智慧城市建设的关键技术研究

　　目前我国正处在快速的城市化进程中，城市规模不断扩大，在促进经济、社会、人文发展和拉动国家整体发展水平上都起到非常重要的作用。然而，随着城市环保、节能、交通、产业转型等压力上的日益增加，亟需新的城市发展模式与管理工具来提升城市发展水平。伴随着信息技术的快速发展与广泛应用，“智慧城市”的概念呼之欲出。越来越多的城市在“十二五”规划中提出了把建设智慧城市作为转变发展方式，所以未来智慧城市建设将在我国掀起一轮新的高潮。智慧城市作为信息技术与城市建设的完美结合，涉及技术众多。文章主要论述了我国智慧城市的技术基础，并根据我国当前的环境分析了智慧城市应用的局限性与技术瓶颈，从而提出了创新技术才是创建智慧城市的关键。

　　文化物质的积累、科学技术的进步都是伴随着城市而逐渐演变的，而城市大发展的动力慢慢变成智慧的成果，就是大众人民可以不间断的享受创新技术带来的服务与产品，目前智慧城市的建设已经得到了国家的重视和各个政府的大力的推动，越来越多的智慧城市将呈现在民众的面前，所谓智慧城市是指根据科学合理的城市发展理念，根据最新一代的信息技术，在泛在互联网和信息全面感知的基础上，实现人、物、城市功能系统之间无缝连接与协同联动的智能自感知、自优化，从而对民生、环保、公共安全、城市功能、商务活动等多种城市需求做出智能的响应，形成具备可持续内生动力的安全、便捷、高校、绿色的城市形态。智慧城市实现的是城市系统的优化升级，使城市各系统根完善、更智能、更协调、更发达，使城市中的人和物更智慧、更和谐，使城市中的人生活更幸福。

　　1 智慧城市三大技术基础

　　智慧城市的建设需要技术创新、民众意识、政府管理等各方面共同作用，而其中技术创新是建设智慧城市的基石。“信息”是智慧的核心，因此“信息技术”是支撑智慧城市的核心技术。

　　1.1 通信技术广泛化让智慧城市拥有了神经系统

　　一个人要将看见的、听见的、触摸到的各种信息传递到大脑，需要有遍布全身的神经系统。对于智慧城市来说，拥有这样的神经系统，是实现智慧的最根本要求。泛在的通信网络就像城市的神经系统，只有有了它，信息才有可能通达。

　　1.2 互联网技术的普及，让智慧的能力贴近普通民众

　　在有互联网技术以前，信息处理只是聚集在少数专用机房里的大型计算机设备的事情，和普通的民众关系不大。虽然信息可以传递，但信息传递的范围有很大限制，远不能到达城市的末梢。互联网技术从根本上改变了人类获取和处理信息的方式，使得任何一个普通民众都能够随意获取和产生信息，智慧的能力只有真正贴近了普通民众，智慧的城市才有可能实现。

　　1.3 嵌入式技术的发展，让智慧的能力扩展到物

　　从技术层面来看，“智慧城市”是以网络信息为基础的城市信息体系，其智慧能力的差别来自于对信息获取能力的差别，智慧的城市不仅需要更多的人能够随时获取和产生信息，城市里的各项基础设施也需要能够进行信息的自动采集、动态监管。从技术角度来看，就是各种各样的设备需要具备独立运算和联网的能力，嵌入式技术的发展使得这些成为可能，因此嵌入式技术是智慧城市的技术基础之一，它使得智慧的能力从人扩展到物品。

　　2 智慧城市的应用局限性与技术瓶颈

　　2.1 智慧城市应用局限性

　　目前的智慧城市应用大多是一些处理数据采集和数据传输的简单场景，简单数据采集和数据传输模式虽然有一定的领域，但碰到一些复杂的领域就无法应对了。在我们的现实世界中，还有很多复杂的情况，需要不同类型节点协同进行智能计算的应用领域。而且这些简单的数据采集和数据传输只能简单的局限于对数据的安全性、实时性和可靠性的要求均不高的领域，万一出现数据被盗用、篡改等情况，也不会造成很严重的后果。但对于一些数据错误、丢失、延时，将会造成重大损失的领域，如：医疗手术控制、火车交通控制、大型机械设备运转控制等，由于拘束的限制，这样的领域物联网都还没有触及。目前智慧城市典型应用中，设备一般在较为适宜的环境下工作，而现实环境中则会有相当一部分的应用要求设备工作在相当恶劣的环境下进行操作，甚至有些特殊行业的设备可能面临极端高温和低温、瞬间温度剧变等极端恶劣环境，而目前我们的传感器技术尚无法达到这点。我国目前智慧城市应用已初见规模，但是最多也不过数千个节点共同工作，还远远没有达到数万、数十万、数百万海量节点规模，伴随着节点规模的增加，节点、网络的接入能力和数据处理能力要求将呈指数级增加，故对节点组网速度、节点管理、协议高效性、数据并发等技术特点提出了全新的要求。

　　2.2 智慧城市技术瓶颈

　　以上分析的智慧城市应用存在的局限性，很大程度上都是由于技术瓶颈所引起的。解决技术瓶颈、才能打破局限，扩展需求，将使智慧城市具有更加广阔的发展空间。目前我们主要存在四方面的技术瓶颈。其一，传感器技术瓶颈。如何推出更小、更强、更便宜的传感器。智慧城市发展首要是大量布置各种传感器，使这些传感器与物品紧密地结合在一起，成为物品的一部分，因此传感器不仅要微型化，而且这样微型化的节点不但要拥有相当的处理能力，还需要能耗低，然而这样小型高性能的传感器目前只能用于尖端的领域，尚无法大规模应用。其二，通信网络技术瓶颈。如何做到既大容量又高性能。智慧城市中很多的应用都将是无人干预的自动操作，其与人的通信行为有很大的不同。从规模上来看，可能要面对上千万、乃至上亿的海量节点，规模将远超过原有的通信规模。其三，平台处理技术的瓶颈。如何做好海量感知信息的处理和管理。如何及时处理海量感知信息，是智慧城市发展面临的另一个技术瓶颈，随着智慧城市建设的深化，需要综合运用云计算等技术推进平台处理技术不断发展，解决海量数据的存储、归类、处理、检索需求才能打破这种局限。其四，安全性技术瓶颈。如何应对更为复杂的物联网安全问题。目前阶段，信息的安全问题其实并未引起足够的重视，其实安全问题是智慧城市发展中要解决的关键问题之一，它将直接决定智慧城市的发展前景。

　　3 创新技术推动城市化进程

　　3.1 大力推动感知技术的发展

　　智慧城市首先需要通过感知世界来获取信息，感知技术的发展是智慧城市发展的前提，感知技术其实包含了两种不同的技术：传感器和无线传感网。感知技术需要不断向着高性能、低能耗、微型化、低成本方向发展，才能为实现各种智慧城市应用提供丰富的想象空间，扩大智慧城市应用的范围。传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。无线传感网(WSN)是由部署在一定区域内的大量传感器节点组成的，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织的网络系统。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感网核心技术主要集中于网络拓扑控制技术、多跳可靠数据交互技术、信道资源调度技术、物理层技术、协同计算与处理技术、分布式信息感知技术等。无线传感网以其智能化、低功耗、自组织的特性提供了全新的智能化通信、控制手段，是目前大范围、低成本获得传感信息最有效的解决办法。其中无线传感网关键技术包括：射频识别技术(RFID)、IEEE 802.15.4、Zigbee/Zigbee Pro技术、Z-Wave技术、Wireless-HART技术、蓝牙技术、NFC技术。

　　3.2 推动网络能力增强

　　在当前智慧城市的初级阶段，物联网应用数量尚不大的情况下，现有网络基本可以满足物智慧城市的通信要求，但各种问题已经开始逐步显现;随着智慧城市发展的深化，物联网业务数量扩大，网络必将产生巨大压力，甚至也可能进一步影响到现有的人与人的正常通信。因此需要对通信网络的适应性进行研究，在现有网络的基础上，研究和开发适应和满足智慧城市通信特征的网络能力改进，以及与之相适应的通信网络运维体系，主要的研究内容包括以下几个方面：网络层业务特性管理、网络资源分配机制、网络性能优化机制、灵活的QoS体系、灵活的网络安全能力、移动性管理机制。其中IPv6技术与云计算机技术就是其中的主要技术，IPv6是Internet Protocol Version 6的缩写，它是IETF(Internet Engineeri-ng Task Force，互联网工程任务组)设计的用于替代现行版本IP协议IPv4的下一代IP协议。它具有更大的地址空间，IPv6中IP地址的长度为128位，并加入了对地址自动配置的支持;IPv6的地址分配遵循聚类的原则，对IP包结构进行了简化，提升了路由转发效率;增强了对组播及流控的支持，增加了对网络层的数据加密，并对IP报文进行校验，增强了网络的安全性;可以较好地满足物联网海量节点、高安全性等应用特点的需求，是物联网网络技术的发展方向。云计算将网络上分布的计算、存储、服务构件、网络软件等资源集中起来，基于资源虚拟化的方式，为用户提供方便快捷的服务，它可以实现计算与存储的分布式与并行处理。云计算的主要特征主要有这几个方面：以高度可扩展的弹性方式交付服务;利用因特网技术和方法来开发和交付服务;资源虚拟化及资源的自动管理与配置;可实现海量数据的分布式并行处理;低成本并对用户透明。