北京市物聯網應用標準體系框架研究

高順尉，楊冬菊，何可文

（1.北京市信息資源管理中心 北京 100101；2.北方工業大學云計算研究中心 北京 100041；3.太極計算機股份有限公司 北京 100083）

1 引言

物聯網是繼計算機、互聯網和移動通信之后引發的新一輪信息產業浪潮的核心領域。一般的，人們認為物聯網是互聯網向物理世界的延伸，通過傳感設備感知物品狀態，并對感知的信息實施智能分析與處理，從而實現對物品行為的反饋控制。其中，“感知”是基礎，“智能”是核心，“反饋控制”是重要目標。

經過近幾年的發展，北京市已經逐漸在農業、交通、應急等多個領域建設了物聯網示范應用系統，并初見成效。在“十二五”的開局之年，北京市提出物聯網發展的總體規劃與藍圖，將用5年時間，初步建立起政府部門有效感知、安全傳輸、數據共享、智能處理的物聯網應用基礎支撐體系，完成基礎設施建設，并在關鍵領域和行業建立示范應用。同時，針對目前北京市物聯網建設“自發為主，尚未規范，有所應用，未成體系，監測類多，智能類少”的特點，結合數據實時獲取、預測預警、智能研判、信息共享、應急聯動和輔助決策等需求，提出北京市城市安全運行和應急管理領域物聯網應用“1+1+N”的總體框架，即一個市應急指揮平臺、一個市物聯網應用支撐平臺、多個由部門和區縣建設的物聯網應用管理系統和平臺，規范全市物聯網應用建設，實現城市日常管理與應急管理的有機結合。

物聯網產業鏈長，涵蓋面廣，參與的主體眾多，在大量物聯網應用涌現的情況下，由于相關標準的缺失且缺乏協調統一，行業內、行業間互聯互通的程度較低，凸顯出難以形成產業規劃、研究成本過高、資源利用率過低、無序重復建設現象嚴重的問題，阻礙了物聯網的進一步規模化應用，物聯網的顯著優勢無法充分地發揮出來。

從近期物聯網的建設任務來看，“1+1+N”方案的落實和實施迫切需要制定相應的物聯網標準，一方面為了實現物聯信息在各個物聯網應用之間的無縫流轉，另一方面為了規范指導各部門（區縣）獨立建設物聯網應用系統之間及與應用支撐平臺之間的對接與數據流動。從物聯網的長遠發展及產業推動來看，需要實施物聯網標準的頂層設計，制定物聯網標準發展的藍圖，為標準的制定提供路徑和依據。

結合北京市的物聯網應用建設實際需求，著手設計北京市物聯網應用標準規范發展的體系框架，準確梳理物聯網應用建設過程中需要遵循和具有指導作用的標準規范，發現缺失的標準，并根據應用需求設定建設的優先級，這些工作對于推進北京市物聯網發展顯得尤為重要。

2 相關工作

目前，國內外對物聯網的研究尚處于探索階段，主要集中在兩個方面：一方面是對物聯網概念內涵及體系結構的研究[1～5]，在重點研究物聯網關鍵技術及架構體系的基礎上，分析物聯網標準建設的必要性及重要性；另一方面工作集中在對物聯網標準的研究方面[6～8]，全面分析國內外相關的物聯網標準化組織、標準的發展現狀及趨勢，并對我國的物聯網標準提出建議。目前專注于物聯網標準規范制定的主要的國際標準組織有國際標準化組織（ISO）、國際電信聯盟（ITU-T）、歐洲電信標準化協會（ETSI）、美國電氣及電子工程師學會（IEEE）、3GPP、3GPP2 等，這些標準組織在物聯網總體架構、感知技術、通信網絡技術、應用技術等方面制訂了一系列標準規范。其中，ITU-T及ETSI主要從總體框架方面制定相關標準，前者從泛在網的角度出發，后者主要從M2M的角度出發；ISO和IEEE主要針對感知技術，特別是無線傳感網方面研制相關標準；3GPP和3GPP2主要從M2M業務對移動網絡的需求方面研究，特別關注移動網絡層面；在應用技術方面，各標準組織都有一些研究，主要集中于特定應用制定標準[6]。

在我國，物聯網標準的制訂工作還處于起步階段，但發展迅速。目前，我國已經有涉及物聯網總體架構、無線傳感網、物聯網應用層面的眾多標準正在制訂中，并且有一部分的標準項目已在相關國際標準組織立項[7,8]。

國內外關于物聯網標準規范體系框架的相關工作比較少。結合我國的信息化技術及物聯網應用現狀，參考文獻[9]從應用需求出發，按照技術基礎標準和應用子集兩個層次，提出引用現有標準、裁剪現有標準或制定新規范的策略，形成了包括體系架構、組網通信協議、協同處理組件、網絡安全、編碼標識、骨干網接入與服務等技術基礎規范和產品、應用類規范的物聯網標準體系，從而指導系統化的物聯網標準制定工作，為我國物聯網產品研發和應用開發中對標準的采用提供重要的支持。參考文獻[10]則在分析EPC系統基本組成、標準體系和技術架構的基礎上，通過EPC系統與傳感網、泛在傳感器網絡的對比與分析，探討了物聯網標準體系的構建和技術實現策略，提出物聯網的構建首先需要注重通用原則和總體需求，讓不同行業有一個構建物聯網的基本平臺，然后針對不同場景構建不同技術模式的相應標準。參考文獻[11]則重點結合感知層的共性需求和特定需求，提出物聯網感知層的標準體系架構。此外，在醫療衛生領域[12]、電子政務領域[13]和節能減排領域[14]，都在探討制訂相關的標準體系框架，對于避免該領域的管理模式混亂、低水平重復建設和信息“孤島”現象的出現具有巨大的應用價值。以上標準體系框架為本文的工作提供了借鑒和參考。

相比目前已有的物聯網標準體系框架，北京市的物聯網應用標準規范體系框架以應用和落地為導向，突出應用和應用支撐部分，重落實和實效，共性技術部分則參照和遵循國家物聯網標準規范。所以，北京市物聯網應用標準規范體系框架是在遵照國家物聯網標準規范體系基礎上的補充和落實。

3 北京市物聯網技術架構及現狀

物聯網是互聯網向物理世界的延伸，通過傳感設備感知物品狀態，并對感知的信息實施智能分析與處理，從而實現對物品行為的反饋控制。此過程包括“感、傳、知、用”4個環節。其中，“感”是獲取物聯信息的基礎和手段，是伸向物理世界的觸角；“傳”是物聯信息的交換和傳輸；“知”負責物聯信息的智能分析，是物聯網的“大腦”；“用”實現對物體的智能控制，是目標和價值體現。物聯網建設的目標是從物聯網的“大腦”建起，一方面利用“后端智能”，利用應用之間的共享、協作，達到單一系統所不具有的群體協作而產生涌現效應，實現“事件驅動的智能互聯”；另一方面為物聯網應用建設提供必要的“服務”，從而簡化應用搭建。

基于以上認識，北京市提出物聯網技術架構，包括感知層、網絡層、支撐層和應用層以及標準規范體系和信息安全體系，并將支撐層和應用層確定為北京市物聯網的建設重點。具體如圖1所示。

物聯網各個層次的劃分及銜接，要解決的本質問題是物聯信息在縱向層次（指感知層、網絡層等多個層次之間）及橫向應用（指多個物聯網應用）之間的無縫流轉，而標準規范正是在上述各環節中充當“粘合劑”作用。

同時，北京市將以智慧城市建設的具體需求為導向，以城市安全運行和應急管理應用為突破口，以解決制約城市發展的瓶頸問題為重點，在10個領域建設應用示范。

（1）城市應急管理領域

圍繞城市運行生命線檢查等開展應用示范建設，提升城市應急管理水平。

（2）社會安全領域

加強重點地區的安全監控管理，提高社區管理和安防能力。

（3）交通領域

建設和完善新一代智能交通服務體系，實現各類交通信息的動態監測。

（4）市政市容管理應用領域

逐步實現城市生命體征監測及市政市容設施管理的智能化，提升城市管理綜合行政執法能力和水平。

（5）環境監測監管領域

針對重點監測對象，構建多元化智慧感知網絡，提升環境機動執法能力。

（6）水資源管理領域

對各類城市用排水的水質、水量以及安防等進行全面監測。

（7）安全生產監管領域

針對煤礦等重點行業，加強物聯網與安全監管平臺的信息共享和業務聯動。

（8）節能減排領域

加強對重點用能企業運行情況的監測，實現能源的可靠、安全利用。

（9）醫療衛生領域

構建智能醫療體系。

（10）農產品和食品監管領域

實現農業的規模化和集約化種植，推進農產品可靠配送、保險管理和可視化跟蹤應用。

“需求導向、統一框架、統一標準、分建共享”是指導整個“1+1+N”物聯網體系建設的基本原則，其具體含義是：詳細分析業務需求，重視物聯網標準的頂層設計，遵循統一的物聯網技術框架，建立統一的物聯網標準體系框架，遵從并采用各項相關標準，依托統一的物聯網應用支撐平臺，按照分建共享的機制，逐步建立各類領域和行業應用，最終形成整個物聯網體系。

4 北京市物聯網應用標準體系框架

4.1 標準體系框架的建設原則

遵循“需求導向、統一框架、統一標準、分建共享機制”建設北京市物聯網體系的過程中，保障物聯網信息在各環節之間的無縫流轉成為一項關鍵任務，建立全市統一的物聯網標準體系則是保證物聯網信息有效共享的必要條件。

以面向領域業務應用作為導向，以物聯網的層次化觀點和流程化需求作為出發點，以保障各類信息在物聯網中的正確流轉、共享和使用作為落腳點，北京市物聯網標準體系框架設計的基本原則包括以下4方面。

（1）分離通用共性各層參照

對于“感、傳、知、用”各層次都會涉及和使用的通用標準和共性標準，要將其分離出來，各層次共同參照，避免重復建設。

（2）利用已有標準,避免重建

物聯網標準體系框架覆蓋范圍廣，特別是不同領域、不同行業已經建了許多相關標準，應優先利用，避免重建。

（3）針對難點問題重點突破

緊緊抓住物聯信息流轉這個主要矛盾，結合各行業、各應用的特點建立標準規范，實現有效共享。

（4）分清主次輕重,優先建設

結合北京市物聯網發展現狀和發展規劃，優先建設對當前發展狀態起到制約作用的“瓶頸”問題的相關規范。

4.2 構建標準體系框架模型

標準體系框架是對標準體系的組成要素及其相互關系的描述。北京市物聯網應用標準體系框架的設計既要遵循標準體系框架的共有模型，又要體現物聯網應用建設的核心內容。參考文獻[15]中指出，標準體系可以由一個三維空間組成，包括性質維、專業維和級別維。其中，級別維分為國際級、區域級、國家級、行業級、地方級、企業級；性質維包含管理標準、技術標準、工作標準；專業維代表標準化活動的各種專業領域，包括農業、工業、商業、科研、教育等。

依照該模型對物聯網應用建設所需的標準進行分析和映射，設計了北京市物聯網應用標準規范體系框架的四維模型（如圖2所示），包括級別維、性質維、業務維和應用維。

其中，級別維從標準規范所屬級別進行劃分，包括國際級、國家級、行業級和地方級。性質維從標準規范所屬性質進行劃分，包括管理標準和技術標準。業務維則從物聯網應用建設需求出發，分析物聯網應用建設的各個層次。從本質上來看，北京市物聯網應用的建設離不開“感、傳、知、用”4個層次，需要傳感設備獲取物品的狀態，需要網絡實現數據的傳輸，需要支撐平臺實現數據的加工和整合，最終通過應用系統實現對物品的反饋和控制。所以，業務維包括感知層、傳輸層、應用支撐層和應用層，此外，還包括物聯網應用建設的總體標準及各層涉及的共性技術標準。應用維則從物聯網應用建設的具體領域進行劃分，包括北京市重點建設物聯網應用的10大領域，包括農產品和食品監管、城市應急管理、市政市容管理、環境監測監管、水資源管理、安全生產監管、節能減排監測監管、智能交通、社會安全維穩和醫療衛生。

4.3 標準體系框架的主要內容

依據前述北京市物聯網應用標準體系框架模型的設計，抽取與物聯網應用建設需求最為密切的業務維、性質維與應用維，進行扁平化映射，并根據重點突出、層次清晰的原則設計了北京市物聯網應用標準體系框架。它依托于對物聯網技術層面所做的“感、傳、知、用”的基本劃分，覆蓋了從底層感知設備（感知層）、網絡傳輸（傳輸層）、應用支撐（智能層），直至頂層的領域和行業應用（應用層）。框架的主要內容如圖3所示。

北京市物聯網標準體系框架共包含7個部分，分別是：總體標準、共性技術標準、管理標準、感知層標準、網絡層標準、應用支撐層標準、應用層標準。每個部分又分為若干子類，受篇幅限制，本文僅從整體上對這7個部分的作用進行介紹。

（1）總體標準

總體標準對整個物聯網體系的架構、各組成部分的關系以及使用的基本術語進行規范化，具體包括3個部分：物聯網術語標準、體系結構和參考模型、標準組成及關系。物聯網術語標準規定了物聯網建設過程中需要遵循和參照的所有術語，在編制過程中可以參照傳感器術語標準、信息技術術語標準及電子政務術語標準等相關標準；體系結構與參考模型則為所有的物聯網應用建設提供體系結構指導及參考模型，可以參照信息技術、信息處理系統等一些相關標準。總體標準不僅是設計物聯網架構的參照性文件，也是各部門、各行業、各領域建設各自應用時必須參照的標準性文件。

（2）共性技術標準

共性技術標準涵蓋了物聯網建設過程中所需的共性技術標準，由物聯網的各層次共同參考，主要包括安全標準規范、網絡架構標準、標識解析標準、QoS管理規范、網絡管理規范、日志管理規范等方面的具體標準。

其中，安全標準從信息安全、網絡安全、保密措施等不同的角度來保障物聯網的安全。目前，專屬物聯網的安全標準很少，在項目建設過程中，將更多地遵循和借鑒信息化標準。隨著物聯網的發展，會出現更多的與物聯網相關的安全標準，本標準體系框架會進行相應的擴展。網絡架構標準包含網絡建設中涉及的硬件、軟件、協議、存取控制和拓撲等相關標準。

標識解析標準規定了物聯網終端進行唯一標識、定位和解析的方法，并與傳統網絡標識機制結合，使感知層能夠快速接入傳統網絡（包括互聯網、專用網絡等）。

QoS管理規范定義了物聯網在實現移動性管理、網絡擁塞控制、信令擁塞控制、群組通信管理等業務功能時需要提供的QoS管理服務。

網絡管理規范主要針對傳感網絡拓撲變化快、無中心、終端獨立等特點，既包含傳統互聯網和電信網在網絡管理方面的故障管理、配置管理、計費管理、性能管理和安全管理5大功能，也包含傳感器網絡中節點的生存、工作管理（包括電源工作情況等）；傳感網的自組織特性和傳感網的信息傳輸；傳感網拓撲變化及其管理；自組織網絡的多跳和分級管理；自組織網絡的業務管理等物聯網獨有功能。

日志管理規范規定了物聯網建設及運行過程中涉及的日志的內容、存儲、管理、分析等方法。

由于共性技術標準規范了物聯網建設過程中需要共同遵循的共性技術，不涉及感知、智能等物聯網的一些獨有特征，所以此部分標準以參照和遵循國家、行業和北京市制定的物聯網、信息化等相關標準等為主。

（3）管理標準

管理標準的設計主要覆蓋了物聯網工程建設的全生命周期涉及的所有標準規范，包括項目管理、建設與實施、測評與驗收、運維管理、績效考核評價等各環節所需標準。管理標準的設置，一方面為了規范北京市物聯網的建設，另一方面為了落實和實施北京市物聯網的各項標準。由于物聯網應用建設包含在信息化建設范疇內，所以管理標準的內容設計主要參照北京市信息化標準體系，在執行中也以遵循、參照國家、行業和北京市的信息化管理標準為主。

（4）感知層標準

物聯網要感知各種各樣的物品對象信息，而種類繁多的物品信息則依賴不同類型的傳感器進行采集，而且即使同一類型的傳感器也有多種品牌與型號。感知層標準對物聯網中使用的感知設備加以規范化，從而保證設備采集的信息能夠被各類物聯網應用所識別、共享和使用。感知層標準主要包括如下幾類：傳感網絡技術標準、射頻識別技術標準、短距離無線通信標準、各類傳感設備標準等。感知層標準主要借鑒并采納與設備相關的領域的通行標準。

（5）網絡層標準

傳感設備采集的物品信息需要依賴網絡傳輸才能被應用共享和使用，目前北京市已經建成的網絡基礎設施就包括政務網、電信網、互聯網等，這些網絡設施是物聯網體系的有機組成部分，因此它們所遵循的標準也是物聯網標準體系的一部分。從發展的角度出發，網絡層標準涵蓋了電信網增強標準、互聯網標準規范、電信網標準、下一代承載網標準等。此外，針對北京市物聯網的建設要求，網絡層標準還應包括北京市物聯網網絡建設應用標準。總之，網絡層標準規定了現在或未來可能會用于物聯網信息傳輸的各類網絡設施相關的標準。

（6）應用支撐層標準

根據北京市物聯網頂層設計，多個由部門和區縣建設的物聯網應用管理系統和平臺之間完成物聯信息的共享與交換時，要通過市物聯網應用支撐平臺進行協調。為此，遵循物聯網標準體系設計中的 “針對難點問題重點突破”原則，應用支撐標準圍繞物聯網流轉與共享，涵蓋了信息編碼、接入、存儲、管理、分析、交換、服務等方面，具體包括物聯信息接入、物聯信息管理和物聯信息服務等幾個方面的標準，其中物聯信息接入標準包括平臺和應用兩端的物聯實時信息接入標準及政務綜合信息接入標準；物聯信息管理標準包括物聯網基礎信息標準、物聯網實時信息和政務綜合信息的元數據標準、感知設備及對象的編碼標準及編碼賦碼管理標準、物聯信息的分類、編目及管理標準等內容。物聯信息服務標準對物聯信息的分析處理、信息交換、信息服務的梳理、封裝及管理等內容進行了規范。同時為了規范支撐平臺的開發工作，支持市區等多級平臺的對接，還納入了物聯網應用支撐體系架構與參考模型以及平臺運行支撐環境等方面的標準規范。這些標準規范不僅為物聯網應用支撐平臺的開發提供了參考依據，也是物聯網應用建設的必要參照和支撐。

（7）應用標準

北京市“1+1+N”物聯網發展框架將服務于不同的應用領域，參照北京市經濟和信息化委員會2011[16]號文中提出的率先在城市應急管理、社會安全、交通、市政市容管理應用、環境監測監管、水資源管理、安全生產監管、節能減排監測監管、醫療衛生、農產品和食品監管10個領域推進物聯網應用建設的目標，遵從物聯網標準體系設計中“利用已有標準避免重建”原則，物聯網標準體系框架中明確提出各領域的應用必須滿足該領域已有的相關標準與規范。這樣指導各領域應用建設的相關標準規范也成為物聯網標準體系框架的一個組成部分。

4.4 物聯網標準規范的建設思路

目前，北京市物聯網體系已經有了一定的基礎，特別是許多行業中已經構造了多種多樣的物聯網應用，并取得了一定的效果。為此，在建設物聯網標準規范的過程中，必須遵循“利用已有標準避免重建”、“分清主次輕重，優先建設”的原則，對于已經存在的標準規范，要充分引用和利用，將重點放在制約當前物聯網發展的標準規范上，優先進行建設。

共性技術標準和管理標準覆蓋“感、傳、知、用”各層次，與感知設備、網絡環境、領域與行業應用相關的安全與共享技術標準，將充分采用各自已有的相關標準和規范，而與應用支撐平臺相關的共性技術標準和管理標準，則需要和物聯網應用支撐標準同時進行優先建設。

參照4.3節的分析，感知層、網絡層兩類標準涉及各類設備廠商、不同的運營商以及多個行業和領域，而無論是廠商、運營商還是行業和領域都自己成熟的產品、服務和業務，也已經相應地存在各種標準。因此，對于這兩類標準，將以充分利用已有標準為主。

面對北京市物聯網建設所表現出來的“自發為主、尚未規范，有所應用、未成體系”的現狀，北京市物聯網體系將促進物聯信息的共享和服務作為核心目標，期望通過一個物聯網應用支撐平臺，讓N個物聯網應用實現信息互動與智能處理。因此，與此目標直接關聯的物聯網應用支撐標準和應用標準這兩類標準是將要優先建設的標準。

根據以上分析，當前北京市需要優先建設的物聯網標準主要包括與物聯網應用支撐平臺相關的應用支撐標準和應用標準，具體包括北京市政務物聯網實體編碼規范、北京市政務物聯網感知實時信息元數據規范、北京市政務物聯網基礎信息規范、北京市政務物聯網信息接入規范、北京市示范工程物聯信息交換規范、北京市感知設備接入規范等多項內容。

下面將以應急領域為例，詳細討論一下物聯網應用建設時需要遵循及制定的標準。按照北京市物聯網的頂層設計，北京市各物聯網應用產生的物聯信息要通過物聯網應用支撐平臺實現規范接入與有效整合，并提供給市應急指揮平臺，進行整合處理、分析加工和綜合展現，提供全市安全運行和應急管理的全貌，提供精細化動態信息服務和輔助決策支撐。為了全面支撐上述任務的落實，除了需要制定應用支撐層標準外，還需要制定應用層標準，以規范應用的建設、保障其與應用支撐平臺的順利對接。所以，除了需要制定應用建設的標準外，還需要對數據的格式、獲取接口、傳輸要求等進行規范。按照自頂向下的分析原則，每個物聯網應用都需要至少制定如下幾類標準規范。

（1）針對各領域的監控技術要求

主要規范監控的總體技術要求，包括管理對象、監控手段、監控數據等基本要求，如汽車制造行業主要風險點安全監控技術要求、冶金行業主要風險點安全監控技術要求等規范。

（2）針對各領域的感知設備的技術要求

規范該領域中采用的感知設備的種類、數量、安裝方式、布控點等要求，如電梯運行數據采集設備技術要求及安裝和驗收規范。

（3）該領域內感知設備及管理對象的編碼規則

用于在領域內實現感知設備與監控實體對象的唯一標識，并與應用支撐層的管理對象和感知設備編碼規范相符合，如電梯運行數據采集設備編碼規則。

（4）針對各領域的監控信息的分類、數據格式、應用接口基本要求

規范獲取的物聯信息的分類及數據格式，并規定數據獲取的接口，如電梯基礎信息分類、數據格式、數據基本要求等規范。

（5）數據傳輸網絡的技術要求及傳輸協議

規定物聯信息傳輸的網絡類型、協議等內容，如電梯運行數據傳輸網絡的有關技術條件及要求。

（6）其他規范

包括監控數據的存儲格式、質量要求、存儲時間要求、管理終端技術要求等，此類規范一般根據領域的特點、實際需求及規模大小決定是否制定，如電梯攝像設備存儲圖像的格式、質量及圖像存儲時間等內容標準。

5 結束語

物聯網是世界信息化發展的第3次浪潮，是我國戰略性新興產業的重要組成部分。北京市針對當前的發展現狀，有組織、有計劃地提出物聯網應用技術框架及重點發展的應用領域，以智慧城市建設需求為導向，以城市管理涉及的多個應用領域為突破口，在分建共享原則的指導下，沿著標準規范先行的思路，推進北京市物聯網體系建設。本文在充分調研國內外物聯網標準規范體系框架基礎上，重點分析北京市物聯網應用發展現狀，提出北京市物聯網標準規范體系框架，并討論了北京市物聯網標準規范的建設思路。

通過標準規范體系框架的建立，能夠在城市安全運行和應急管理領域落實示范工程建設，初步建立本市應急系統物聯網應用體系，并逐漸發展成“N+1+N”的物聯網新型應用服務模式，保障物聯網建設的標準化、物聯網業務的互聯化，促進物聯網發展的科學性與合理性，進而提升產業發展水平，促進并帶動產業鏈的健康發展。

在標準規范體系框架落實過程中，尚需考慮一些關鍵技術的實現，包括物聯信息的接入與轉發技術、物聯信息服務封裝、管理、調用等效率和質量的保障技術以及物聯信息智能融合等幾方面。只有標準規范體系框架與關鍵技術研發的有效結合，才能真正推進物聯網的健康、規范、有序發展。

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