基於組織結構的智慧城市分佈式雲架構研究論文

引言

目前，隨着國家新型城鎮化建設的不斷髮展，迫切需要一些新型資訊技術和研究成果來協助解決當前城市普遍存在交通擁堵、環境污染、教育、醫療資源分配不均衡等問題，實現對城市的高效管理和資源的高效利用，因此，智慧城市建設成爲解決該類問題的優選項。截至目前，國家已陸續發佈“國家新型城鎮化規劃(2014-2020 年)”等多項指導和促進智慧城市建設的政策檔案，其中2014 年8 月，由發改委聯合住建部、工信部等八部委共同發佈的“關於促進我國智慧城市健康有序發展的指導意見”，立足於國家層面，闡述了建設智慧城市的重要意義，明確了智慧城市建設的重點和主要目標，提出了國家層面統一推進智慧城市建設的機制建議和相關具體措施。

智慧城市是利用雲計算、大數據、物聯網和移動通信等新型資訊技術以實現城市智慧高效的管理和執行，進而爲城市中的人創造更美好的生活，促進城市的和諧、可持續發展。但同時，智慧城市也是由多領域、多類別、多級子系統構成的人造複雜巨系統，其內涵非常廣泛，包括交通、水務、醫療、教育、政務等各領域，因此智慧城市頂層設計和系統架構的設計好壞，直接影響到智慧城市建設的成效。目前在智慧城市建設研究方面，仍然存在缺乏頂層設計，缺少通用性和適配智慧城市運營和建設主體-政府機構的整體技術架構，城市層面的整體技術框架研究不夠等問題。同時，在智慧城市設計建設過程中，也存在行業之間資訊不聯通，資訊孤島普遍存在，系統設計缺乏層次，系統使用受衆面小，不能有效覆蓋城市各層管理者的需求等問題。近幾年來，國內外關於智慧城市方面的研究很多，Antonio 等，以西班牙桑德坦市爲實驗平臺，利用KNIME 開源平臺和泊松分佈模型，對市內交通分佈和季節氣溫的關係進行了大數據統計和分析，以此預測後續城市交通分佈，爲城市交通管理提供決策參考依據;QingchenZhang 等提出一種基於雲的大數據特徵學習隱私保護深度計算模型，利用BGV 全同態加密方案加密數據，並利用雲計算執行高位逆向算法，只有加密和解密操作是在客戶端執行，其他的所有計算任務均由雲計算完成，以提高執行和訓練效率;Antonio Cimmino等從智慧城市資訊通信應用的角度，探討了基於small cell(泛指各種低功率、小覆蓋、靈活部署的無線接入點)的網絡體系結構;張竹林等從用戶級別實現了一種分佈式雲控制訪問方案，解決用戶權限撤銷問題，但這類研究偏重於智慧城市某一領域和方向的研究，並不對智慧城市整體設計進行探討。JungHoon Lee 等從城市建設發展設計的角度，以首爾和舊金山爲例，透過對城市開放度、服務革新等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、可持續發展的架構應包含的數據開放、進階智能技術支撐等8 項關鍵因素;王靜遠等從數據、研究和特點3 個角度，對以數據爲中心的智慧城市理論與技術進行了綜述;Zaheer Khan等提出一種基於雲架構的上下文感知公民服務智能城市框架，並透過常見的智慧城市場景探討了框架應包含的數據、服務、安全、組織等內容;此外，Zaheer Khan等又針對智慧城市提出了一種基於雲的大數據分析的概要架構設計，該架構把城市數據分爲三層，數據獲取、分析和過濾層;源數據映射和連接層;交互式瀏覽層;並透過布裏斯托爾市的公開數據對架構進行了驗證。但該類對智慧城市的架構設計更多的體現在業務和功能層面的架構分析和研究。而Zheng Linfeng 等還從智慧城市背景下政府功能的定位角度，認爲政府應定位於資金提供和人才保護的組織者，促進多學科的協調合作，建立技術標準和法律規範等功能。Mohamad Dbouk等則從城市安全防護角度，提出一種智能協同監控系統平臺，透過整合銀行、醫院、海關等多個系統服務的監控活動，來防止和處理類似恐怖襲擊等異常活動。

本文提出一種基於組織結構的智慧城市分佈式雲架構，以現有政府機構和企業集團的常用組織結構爲參考基礎，構建多層級、分佈式的雲結構，在搭建各領域縱向架構的同時，打通行業領域間的橫向連接，形成一種結構靈活、擴展性強、簡潔高效的適配於目前城市組織系統和通用性的智慧城市頂層技術架構。

1 組織結構

組織結構是指，爲了實現組織的目標，在組織理論指導下，經過組織設計而形成的組織內部各個部門、各個層次之間的固定排列方式，即組織內部的架構形式。其實質是對工作任務進行分工、分組和協調合作的分配方式。因此，組織結構是組織在職、責、權方面的動態結構體系，本質是爲實現組織戰略目標而採取的一種分工協作體系。組織結構是企業的流程運轉、部門設定及職能規劃等最基本的結構依據，同時也是整個管理系統的“框架”。常見的組織結構形式包括直線制、職能制、直線職能制、矩陣制、事業部制等。當前，我國政府劃分爲中央(國務院);省、自治區、直轄市;自治州、市、自治縣、縣;鄉、民族鄉、鎮四個層次，在試行市領導縣體制的地方則爲五個層次，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，主要有辦公廳(室)、組成部門、直屬機構、直屬特設機構、部門管理機構和派出機關等。整體上，我國政府機構採用的是直線-職能式組織結構。直線-職能結構是在綜合直線結構和職能結構基礎上形成的一種組織結構形式。該結構把直線制組織結構和職能制組織結構的優點結合起來，既能保持統一指揮，又能充分發揮各專業管理機構的作用，但同時也存在職能部門之間橫向聯繫較差，資訊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，又受地方政府領導的部門，其組織結構類似於矩陣式。在組織結構上，把既有按職能劃分的垂直領導系統，又有按產品(項目)劃分的橫向領導關係的結構，稱爲矩陣組織結構。

地方政府及其組成部門是城市規劃、建設和管理的主體，智慧城市的建設發展離不開政府部門的主導和參與，同時政府機構也是智慧城市體系系統的主要使用者之一。因此，構建符合當前政府組織結構，滿足各層級組織機構的全方位智慧城市頂層設計技術架構，是促進智慧城市建設落地生根的重要一環。本文提出一種基於組織結構的系統精練、靈活性高、擴展性強的分佈式雲架構，透過搭建城市交通、教育、衛生等各行業的基礎雲架構，組成智慧城市整體雲架構的各級子系統，並透過整體雲架構打通各級子系統間的橫向資訊流，實現脫敏數據的橫向共享，消除資訊壁壘和資訊孤島，更好的適配目前城市管理機構的組織模式。

鄭愛民等提出的基於雲的智慧城市系統架構，由物理資源層、資源提取與控制層、基礎設施服務層、平臺服務層、用戶服務層、安全保障服務、執行維護服務組成，爲智慧城市系統機構設計提供了一種參考。本文則依據城市管理部門和企業集團常用組織結構，結合雲計算和大數據智慧城市建設新資訊技術，提出智慧城市整體技術架構，架構分爲行業基礎雲架構和系統整體雲架構。

2.1 行業基礎雲架構

行業基礎雲架構主要分爲三層，基礎支撐層;二級應用層，爲平行應用層，由多個二級應用平臺系統和數據存儲結構組成，在組織結構中對應各區行業系統;一級應用層，由應用平臺和數據存儲結構組成，在組織結構中對應市級行業系統，爲行業基礎雲架構的.頂層應用層。以交通爲例，城市交通部門主要分爲市級交通和各區級交管大隊，市級交通局主要統籌管理全市交通，處於架構的一級應用平臺層，各區交管大隊負責區域內的交通管理，處於二級應用平臺層。

2 行業基礎雲架構圖

2.1.1 基礎支撐層

基礎支撐層爲最低層的支撐架構層，利用各類傳感器、雷達、智能卡、RFID、監控攝像頭等進行資訊的採集，並透過通信網、互聯網、光纖等方式把採集的數據傳輸到二級應用平臺的數據存儲中心，由數據中心對採集的數據進行清洗、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級行業管理部門對所轄區域的各類管理調度，包括兩部分，一是數據存儲系統，二是應用平臺系統。數據存儲系統是由基礎支撐層採集傳輸的各類資訊彙集，而應用平臺則是從存儲的數據裏面篩選，提煉需要的數據形成直觀的圖像數據感知或事件分析預測，如交通中的地理資訊系統、路況資訊系統、指揮調度系統、應急救援應用系統等。

2.2 系統整體雲架構

智慧城市整體系統架構是以各行業基礎雲架構爲基礎構建的邏輯架構，是智慧城市的綜合運營管理平臺，主要包括兩部分，行業集合層和城市綜合運營層.

2.2.1 行業集合層

行業集合層由智慧交通、智慧水務、智慧能源等各行業系統的基礎雲架構平臺橫向組合而成，各行業之間構建橫向聯動資訊通道，相對於二級應用層的聯動，行業間資訊聯動共享等業務更少，爲弱聯動關係，主要應用於需要聯合處理的事務互動。

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，是整個城市的大腦。運營中心提供統一數據接口，各行業根據統一的接口爲運營中心的各項業務提供各類基礎數據支撐，綜合運營中心的雲存儲數據可以是虛擬的邏輯存儲，實際數據由各行業基礎雲的存儲服務器提供，也可以是實體雲存儲，與區級行業雲存儲和市級行業雲存儲構成多級備份，確保數據安全。城市綜合運營中心是城市主政管理者對城市各行業系統全面瞭解的視窗，是對應急聯合指揮、防災減災調度等事件高效聯動，有效處理的有力支援。同時，也可以是爲企業和公衆提供各類智慧應用和服務的視窗。

3 總結

政務、產業和公衆是智慧城市建設的三大服務主體，構建符合受衆主體需求的體系架構和技術模式，才能更好的發揮智慧城市建設的服務功能，更好的解決目前普遍存在的交通擁堵、環境污染等城市病。由於智慧城市涉及到城市管理的各個方面，整體系統極其複雜，行業之間難以統籌協調，目前研究更多的聚焦於某一行業內的系統研究和應用，智慧城市整體層面的頂層設計和研究相對薄弱。本文提出的基於組織結構的智慧城市分佈式雲架構，緊密結合當前政府機構和企業集團的組織結構模式，首先構建垂直結構的行業基礎雲架構，同時依據垂直結構的行業基礎雲架構，搭建水平方向的智慧城市系統整體架構，並在技術上打通垂直系統之間的資訊通道，以此提出完整的智慧城市分佈式雲架構系統，爲智慧城市建設頂層設計和規劃提供技術參考。