基于組織結構的智慧城市分布式云架構研究論文
引言
目前，隨著(zhù)國家新型城鎮化建設的不斷發(fā)展，迫切需要一些新型信息技術(shù)和研究成果來(lái)協(xié)助解決當前城市普遍存在交通擁堵、環(huán)境污染、教育、醫療資源分配不均衡等問(wèn)題，實(shí)現對城市的高效管理和資源的高效利用，因此，智慧城市建設成為解決該類(lèi)問(wèn)題的優(yōu)選項。截至目前，國家已陸續發(fā)布“國家新型城鎮化規劃(2014-2020 年)”等多項指導和促進(jìn)智慧城市建設的政策文件，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(jìn)我國智慧城市健康有序發(fā)展的指導意見(jiàn)”，立足于國家層面，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(diǎn)和主要目標，提出了國家層面統一推進(jìn)智慧城市建設的機制建議和相關(guān)具體措施。
智慧城市是利用云計算、大數據、物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信等新型信息技術(shù)以實(shí)現城市智慧高效的管理和運行，進(jìn)而為城市中的人創(chuàng )造更美好的生活，促進(jìn)城市的和諧、可持續發(fā)展。但同時(shí)，智慧城市也是由多領(lǐng)域、多類(lèi)別、多級子系統構成的人造復雜巨系統，其內涵非常廣泛，包括交通、水務(wù)、醫療、教育、政務(wù)等各領(lǐng)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(yíng)和建設主體-政府機構的整體技術(shù)架構，城市層面的整體技術(shù)框架研究不夠等問(wèn)題。同時(shí)，在智慧城市設計建設過(guò)程中，也存在行業(yè)之間信息不聯(lián)通，信息孤島普遍存在，系統設計缺乏層次，系統使用受眾面小，不能有效覆蓋城市各層管理者的需求等問(wèn)題。近幾年來(lái)，國內外關(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(shí)驗平臺，利用KNIME 開(kāi)源平臺和泊松分布模型，對市內交通分布和季節氣溫的關(guān)系進(jìn)行了大數據統計和分析，以此預測后續城市交通分布，為城市交通管理提供決策參考依據;QingchenZhang 等提出一種基于云的大數據特征學(xué)習隱私保護深度計算模型，利用BGV 全同態(tài)加密方案加密數據，并利用云計算執行高位逆向算法，只有加密和解密操作是在客戶(hù)端執行，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(wú)線(xiàn)接入點(diǎn))的網(wǎng)絡(luò )體系結構;張竹林等從用戶(hù)級別實(shí)現了一種分布式云控制訪(fǎng)問(wèn)方案，解決用戶(hù)權限撤銷(xiāo)問(wèn)題，但這類(lèi)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計進(jìn)行探討。JungHoon Lee 等從城市建設發(fā)展設計的角度，以首爾和舊金山為例，通過(guò)對城市開(kāi)放度、服務(wù)革新等6 個(gè)維度和17 個(gè)定量和定性化的子維度分類(lèi)研究，提出智慧城市高效、可持續發(fā)展的架構應包含的數據開(kāi)放、高級智能技術(shù)支撐等8 項關(guān)鍵因素;王靜遠等從數據、研究和特點(diǎn)3 個(gè)角度，對以數據為中心的智慧城市理論與技術(shù)進(jìn)行了綜述;Zaheer Khan等提出一種基于云架構的上下文感知公民服務(wù)智能城市框架，并通過(guò)常見(jiàn)的智慧城市場(chǎng)景探討了框架應包含的數據、服務(wù)、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于云的大數據分析的概要架構設計，該架構把城市數據分為三層，數據獲取、分析和過(guò)濾層;源數據映射和連接層;交互式瀏覽層;并通過(guò)布里斯托爾市的公開(kāi)數據對架構進(jìn)行了驗證。但該類(lèi)對智慧城市的架構設計更多的體現在業(yè)務(wù)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，認為政府應定位于資金提供和人才保護的組織者，促進(jìn)多學(xué)科的協(xié)調合作，建立技術(shù)標準和法律規范等功能。Mohamad Dbouk等則從城市安全防護角度，提出一種智能協(xié)同監控系統平臺，通過(guò)整合銀行、醫院、海關(guān)等多個(gè)系統服務(wù)的監控活動(dòng)，來(lái)防止和處理類(lèi)似恐怖襲擊等異�；顒�(dòng)。
本文提出一種基于組織結構的智慧城市分布式云架構，以現有政府機構和企業(yè)集團的常用組織結構為參考基礎，構建多層級、分布式的云結構，在搭建各領(lǐng)域縱向架構的同時(shí)，打通行業(yè)領(lǐng)域間的`橫向連接，形成一種結構靈活、擴展性強、簡(jiǎn)潔高效的適配于目前城市組織系統和通用性的智慧城市頂層技術(shù)架構。
1 組織結構
組織結構是指，為了實(shí)現組織的目標，在組織理論指導下，經(jīng)過(guò)組織設計而形成的組織內部各個(gè)部門(mén)、各個(gè)層次之間的固定排列方式，即組織內部的架構形式。其實(shí)質(zhì)是對工作任務(wù)進(jìn)行分工、分組和協(xié)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(dòng)態(tài)結構體系，本質(zhì)是為實(shí)現組織戰略目標而采取的一種分工協(xié)作體系。組織結構是企業(yè)的流程運轉、部門(mén)設置及職能規劃等最基本的結構依據，同時(shí)也是整個(gè)管理系統的“框架”。常見(jiàn)的組織結構形式包括直線(xiàn)制、職能制、直線(xiàn)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、直轄市;自治州、市、自治縣、縣;鄉、民族鄉、鎮四個(gè)層次，在試行市領(lǐng)導縣體制的地方則為五個(gè)層次，在省與縣之間增加了地級市�？h級以上地方各級政府行政機構，主要有辦公廳(室)、組成部門(mén)、直屬機構、直屬特設機構、部門(mén)管理機構和派出機關(guān)等。整體上，我國政府機構采用的是直線(xiàn)-職能式組織結構。直線(xiàn)-職能結構是在綜合直線(xiàn)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(xiàn)制組織結構和職能制組織結構的優(yōu)點(diǎn)結合起來(lái)，既能保持統一指揮，又能充分發(fā)揮各專(zhuān)業(yè)管理機構的作用，但同時(shí)也存在職能部門(mén)之間橫向聯(lián)系較差，信息傳遞路線(xiàn)較長(cháng)等問(wèn)題。此外，我國政府體系中同時(shí)也存在許多雙管單位，即既受上級主管部門(mén)的指導，又受地方政府領(lǐng)導的部門(mén)，其組織結構類(lèi)似于矩陣式。在組織結構上，把既有按職能劃分的垂直領(lǐng)導系統，又有按產(chǎn)品(項目)劃分的橫向領(lǐng)導關(guān)系的結構，稱(chēng)為矩陣組織結構。
地方政府及其組成部門(mén)是城市規劃、建設和管理的主體，智慧城市的建設發(fā)展離不開(kāi)政府部門(mén)的主導和參與，同時(shí)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(mǎn)足各層級組織機構的全方位智慧城市頂層設計技術(shù)架構，是促進(jìn)智慧城市建設落地生根的重要一環(huán)。本文提出一種基于組織結構的系統精練、靈活性高、擴展性強的分布式云架構，通過(guò)搭建城市交通、教育、衛生等各行業(yè)的基礎云架構，組成智慧城市整體云架構的各級子系統，并通過(guò)整體云架構打通各級子系統間的橫向信息流，實(shí)現脫敏數據的橫向共享，消除信息壁壘和信息孤島，更好的適配目前城市管理機構的組織模式。
鄭愛(ài)民等提出的基于云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(wù)層、平臺服務(wù)層、用戶(hù)服務(wù)層、安全保障服務(wù)、運行維護服務(wù)組成，為智慧城市系統機構設計提供了一種參考。本文則依據城市管理部門(mén)和企業(yè)集團常用組織結構，結合云計算和大數據智慧城市建設新信息技術(shù)，提出智慧城市整體技術(shù)架構，架構分為行業(yè)基礎云架構和系統整體云架構。
2.1 行業(yè)基礎云架構
行業(yè)基礎云架構主要分為三層，基礎支撐層;二級應用層，為平行應用層，由多個(gè)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(yè)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(yè)系統，為行業(yè)基礎云架構的頂層應用層。以交通為例，城市交通部門(mén)主要分為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，處于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，處于二級應用平臺層。
2 行業(yè)基礎云架構圖
2.1.1 基礎支撐層
基礎支撐層為最低層的支撐架構層，利用各類(lèi)傳感器、雷達、智能卡、RFID、監控攝像頭等進(jìn)行信息的采集，并通過(guò)通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、光纖等方式把采集的數據傳輸到二級應用平臺的數據存儲中心，由數據中心對采集的數據進(jìn)行清洗、分類(lèi)、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(yè)管理部門(mén)對所轄區域的各類(lèi)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采集傳輸的各類(lèi)信息匯集，而應用平臺則是從存儲的數據里面篩選，提煉需要的數據形成直觀(guān)的圖像數據感知或事件分析預測，如交通中的地理信息系統、路況信息系統、指揮調度系統、應急救援應用系統等。
2.2 系統整體云架構
智慧城市整體系統架構是以各行業(yè)基礎云架構為基礎構建的邏輯架構，是智慧城市的綜合運營(yíng)管理平臺，主要包括兩部分，行業(yè)集合層和城市綜合運營(yíng)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)系統的基礎云架構平臺橫向組合而成，各行業(yè)之間構建橫向聯(lián)動(dòng)信息通道，相對于二級應用層的聯(lián)動(dòng)，行業(yè)間信息聯(lián)動(dòng)共享等業(yè)務(wù)更少，為弱聯(lián)動(dòng)關(guān)系，主要應用于需要聯(lián)合處理的事務(wù)互動(dòng)。
2.2.2 城市綜合運營(yíng)層
城市綜合運營(yíng)層是智慧城市的中樞系統，是整個(gè)城市的大腦。運營(yíng)中心提供統一數據接口，各行業(yè)根據統一的接口為運營(yíng)中心的各項業(yè)務(wù)提供各類(lèi)基礎數據支撐，綜合運營(yíng)中心的云存儲數據可以是虛擬的邏輯存儲，實(shí)際數據由各行業(yè)基礎云的存儲服務(wù)器提供，也可以是實(shí)體云存儲，與區級行業(yè)云存儲和市級行業(yè)云存儲構成多級備份，確保數據安全。城市綜合運營(yíng)中心是城市主政管理者對城市各行業(yè)系統全面了解的窗口，是對應急聯(lián)合指揮、防災減災調度等事件高效聯(lián)動(dòng)，有效處理的有力支持。同時(shí)，也可以是為企業(yè)和公眾提供各類(lèi)智慧應用和服務(wù)的窗口。
3 總結
政務(wù)、產(chǎn)業(yè)和公眾是智慧城市建設的三大服務(wù)主體，構建符合受眾主體需求的體系架構和技術(shù)模式，才能更好的發(fā)揮智慧城市建設的服務(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(gè)方面，整體系統極其復雜，行業(yè)之間難以統籌協(xié)調，目前研究更多的聚焦于某一行業(yè)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。本文提出的基于組織結構的智慧城市分布式云架構，緊密結合當前政府機構和企業(yè)集團的組織結構模式，首先構建垂直結構的行業(yè)基礎云架構，同時(shí)依據垂直結構的行業(yè)基礎云架構，搭建水平方向的智慧城市系統整體架構，并在技術(shù)上打通垂直系統之間的信息通道，以此提出完整的智慧城市分布式云架構系統，為智慧城市建設頂層設計和規劃提供技術(shù)參考。
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