面向智慧城市的城市級物聯網平臺的建設探討

楊 杉，葉海納，程新洲，王 題（.中國聯通智能城市研究院，北京00048；.中國聯通網絡技術研究院，北京00048）

1 概述

隨著社會經濟的快速發展，大量人口向城市遷移，人們的工作生活高度集中于城市。與此同時，人們日益增長的美好生活需求也對城市在能源、水資源、交通、防災、環境、教育、衛生、治安、醫療等方面所提供的服務提出了更高要求。但原有單純基于物理設施建設的方式已無法滿足人們對于城市服務的多樣化、高水平的要求，相應衍生出的“城市病”等負面影響逐步顯現。隨著物聯網、大數據、云計算、邊緣計算、人工智能等新興技術的涌現和不斷成熟，人們亟待通過智能化、信息化技術進行智慧城市的建設，減輕城鎮化加速帶來的管理壓力，對“城市病”進行治理。我國各地區政府也紛紛開展智慧城市的研究和建設，如無錫“感知中國”“智慧南京”等。

在智慧城市建設中，物聯網感知體系扮演了中樞神經系統的角色。通過物聯網傳感器全域、實時地感知和采集城市信息；基于云化的物聯網平臺對感知的數據進行智能分析處理；基于統一、開放、標準化的物聯網平臺接口能力，充分為垂直行業及多元場景賦能?；谖锫摼W平臺，可以為生活在城市中的人們提供智慧、多樣化的服務，使城市居民生活健康、便捷，讓城市更加平安、生態和宜居。

自2011年第1次進入Gartner年度新興技術成熟度曲線開始，物聯網技術快速發展，應用日趨多樣，產業鏈不斷成熟。物聯網平臺的建設和應用研究已經有了一定的基礎。但同時，隨著智慧城市建設的推進，城市級物聯網平臺的架構和關鍵技術的研究成為熱點。因此，本文在對城市級物聯網平臺所需要求、體系架構、關鍵技術和建設運營等相關問題進行研究的基礎上，對當前智慧城市的物聯網平臺建設提供理論依據和應用建議。

2 物聯感知平臺建設要求

目前，物聯感知體系主要由感知層、網絡層、數據層、平臺層和應用層組成。隨著傳感器技術的發展和NB-IoT、LoRA等物聯網絡的建設，感知層和網絡層已相對成熟，基本能夠滿足智慧城市建設的要求。但是在數據層、平臺層和應用層需要進一步整合資源并進行能力創新，主要體現在以下幾個方面。

a）異構環境下的多協議終端接入和管理：城市級物聯感知體系需要接入能源、建筑、生態、醫療等不同行業，但考慮到不同行業的傳感器設備運行環境、通信協議（如CoAP、HTTP、MQTT、ModBus等）、網絡協議（如NB-IoT、LoRA、WLAN等）差異較大，上層應用需要對這些設備進行統一管理，從而完成數據獲取和設備控制。一方面需要平臺適配各種異構環境、通信協議和網絡制式；另一方面需要通過制定感知設備接入標準、搭建物聯網協議模型，從而規范感知設備的接入和管理。

b）大規模、彈性計算服務和感知數據存儲：城市級物聯感知體系的建設涉及到海量物聯終端（根據城市范圍和智能化要求可能會達到千萬或億級）。海量設備會產生大量的并發事件和傳感數據，需要應用支撐平臺提供大量的計算和存儲能力，并具備彈性部署的特性。

c）統一數據管理：為真正發揮數據價值，實現數據融合，需要在感知數據統一存儲的基礎上進一步實現數據標準、元數據管理、數據加工處理的規范和統一，從而為上層應用服務提供標準化的數據使能。

d）統一服務使能：通過開發、人工智能、云邊協同等服務能力的建設，為智慧城市涉及到的市政、交通、能源、教育、醫療等行業應用提供共性服務，從而賦能行業應用并向用戶提供智能化服務。

城市級物聯網平臺能夠較好地解決以上這些資源整合問題，作為溝通底層感知層和上層業務應用的重要橋梁，需要實現封裝底層設備、通信協議和網絡協議的異構性，提供統一、通用的訪問接口，實現數據和計算資源的復用，并提供統一的數據管理和服務使用。物聯網平臺可以說是設備、數據、事件管理的中心，是數據和服務使能的基礎，是城市級物聯感知體系建設的核心部件。

3 城市級物聯網平臺體系架構

為實現大規模、多制式、多協議感知終端的接入和管理，數據的統一管理和服務，物聯感知服務能力的建設，上層應用和門戶的開發開放等諸多能力，城市級物聯網平臺體系架構主要包含九大方面：適配層、設備管理層、數據層、服務層、門戶層、運維保障體系、運營保障體系、安全保障體系和標準規范。平臺依托于傳感層（部署在城市各角落的各類傳感設備及相關行業應用平臺）、網絡層（連接傳感層和上層應用的紐帶，將傳感層獲取的數據信息傳輸至上層應用）實現傳感源數據的接入，從而支撐城市管理、生態環境、交通、能源、公安、消防等各項智慧應用建設。

圖1示出的是城市級物聯網平臺系統架構。

a）適配層：針對所需接入的多協議、多制式物聯感知終端，通過內置協議、協議模型、協議插件等多種適配方式，并提供SDK接口，從而實現設備和數據接入。其中協議適配負責對多種主流物聯網協議的適配；協議模型適配從感知、屬性、狀態、事件4個維度對設備的功能進行定義和描述，實現對數據模型的配置。適配層根據發布的數據模型自動生成協議解析代碼對上傳數據進行解析；插件適配針對某些行業應用的非主流協議，通過SDK插件的方式解析，轉換成平臺通用的協議，避免網關設備改造的問題。

b）設備管理層：實現物聯網設備的接入管理和協同管理。其中設備連接主要包括設備連接和設備信息2個方面。設備連接管理通過維持與設備間的心跳?；钚畔崿F對設備狀態的實時監控，主要包括設備注冊、狀態檢測、數據上報/下發等功能；設備信息包括設備列表、在線調試、群組管理等功能；設備協同管理主要包含設備交互、設備解析和設備發現等功能。

c）數據層：通過對傳感設備采集數據的獲取、存儲、融合、轉發，實現對數據的處理、利用，主要包含數據源管理、數據ETL、元數據管理、數據存儲和數據轉發等較為通用的數據功能。需要特別說明的是，考慮到城市物聯網平臺與智慧城市其他平臺（如城市信息CIM平臺、城市政務系統等）之間的數據交互，在數據層也提供了系統間的數據轉發功能。

d）服務層：在海量感知數據基礎上，提供平臺統一服務能力，包括開發使能服務、能力開放服務、數據開放服務、AI服務和云邊端協同服務，為應用開發者、業務管理者、城市決策者賦能。開發使能服務提供豐富的接口和開發組件，為實現應用快速開發部署提供支撐。能力開放服務提供視頻基礎應用、圖像處理、圖片識別、通知推送等綜合服務能力，方便用戶定制開發行業應用。數據開放服務提供多種方式進行數據共享，提供對各類對接平臺的數據共享支撐。AI服務集海量設備接入與數據存儲、大量分析算法、多場景預測模型建立功能于一體，為用戶提供智能化服務。

e）門戶層：針對平臺服務的城市決策者、業務管理者和應用開發者3種不同類型的用戶，基于感知數據及服務層的能力支撐在統一界面提供領導視圖、管理門戶、開發者門戶，從而提供個性化服務，發揮平臺價值。其中開發者門戶為應用開發者（個人用戶和企業用戶）提供型號創建、設備接入、應用配置、開發工具等功能。管理門戶為業務管理者提供設備管理、應用管理、配置管理、設備地圖等功能。領導視圖基于感知數據和計算分析結果，為城市決策者提供輔助決策的可視化展示。

f）運維保障體系：通過技術手段搭建物聯設備、運維中心、運維人員之間的橋梁，通過實時監控反映接入平臺的設備資源、網絡資源以及服務進程的運行情況，對告警、事件、配置等運維服務進行集中處理，實現平臺信息資產可知、運行狀態可視、服務流程可管、運維操作可控，支撐平臺穩定運行。運維保障功能主要包括設備管理、平臺運維、巡檢管理、告警管理、工單管理、日志管理、賬號管理、資產管理、運維考核、統計分析等。

g）運營保障體系：構建基于感知數據服務的運營保障體系，包括運營保障系統的建設以及運營保障體制的建立。通過運營數據統計、用戶信息管理、產品管理、服務目錄、流量管理、計費管理等功能的建設，支撐運營業務的高效開展。

h）安全保障體系：包括安全保障系統的構建以及安全策略和機制的建立，從而為平臺的建設運行提供安全防護。考慮到城市級物聯網平臺的重要性和特殊屬性，建議平臺應滿足計算機信息系統安全保護三級要求。

圖1 城市級物聯網平臺系統架構

i）標準規范：以平臺的統一接入和開放共享為目標，制定設備接入、感知元數據、信息資源目錄、開放數據接口等標準規范。通過制定設備接入標準，根據不同業務類型、終端類型對感知設備進行設備唯一標識和能力描述，設計統一的感知設備與網絡節點數據接口，定義設備與平臺之間的通信連接方式，實現通信協議接口兼容和設備數據的規范接入；通過標準化的分類方法對各類感知數據資源進行有序組織和編目，建立規范的數據資源目錄；通過元數據標準的建設，提供通用的描述元素及規范，支持異構數據的統一描述和語義映射，為不同行業和系統間的感知數據融合提供基礎；開放數據接口標準描述平臺與對接系統之間交互數據的內容與格式，規定統一的數據輸入和輸出的標準格式，為不同的信息系統之間調用數據服務進行數據共享交換提供支撐。

4 城市級物聯網平臺中的關鍵技術

城市級物聯網平臺的建設涉及云計算、大數據、邊緣計算等先進技術，本章主要針對設備接入和管理、數據接入、云邊協同等方面進行探討。

4.1 感知設備高并發接入處理

城市級物聯網平臺可能面臨物聯設備的大規模、高并發接入，由此帶來吞吐量和執行效率的瓶頸。針對這個問題，提出感知設備高并發接入的技術框架。首先，通過部署動態負載環境解決感知設備接入過程中的網絡阻塞，提高服務器的資源利用率；然后，在接入服務器上搭建Epoll模型，實現大規模感知設備并發接入的實時處理，完成接入服務與感知設備的數據交互；最后，通過Hash算法的高速緩存技術來實現感知設備在線狀態的實時管理。

圖2示出的是感知設備高并發接入的技術框架。

4.2 設備協議模型構建

由于感知設備終端廠商眾多、標準不一，設備協議復雜多樣，為實現不同類型不同廠商的感知設備的統一接入，往往需要定制開發協議解析程序包來適配多樣的協議，對接效率低，因此考慮對設備協議進行抽象，實現設備協議的適配和設備終端的快速連接。

根據設備協議的承載內容概括為設備屬性、感知、狀態和事件這4種消息模型，從而描述感知設備的屬性、報文數據及控制指令的結構信息。平臺中注冊感知設備的模型后，當接入相應類型設備時會自動進行設備協議模型的匹配，根據適配的模型解析設備的感知數據，創建數據庫表來存儲感知數據。如果滿足定義的事件即可生成報警信息或進行設備控制。

圖3示出的是感知設備高并發接入的技術框架。

圖2 感知設備高并發接入的技術框架

圖3 感知設備高并發接入的技術框架

4.3 云邊協同

目前現有的物聯網平臺基本上都是部署在云平臺上，由于網絡傳輸和處理的時延，對于一些對時延要求較高的行業，城市級物聯網平臺的應用存在一定的限制，而邊緣計算技術的出現可以較好彌補云平臺的短板。

平臺提供針對端、邊、云分級部署的智能算法堆棧實現全鏈路智能化嵌入；云端的智能通過有效的配置部署，分發至各類不同計算能力的邊緣和終端，不同級別智能計算解決不同復雜度問題，極大提升現場系統能力，使整套系統能從容地處理各類數據，幫助設備做出更快的響應，降低對連接帶寬、時延、穩定性的要求，從而實現在更高架構層進行系統級優化調度，使系統作業運行達成更優狀態。邊緣節點數據處理應用相關機器學習模型，對消息數據進行特征值提取和邏輯決策，提升響應及時性，降低數據上云的吞吐量。

5 城市級物聯網平臺建設和運營建議

城市級物聯網平臺為智慧城市建設提供了實時、鮮活的物聯感知數據，是智慧城市智能、高效運行的基礎，也越來越受到各級政府和行業的重視。但同時需要注意的是，由于城市前期規劃、制度建設和平臺運營方面的種種缺陷，各地的物聯網平臺也存在著一些問題，例如各行業感知設備未能全量接入，感知數據標準不統一無法實現數據融合，沒有清晰的平臺運營模式等，造成物聯網平臺沒有充分發揮其作用。筆者曾有幸負責某個“千年大計、未來之城”的物聯網平臺前期規劃和建設工作，在本文中給出如下一些不成熟的建議供參考。

a）通過智慧城市的頂層規劃和物聯網感知體系的上位規劃明確平臺在城市信息化建設的基礎作用。在此基礎上，通過制度建設明確主管部門推動行業設備的接入和數據的融合共享，并要求政府投資建設的相關行業應用的物聯感知設備必須全量接入物聯網平臺。對于非政府投資的行業應用，鼓勵接入物聯網平臺。

b）要有清晰和可操作的運營模式。作為城市級信息化項目，平臺應該由政府投資，或用采購服務的方式進行建設和運營。對于其他行業系統接入物聯網平臺所產生的費用，建議采用政府補貼形式，并在后續數據融合變現時根據貢獻進行分成。

c）羅馬不是一天建成的，城市級物聯網平臺的建設也不可能一蹴而就。在平臺建設路徑方面，建議優先建設物聯感知設備的接入、管理和數據采集、存儲方面功能以及相應的保障體系，形成平臺基礎能力。初步發揮物聯網平臺數據融合作用后，再根據實際業務需求，逐步實現上層的業務使能和開放門戶的能力，全面支撐各行業應用和智慧城市建設。

6 結束語

隨著人們對智慧城市認知的不斷提升，5G、人工智能、區塊鏈、量子計算等新技術的不斷涌現和成熟，城市級物聯網平臺在智慧城市建設中的定位以及體系架構和技術發展也將不斷地更新迭代。我們將持續關注城市級物聯網平臺的演進和發展，并在多地開展技術論證和平臺落地工作，從而為智慧城市的建設提供有力支撐和技術引導。