所示。
图 1 服务云化的项目架构
1.1 基础设施即服务
在基础设施层，项目依托虚拟化技术在传统数据中心软硬件的基础上将其计算、存储、网络等资源池化，并利用传感网技术关联机房环境设施，实现对数据中心的机房动力系统、环境系统、安保系统、硬件设备、安全设备、软件系统等基础设施的虚拟化管理，实现数据中心资产对象的管理、相关监控信息的整合以及跨平台、多厂商异构环境的统一监测。因此，项目在基础设施层不仅为智慧城市提供了可伸缩的、虚拟化的数据中心，而且为平台和应用提供了按需、动态分配的宿主环境;同时利用基础设施管理平台实现了对数据中心基础的管理，有效解决了资产管理与监控管理方面的问题。
1.2 平台即服务
平台层主要负责时空数据处理和管理、时空云服务、城市运营服务，实现数据共享、业务协同、服务协同，并提供平台级API的开发。
时空数据处理和管理按照“人、房、地、事、物、组织”的一体化数据组织结构，将多源异构的传感器数据、地理空间数据、城市业务数据等进行时空关联，形成时空数据要素全集，实现对多源时空数据的关联整合，以及多维度、多时态传感器动态数据的实时接入与预处理操作。
时空信息云服务在传统的服务架构上建立了适合时空数据的分布式计算框架，从而为传统的时空服务提供了分布式存储和并行计算能力。同时，它对各类时空数据服务、时空数据处理服务、时空数据挖掘服务进行标准化的服务包装，并基于SOA的服务框架实现对服务的注册、发布和监控管理，用户能像用电一样使用云上的时空服务。
城市运营服务实现对城市状况的监督以及城市关键指标的实时统计。城市运营服务对关联的传感器动态数据、城市业务数据进行抽取，形成数据仓库;再基于该数据仓库形成城市的各类关键指标(KPI)信息，并利用Bootstrap框架实现组件化的KPI实时展示。
1.3 应用体系
项目从老河口应用实际出发，建立政务、民生、产业3大应用体系，使其服务于政府部门、百姓生活和企业单位。在政务应用上，建立城管、社管、规划、应急、警务专项等应用;在民生上，建立北斗儿童安全监护、“天地图·老河口”、掌上老河口、北斗平安校园、智能公交等应用;在产业上，建立农博士微信公众平台。
1.4 规范体系
项目的管理制度和标准规范体系包括法律法规、技术规范和应用规范3大类。
1)法律法规。结合国家电子政务相关标准、湖北省测绘相关标准以及其他省市有关地理空间信息的相关标准，根据项目建设内容的需要和老河口市的实际情况，制定《“智慧老河口”建设行动计划(2015～2017年)》《老河口市政务信息资源目录编制管理规范》《老河口市政务信息资源共享交换管理办法》《老河口市智慧城市数据中心机房管理制度》《老河口市智慧城市运营指挥中心管理制度》《老河口市智慧城市数据中心运维管理制度》《老河口市智慧城市时空信息服务平台管理制度》《老河口市智慧城市应用系统管理制度》等，形成了整体规划、资源共享、运维管理等一整套具有老河口特色的管理制度，实现了项目整体的规范化管理运维。
2)技术规范。参照国家、部委、省、市已有的相关技术规范，结合项目需求，制定相关的技术规范，主要包括《智慧城市时空信息云平台基础设施服务接口规范》《智慧城市时空信息云平台数据智能管理平台数据规范》《智慧城市时空信息云平台服务接口规范》，分别从基础设施层面、数据管理层面和平台应用层面制定相关规范和标准，以保证所建立的系统和平台能标准化、一致化地运行、集成和平滑升级，并对平台通信、业务、数据等方面的接口进行标准化定义。
3)应用规范。根据老河口市目前应用管理的需求，结合国家、省、市相关领域的标准，制定了老河口市特色规划专题数据建库与应用相关规范，涵盖《规划编制成果空间数据建库规范》《规划审批红线空间数据规范》《规划审批红线制图出图规范》《规划编制成果资料电子档案规范》《地下综合管线数据建库及更新操作规范》5个部分，分别从规划编制的资料整理、成果入库、成果更新等方面进行标准化、规范化统一，同时针对规划审批红线在空间数据定义、绘制、制图出图等方面也给出了标准化操作。
根据城管和社管情况，制定了《智慧城管、社管暂行管理办法》《城管、社管平台运行维护考核管理办法》《城管、社管网格员考核办法》，印发了市政府批准的《智慧城管指挥手册》《网格化管理社管指挥手册》，细化了协同管理、统一指挥、一网考核的管理要求。
1.5 保障体系
项目由湖北省测绘地理信息局、老河口市政府共同建设，双方通过一系列保障措施建立了强效的保障体系，形成合力，协调推进。保障体系包括：①成立建设领导小组，以湖北省测绘地理信息局、市政府主要领导为组长，相关职能部门主要负责人为成员，共同推进项目建设，建立联席会议，定期研究解决项目建设过程中出现的问题;②组建一支队伍，组建的市智慧城市管理服务中心为市政府办公室管理的公益一类事业单位，具体负责组织实施、协调推进项目公共信息平台和数据中心的运行、管理、维护以及推广应用，同时组建了专业的信息采集、呼叫调度队伍。
2 关键技术与实现
项目涉及内容十分丰富，实施的技术也很多，基础设施层、时空数据层和平台层是项目建设的核心内容。根据项目的总体架构，本文从基础设施虚拟化管理、数据组织与更新、服务云化3个方面阐述了虚拟化技术、时空数据模型、传感网技术、分布式计算技术等在项目中的技术实施，为其他中小智慧城市建设提供技术实施模板。
2.1 基础设施虚拟化管理
基础设施虚拟化管理采用虚拟化技术和传感网技术，将计算、存储、网络等资源池化，建立虚拟云数据中心;实时监控机房动力系统、环境系统等机房资产，并进行三维可视化，建立虚拟机房监控中心。
2.1.1 虚拟云数据中心
虚拟云数据中心基于Open Stack进行定制化开发，通过基础设施云管理平台(图2)为管理员实现资产管理、产品管理、审批管理、统计管理和用户管理，为用户建立资源服务中心和用户中心。
图 2 基础设施云管理平台界面
系统采用B/S架构，支持KVM、VSphere等多种虚拟化软件，包括Nova、cinder、glance、neutron、dashboard等组件。后台模块设计成无状态，一方面内部使用插件机制，可提高产品的扩展性和适应性;另一方面后台模块间采用消息总线技术传递命令数据，极大地降低了后台服务间的耦合性，同时为模块分布式部署、水平扩展提供了基础。前端UI采用Nginx做静态文件服务，使前、后端完全分离。
2.1.2虚拟机房监控中心
虚拟机房监控中心包括基础设施虚拟化分布、机房监控、监控服务接口和机房可视化4个部分，依次实现了底层资源、后台控制、中端数据传输和前端可视化展现(图3)。
图 3 虚拟机房监控中心技术架构
机房监控负责对机房基础环境、网络环境、机房硬件设备和机房基础软件系统的运行参数进行周期性采集，通过网络监管系统实现对基础设施资产信息的汇总和统计管理，并通过机房环境监控系统实现监控设备的及时远程报警，锁定故障发生位置。
监控服务接口是前端可视化展现的唯一数据交换接口，通过REST服务接口标准的封装，将后台机房监控部分的资产数据传输到可视化展现前端，实现数据的调用。
机房可视化根据中端的数据服务接口，在3D仿真技术的基础上，实现了量化可视化表达，实现了对机房基础设施完整、真实、即时的可视化管理。
2.2 数据组织与更新
在数据组织与更新上，项目采用“人、事、物、组织”的一体化数据组织结构，建立了各类数据的时空关联处理系统，并根据数据类型定义了数据更新机制。
2.2.1一体化的时空组织结构
老河口市各部门原有的数据集之间缺乏关联，无法从中体现“人、事、物、组织”间的内在关联;同时部分数据缺乏时间属性，无法满足时序分析的要求。因此，老河口时空数据库需在空间数据、非空间数据、物联网传感器数据等的基础上补充时间属性，形成通用时空数据模型;并构建通用编码体系，建立各类数据间的关联规则。时空数据组织如图4所示。
图 4 一体化的时空数据组织模型
为实现位置关联、时序关联和语义关联功能，老河口时空数据库对于空间数据需根据统一时空基准对城市对象的空间特征进行抽象表达，满足拓扑位置、符号位置、POI、时序等关联分析要求;对于非空间数据则需根据统一编码体系对非空间要素的语义特征进行关联分析。
2.2.2动态数据实时接入和清洗
动态数据实时接入(图5)对城市数据源的定义、分类、组织方式和观测资源进行归一化表达，采用主动注册、代理注册与探测注册3种方式，接入各类数据，实现自适应的传感器数据实时接入。对传感器数据中的重复数据、错误数据进行剔除，为后续信息服务和知识服务提供具有统一时空基准的传感器时空数据。
图 5 动态数据实时接入
由于城市中多源传感器在各自观测获取、传输与播发数据时的时空参考系统各异，融合网络位置数据前，需运用CORS系统、控制点库等城市时空定位基础设施以及多种外部辅助数据，对传感器观测数据的空间坐标进行校正，以提高精度。
2.2.3多源数据关联整合
通过地理编码、非标准地名地址Geo Coding、语义关联关系、ETL数据仓库等技术，对电子政务数据、专题业务数据、公众服务数据和地理空间数据中的多源异构传感器数据、基础地理空间数据、城市业务数据等进行时空关联，形成“人、事、物、组织”的一体化时空数据要素全集(图6)。
图 6 多源数据关联整合
2.2.4数据更新机制
如图7所示，项目涉及动态传感数据、静态数据以及其他行业系统的共享数据，各数据的更新方式不同。
图 7 数据更新机制
1)传感数据。传感器的数据和消息通过传感网服务接口输入，用户选择是否经过算法处理后输出。若经过算法处理，数据则经过用户在算法库中选择的算法处理后输出，否则直接输出;再生成地理对象数据进行数据入库。
2)静态数据。为委办局提供数据填报、数据上报等功能，以实现数据的汇聚。首先在前置库中通过数据加工、清理、转换等功能对数据进行有效处理，生成统一的、关联性强的规范数据;再导入政务基础库中。为保证数据在各委办局和各专项应用之间的互联互通以及数据的权威性，各专项应用数据需与数据中心的数据进行推送式比对，以保证数据中心数据的鲜活性、权威性和一致性。
2.2.5数据共享机制
老河口时空数据库采用多模式共享机制，实现不同数据权限、不同数据应用需求的业务应用部门数据共享和综合利用能力。
1)直接接入共享。老河口市规划、城市管理、社会管理等部门具备基础空间数据采集能力，可根据数据使用权限，将基础空间数据直接接入共享，为其他部门提供所需的基础地图数据。其中，规划局管理市域范围内的数字线划图、数字正射影像、数字高程模型和三维数字地图等基础地理空间数据;城市管理和社会管理部门管理网格员的实地采集数据，如城市部件等。同时，物联网传感器的实时数据也采用直接接入共享的模式，通过传感器注册，直接接入传感器实时数据，并依据权限提供数据共享。
2)数据同步共享。老河口市民政局、卫生和计划生育局等以非空间业务数据为主的非要害部门，已实现了部分信息化系统建设，建立了相应的业务信息管理系统，因此采用数据同步共享的模式，实现了本地数据库信息与共享数据库信息之间的一致性维护。
3)文件交换共享。老河口市公安局等要害部门，其业务信息一般仅限定在内网中使用，因此在数据审查的基础上，采用文件交换共享的模式，完成内网与外网的数据交换，实现人口等数据共享。
2.3 服务云化
时空信息云服务平台是项目平台层的核心，是服务云化和服务监控的实现关键，以多时态、多主题、多层次、多粒度的要素集为基础，与物联网实时感知相联系，面向泛在应用环境按需提供各类服务和开发接口，并提供定制服务和工具，各部门用户和公众通过定制服务，达到按需数据推送、按需资源组织等效果。时空信息云服务平台可根据计算节点的能力对其进行合理调度，从而挑选最佳服务节点;且当某个节点出现故障时，能及时更换新的节点(图8)。
图 8 服务云化的工作机制
在服务云化的支持下，老河口市各类应用示范更加灵活、按需可扩，能充分利用云平台提供的服务、功能、存储、开发等工具，实现智能化、弹性化的开发应用。时空信息云服务平台中服务云化的业务机制如图9所示。
图 9 服务云化的业务流程图
3 项目建设运营模式
作为一个正在发展演化的新生事物，智慧城市建设，尤其是在县级城市开展的智慧城市建设，需要采用创新的建设模式来解决建设运营中的投融资、人才队伍、工程建设、运营、维护、监管等方面的问题。PPP模式是一种促进政企合力、推动智慧城市发展的有效机制，能转变政府职能、减轻政府财政负担，提高项目工程质量、降低成本，是提升智慧城市服务水平的有效模式。2015年老河口市开始将PPP模式引入“智慧老河口”建设中，老河口市智慧城市管理服务中心是“智慧老河口”建设实施机构，湖北智慧新城和湖北地信公司为社会资本方，组建老河口市智慧城市建设运营公司。“智慧老河口”采用TOT(转让—运营—移交)+BOT(建设—运营—移交)的模式，以BOT方式为主、利用TOT项目促成BOT项目的实施，把一期已建成的项目委托项目公司运营，把二期继建项目授权给项目公司建设、运营。
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