基于物聯網與GIS的“智慧上海”建設研究

劉增賢 高 峻

0 引言

智慧城市是以城市可持續(xù)發(fā)展為目標，將高科技信息技術與城市經營服務理念相融合，充分發(fā)揮信息通信（ICT）產業(yè)、無線射頻識別技術（RFID）相關技術、電信業(yè)務及信息化基礎設施優(yōu)良等優(yōu)勢，形成基于海量信息和智能過濾處理的面向未來構建全新的城市形態(tài)[1]。它的主要特征是數字化、網絡化與智能化，需要以移動技術為代表的物聯網、云計算等新一代信息技術實現全面感知、泛在互聯、智能處理與實效。上海市政府于2010年正式提出 “智慧上海”建設方針，以新一代信息技術產業(yè)為支撐，重點實施云計算、物聯網、高端軟件、車聯網以及信息服務在內的8個專項，為物聯網以及地理信息系統(tǒng)等高技術領域提供了廣闊的發(fā)展空間[2]。

物聯網是以感知為目的的物物互聯，已成為“智慧城市”的核心部分。通過物聯網將城市各種需求有機結合起來，人們可以隨時隨地得到各種信息，獲取各種服務，極大提升城市信息化與智能網絡水平。物聯網的構建被認為是信息領域一次重大的發(fā)展和變革機遇，是繼計算機、互聯網和移動通信之后引發(fā)新一輪產業(yè)浪潮的核心領域[3]。物聯網被稱為全球下一個萬億美元級規(guī)模的新興產業(yè)之一，發(fā)達國家和地區(qū)已紛紛開展物聯網領域的規(guī)劃布局，美國2009年9月提出《美國創(chuàng)新戰(zhàn)略》，將物聯網作為振興經濟、確立優(yōu)勢的關鍵戰(zhàn)略；歐盟2009年6月制定物聯網行動方案，推動物聯網標準戰(zhàn)略，確保物聯網的可信度、接受度和安全性；日本、韓國也紛紛出臺了相關政策，推動物聯網的發(fā)展[4]。我國也把物聯網與新能源、綠色制造等并列為國家五大新興戰(zhàn)略性產業(yè)，且作為重點研究領域被列入《國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃（2006—2020）》和“新一代寬帶移動無線通信網”重大專項[5]。

隨著物聯網空間規(guī)模的擴大，地理信息系統(tǒng)（GIS）以其在地理位置的空間分析與查詢方面的獨板特優(yōu)勢更好地促進物聯網與智慧城市的建設。本文通過對物聯網與GIS技術特點的分析，將GIS相關理論與技術方法引入物聯網建設中，從數據融合、模型構建等方面分析GIS與物聯網的信息集成，并以“智慧上海”為例，探討其對于構建智慧城市的探索與示范作用。

1 物聯網基礎

1.1 物聯網的定義及發(fā)展

目前物聯網公認的定義為：通過紅外感應器、射頻識別裝置、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等傳感設備，依據一定的協議，用互聯網把任何物品相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡[6]。

物聯網（Internet of Things）概念由Kevin Ashton于1998年春在Procter&Gamble公司的演講中最早提出。它借助無線射頻識別技術、GPS、二維碼等傳感器裝備到電網、鐵路、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、油氣管道以及家用電器等各種真實物體上，達到遠程控制或者實現物與物的直接通信，實現人與物體以及物物之間的溝通和對話[7]。美國麻省理工學院在1999年深化提出的網絡無線射頻識別技術系統(tǒng)，實現物品的智能化識別和管理。物聯網的出現打破了人們的傳統(tǒng)觀念，將物理基礎設施與服務器、通信網絡、計算中心等IT基礎設施整合為統(tǒng)一的基礎設施，使人類社會與物理世界更加自由地交互、融合。物聯網從無到有再到發(fā)展壯大主要是經歷了孤島式發(fā)展、物聯網與互聯網相融合，以及泛在網絡三部分，從單一的傳感網發(fā)展為與互聯網緊密相連，并實現泛在網絡的充分自由交互。

1.2 物聯網的體系結構

物聯網由EPC（產品電子代碼）標簽、解讀器、分布式Savant軟件系統(tǒng)、Internet、ONS（Object Naming Service）服務器、PML（Physical Markup Language）服務器以及眾多數據庫組成，各部分之間分工合作，通過傳送、感應、管理等過程，實現物與物之間的感知[8]。

從技術上，物聯網主要分成3層：感知層、網絡層、應用層。感知層是整個物聯網系統(tǒng)的基礎，進行信息的采集，并建立數據存儲庫，類似于人體結構中的皮膚和五官的部分；網絡層是通過各種有線/無線通信網絡實現信息數據的快速、可靠、安全傳輸。類似于人體結構中的傳輸神經部分；應用層是物聯網的核心，主要負責對海量的感知信息進行匯總、共享、分析，相當于人體的大腦，針對處理結果進行智能決策。各種應用實現對感知信息的分析使用，實現對獲取大量的物物信息的綜合處理，并應用到各個實際的環(huán)境場景中[9]。

1.3 物聯網關鍵技術

1.3.1 無線射頻識別技術

無線射頻識別技術（Radio Frequency Identi fi cation，RFID），是一種非接觸式的自動識別技術。它通過射頻信號識別目標對象并獲取其屬性數據，實現對物體的檢測、控制和跟蹤，一般由閱讀器、應答器（標簽）和應用系統(tǒng)三部分組成。

1.3.2 智能嵌入式技術

嵌入式系統(tǒng)是以計算機技術為基礎，由以下幾部分組成：嵌入式微處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、外圍硬件設備，以及客戶端應用程序等，用于實現對其他設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。

1.3.3 數據處理——云技術

物聯網中包含了無數的傳感器節(jié)點及信息采集設備，物聯網的爆炸式增長給數據處理帶來了巨大的挑戰(zhàn)，云計算是一種利用大規(guī)模、低成本運算單元通過IP網絡連接，以提供各種計算和存儲服務的IT技術。云平臺為城市各領域的智能化應用提供底層數據平臺，系統(tǒng)規(guī)模幾乎可以無限擴大，可以資源動態(tài)分配與跨地域資源共享。

2 GIS與物聯網的融合

2.1 理論融合原理

地理信息系統(tǒng)（GIS）是對地理空間位置等信息進行采集、管理、分析、建模與可視化的軟件工具，在對空間要素的數字化存儲、地理位置的空間分析與查詢方面有著獨特的優(yōu)勢。GIS可以分析和處理一定地理區(qū)域內事物現象和變化過程，解決復雜的監(jiān)測、規(guī)劃和管理問題，是逐漸解決物聯網內空間問題最有力的工具。

借助地理信息系統(tǒng)這一處理地理信息的工業(yè)化標準平臺，物聯網對信息的存儲和管理的手段更加豐富，能夠提高對空間和非空間數據的分析、挖掘能力，強化物聯網應用的信息管理水平。可以預見的是，隨著相關網絡技術、軟件技術、空間數據管理技術的成熟，物聯網與地理信息系統(tǒng)的結合將會越來越緊密，地理信息系統(tǒng)將會成為推動物聯網發(fā)展熱潮的主要力量。

2.2 GIS在物聯網中的作用

GIS作為“數字地球”的核心技術，它在物聯網的作用表現在以下幾個方面。

（1）GIS為物聯網構建基礎地理信息平臺

物聯網需要能夠實現對于事物的空間定位、空間分析、可視化等功能，地理信息平臺能夠建立完善的系統(tǒng)支持。把物聯網中的物聯對象集成到統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺上，建立基于服務器與客戶端的呼應，實現統(tǒng)一的部署與調控。構建起基于物聯網的智能空間決策平臺，它以地理數據作為數據庫，通過豐富的數學、邏輯等計算建立決策模型來輔助管理者解決一些半結構化和非結構化的實際問題，并采用地理信息系統(tǒng)進行數據的處理與顯示，如智能城市規(guī)劃決策、智能交通決策、災害管理決策等。

（2）GIS為物聯網提供空間定位與查詢分析服務

圖1 基于物聯網與GIS的“智慧城市”支撐框架

數據的存儲是構建智慧城市的基本保證。以GIS為主導的3S技術，起到了重要的數據獲取與處理作用。用于獲取空間位置的GPS可以滿足全球位置服務的要求，而衛(wèi)星遙感技術（RS）使得數據的快速準確獲取和更新成為可能。在空間定位的基礎上實現對于基礎設施與目標的查詢，并通過緩沖區(qū)分析、疊置分析、網絡分析與地統(tǒng)計分析等空間分析方法，實現地理計算與空間數據挖掘[10]。

（3）VRGIS可以為物聯網提供虛擬可視化展示平臺

VRGIS是一種用于研究地球科學或者以地球系統(tǒng)為研究對象的虛擬現實、GIS和多媒體等多種技術的綜合體，它可以為用戶提供一個集視覺、聽覺、觸覺等為一體的真實的三維虛擬環(huán)境。建立具有三維可視化的、可實時交互的、能進行空間分析和查詢的應用系統(tǒng)。用戶足不出戶通過瀏覽器即可看到城市的景觀、虛擬小區(qū)等，也將給智慧校園、智慧交通、智慧城管等營造一種虛擬的環(huán)境。

（4）移動GIS為物聯網提供移動計算平臺

移動GIS是集合了GIS、GPS、移動通信（GSM/GPRS/CDMA）3種技術于一體。GIS已經開始利用云計算技術搭建統(tǒng)一的平臺，移動GIS為物聯網提供了天然的移動計算平臺，與RFID在智能移動終端逐漸普及的今天，移動GIS可以很好地實現與智能終端設備的內嵌，從而為用戶提供更便捷的定位、追蹤和模擬決策。

3 GIS與物聯網對于“智慧上海”建設的貢獻

3.1 “智慧上海”發(fā)展規(guī)劃與前景

2009年，上海GDP增長8.2%，繼續(xù)低于全國平均水平的8.7%。在增長乏力的現實下，上海迫切需要找到新的城市增長動力。智慧城市因為涉及交通、通訊、水、能源、醫(yī)療、教育等與城市功能相關的各個領域，對城市管理、功能轉型帶來了極大的促進作用，同時具有巨大的產業(yè)拉動作用，很自然會進入上海決策層視野。2010年11月9日通過的《上海市國民經濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃的建議》中，首次在市政府文件中提出，“大力實施信息化領域領先發(fā)展和帶動戰(zhàn)略，加快建設‘智慧城市’”[11]。

上海市計劃到2013年年底，基本建成研發(fā)、產業(yè)、應用3個層次的載體，即以上海物聯網中心為核心技術研發(fā)平臺，以上海物聯網中心產業(yè)化基地作為產業(yè)發(fā)展支撐，上海“智慧城市”嘉定示范區(qū)引領物聯網廣泛應用。從而，使嘉定區(qū)成為國內最具競爭力、具有國際影響力的物聯網技術和產業(yè)創(chuàng)新發(fā)源地，從而逐步推廣到整個上海“智慧城市”的建設。在數字城市建設的基礎上，進行智慧化行業(yè)拓展，主要的工程項目包括：智慧政務、智慧交通、智慧安全、智慧樓宇、智慧電網，以及智慧環(huán)保等[12]（圖1）。

3.2 GIS與物聯網在“智慧上海”建設中技術支撐

3.2.1 多元數據融合與網絡互連

信息網絡是“智慧城市”建設的基礎，物聯網中的數據具有海量、多源、動態(tài)、異構、分散等特點，數據有效聚合才能保證物物感知交互聚合[13]。物聯網中普遍存在著地理實體之間具有空間特性的關系，這種空間關系在GIS中主要體現為拓撲關系、順序關系、度量關系，分別表現為城市道路的相鄰和連通關系，以及路徑分析等；方位的確定與物體空間排序；目標間的距離等。通過GIS數據庫處理物聯網復雜數據關系，從而為智慧城市提供更豐富數字信息網絡平臺，尤其是在智能交通與智能物流等領域更能突顯地理信息的空間特性。

3.2.2 數據分析與查詢的運作操控層

智慧城市主要分為信息采集、運作操控與決策支持3個層次。構建核心的運作操控層需要對信息流具有更精確的控制和分析能力，如數據采集目標的精確位置、采集時間、時效要求、相互之間的影響作用和流動趨勢等， 使用GIS的空間分析技術從物聯網空間數據中獲取焦點物體的空間位置、分布、形態(tài)等基本信息，進行統(tǒng)一的事件處理，自動選擇應對措施，網絡設備監(jiān)控等操作。

3.2.3 構建物聯網決策移動終端

將云計算與GIS技術完美結合，是智慧城市的最佳載體，實現系統(tǒng)搭建輕松化、數據共享廣泛化、服務使用便捷化。挖掘移動對象的變化規(guī)律、個體間的聯系，以及對物聯環(huán)境的感知，從而為城市空間物聯信息的應用提供基礎。基于GIS物聯網技術的城市管理信息系統(tǒng)，在以WebGIS為服務器核心，采用物聯網電子標簽和RFID技術，尤其是VR-GIS的發(fā)展，作為決策與應用層的用戶能夠實現移動終端設備的真三維可視化，使得物聯目標的定位、調查與維護更加方便，可以進一步提升“智慧上海”的效率。

3.2.4 GIS在物聯網中的建模

僅依靠空間分析技術在“智慧城市”的建設中尚不能滿足解決未知領域問題的需要。GIS應用建模技術是針對專門應用構建相應的應用模型的技術。它建模是面對復雜的現實世界中針對具體問題采取的解決方案，被稱為是GIS技術生命力的源泉。在當前物聯網比互聯網環(huán)境面臨更多的復雜問題，物聯網與GIS的應用建模技術相融合來構建物聯網應用模型，能夠減少物聯網項目建設的盲目性，為拓寬“智慧上海”應用領域，構架更高效的網絡應用模型。

4 結語

上海市建設“智慧城市”的總體規(guī)劃主要依托互聯網和物聯網完成信息流的傳遞，GIS以其獨特的空間分析能力為“智慧城市”提供空間技術指導，因此應重視發(fā)揮物聯網與GIS在上海城市智能化的進程中發(fā)揮的重要促進作用（圖1）[14]。上海的信息化水平居全國前列，但是與發(fā)達國家與國際先進城市相比，仍需進一步努力。隨著國家建設“智慧城市”的力度加大，又促進了物聯網技術的繁榮，也是GIS在后IP時代的重大發(fā)展機遇。

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