基于組織結(jié)構(gòu)的智慧城市分布式云架構(gòu)研究論文
引言
目前，隨著國家新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷發(fā)展，迫切需要一些新型信息技術(shù)和研究成果來協(xié)助解決當前城市普遍存在交通擁堵、環(huán)境污染、教育、醫(yī)療資源分配不均衡等問題，實現(xiàn)對城市的高效管理和資源的高效利用，因此，智慧城市建設(shè)成為解決該類問題的優(yōu)選項。截至目前，國家已陸續(xù)發(fā)布“國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014-2020 年)”等多項指導和促進智慧城市建設(shè)的政策文件，其中2014 年8 月，由發(fā)改委聯(lián)合住建部、工信部等八部委共同發(fā)布的“關(guān)于促進我國智慧城市健康有序發(fā)展的指導意見”，立足于國家層面，闡述了建設(shè)智慧城市的重要意義，明確了智慧城市建設(shè)的重點和主要目標，提出了國家層面統(tǒng)一推進智慧城市建設(shè)的機制建議和相關(guān)具體措施。
智慧城市是利用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和移動通信等新型信息技術(shù)以實現(xiàn)城市智慧高效的管理和運行，進而為城市中的人創(chuàng)造更美好的生活，促進城市的和諧、可持續(xù)發(fā)展。但同時，智慧城市也是由多領(lǐng)域、多類別、多級子系統(tǒng)構(gòu)成的人造復雜巨系統(tǒng)，其內(nèi)涵非常廣泛，包括交通、水務(wù)、醫(yī)療、教育、政務(wù)等各領(lǐng)域，因此智慧城市頂層設(shè)計和系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計好壞，直接影響到智慧城市建設(shè)的成效。目前在智慧城市建設(shè)研究方面，仍然存在缺乏頂層設(shè)計，缺少通用性和適配智慧城市運營和建設(shè)主體-政府機構(gòu)的整體技術(shù)架構(gòu)，城市層面的整體技術(shù)框架研究不夠等問題。同時，在智慧城市設(shè)計建設(shè)過程中，也存在行業(yè)之間信息不聯(lián)通，信息孤島普遍存在，系統(tǒng)設(shè)計缺乏層次，系統(tǒng)使用受眾面小，不能有效覆蓋城市各層管理者的需求等問題。近幾年來，國內(nèi)外關(guān)于智慧城市方面的研究很多，Antonio J.Jara 等，以西班牙桑德坦市為實驗平臺，利用KNIME 開源平臺和泊松分布模型，對市內(nèi)交通分布和季節(jié)氣溫的關(guān)系進行了大數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，以此預測后續(xù)城市交通分布，為城市交通管理提供決策參考依據(jù);QingchenZhang 等提出一種基于云的大數(shù)據(jù)特征學習隱私保護深度計算模型，利用BGV 全同態(tài)加密方案加密數(shù)據(jù)，并利用云計算執(zhí)行高位逆向算法，只有加密和解密操作是在客戶端執(zhí)行，其他的所有計算任務(wù)均由云計算完成，以提高運行和訓練效率;Antonio Cimmino等從智慧城市信息通信應用的角度，探討了基于small cell(泛指各種低功率、小覆蓋、靈活部署的無線接入點)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu);張竹林等從用戶級別實現(xiàn)了一種分布式云控制訪問方案，解決用戶權(quán)限撤銷問題，但這類研究偏重于智慧城市某一領(lǐng)域和方向的研究，并不對智慧城市整體設(shè)計進行探討。JungHoon Lee 等從城市建設(shè)發(fā)展設(shè)計的角度，以首爾和舊金山為例，通過對城市開放度、服務(wù)革新等6 個維度和17 個定量和定性化的子維度分類研究，提出智慧城市高效、可持續(xù)發(fā)展的架構(gòu)應包含的數(shù)據(jù)開放、高級智能技術(shù)支撐等8 項關(guān)鍵因素;王靜遠等從數(shù)據(jù)、研究和特點3 個角度，對以數(shù)據(jù)為中心的智慧城市理論與技術(shù)進行了綜述;Zaheer Khan等提出一種基于云架構(gòu)的上下文感知公民服務(wù)智能城市框架，并通過常見的智慧城市場景探討了框架應包含的數(shù)據(jù)、服務(wù)、安全、組織等內(nèi)容;此外，Zaheer Khan等又針對智慧城市提出了一種基于云的大數(shù)據(jù)分析的概要架構(gòu)設(shè)計，該架構(gòu)把城市數(shù)據(jù)分為三層，數(shù)據(jù)獲取、分析和過濾層;源數(shù)據(jù)映射和連接層;交互式瀏覽層;并通過布里斯托爾市的公開數(shù)據(jù)對架構(gòu)進行了驗證。但該類對智慧城市的架構(gòu)設(shè)計更多的體現(xiàn)在業(yè)務(wù)和功能層面的架構(gòu)分析和研究。而Zheng Linfeng 等還從智慧城市背景下政府功能的定位角度，認為政府應定位于資金提供和人才保護的組織者，促進多學科的協(xié)調(diào)合作，建立技術(shù)標準和法律規(guī)范等功能。Mohamad Dbouk等則從城市安全防護角度，提出一種智能協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)平臺，通過整合銀行、醫(yī)院、海關(guān)等多個系統(tǒng)服務(wù)的監(jiān)控活動，來防止和處理類似恐怖襲擊等異常活動。
本文提出一種基于組織結(jié)構(gòu)的智慧城市分布式云架構(gòu)，以現(xiàn)有政府機構(gòu)和企業(yè)集團的常用組織結(jié)構(gòu)為參考基礎(chǔ)，構(gòu)建多層級、分布式的云結(jié)構(gòu)，在搭建各領(lǐng)域縱向架構(gòu)的同時，打通行業(yè)領(lǐng)域間的`橫向連接，形成一種結(jié)構(gòu)靈活、擴展性強、簡潔高效的適配于目前城市組織系統(tǒng)和通用性的智慧城市頂層技術(shù)架構(gòu)。
1 組織結(jié)構(gòu)
組織結(jié)構(gòu)是指，為了實現(xiàn)組織的目標，在組織理論指導下，經(jīng)過組織設(shè)計而形成的組織內(nèi)部各個部門、各個層次之間的固定排列方式，即組織內(nèi)部的架構(gòu)形式。其實質(zhì)是對工作任務(wù)進行分工、分組和協(xié)調(diào)合作的分配方式。因此，組織結(jié)構(gòu)是組織在職、責、權(quán)方面的動態(tài)結(jié)構(gòu)體系，本質(zhì)是為實現(xiàn)組織戰(zhàn)略目標而采取的一種分工協(xié)作體系。組織結(jié)構(gòu)是企業(yè)的流程運轉(zhuǎn)、部門設(shè)置及職能規(guī)劃等最基本的結(jié)構(gòu)依據(jù)，同時也是整個管理系統(tǒng)的“框架”。常見的組織結(jié)構(gòu)形式包括直線制、職能制、直線職能制、矩陣制、事業(yè)部制等。當前，我國政府劃分為中央(國務(wù)院);省、自治區(qū)、直轄市;自治州、市、自治縣、縣;鄉(xiāng)、民族鄉(xiāng)、鎮(zhèn)四個層次，在試行市領(lǐng)導縣體制的地方則為五個層次，在省與縣之間增加了地級市。縣級以上地方各級政府行政機構(gòu)，主要有辦公廳(室)、組成部門、直屬機構(gòu)、直屬特設(shè)機構(gòu)、部門管理機構(gòu)和派出機關(guān)等。整體上，我國政府機構(gòu)采用的是直線-職能式組織結(jié)構(gòu)。直線-職能結(jié)構(gòu)是在綜合直線結(jié)構(gòu)和職能結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上形成的一種組織結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)把直線制組織結(jié)構(gòu)和職能制組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)點結(jié)合起來，既能保持統(tǒng)一指揮，又能充分發(fā)揮各專業(yè)管理機構(gòu)的作用，但同時也存在職能部門之間橫向聯(lián)系較差，信息傳遞路線較長等問題。此外，我國政府體系中同時也存在許多雙管單位，即既受上級主管部門的指導，又受地方政府領(lǐng)導的部門，其組織結(jié)構(gòu)類似于矩陣式。在組織結(jié)構(gòu)上，把既有按職能劃分的垂直領(lǐng)導系統(tǒng)，又有按產(chǎn)品(項目)劃分的橫向領(lǐng)導關(guān)系的結(jié)構(gòu)，稱為矩陣組織結(jié)構(gòu)。
地方政府及其組成部門是城市規(guī)劃、建設(shè)和管理的主體，智慧城市的建設(shè)發(fā)展離不開政府部門的主導和參與，同時政府機構(gòu)也是智慧城市體系系統(tǒng)的主要使用者之一。因此，構(gòu)建符合當前政府組織結(jié)構(gòu)，滿足各層級組織機構(gòu)的全方位智慧城市頂層設(shè)計技術(shù)架構(gòu)，是促進智慧城市建設(shè)落地生根的重要一環(huán)。本文提出一種基于組織結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)精練、靈活性高、擴展性強的分布式云架構(gòu)，通過搭建城市交通、教育、衛(wèi)生等各行業(yè)的基礎(chǔ)云架構(gòu)，組成智慧城市整體云架構(gòu)的各級子系統(tǒng)，并通過整體云架構(gòu)打通各級子系統(tǒng)間的橫向信息流，實現(xiàn)脫敏數(shù)據(jù)的橫向共享，消除信息壁壘和信息孤島，更好的適配目前城市管理機構(gòu)的組織模式。
鄭愛民等提出的基于云的智慧城市系統(tǒng)架構(gòu)，由物理資源層、資源提取與控制層、基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層、平臺服務(wù)層、用戶服務(wù)層、安全保障服務(wù)、運行維護服務(wù)組成，為智慧城市系統(tǒng)機構(gòu)設(shè)計提供了一種參考。本文則依據(jù)城市管理部門和企業(yè)集團常用組織結(jié)構(gòu)，結(jié)合云計算和大數(shù)據(jù)智慧城市建設(shè)新信息技術(shù)，提出智慧城市整體技術(shù)架構(gòu)，架構(gòu)分為行業(yè)基礎(chǔ)云架構(gòu)和系統(tǒng)整體云架構(gòu)。
2.1 行業(yè)基礎(chǔ)云架構(gòu)
行業(yè)基礎(chǔ)云架構(gòu)主要分為三層，基礎(chǔ)支撐層;二級應用層，為平行應用層，由多個二級應用平臺系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)組成，在組織結(jié)構(gòu)中對應各區(qū)行業(yè)系統(tǒng);一級應用層，由應用平臺和數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)組成，在組織結(jié)構(gòu)中對應市級行業(yè)系統(tǒng)，為行業(yè)基礎(chǔ)云架構(gòu)的頂層應用層。以交通為例，城市交通部門主要分為市級交通和各區(qū)級交管大隊，市級交通局主要統(tǒng)籌管理全市交通，處于架構(gòu)的一級應用平臺層，各區(qū)交管大隊負責區(qū)域內(nèi)的交通管理，處于二級應用平臺層。
2 行業(yè)基礎(chǔ)云架構(gòu)圖
2.1.1 基礎(chǔ)支撐層
基礎(chǔ)支撐層為最低層的支撐架構(gòu)層，利用各類傳感器、雷達、智能卡、RFID、監(jiān)控攝像頭等進行信息的采集，并通過通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、光纖等方式把采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉墤闷脚_的數(shù)據(jù)存儲中心，由數(shù)據(jù)中心對采集的數(shù)據(jù)進行清洗、分類、整理和存儲等。
2.1.2 二級應用層
二級應用層主要是區(qū)級行業(yè)管理部門對所轄區(qū)域的各類管理調(diào)度，包括兩部分，一是數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，二是應用平臺系統(tǒng)。數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)是由基礎(chǔ)支撐層采集傳輸?shù)母黝愋畔R集，而應用平臺則是從存儲的數(shù)據(jù)里面篩選，提煉需要的數(shù)據(jù)形成直觀的圖像數(shù)據(jù)感知或事件分析預測，如交通中的地理信息系統(tǒng)、路況信息系統(tǒng)、指揮調(diào)度系統(tǒng)、應急救援應用系統(tǒng)等。
2.2 系統(tǒng)整體云架構(gòu)
智慧城市整體系統(tǒng)架構(gòu)是以各行業(yè)基礎(chǔ)云架構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)建的邏輯架構(gòu)，是智慧城市的綜合運營管理平臺，主要包括兩部分，行業(yè)集合層和城市綜合運營層.
2.2.1 行業(yè)集合層
行業(yè)集合層由智慧交通、智慧水務(wù)、智慧能源等各行業(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)云架構(gòu)平臺橫向組合而成，各行業(yè)之間構(gòu)建橫向聯(lián)動信息通道，相對于二級應用層的聯(lián)動，行業(yè)間信息聯(lián)動共享等業(yè)務(wù)更少，為弱聯(lián)動關(guān)系，主要應用于需要聯(lián)合處理的事務(wù)互動。
2.2.2 城市綜合運營層
城市綜合運營層是智慧城市的中樞系統(tǒng)，是整個城市的大腦。運營中心提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，各行業(yè)根據(jù)統(tǒng)一的接口為運營中心的各項業(yè)務(wù)提供各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，綜合運營中心的云存儲數(shù)據(jù)可以是虛擬的邏輯存儲，實際數(shù)據(jù)由各行業(yè)基礎(chǔ)云的存儲服務(wù)器提供，也可以是實體云存儲，與區(qū)級行業(yè)云存儲和市級行業(yè)云存儲構(gòu)成多級備份，確保數(shù)據(jù)安全。城市綜合運營中心是城市主政管理者對城市各行業(yè)系統(tǒng)全面了解的窗口，是對應急聯(lián)合指揮、防災減災調(diào)度等事件高效聯(lián)動，有效處理的有力支持。同時，也可以是為企業(yè)和公眾提供各類智慧應用和服務(wù)的窗口。
3 總結(jié)
政務(wù)、產(chǎn)業(yè)和公眾是智慧城市建設(shè)的三大服務(wù)主體，構(gòu)建符合受眾主體需求的體系架構(gòu)和技術(shù)模式，才能更好的發(fā)揮智慧城市建設(shè)的服務(wù)功能，更好的解決目前普遍存在的交通擁堵、環(huán)境污染等城市病。由于智慧城市涉及到城市管理的各個方面，整體系統(tǒng)極其復雜，行業(yè)之間難以統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，目前研究更多的聚焦于某一行業(yè)內(nèi)的系統(tǒng)研究和應用，智慧城市整體層面的頂層設(shè)計和研究相對薄弱。本文提出的基于組織結(jié)構(gòu)的智慧城市分布式云架構(gòu)，緊密結(jié)合當前政府機構(gòu)和企業(yè)集團的組織結(jié)構(gòu)模式，首先構(gòu)建垂直結(jié)構(gòu)的行業(yè)基礎(chǔ)云架構(gòu)，同時依據(jù)垂直結(jié)構(gòu)的行業(yè)基礎(chǔ)云架構(gòu)，搭建水平方向的智慧城市系統(tǒng)整體架構(gòu)，并在技術(shù)上打通垂直系統(tǒng)之間的信息通道，以此提出完整的智慧城市分布式云架構(gòu)系統(tǒng)，為智慧城市建設(shè)頂層設(shè)計和規(guī)劃提供技術(shù)參考。
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