智慧城市與智能建筑物聯網應用

文｜清華大學計算機科學與技術系 張公忠

近兩年，國內有關物聯網以及物聯網應用逐漸增多。從國家層面的立法，政府有關部門的指導，各省市和有關行業的研討、演講和規劃，應用體系架構與相關導則的制定，到隨后各個應用領域物聯網產品以及物聯網系統成功案例的不斷推出，表明了中國的物聯網技術的應用已走上快車道，自主的物聯網產業鏈正在快速、穩步成長。

根據新華社2011年10月發布的《2010-2011年中國物聯網發展年度報告》，未來5年，全球物聯網產業市場將呈現快速增長態勢。保守預計，到2015年，中國物聯網產業將實現5000多億元的規模，年均增長率為11%左右。

1 智能建筑業界的問題

（1）在近兩年物聯網及其應用的推進過程中，為什么要構建物聯網系統？真實的智能建筑物聯網系統是怎樣的架構？包括哪些必要的組成部分？怎樣研發智能建筑物聯網產品？集成商如何構建物聯網系統等一系列問題產生了。

（2）近半年來，伴隨著物聯網技術和應用的浪潮，建設智慧城市又成為其后的熱點。那么智慧城市是何物？怎樣發展過來的？物聯網與智慧城市有怎樣的關系？智能建筑物聯網應用如何促進智慧城市的發展等一系列問題又在業界產生了。

2 關于智慧城市

2.1 城市信息化建設發展歷程

隨著IT技術和應用的飛速發展，城市信息化的浪潮不斷推進，人們生活、工作、學習，企業經營，行業發展，市政管理等活動從基礎信息孤島邁向城市和全國。特別是在近20年，城市信息化建設的發展可以概括為早期城市信息化、數字城市和智慧城市三個階段。

2.1.1 早期城市信息化階段

20世紀90年代中上期，在局域網和廣域網的技術和應用急劇發展的情況下，國內的北京、上海、深圳等一些大城市先后著手城市信息化建設。由于受到當時技術條件的限制，例如：普遍使用的廣域網只是傳輸速率很低的電話網和分組交換網；局域網上的傳輸速率也只在100Mbps以下；且無統一的網絡系統體系結構，只能隨著幾個廠商特定的規程和結構來構建網絡系統，阻礙了較大范圍內的集成和應用。因此，本階段的城市信息化的功能是很弱的，只能滿足城市政務部門和企事業單位的管理信息和辦公自動化的需求。

2.1.2 數字城市階段

20世紀90年代中后期，IT進入互聯網模式時代，TCP/IP網絡協議成為主流，完全取代了各個廠家特定的網絡系統體系結構。特別邁入21世紀后，統一的網絡應用協議和成熟與不斷發展的B/S訪問模式，光纖網的建設和千兆位傳輸率網絡的出現等技術和設施給予更強功能的城市信息化建設提供了必要條件。

當克林頓入主白宮后，為了振興美國經濟，美國副總統戈爾于1998年初提出了“數字地球”的概念。隨即1999年11月，在北京召開了首屆國際“數字地球”大會?！皵底种袊?、“數字省”、“數字城市”、“數字化社區”等建設在中國拉開了序幕。

許多省、市把它作為“十五”經濟技術發展的一個重要戰略來抓，數字城市的立項更是如火如荼。2000年5月，中國近百名市長與百名IT精英企業聚首“二十一世紀數字城市論壇”，共商推動中國城市數字化進程大計。近十年來，國內已有百余個城市宣布要建設“數字城市”，目前已初見成效。

“數字城市”是對城市發展方向的一種描述，是指數字、網絡、多媒體、3S（GIS/GPS/IS）等技術滲透到城市管理、企業經營、文化教育、生活等各個方面。

2.1.3 智慧城市階段

2005年，國際電信聯盟（ITU）發布物聯網報告，正式宣告物聯網時代的來臨。2006年，我國在中長期2006～2015年的科技發展規劃中，列入物聯網課題的研究。

2009年初，在奧巴馬與美國工商業領袖舉行的會議上，IBM首席執行官彭明盛首次提出“智慧地球”的概念。

2009年下旬，溫總理多次講話強調發展物聯網的重要性，物聯網被列為國家五大新興戰略性產業之一。2010年有關行業和部委相繼舉行了物聯網應用高峰論壇，

2011年國內幾乎所有大城市均建立了物聯網應用中心或相應機構；特別是2011年下半年來，各個大城市相繼舉行了有關“物聯網與智慧城市”為主題的高峰論壇。目前，國內已有近400個城市規劃建設“智慧城市”。

可以認為，智慧城市發展的技術背景是：繼互聯網應用在數字城市建設的局面的全面展開后，物聯網的應用對建設智慧城市是決定性的。此外，包括萬兆以上的寬帶網、移動互聯網、云計算、三網融合等其他信息通信技術ICT的應用也是必不可少的。特別是數據中心的建設和各級云計算的應用為智慧城市提供了不可缺少的資源共享和公共服務。業界有說：在技術上，智慧城市=（互聯網、物聯網）應用+云計算服務。

2.2 智慧城市與物聯網應用

國家十二五規劃中物聯網應用鎖定智能電網、智能交通、智能物流、智能家居、智能環保、智能安防、智能工業、智能醫療、智能農牧業和國防軍事十大應用領域。除國防軍事領域外，智慧城市覆蓋了其他所有領域。

當前各個城市的智慧城市規劃可以概括五個方面：

（1）市政：包括智能政務、智能安防、智能交通、智能城管等。

（2）企業：包括智能工業、智能物流等。

（3）民生：智能農牧業、智能醫療保健、智能社區、智能文化教育等。

（4）節能環保：智能電網、智能供水、智能供熱、智能供燃氣、智能環保等。

（5）信息基礎設施建設：數據中心、信息高速公路、三網融合等。

而建筑智能化技術均涉及智慧城市的各個方面，而像智能社區、智能安防等本來就是智能建筑的重要組成部分。

3 關于物聯網的一些重要問題

3.1 物聯網的核心價值

近十余年來，繼互聯網應用全面展開后，在三化（工業化、信息化、城市化）的推動下，有關傳感/執行系統的應用迅速發展，要求其應用和運行的環境從信息孤島走向“群”和“遠”的環境。不僅在基層，更重要的在“群”和“遠”的應用環境（園區、城市、全行業、全國、全球）中，實現傳感/執行信息以下三方面的應用：

（1）感知應用。

（2）傳輸、存儲、管理和監控。

（3）資源共享與公共服務。

3.2 物聯網的主要目標與業務模式

物聯網是建立在互聯網協議平臺上的網絡應用系統，其主要目標是構建智慧城市和強化國家安全。構建智慧城市充分發揮了物聯網的核心價值，也決定了物聯網應用的業務模式。物聯網業務模式包括以下兩類：

（1）物聯網應用集成MAI（Machine to machine Application Integration）。

（2）物聯網運營服務MaaS（Machine to machine as a Service）。

MAI是基礎，包括了基層和行業的集成；MaaS是MAI的擴展，在基層和行業集成的基礎上，并與云計算服務進一步融合后，實現了全行業以及智慧城市的物聯網應用運營服務。

物聯網業務模式的發展反映了物聯網應用和產業鏈的發展過程，物聯網的廣泛應用促進了產品廠商在智慧城市的大市場中逐漸發展成為系統集成商，繼而進一步成長為服務運營商，國外已有較多先例。目前國內已有多家產品廠商、系統集成商與電信運營商合作開展智慧城市物聯網運行服務MaaS的研發和應用，已經獲得了很好的效益。

例如：北京和上海有幾家研發有源RIFD設備的企業，近兩年來在城市各個領域（包括市政設施、交通、安全、社區等）越來越廣泛的應用，這些企業不僅提供了感知產品，在物聯網工程中又是系統集成商；并與通信運營商合作后，成為智慧城市物聯網應用的運營服務商。企業在智慧城市的大市場中經歷了兩種業務模式的轉變和融合，企業獲得迅速發展。

在智慧城市的規劃中，首先必須規范物聯網運行服務模式MaaS，然后再規范應用集成模式MAI，這樣才能順利地實現智慧行業和智慧城市的大集成。

3.3 智能建筑物聯網應用體系架構

3.3.1 物聯網應用體系架構

2010年底，由工信部主管的國家物聯網標準聯合工作組推出了物聯網應用體系架構，如圖1所示。這個體系架構綜合了當前國內各行業物聯網應用的各種合理的架構，具有實用和普遍意義。

3.3.2 智能建筑的物聯網應用體系架構

對于智能建筑的物聯網應用體系架構，在圖1的基礎上簡化和變更。說明如下：

（1）建筑智能化系統包括了常規和專業應用兩部分，如圖2所示。所有的建筑物基本上都要配置常規部分，常規部分由傳感和監控、信息和通信兩大系統組成，而專業應用系統則與各個行業有關，不同的行業，其專業系統的功能是不同的。

（2）傳感和監控系統中的各個子系統均與傳感/執行信息有關，這些子系統簡稱“物聯子系統”，包括：智能家居、建筑設備監控（空調/給排水/供配電/照明/電梯/節能......）、安全防范（視頻監控/周界防范/門禁/巡更/訪客......）、一卡通（考勤/購物/停車場/門禁/巡更/......）、火災報警與消防聯動、背景音樂與公共廣播、智能照明、四表遠傳計量（水/電/燃氣/熱量）、電子配線架管理、集成系統（BMS）、數據中心環境與設備監控、能源管理、應急指揮等。

（3）上述近20個物聯子系統，構成的智能建筑物聯網應用體系架構，如圖3所示。

目前這些子系統幾乎均走上基于IP網絡平臺的結構，因此智能建筑物聯網應用體系架構的網絡層較簡單，一般包括兩種情況：一是基于TCP/IP互聯網協議棧平臺；一是基于移動互聯網平臺。也有個別系統的網絡層采用現場總線。

圖1 物聯網應用體系架構

圖2 建筑智能化系統組成

對于感知層，特別是傳感設備，不同的物聯子系統不盡相同。舉例如下：

◆ 建筑設備監控：溫度、濕度、壓力、水位等；

◆ 視頻監控：CCD、CMOS、GPS等；

◆ 門禁一卡通：RFID、條碼識別、生物特征識別等；

◆ 防盜報警：雙鑒、門磁、窗磁、震動等；

◆ 智能照明：聲感、紅外等；

◆ 消防報警：煙感、光感等；

◆ 遠傳表：字輪、脈沖計數、電能、熱能等；

◆ 電子配線架：掃描器等。

對于智能建筑物聯子系統，“感知層中的傳感/執行/現場互動”子層一般采用現場總線、短距離無線網、RS485/232、電力線載波等符合國際標準的短距離通信網絡。也有某些廠商的產品，其傳感/執行器直接與網絡層連接。

對于應用層，在應用體系架構中，為了融合所有的物聯子系統，則必須提供中間件。為了擺脫基層信息孤島，從點集成到線，從線集成到面，在應用層上采用B/S訪問模式是必要的。為了適應物聯網應用的發展趨勢，目前的國內外有關的產品的應用軟件（包括建筑設備監控、智能家居、網絡化的視頻監控、遠傳表、電子配線架等子系統）采用B/S模式已成為主流。

圖3 智能建筑物聯網應用體系架構圖

4 建筑設備監控系統物聯網應用結構

建筑設備監控系統物聯網應用結構一般具有三類，如圖4、圖5所示。

圖4為具有三層物理結構典型的建筑設備監控系統物聯網應用結構，與傳統結構的差異在于控制器，該控制器的功能既是一個網絡協議轉換的網關和現場總線的控制器，又是一個采集數據的存儲器和內嵌Web Server功能的服務器，虛擬化多功能的控制器支撐了客戶端的B/S訪問模式。網絡層一般配置了TCP/IP以太網（基層）、互聯網和移動互聯網（遠程），因而獲得了PC、3G智能手機、平板電腦等終端的廣泛和靈活的支持。

圖5的結構是具有兩層物理結構的建筑設備監控系統物聯網應用結構。同樣，虛擬化多功能DDC和PLC以及網絡層的TCP/IP以太網、互聯網和移動互聯網，支撐了客戶終端的PC、3G智能手機、平板電腦等的B/S訪問模式。

5 結束語

建設智慧城市為物聯網應用展現了龐大的市場，智能建筑走向物聯網應用架構的步伐越來越快。美、歐盟、日、韓等國家都宣布了物聯網發展計劃，可以認為，我國與他們處在同一個起跑線上。

圖4 具有三層物理結構的建筑設備監控系統物聯網應用結構

圖5 具有兩層物理結構采用DDC的建筑設備監控系統物聯網應用結構

智能建筑物聯網應用系統是各個物聯行業乃至智慧城市的基礎單元；要建設智慧城市，必須要落實智能建筑和各個“物聯行業”物聯網產業鏈的發展；特別要發展符合國情的自主創新的產品和系統。國家十二五規劃“新一代信息技術”為智能建筑和各個“物聯行業”可持續發展、自主創新、融入智慧城市提供了技術支撐。

可以展望，未來5～10年，正是智能建筑、物聯網應用、智慧城市建設大發展時期。技術、產業、市場將會展現極大的機遇。