摘 要：通過對智慧城市體系結構進行的分析和研究，提出了智慧城市是由許多物聯(lián)網(wǎng)組成的創(chuàng)新理論，給出了智慧城市的概念模型、智慧城市的信息體系結構、智慧城市的物理體系結構以及智慧城市的功能體系結構，并依次介紹了智慧城市的對象平臺、通信平臺、管理平臺、服務平臺和用戶平臺五大功能平臺，闡明了智慧城市體系結構中功能體系、信息體系和物理體系的關系。

關鍵詞：智慧城市；物聯(lián)網(wǎng)；體系；子體系；平臺；分平臺；信息；物理；功能

中圖分類號：TP208 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）04-00-05

0 引 言

互聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展為全球帶來了信息化浪潮，人類世界智能化的要求和需求也越來越高，自2008年美國IBM公司首次提出“智慧地球”的發(fā)展戰(zhàn)略以來，世界各發(fā)達國家已經(jīng)逐漸意識到智慧城市是人類社會發(fā)展的必然趨勢，并開始積極開展智慧城市的建設，我國一些發(fā)達地區(qū)在數(shù)字城市建設的基礎上，也開始探索智慧城市的建設，北京、上海、深圳、南京等地區(qū)已經(jīng)將智慧城市列為重點課題。

目前國內(nèi)外有關智慧城市的建設和發(fā)展還僅限于信息城市、智能城市的范疇，對智慧城市的理解還缺乏深度和廣度，對智慧城市的體系結構尚沒有明確的定論，智慧城市的建設重點和研究焦點目前主要集中在服務和應用方面，對于如何建設智慧城市沒有明確的方向，致使智慧城市的美好愿景仍是空中樓閣，無法落地。本文通過對智慧城市進行探索和研究，給出了智慧城市的概念模型、信息體系結構和功能體系結構等，為智慧城市體系結構的認識提供了一種創(chuàng)新思維，也為智慧城市的建設和發(fā)展指明了新的方向。

1 智慧城市的概念模型

概念模型是對真實世界中事物的抽象描述，表征了事物客觀本質的共性。概念模型是一種信息結構，這種信息結構并不依賴于具體的計算機系統(tǒng)，不是某一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）支持的數(shù)據(jù)模型，而是系統(tǒng)地、抽象地描述事物本質共性的模型。

智慧城市的概念模型是對智慧城市的高度抽象，是人們對智慧城市的總體認識，是對智慧城市的整體描述。智慧城市的靈魂是信息，各種信息相互聯(lián)系，相互作用，形成一個巨大的智慧城市物聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)各種信息存在的不同形式，將智慧城市的信息分為用戶、對象、感知、控制、服務、管理六種形式。智慧城市是大自然的組成部分，其組成與大自然的六合宇宙結構是一致的，智慧城市概念模型是由用戶合、對象合、感知合、服務合、管理合和控制合組成的六合模型，與物聯(lián)網(wǎng)的概念模型相吻合，如圖1所示。

信息存在于整個智慧城市，渾然一體；信息的始點與終點如兩儀中的天與地，用戶是天，對象是地；物聯(lián)網(wǎng)信息的感知、管理、服務、控制是物聯(lián)網(wǎng)世界信息存在的四種形式，感知與控制對應太陰、 太陽，管理與服務對應少陰、少陽；兩儀四象對應六合，從而形成智慧城市的六合概念模型，表達了智慧城市中各種物聯(lián)網(wǎng)信息渾然一體而又相生相克的基本邏輯關系。用戶合可包括人、物、人和物，同樣對象合也可包括人、物、人和物，是人和物的和諧統(tǒng)一。感知合與控制合是信息存在的形式，感知與控制一陰一陽，相生相克。通過管理合和服務合實現(xiàn)了感知與控制信息在用戶、對象間的轉化，形成了完整的體系[1]。

從信息層面看，智慧城市是由各種信息相互傳遞并相互作用，通過信息的流轉推動智慧城市各物理環(huán)節(jié)的啟動和運行，實現(xiàn)智慧城市的智能化控制和管理。因此，信息是整個智慧城市的靈魂，其信息體系結構決定了智慧城市的運行模式和運轉方式。

2 智慧城市信息體系結構

在智慧城市中，物聯(lián)網(wǎng)無處不在，包括很多個不同級別的物聯(lián)網(wǎng)體系，大的物聯(lián)網(wǎng)體系包括很多個小的物聯(lián)網(wǎng)體系，小的物聯(lián)網(wǎng)體系為大的物聯(lián)網(wǎng)體系的子體系，小的物聯(lián)網(wǎng)體系里面又包含許多更小的物聯(lián)網(wǎng)體系，每個小的物聯(lián)網(wǎng)體系都可以實現(xiàn)智慧城市的某個功能，小的物聯(lián)網(wǎng)體系作為大的物聯(lián)網(wǎng)體系的某個節(jié)點或單元，大的物聯(lián)網(wǎng)體系再作為更大的物聯(lián)網(wǎng)體系的某個節(jié)點或單元，無限個這樣的物聯(lián)網(wǎng)體系環(huán)環(huán)相扣，互相作用，形成智慧城市這個巨大的、智能化的物聯(lián)網(wǎng)體系。

智慧城市的信息體系結構是以用戶為中心，各種物聯(lián)網(wǎng)體系周向排布的多層結構，如圖2所示。智慧城市的基本組成單元是物聯(lián)網(wǎng)，其結構如圖2中物聯(lián)網(wǎng)1所示，物聯(lián)網(wǎng)的信息體系結構為五域結構，信息向用戶傳遞的次序以及各種信息的表現(xiàn)形式有其客觀規(guī)律，對象域的感知信息依次穿過通信域、管理域、服務域，直到用戶域，用戶可以根據(jù)接收到的感知信息下發(fā)控制信息，同樣依次經(jīng)過服務域、管理域和通信域，將控制信息傳輸至對象域，形成閉環(huán)的信息體系，完成整個物聯(lián)網(wǎng)的信息流轉。圖2中的物聯(lián)網(wǎng)2，物聯(lián)網(wǎng)3，……物聯(lián)網(wǎng)n都是智慧城市下的小的物聯(lián)網(wǎng)體系，和物聯(lián)網(wǎng)1一樣都具有五域結構，每個小的物聯(lián)網(wǎng)都是為用戶服務的一個物聯(lián)網(wǎng)體系，實現(xiàn)智慧城市下的某種功能，無數(shù)個這樣的物聯(lián)網(wǎng)體系相互作用和支撐，組成高度智能化的智慧城市。從信息體系的角度來講，所有的物聯(lián)網(wǎng)體系都是圍繞用戶為中心服務的，因此，可將智慧城市的信息體系結構抽象理解為許多個物聯(lián)網(wǎng)體系無限匯集而成的多層結構，所有的物聯(lián)網(wǎng)體系都遵循物聯(lián)網(wǎng)的六合五域結構，最高層都是用戶，因此多個物聯(lián)網(wǎng)匯聚而成的智慧城市信息體系的中心是用戶，用戶的周圍按照物聯(lián)網(wǎng)的五域結構，由內(nèi)而外依次為服務域、管理域、通信域和對象域，從而形成以用戶為中心的多層信息體系結構。

智慧城市的物聯(lián)網(wǎng)體系都是五域結構，其每個信息域都與智慧城市信息平臺的五個域相對應，每個物聯(lián)網(wǎng)體系中各信息域的信息都匯集在相應的智慧城市信息域，即對象域信息集中在對象域，通信域信息集中在通信域等?？梢?，智慧城市的信息域是開放的，而在每個物聯(lián)網(wǎng)體系中，其五域的信息流轉僅限于該物聯(lián)網(wǎng)體系中，即每個物聯(lián)網(wǎng)體系的信息是閉環(huán)運行的。

3 智慧城市物理體系結構

智慧城市的物理體系結構是組成智慧城市的各種物理實體的集合，智慧城市的物理體系結構圖如圖3所示。智慧城市物理體系結構是信息體系結構的載體，是智慧城市實現(xiàn)的具體方式，比信息體系更具體，更直觀。智慧城市的物理體系結構與信息體系結構類似，是以用戶端為中心的五層結構，根據(jù)物理實體在智慧城市中的作用不同，將智慧城市物理實體分為傳感器、傳感網(wǎng)、運營商管理設施、公共服務設施、用戶端五個物理層，其中傳感器部分包括智能傳感器和通信模塊，傳感網(wǎng)部分包括物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關和公用網(wǎng)絡；運營商管理設施即運營商服務器，包括運營商通信服務器、運營商管理服務器和運營商服務服務器；公共服務設施包括公共服務網(wǎng)絡，用戶端包括手機、電腦、自助終端等各種智能終端。

在智慧城市物理體系中，無數(shù)個具有五大物理層的物聯(lián)網(wǎng)物理體系匯聚成多層結構，根據(jù)物理實體在物聯(lián)網(wǎng)物理體系中所起的作用和其自身的結構不同，每個物聯(lián)網(wǎng)物理體系的實體被劃分在相應的物理層。在實際應用中，不同物聯(lián)網(wǎng)物理體系可能會相互交叉，每個物聯(lián)網(wǎng)物理體系中的物理實體可能會同時充當兩個以上的物聯(lián)網(wǎng)物理體系中的節(jié)點，同一物理實體在不同的物聯(lián)網(wǎng)物理體系中，所充當?shù)墓?jié)點不同，其所屬的物理層也不同，因此，同一物理實體，可能會同時對應多個物理層，但對于某一物聯(lián)網(wǎng)物理體系來講，其所屬的物理層是固定的。

4 智慧城市功能體系結構

智慧城市功能體系是智慧城市實現(xiàn)的方式，包括五大功能平臺：對象平臺、通信平臺、管理平臺、服務平臺和用戶平臺，其結構如圖4所示。智慧城市功能體系的兩邊分別對應其信息結構和物理結構，其中信息結構與物聯(lián)網(wǎng)的信息體系結構相吻合，為五域結構，包括對象域、通信域、管理域、服務域和用戶域。對象域是對象信息存在的表現(xiàn)方式，通信域是感知信息通信、控制信息通信存在的表現(xiàn)方式，管理域是感知信息管理、控制信息管理存在的表現(xiàn)方式，服務域是感知信息服務、控制信息服務存在的表現(xiàn)方式，用戶域是用戶信息存在的表現(xiàn)方式。物理結構是智慧城市五大功能平臺實現(xiàn)的物理基礎，也包括五個物理層，分別為傳感器、傳感網(wǎng)、運營商管理設施、公共服務設施和用戶端。

智慧城市功能體系五大功能平臺的實現(xiàn)是通過信息體系和物理體系共同作用，缺一不可。智慧城市功能體系中包含很多個小的物聯(lián)網(wǎng)單元體系，每個物聯(lián)網(wǎng)單元體系都包含對象平臺、通信平臺、管理平臺、服務平臺和用戶平臺五個平臺，根據(jù)智慧城市統(tǒng)一集中管理的理念，所有物聯(lián)網(wǎng)單元體系的各平臺都集中在智慧城市相應的平臺進行管理，即所有物聯(lián)網(wǎng)單元體系的對象平臺都屬于智慧城市的對象平臺，所有物聯(lián)網(wǎng)單元體系的通信平臺都在智慧城市的通信平臺，所有物聯(lián)網(wǎng)單元體系的管理平臺都在智慧城市的管理平臺進行統(tǒng)一管理，所有物聯(lián)網(wǎng)單元體系的服務平臺都在智慧城市的服務平臺上，所有物聯(lián)網(wǎng)單元體系的用戶平臺都在智慧城市的用戶平臺上。這樣，智慧城市的每個功能平臺中都包含很多個不同物聯(lián)網(wǎng)體系的平臺，但平臺類型都是一致的，各個平臺都屬于智慧城市功能平臺的分平臺，功能平臺按照物聯(lián)網(wǎng)體系的層級不同分為不同的層級。

物聯(lián)網(wǎng)體系單元只是智慧城市的最小單元，智慧城市功能體系中不僅包含物聯(lián)網(wǎng)體系單元，還有很多由物聯(lián)網(wǎng)體系單元相互組合組成的子體系，子體系之間再相互組合組成更高一級的子體系，最終形成如圖4所示的智慧城市物聯(lián)網(wǎng)體系。例如物聯(lián)網(wǎng)單元體系1、2、3、4相互組合組成子體系1，物聯(lián)網(wǎng)單元體系4、5相互組合組成子體系2，物聯(lián)網(wǎng)單元體系6、7、……、k相互組合組成子體系3，物聯(lián)網(wǎng)單元體系k、……、n相互組合組成子體系n；子體系1和子體系2組合組成子體系一，子體系2、子體系3和子體系n相互組合組成子體系二；子體系一、子體系二等很多個更高一級的子體系相互組合組成智慧城市體系。事實上，智慧城市的子體系的組合和分級是無窮化的，從物聯(lián)網(wǎng)單元體系到整個智慧城市體系，中間有無窮個子體系，使得物聯(lián)網(wǎng)單元體系的功能更加多元化，高級化。換句話說，智慧城市是沒有邊界的，智慧城市的智慧化程度越高，其分級就越多，組合就越復雜。在智慧城市功能體系中，不管是子體系之間，還是子體系中的物聯(lián)網(wǎng)單元之間，都不是孤立存在的，而是相互交叉、相互作用的，例如圖4中物聯(lián)網(wǎng)單元體系2和物聯(lián)網(wǎng)單元體系3之間相互交叉；子體系1、……、子體系m，子體系c、……、子體系n，子體系一、……、子體系S之間都存在相互交叉的關系。

智慧城市的功能體系是由其信息體系和物理體系共同組成不同的智慧城市子體系，各個子體系相互交叉、相互組合、共同作用形成的。每個子體系都可實現(xiàn)智慧城市的某個功能，每個大的子體系中包含小的子體系，小的子體系中包含更小的子體系，最小的子體系是物聯(lián)網(wǎng)體系單元。

從應用的角度來說，智慧城市功能體系包括許多不同領域、不同行業(yè)為用戶服務的子體系。例如，智慧公用事業(yè)服務子體系可分為社會保障子體系、智慧醫(yī)療子體系、智慧教育子體系、勞動就業(yè)子體系、智慧能源子體系、智慧交通子體系、智慧環(huán)保子體系、智慧養(yǎng)老子體系等。智慧能源子體系又分為公用能源智慧服務子體系和家用能源智慧服務子體系。公用能源智慧服務子體系分為公用燃氣智慧服務子體系、公共用電智慧服務子體系、公共水務智慧服務子體系、公共供熱智慧服務子體系。家用能源智慧服務子體系分為家用燃氣智慧服務子體系、家庭用電智慧服務子體系、家庭用水智慧服務子體系和家庭供熱智慧服務子體系。

智慧城市中每個子體系都由多個物聯(lián)網(wǎng)體系單元組成，這與智慧城市的信息體系結構和物理體系結構相吻合，可以說，智慧城市子體系是智慧城市的分支，每個子體系就是一個小規(guī)模的智慧城市，擁有智慧城市的完整結構。智慧城市子體系的結構同樣包含五大功能平臺，分為信息結構和物理結構，具體如圖5所示。

可以看出，在智慧城市子體系中五個信息域與五大功能平臺一一對應，但是與物理結構的五大部分并非一一對應關系，在服務平臺和管理平臺、管理平臺與通信平臺、通信平臺和對象平臺之間是相互錯位的關系。物理結構中的運營商管理設施中包括運營商服務服務器、運營商管理服務器和運營商通信服務器，都屬于運營商管理設施的物理層，而在信息結構中，運營商服務服務器屬于服務平臺的范疇，運營商通信服務器屬于通信平臺的范疇。同樣的，在物理結構中的傳感器部分包括傳感器和通信模塊，傳感器和通信模塊一起安裝在智能傳感器終端，智能傳感器終端通過通信模塊將感知信息上傳，并接受下發(fā)的控制信息，而在信息結構中，通信模塊屬于通信平臺的范疇。

5 智慧城市的功能平臺

5.1 對象平臺

智慧城市對象平臺的功能是實現(xiàn)感知和控制，智慧城市對象平臺包含很多個分對象平臺，不同的分對象平臺根據(jù)其所屬的智慧城市子體系類型的不同，實現(xiàn)不同類型的感知和控制功能。對象平臺的物理實體是智能傳感器，包含多個不同類型的智能傳感器。由智能傳感器感知到感知信息，并執(zhí)行控制，智能傳感器可以自動實現(xiàn)自我控制，也可以根據(jù)接收的控制信息實現(xiàn)控制。

對象平臺在信息結構中對應對象域，是感知信息的起點和控制信息的終點，感知信息始于對象，經(jīng)通信平臺、管理平臺和服務平臺傳輸至用戶，用戶將感知信息轉換為控制信息后，再經(jīng)服務平臺、管理平臺、通信平臺傳輸至對象，對對象實行控制，從而形成閉環(huán)的信息結構。一切具有感知和控制功能的事物都可以作為對象，對象可以是人，可以是物，也可以是人和物的組合。

5.2 通信平臺

智慧城市通信平臺的功能是實現(xiàn)對象平臺和管理平臺之間的相互通信，是整個智慧城市體系信息流轉的橋梁。智慧城市的通信平臺包括很多個分通信平臺，通過通信分平臺實現(xiàn)不同的智慧城市子體系的信息流轉。

智慧城市通信平臺在信息結構中對應通信域，其物理結構包括四部分的內(nèi)容，分別為傳感器的通信模塊、物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關、公共網(wǎng)絡和運營商的通信服務器。公共網(wǎng)絡主要是指移動公用網(wǎng)絡、Internet等。物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關不同于現(xiàn)在普通的網(wǎng)關，而是具有智能管理功能的物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關。傳感器上的通信模塊將感知信息發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關，物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關通過公用網(wǎng)絡將感知信息傳輸至運營商管理平臺中的運營商通信服務器。

5.3 管理平臺

智慧城市管理平臺對智慧城市體系中的信息進行處理、共享、存儲、分類、標識解析等，實現(xiàn)管理功能，為服務系統(tǒng)提供支撐服務，是整個智慧城市體系的綜合管理平臺。智慧城市的管理平臺包括很多個分管理平臺，不同的分管理平臺根據(jù)其所屬的智慧城市子體系類型的不同，實現(xiàn)不同類型的管理功能。如智慧能源子體系管理平臺實現(xiàn)的是對能源計量管理、安全管理等的綜合管理功能，智慧醫(yī)療子體系管理平臺實現(xiàn)的是對醫(yī)療資源的有效分配、患者信息的有序管理等綜合管理功能。

智慧城市管理平臺在信息結構中對應管理域，包括感知信息管理系統(tǒng)和控制信息管理系統(tǒng)，在物理結構中對應運營商管理服務器及與服務器相連的各種設施，是信息結構中的感知信息管理系統(tǒng)和控制信息管理系統(tǒng)的載體。運營商管理服務器可以是提供同一種服務的很多個運營商的服務器，很多個提供不同服務的運營商的服務器，也可以是提供某一種具體服務的某一個具體的運營商的服務器。

5.4 服務平臺

智慧城市服務平臺是向用戶提供服務，實現(xiàn)服務功能的平臺，其服務內(nèi)容包括公共服務和運營商服務。公共服務是政府主導的，為智慧城市體系提供公共信息資源及數(shù)據(jù)處理服務，如信息資源、市場資源、法規(guī)監(jiān)管、公共數(shù)據(jù)等，運營商服務是由運營商提供的信息融合、信息存儲等服務。智慧城市服務平臺包括很多個分服務平臺，如智慧能源服務平臺、智慧交通服務平臺、智慧醫(yī)療服務平臺等，這些分平臺分別屬于不同的智慧城市子體系。

服務平臺在信息結構中對應服務域，包括感知信息服務系統(tǒng)、控制信息服務系統(tǒng)、公共感知信息服務系統(tǒng)、公共控制信息服務系統(tǒng)，在物理結構中對應兩部分內(nèi)容，一是公共服務網(wǎng)絡，二是運營商管理設施中的運營商服務服務器。運營商服務服務器通過公共服務網(wǎng)絡接入用戶端，無論是運營商服務服務器向用戶傳遞感知信息，還是用戶向運營商服務服務器下發(fā)控制信息，都需要經(jīng)過公共服務網(wǎng)絡，這有利于整個智慧城市體系的信息安全保障。運營商服務服務器可以是提供同一種服務的很多個運營商服務服務器，很多個提供不同服務的運營商服務服務器，也可以是提供某一種具體服務的某一個具體的運營商服務服務器。運營商服務服務器是信息結構中的感知信息服務系統(tǒng)和控制信息服務系統(tǒng)的載體，公共服務網(wǎng)絡是信息結構中的公共感知信息服務系統(tǒng)和公共控制信息服務系統(tǒng)的載體，公共服務主要包括信息資源交換，市場資源交換，法規(guī)監(jiān)管，運行維護，公共數(shù)據(jù)的融合，公共數(shù)據(jù)的存儲，公共數(shù)據(jù)的處理，公共數(shù)據(jù)的接入，標識管理服務，地理信息服務，服務管理，用戶服務管理等。

5.5 用戶平臺

智慧城市用戶平臺的功能是實現(xiàn)用戶享受智慧城市體系服務的平臺，用戶平臺在信息結構中對應用戶域，在物理結構中對應用戶端。用戶利用各種用戶端，通過人機交互，實現(xiàn)自身需求的輸出并享受整個智慧城市體系的服務。智慧城市的用戶平臺包括很多個分用戶平臺，各個智慧城市子體系的用戶平臺都集中在智慧城市的用戶平臺上，如智慧能源子體系的用戶平臺、智慧交通子體系的用戶平臺、智慧醫(yī)療子體系的用戶平臺等。

用戶平臺的用戶，既可以是單獨的個體用戶，也可以是用戶群體，既可以是人，也可以是物，既可以是企業(yè)用戶，也可以是政府用戶，只要是智慧城市體系服務的對象，就是用戶。在信息結構中，用戶泛指所有接受智慧城市體系服務的主體，是一種抽象的概念；在物理結構中，用戶是指具體的用戶，可以是享受同一種服務的很多個用戶，很多個享受不同服務的用戶，享受很多種不同服務的某一個用戶，也可以是享受某一種服務的某一個具體的用戶。

智慧城市體系是信息按照一定的規(guī)律運行，通過物理載體體現(xiàn)出功能，由功能平臺相互協(xié)作，最終實現(xiàn)為用戶服務的體系。智慧城市體系結構中的用戶、對象、通信、管理、服務都是概念范疇，在具體的智慧城市的各種功能體系中，用戶、對象、通信、管理、服務是每個子體系的節(jié)點，在實際應用中，智慧城市子體系節(jié)點可以互相轉化，同一實體在不同的智慧城市子體系中所歸屬的節(jié)點范疇可能不同，因此，智慧城市的各種子體系是相互包含、相互穿插、相互作用的，其物理體系是錯綜復雜的，但是其信息都是按一定的經(jīng)絡運行，都有固定的運行軌跡，信息體系是統(tǒng)一的多層五域結構。

6 結 語

本文對智慧城市的體系結構進行分析和研究，提出了智慧城市是由許多物聯(lián)網(wǎng)組成的創(chuàng)新理論，給出了智慧城市的信息體系結構，物理體系結構以及智慧城市的功能體系結構，詳細分析了智慧城市功能體系結構中信息體系和物理體系的關系。相信通過本文的分析和研究，必將為我國甚至整個世界的智慧城市建設開辟一條新思路，并為智慧城市的建設提供方向性指導，為智慧城市的建設內(nèi)容提供基本依據(jù)。

參考文獻

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