基于组织结构的智慧城市分布式云架构研究论文

　　引言
　　目前，随着国家新型城镇化建设的不断发展，迫切需要一些新型信息技术和研究成果来协助解决当前城市普遍存在交通拥堵、环境污染、教育、医疗资源分配不均衡等问题，实现对城市的高效管理和资源的高效利用，因此，智慧城市建设成为解决该类问题的优选项。截至目前，国家已陆续发布＂国家新型城镇化规划(2014-2020 年)＂等多项指导和促进智慧城市建设的政策文件，其中2014 年8 月，由发改委联合住建部、工信部等八部委共同发布的＂关于促进我国智慧城市健康有序发展的指导意见＂，立足于国家层面，阐述了建设智慧城市的重要意义，明确了智慧城市建设的重点和主要目标，提出了国家层面统一推进智慧城市建设的机制建议和相关具体措施。
　　智慧城市是利用云计算、大数据、物联网和移动通信等新型信息技术以实现城市智慧高效的管理和运行，进而为城市中的人创造更美好的生活，促进城市的和谐、可持续发展。但同时，智慧城市也是由多领域、多类别、多级子系统构成的人造复杂巨系统，其内涵非常广泛，包括交通、水务、医疗、教育、政务等各领域，因此智慧城市顶层设计和系统架构的设计好坏，直接影响到智慧城市建设的成效。目前在智慧城市建设研究方面，仍然存在缺乏顶层设计，缺少通用性和适配智慧城市运营和建设主体-政府机构的整体技术架构，城市层面的整体技术框架研究不够等问题。同时，在智慧城市设计建设过程中，也存在行业之间信息不联通，信息孤岛普遍存在，系统设计缺乏层次，系统使用受众面小，不能有效覆盖城市各层管理者的需求等问题。近几年来，国内外关于智慧城市方面的研究很多，Antonio J.Jara 等，以西班牙桑德坦市为实验平台，利用KNIME 开源平台和泊松分布模型，对市内交通分布和季节气温的关系进行了大数据统计和分析，以此预测后续城市交通分布，为城市交通管理提供决策参考依据;QingchenZhang 等提出一种基于云的大数据特征学习隐私保护深度计算模型，利用BGV 全同态加密方案加密数据，并利用云计算执行高位逆向算法，只有加密和解密操作是在客户端执行，其他的所有计算任务均由云计算完成，以提高运行和训练效率;Antonio Cimmino等从智慧城市信息通信应用的角度，探讨了基于small cell(泛指各种低功率、小覆盖、灵活部署的无线接入点)的网络体系结构;张竹林等从用户级别实现了一种分布式云控制访问方案，解决用户权限撤销问题，但这类研究偏重于智慧城市某一领域和方向的研究，并不对智慧城市整体设计进行探讨。JungHoon Lee 等从城市建设发展设计的角度，以首尔和旧金山为例，通过对城市开放度、服务革新等6 个维度和17 个定量和定性化的子维度分类研究，提出智慧城市高效、可持续发展的架构应包含的数据开放、高级智能技术支撑等8 项关键因素;王静远等从数据、研究和特点3 个角度，对以数据为中心的智慧城市理论与技术进行了综述;Zaheer Khan等提出一种基于云架构的上下文感知公民服务智能城市框架，并通过常见的智慧城市场景探讨了框架应包含的数据、服务、安全、组织等内容;此外，Zaheer Khan等又针对智慧城市提出了一种基于云的大数据分析的概要架构设计，该架构把城市数据分为三层，数据获取、分析和过滤层;源数据映射和连接层;交互式浏览层;并通过布里斯托尔市的公开数据对架构进行了验证。但该类对智慧城市的架构设计更多的体现在业务和功能层面的架构分析和研究。而Zheng Linfeng 等还从智慧城市背景下政府功能的定位角度，认为政府应定位于资金提供和人才保护的组织者，促进多学科的协调合作，建立技术标准和法律规范等功能。Mohamad Dbouk等则从城市安全防护角度，提出一种智能协同监控系统平台，通过整合银行、医院、海关等多个系统服务的监控活动，来防止和处理类似恐怖袭击等异常活动。
　　本文提出一种基于组织结构的智慧城市分布式云架构，以现有政府机构和企业集团的常用组织结构为参考基础，构建多层级、分布式的云结构，在搭建各领域纵向架构的同时，打通行业领域间的横向连接，形成一种结构灵活、扩展性强、简洁高效的适配于目前城市组织系统和通用性的智慧城市顶层技术架构。
　　1 组织结构
　　组织结构是指，为了实现组织的目标，在组织理论指导下，经过组织设计而形成的组织内部各个部门、各个层次之间的固定排列方式，即组织内部的架构形式。其实质是对工作任务进行分工、分组和协调合作的分配方式。因此，组织结构是组织在职、责、权方面的动态结构体系，本质是为实现组织战略目标而采取的一种分工协作体系。组织结构是企业的流程运转、部门设置及职能规划等最基本的结构依据，同时也是整个管理系统的＂框架＂。常见的组织结构形式包括直线制、职能制、直线职能制、矩阵制、事业部制等。当前，我国政府划分为中央(国务院);省、自治区、直辖市;自治州、市、自治县、县;乡、民族乡、镇四个层次，在试行市领导县体制的地方则为五个层次，在省与县之间增加了地级市。县级以上地方各级政府行政机构，主要有办公厅(室)、组成部门、直属机构、直属特设机构、部门管理机构和派出机关等。整体上，我国政府机构采用的是直线-职能式组织结构。直线-职能结构是在综合直线结构和职能结构基础上形成的一种组织结构形式。该结构把直线制组织结构和职能制组织结构的优点结合起来，既能保持统一指挥，又能充分发挥各专业管理机构的作用，但同时也存在职能部门之间横向联系较差，信息传递路线较长等问题。此外，我国政府体系中同时也存在许多双管单位，即既受上级主管部门的指导，又受地方政府领导的部门，其组织结构类似于矩阵式。在组织结构上，把既有按职能划分的垂直领导系统，又有按产品(项目)划分的横向领导关系的结构，称为矩阵组织结构。
　　地方政府及其组成部门是城市规划、建设和管理的主体，智慧城市的建设发展离不开政府部门的主导和参与，同时政府机构也是智慧城市体系系统的主要使用者之一。因此，构建符合当前政府组织结构，满足各层级组织机构的全方位智慧城市顶层设计技术架构，是促进智慧城市建设落地生根的重要一环。本文提出一种基于组织结构的＂系统精练、灵活性高、扩展性强的分布式云架构，通过搭建城市交通、教育、卫生等各行业的基础云架构，组成智慧城市整体云架构的各级子系统，并通过整体云架构打通各级子系统间的横向信息流，实现脱敏数据的横向共享，消除信息壁垒和信息孤岛，更好的适配目前城市管理机构的组织模式。
　　郑爱民等提出的基于云的智慧城市系统架构，由物理资源层、资源提取与控制层、基础设施服务层、平台服务层、用户服务层、安全保障服务、运行维护服务组成，为智慧城市系统机构设计提供了一种参考。本文则依据城市管理部门和企业集团常用组织结构，结合云计算和大数据智慧城市建设新信息技术，提出智慧城市整体技术架构，架构分为行业基础云架构和系统整体云架构。
　　2.1 行业基础云架构
　　行业基础云架构主要分为三层，基础支撑层;二级应用层，为平行应用层，由多个二级应用平台系统和数据存储结构组成，在组织结构中对应各区行业系统;一级应用层，由应用平台和数据存储结构组成，在组织结构中对应市级行业系统，为行业基础云架构的顶层应用层。以交通为例，城市交通部门主要分为市级交通和各区级交管大队，市级交通局主要统筹管理全市交通，处于架构的一级应用平台层，各区交管大队负责区域内的交通管理，处于二级应用平台层。
　　2 行业基础云架构图
　　2.1.1 基础支撑层
　　基础支撑层为最低层的支撑架构层，利用各类传感器、雷达、智能卡、RFID、监控摄像头等进行信息的采集，并通过通信网、互联网、光纤等方式把采集的数据传输到二级应用平台的数据存储中心，由数据中心对采集的数据进行清洗、分类、整理和存储等。
　　2.1.2 二级应用层
　　二级应用层主要是区级行业管理部门对所辖区域的各类管理调度，包括两部分，一是数据存储系统，二是应用平台系统。数据存储系统是由基础支撑层采集传输的各类信息汇集，而应用平台则是从存储的数据里面筛选，提炼需要的数据形成直观的图像数据感知或事件分析预测，如交通中的地理信息系统、路况信息系统、指挥调度系统、应急救援应用系统等。
　　2.2 系统整体云架构
　　智慧城市整体系统架构是以各行业基础云架构为基础构建的逻辑架构，是智慧城市的综合运营管理平台，主要包括两部分，行业集合层和城市综合运营层.
　　2.2.1 行业集合层
　　行业集合层由智慧交通、智慧水务、智慧能源等各行业系统的基础云架构平台横向组合而成，各行业之间构建横向联动信息通道，相对于二级应用层的联动，行业间信息联动共享等业务更少，为弱联动关系，主要应用于需要联合处理的事务互动。
　　2.2.2 城市综合运营层
　　城市综合运营层是智慧城市的中枢系统，是整个城市的大脑。运营中心提供统一数据接口，各行业根据统一的接口为运营中心的各项业务提供各类基础数据支撑，综合运营中心的云存储数据可以是虚拟的逻辑存储，实际数据由各行业基础云的存储服务器提供，也可以是实体云存储，与区级行业云存储和市级行业云存储构成多级备份，确保数据安全。城市综合运营中心是城市主政管理者对城市各行业系统全面了解的窗口，是对应急联合指挥、防灾减灾调度等事件高效联动，有效处理的有力支持。同时，也可以是为企业和公众提供各类智慧应用和服务的窗口。
　　3 总结
　　政务、产业和公众是智慧城市建设的三大服务主体，构建符合受众主体需求的体系架构和技术模式，才能更好的发挥智慧城市建设的服务功能，更好的解决目前普遍存在的交通拥堵、环境污染等城市病。由于智慧城市涉及到城市管理的各个方面，整体系统极其复杂，行业之间难以统筹协调，目前研究更多的聚焦于某一行业内的系统研究和应用，智慧城市整体层面的顶层设计和研究相对薄弱。本文提出的基于组织结构的智慧城市分布式云架构，紧密结合当前政府机构和企业集团的组织结构模式，首先构建垂直结构的行业基础云架构，同时依据垂直结构的行业基础云架构，搭建水平方向的智慧城市系统整体架构，并在技术上打通垂直系统之间的信息通道，以此提出完整的智慧城市分布式云架构系统，为智慧城市建设顶层设计和规划提供技术参考。