云计算在数字城市建设中的应用研究
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摘 要：针对城市海量数据综合管理、广泛的社会公众查询需求、智能化、网络化等实际应用，建立了以“云计算”为核心的数字城市架构。通过对云计算和数字城市的介绍，指出数字城市的实现需要云计算，云计算数据中心的创建将为数字城市的建设提供有力平台支撑和技术保障。给出了基于包括物理资源层、虚拟化层、服务管理层、信息资源层、应用层、表现层六个层面的云计算数据中心建设思路，从政府服务、教育、公共安全、交通、医疗、能源与电力等方面对云计算在数字城市建设中的具体应用进行了分析。应用表明云计算数据中心的建立对简化城市的IT管理、降低城市的IT设施成本、提高城市整体信息化水平均具有重要的意义。
关键词：云计算；数字城市；虚拟化
中图分类号：TP393.03文献标识码：A
[WT]文章编号：1672-1098(2011)02-0044-05
收稿日期：2011-04-11
作者简介：何留进(1962-)，男，安徽砀山人，一直从事信息化建设和云计算方面的研究工作。
[JZ(〗[WT3BZ]Application of Cloud Calculation in Digital City Construction
HE Liu-jin
(Huainan Municipal Government Information Office, Huainan Anhui 232001, China)
Abstract:The digital city framework with “cloud computing” is established for the integrated management of the city mass data, a wide range of needs of the public inquiry, intelligence, networking and other practical applications. The construction of digital city requires cloud computing through introduction of the cloud and the digital city. The cloud computing data center will create a powerful digital platform and technical support for the city's building. Thinking of cloud computing data center that based on physical resources, including layer, virtual layer, service management, information resource layer, application layer, presentation layer is given, application of cloud computing in the digital city construction is analyzed from government services, education, public safety, transportation, medical care, energy and power and so on. The application shows that construction of cloud computing data center has great significance to simplify the city's IT management, reduce the city's IT infrastructure costs and improve city’s information technology.
Key words: cloud calculation; digital city; virtualization
城市作为一个国家或地区的政治、经济和文化中心，其现代化、信息化水平和数字化程度的提高具有重要的战略意义。目前我国的数字城市建设正处于初期阶段，在面临城市海量数据综合管理、广泛的社会公众查询需求、智能化、网络化等实际应用时，迫切要求建立便捷、高效的管理系统和信息化网络系统，而现有的IT设施并不能提供很好的支持。云计算作为一种新的技术途径应运而生，它提供了更高的效率、巨大的可扩展性和更快、更容易的软件开发。因此，数字城市的建设和实现需要云计算，智能医疗、水资源监控、公共安全和智能交通等具体应用更加离不开基于云计算的数据计算与处理平台――云计算数据中心。
1 数字化城市内涵与国内外发展现状
数字城市广义上指城市信息化，是城市信息技术的综合应用。包括电子政务、电子商务、城市智能交通、市政基础设施管理、公众信息服务、教育管理、社会保障管理、城市环境质量监测与管理、社区管理等几乎涵盖城市生产与生活的所有管理方面和经济层面［1］。
国外数字城市发展经历了四个阶段：第一阶段是网络基础设施建设；第二阶段是城市政府与企业内部信息化建设；第三阶段是城市政府与企业之间的互联网连接；第四阶段是完成数字大厦、数字社区、数字城市的建设。目前，美国、加拿大等发达国家基本上已经完成了前三个阶段的任务，正在开始第四阶段的建设。而中国数字城市的理论研究和关键技术体系研发基本还处于起步阶段。
全国已有近百个城市提出建设数字城市规划，这些工程大多是在省市信息化目标框架下的3S工程［2］。这些城市在经过阶段性信息化建设后，现在已基本上建立了以公众和企业为中心的电子政务体系，但数字城市建设水平与经济社会发展的需求还存在着较大的差距。目前面临的挑战主要集中在两个方面。
1) 信息溢出的挑战。为了满足更快、更及时公众关心的政务信息，提供各种业务及应用服务的需求，整合各政府职能部门和企业的信息业务系统已成为必然趋势。因此海量信息存储的要求及提供多种应用服务的选择，必然需要一个海量的数据中心进行信息的存储与交换。
2) 信息技术(IT)花费的挑战。从2003年到2010年全球每年的 IT花费估计如图1所示，可以看出IT花费主要用在服务器管理，并且呈现逐年增长趋势。但如果采用云计算数据中心，则由于其具有高扩展性、通用性、极其廉价等特性，因而可以减轻企业、事业单位的IT花费。而且将企业、事业单位不同档次的服务器(x86服务器、小型计算机)、不同操作系统的物理服务器经过虚拟化后都可以整合到云计算平台中。
年份
图1 全球每年的 IT花费估计
2 云计算相关知识
21 云计算的定义
云计算(Cloud computing)是一种新近提出的计算模式。维基百科给云计算下的定义：云计算将IT相关的能力以服务的方式提供给用户，允许用户在不了解提供服务的技术、没有相关知识以及设备操作能力的情况下，通过Internet获取需要服务［3］。
中国云计算网将云定义为：云计算是分布式计算(Distributed computing)、并行计算(Parallelcomputing)和网格计算(Grid computing)的发展，或者说是这些科学概念的商业实现［4］。
基本上，云计算只是一种把 IT 资源当作服务来提供的手段。几乎所有 IT 资源都可以作为云服务来提供：应用程序、计算能力、存储容量、联网、编程工具，以至于通信服务和协作工具。
22 云计算的分类
云计算按照服务类型大致可以分为IaaS(将基础设施作为服务)、PaaS(将平台作为服务)和SaaS(将软件作为服务)这三类［5］(见图2)。
图2 云计算的服务类型
IaaS将硬件设备等基础资源封装成服务供用户使用，如亚马逊网络服务(Amazonwebservices，AWS)的弹性计算云和简单存储服务(Simplestorage service，S3)。在IaaS环境中，用户相当于在使用裸机和磁盘，虽然可以在其上运行Windows或Linux，做许多事情，但用户必须考虑如何让多台机器协同工作。亚马逊云计算提供了在节点之间互通消息的接口简单队列服务(Simplequeueservice，SQS)。IaaS的最大优势在于允许用户动态申请或释放节点，按使用量计费。运行IaaS的服务器规模通常多达几十万台，用户几乎可以认为能够申请的资源是无限的。由于IaaS是供公众共享的，因而资源使用率会较高。
PaaS对资源的抽象层次更进了一步，它提供用户应用程序的运行环境，典型的如谷歌应用引擎(Googleappengine)。微软的云计算操作系统“Microsoftwindowsazure”也可大致归入这一类。PaaS自身负责资源的动态扩展和容错管理，用户应用程序不必过多考虑节点间的配合问题。但同时，用户的自降低，必须使用特定的编程环境和遵照特定的编程模型。这有点像在高性能集群计算机里进行消息传递接口(Messagepassing interface，MPI)编程一样，只适用于解决某些特定的计算问题。例如，“Googleappengine”只允许使用Python和Java语言，基于称作Django的Web应用框架，以及调用“Googleappengine”SDK(Softwaredevelopmentkit，软件开发工具)来开发在线应用服务。
SaaS的针对性更强，它将某些特定应用软件功能封装成服务，如Salesforce公司提供的在线客户关系管理(Clientrelationshipmanagement，CRM)服务。SaaS既不像PaaS一样提供计算或存储资源类型的服务，也不像IaaS一样提供运行用户自定义应用程序的环境，而是只提供某些专门用途的服务。
23 云计算的特点
1) 规模超大。“云”具有相当的规模，包括广泛的网络连接、足够的带宽资源、开放的应用程序接口等。一个计算架构可以有云计算的其他属性，如果没有云规模的部分，也必将被云环境持续快速发展的速度所淘汰。
2) 虚拟化。所谓虚拟化，不仅仅是一个具体的技术选择。关键是基础设施不应受限于任何特定的硬件或应用软件。从理论上讲，在不影响上层应用程序正常运行的同时，可以更换任何组件。至关重要的是，基础设施的抽象化为基础架构提供向上或向下的弹性扩展能力。
3) 可靠性高。“云”使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障服务的可靠性，使用云计算比使用本地计算机更加可靠。
4) 具有通用性。云计算不针对特定的应用，在“云”的支撑下可以构造出千变万化的应用，同一片“云”可以同时支撑不同的应用运行。
5) 可扩展性高。“云”的规模可以动态伸缩，满足应用和用户规模增长的需要。
6) 按需服务。即便现有的平台和应用也可以套用“即用即付”的模式，但虚拟机并不是云计算。企业用户仍然要支付巨额的管理开销，浪费大量计算资源。公有云和私有云构成了“云”下一个庞大的资源池。公有云具有“即用即付”的特点，虚拟化与自动化的配置和管理让按需使用成为可能，也是企业用户考虑应用私有云时比较关注的部分。毫无疑问，虚拟化和自动化在节省成本和提高生产率方面发挥重要作用。
7) 费用廉价。利用“云”的特殊容错措施，“云”可通过廉价的节点来构成。“云”的自动化管理使数据中心管理成本大幅降低，其公用性和通用性使资源的利用率大幅提升，其设施可以建在电力资源丰富的地区而大幅降低能源成本，因此“云”具有前所未有的性能价格比。
3 云计算数据中心的创建
基于云计算数据中心的总体框架包括物理资源层、虚拟化层、服务管理层、信息资源层、应用层、表现层六个层面(见图3)，主要为政府、企业、公众提供服务。
图3 云计算数据中心的总体框架
物理资源层(Physicalresource layer)：包括各种硬件基础设施；各种小型机和服务器、网络设备、存储设备等。
虚拟化层(Virtualizationlayer)：对计算资源进行抽象的一个广义概念。虚拟化对上层应用或用户隐藏了计算资源的底层属性。它既包括使单个的资源(比如一个服务器，一个操作系统，一个应用程序，一个存储设备)划分成多个虚拟资源，也包括将多个资源(比如存储设备或服务器)整合成一个虚拟资源。虚拟化技术是指实现虚拟化的、具体的技术性手段和方法的集合性概念。虚拟化技术根据对象可以分成存储虚拟化、计算虚拟化、网络虚拟化等。物理设施被虚拟化后则提供一个灵活的资源池，可提高资源利用率。
服务管理层(Servicemanagementlayer)：包括安全管理、用户帐户管理、虚拟映像管理、性能管理、数据备份与恢复、服务生命期管理、应用请求管理等。
信息资源层(Informationresource iayer)：统筹规划，分步实施，协调发展，建立和完善信息资源体系、信息资源开发体系、信息资源利用服务体系，以服务利用体系建设带动信息资源采集、开发体系建设。通过对关系型数据、非结构化数据、多媒体数据等资源，及应用资源分散业务数据的整合，利用统一的数据交互平台，实现城市各政务部门、企业的数据交互、共享、采集、挖掘。加大信息资源的开发力度，建立和完善城市的基础信息库，逐步制定城市的数据标准、数据规范，开发建立各专业数据系统之上的省级电子政务综合数据仓库。利用数据整合、数据分析、数据挖掘等技术，为辅助决策系统提供支持。通过应用层和表现层，为各政务部门、企业和公众提供有价值的信息服务。
应用层(Application layer)：在集成各类资源、业务流程和各项子应用系统的基础上，是针对电子政务各类任务和服务建立起来的。电子政务应用层可细化为四个层次：集成框架层、公共应用支撑层、应用业务层和公共服务层。集成框架层上构建数据集成框架、流程集成框架以及应用集成框架，实现不同地域、不同工作流程、异构数据资源、不同应用软件的集成。公共应用支撑层提供省级各类基础应用，包括数据交互平台、地理信息系统、电子身份认证系统等，为上层的各类应用系统提供公共的平台和支撑，改善城市整个电子业务环境。应用业务层开展推进服务政务的应用系统建设，提高政务部门内部工作效率，利用电子政府手段，规范政府运行模式，增强政府对经济和市场的监管能力。公共服务层是通过规范行政审批制度，转变工作方式、促进管理型政府向服务型政府的转变，为企业和公众提供公开、透明、高效的服务。在这四个子层中，集成框架层、公共应用支撑层为整个应用体系的后台，是对各类原有应用、数据资源的集成和整合，并通过统一的数据交互平台加速和推进应用系统的标准化和规范化；应用业务层和公共服务层为应用体系的前台，是直接面向政务部门、公众和企业提供服务的。通过这四个层次的相互支持和相互作用，使应用层成为统一的集成服务平台。
表现层(Representationlayer)：各级政务部门、大专院校、军区、驻军、武警、企业、公众可以通过网络、拨号、移动网络等各类接入手段，利用WEB、Phone、Fax、SMS方式，访问电子政务系统，实现各类信息的索取和各项业务的网上办理。
安全保障体系(Securityassurancesystem)应作用于以上各个层面，对任何一个层次以及层次之间的应用、数据交互、资源共享提供安全的运行环境。保障网络安全，保证信息的真实性、可用性、完整性、保密性。通过安全保障体系，促进电子政务安全、健康的发展。安全保障体系是数据中心建设的保障。
4云计算在数字城市建设中的应用
数字化城市的建设和实现有赖于云计算，云计算将使城市生活更加美好。数字化城市体系框架如图4所示。云计算数据中心在数字城市建设中的应用主要集中在以下几个方面［6］。
1) 政府服务。实现行政和日常事务的网上管理，建立政府、企业和公众之间的有机服务系统，将打破现有的人为组织界限，构成一个电子化的虚拟政府机关，从而提高政府资源使用效率，实现电子政务信息化水平提升。并可为全体市民提供所需的服务，提高信息共享和推动所有跨政府机构、服务供应商和其他组织之间的协作以帮助政府做出更明智的决策。
2) 教育。云计算以师生为中心，让数据和服务围绕着个人，通过云计算平台强大的计算能力，使师生轻松获得所需数据，从而实现信息和资源的有效共享。并可帮助城市培育最有价值的人才资源，以系统化的视角看待他们的教育体系，以全方位的角度对学生进行评估，这将会有效地提高学生的学习效率，提升他们的整体素质和能力，帮助他们在课堂内外都能有优秀的表现。
图4 数字化城市建设体系框架
3) 公共安全。鉴于高达45％的市政预算用以保障公共安全，基于云计算数据平台，可逐步将城市重点安全防范场所、单位的监控纳入到城市联网监控管理系统中，并以此为基础逐步整合公安部门原有的各种监控系统。利用先进的技术，采取以社区为基础的方法来预测和预防犯罪和突发事件，而不仅仅是响应。
4) 交通。利用云计算数据中心，数字城市可将智慧融入整个交通运输系统中，导致人们出行模式的转变，可使交通流量减少20％之多，并改善驾驶者的通行，为城市规划人员提供更有价值的信息，提高企业效率及市民的生活质量。
5) 能源与电力。可将能耗降低15％，智慧的电力系统能够针对能源流动提供实时信息，帮助市民和电力公司做出明智的决策，以更负责、更有效地对电力进行采购、销售和管理。
6) 医疗。基于云计算网络的智慧医疗包括建立高效的医疗体系、实现互连互通、提供高质量的医疗服务、以及对医疗科研的支持等几大领域。可涵盖患者基本信息、病历记录、各种实验室检验信息，乃至财务信息，打造一系列整合各种应用的信息化平台，从而方便患者、医生、管理者输入和管理使用信息，紧密链接各医疗部门乃至医疗机构间的业务，以灵活强大的信息化手段实现医患资源优化流动，提供更好的医疗保健服务，并有效地预测和预防疾病，同时，还能激励每个人做出更明智的健康选择。
总之，数字城市建设能够提高政府为民服务的效率，提升政府形象，深化数字化建设的社会效应，营造政府、企业、民众多方获益的和谐氛围，创建长期共赢的可持续发展模式。除了文中所述的应用规划外，数字城市建设还包括了基础软件、标准规范、保障体系、项目管理、人才支撑等多个方面，是一个需要进行长期规划的复杂工程。在建设之前，首先要明确项目建设的目标、内容、规模、周期和模式，以及后期运营模式；同时，需要统筹兼顾、综合考虑、科学设计、合理规划、完善布局。
5 结束语
云计算是未来IT发展的趋势，也是IT产业一次新的变革。云计算数据中心的建立为数字城市的建设提供有力平台支撑和技术保障。云计算将信息产业变成绿色环保和资源节约型产业，将IT基础设施变成如水电一样按需使用和付费的社会公用基础设施，将软件产业变成传统工业流水线一样的高效产业，极大地简化了企业、事业单位的IT管理，有效降低企、事业的IT基础设施成本，全面提高社会整体信息化水平。
参考文献：
［1］ 吕剑亮，李伟.中国数字化城市发展模式研究［J］.情报科学，2006(5)：672-675.
［2］ 陈国良，孙广中，徐云，等.并行计算的一体化研究现状与发展趋势［J］.科学通报， 2009， 54(8)：1 043-1 049.
［3］ JINGZHAO LI， YU ZHANG， DONGSHEMNG ZHOU. Design andapplication ofanew IOT reader［C］// THE 2ND International Conference on Information Engineering and Computer Science (ICISE2010)，1 944-1 947.
［4］ DANIEL J A. Data management in the cloud： limitations and opportunities［J］. Bulletin of the IEEE Computer Society Technical Committee on Data Engineering， 2009， 32(1)：3-12.
［5］ 吴吉义， 傅建庆， 张明西， 等. 云数据管理研究综述［J］. 电信科学， 2010(05)：34-41.
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