基于物模型的智能設(shè)施管理平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

沙默泉 劉暢 陳龍

（1.中國聯(lián)通智能城市研究院 北京市 100048 2.航天科工海鷹集團(tuán)有限公司 北京市 100070）

1 研究背景

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，融合信息傳感設(shè)備、射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、激光掃描器等各種技術(shù)，通過各種網(wǎng)絡(luò)接入方式，實(shí)現(xiàn)“物-物”之間和“人-物”之間的泛在鏈接和互聯(lián)互通。基于此，本文設(shè)計(jì)了一套基于物模型的智能設(shè)施管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)設(shè)備采集與接入、物聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)管理、物聯(lián)數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用、物聯(lián)設(shè)備故障預(yù)判和告警工單派等功能，并將網(wǎng)絡(luò)連接能力、設(shè)備接入能力、設(shè)備管理能力、設(shè)備數(shù)據(jù)解析轉(zhuǎn)發(fā)能力等進(jìn)行整合、封裝、管理，統(tǒng)一對(duì)外提供服務(wù)。

2 物模型設(shè)計(jì)

物模型指將物理空間的實(shí)體數(shù)字化，并在云端構(gòu)建該實(shí)體的數(shù)據(jù)模型。是物理空間中的實(shí)體的數(shù)字化表達(dá)，對(duì)設(shè)備在云端的功能描述和定義，包括設(shè)備的屬性，數(shù)據(jù)，服務(wù)和事件等，構(gòu)建成為智能設(shè)備的物模型，便于用統(tǒng)一的模型語言對(duì)智能物聯(lián)設(shè)施進(jìn)行描述、管理和控制，也有助于智能設(shè)施之間的交互通信與理解。

2.1 設(shè)備物模型可視化配置

通過物模型，平臺(tái)可動(dòng)態(tài)進(jìn)行物模型屬性、功能和事件定義。其中屬性配置設(shè)計(jì)支持int 類型、long 長整型、float 單精度浮點(diǎn)型、double 雙精度浮點(diǎn)型，可設(shè)置最大值和最小值以及單位類型，支持geo 地理位置類型設(shè)置等。

2.2 屬性功能對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)

通過物模型定義，平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備功能和屬性的對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)。設(shè)備功能主要包括設(shè)備運(yùn)行情況、日志以及數(shù)據(jù)記錄，設(shè)備批量導(dǎo)入和批量激活，設(shè)備控制功能，提供查看運(yùn)行狀態(tài)的能力，可視化告警設(shè)置功能和設(shè)定告警閾值并查看告警記錄等。

2.3 設(shè)備建模功能

用戶可以根據(jù)業(yè)務(wù)的需要定制設(shè)備物模型。針對(duì)不同行業(yè)、不同類型的終端進(jìn)行建模和標(biāo)準(zhǔn)化，模型包括設(shè)備基本信息和業(yè)務(wù)信息（包含屬性、事件、服務(wù)），并提供裸數(shù)據(jù)到標(biāo)準(zhǔn)模型的編解碼轉(zhuǎn)換能力。平臺(tái)內(nèi)置常規(guī)設(shè)備模型模板，支持自定義模板，具備對(duì)模型的增、刪、改的能力。

綜上，本文設(shè)計(jì)的智能設(shè)施管理平臺(tái)中，所有設(shè)備的連接方式全部建立在物模型和協(xié)議配置基礎(chǔ)上，因此當(dāng)設(shè)備連接方式發(fā)生變化時(shí)，不會(huì)影響設(shè)備在平臺(tái)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)接入和數(shù)據(jù)展示，從而保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和規(guī)范性。

3 平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 總體設(shè)計(jì)

3.1.1 整體架構(gòu)

智能設(shè)施管理平臺(tái)設(shè)計(jì)遵循穩(wěn)定可靠、技術(shù)先進(jìn)、可拓展、可復(fù)制以及適用性等原則，采用微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)應(yīng)用的輕量化、松耦合、以及前后端分離，提高功能模塊重用率，統(tǒng)一數(shù)據(jù)對(duì)接方式，支持平臺(tái)橫向擴(kuò)容，實(shí)現(xiàn)模塊化的靈活部署。

在設(shè)備接入層，平臺(tái)支持多種類型物聯(lián)設(shè)備及相關(guān)平臺(tái)的接入，包括傳感設(shè)備、第三方業(yè)務(wù)系統(tǒng)、第三方物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等。智能設(shè)施管理平臺(tái)設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)的、統(tǒng)一的南向的標(biāo)準(zhǔn)SDK 調(diào)用接口，設(shè)備接入方按標(biāo)準(zhǔn)接入文檔引入SDK 調(diào)用即可。該標(biāo)準(zhǔn)SDK 接口能夠?qū)崿F(xiàn)各類終端設(shè)備和應(yīng)用系統(tǒng)的迅速接入，按標(biāo)準(zhǔn)接入后可快速對(duì)接到智能設(shè)施管理平臺(tái)完成數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理等，智能設(shè)施管理平臺(tái)將接收到的數(shù)據(jù)按照協(xié)議解包存儲(chǔ)。

在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)層，平臺(tái)包括設(shè)備接入?yún)f(xié)議解析、物聯(lián)設(shè)備管理、物聯(lián)數(shù)據(jù)管理、物聯(lián)數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)數(shù)據(jù)服務(wù)等主要功能，構(gòu)建一套智能終端與接入網(wǎng)關(guān)的匯聚與管理平臺(tái)、場(chǎng)景應(yīng)用的中間件平臺(tái)、輕量級(jí)應(yīng)用的服務(wù)賦能平臺(tái)。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層，平臺(tái)同時(shí)平臺(tái)作為開放系統(tǒng)，可以結(jié)合智慧城市、智能樓宇、智慧園區(qū)等應(yīng)用場(chǎng)景，開放對(duì)接不同企業(yè)的感知層樓控設(shè)備、智能硬件等，為用戶提供統(tǒng)一的場(chǎng)景服務(wù)。

3.1.2 技術(shù)架構(gòu)

在平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)采用目前已經(jīng)經(jīng)過論證的可靠技術(shù)，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)具備故障分析與恢復(fù)和容錯(cuò)能力，在安全體系建設(shè)、復(fù)雜環(huán)節(jié)解決方案和系統(tǒng)切換等各方面考慮周到、切實(shí)可行。

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為中間層，向上為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐，向下為底層設(shè)備提供統(tǒng)一接入和存儲(chǔ)。對(duì)于底層設(shè)備，只需要使用標(biāo)準(zhǔn)SDK 即可對(duì)接到平臺(tái)的數(shù)據(jù)接入容器中，平臺(tái)則會(huì)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換解析，統(tǒng)一流式處理到數(shù)據(jù)層。對(duì)于應(yīng)用系統(tǒng)，平臺(tái)則會(huì)提供統(tǒng)一的接入接口，以主動(dòng)推送和被動(dòng)查詢兩種形式為其他系統(tǒng)提供支撐，具體形式包括RestfulAPI（面向Web 應(yīng)用）、MQTT(面向其他IoT平臺(tái))、MQ(面向其他中間系統(tǒng))。

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中間層降低了底層設(shè)備聯(lián)入系統(tǒng)時(shí)的開發(fā)復(fù)雜度，幫助完成了底層設(shè)備推送數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換協(xié)議、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)所需要的開發(fā)工作；為應(yīng)用系統(tǒng)提供了多種多樣的查詢方式，降低了應(yīng)用系統(tǒng)的使用成本和開發(fā)成本。

3.2 功能設(shè)計(jì)

3.2.1 設(shè)備管理

智能設(shè)施管理平臺(tái)在設(shè)備接入基礎(chǔ)上，提供了更豐富完備的設(shè)備管理能力，簡(jiǎn)化海量設(shè)備管理復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能設(shè)施運(yùn)行、報(bào)警、故障狀態(tài)的反饋以及全生命周期信息管理。

3.2.1.1 物聯(lián)設(shè)備模型配置

平臺(tái)支持設(shè)備建模功能，用戶可在平臺(tái)內(nèi)完成設(shè)備物模型（屬性、事件、服務(wù)等）和業(yè)務(wù)管理模型（組織機(jī)構(gòu)、管理層級(jí)等）設(shè)備模型的建立和配置。平臺(tái)支持對(duì)單個(gè)和批量智能設(shè)備進(jìn)行配置。

3.2.1.2 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控

平臺(tái)對(duì)接入平臺(tái)的終端設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控，設(shè)備接入情況、在線/離線狀態(tài)、故障及告警信息等。

3.2.1.3 設(shè)備告警管理告警管理主要通過獲取物聯(lián)設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)管理需求所設(shè)定的告警閾值對(duì)比，判斷獲取告警信息，并實(shí)現(xiàn)信息的推送及管理功能。

3.2.2 連接管理

智能設(shè)施管理平臺(tái)感知連接管理主要實(shí)現(xiàn)物聯(lián)傳感層設(shè)備接入通道、協(xié)議解析、安全保證、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、控制等管理。主要包含：設(shè)備注冊(cè)鑒權(quán)、接入通道管理、數(shù)據(jù)采集和設(shè)備交互控制管理等功能。

3.2.2.1 設(shè)備注冊(cè)鑒權(quán)

為確保物聯(lián)設(shè)備和數(shù)據(jù)的安全，平臺(tái)為每一個(gè)物聯(lián)接入設(shè)備頒發(fā)唯一的設(shè)備證書，設(shè)備證書與設(shè)備是一對(duì)一的關(guān)系，確保設(shè)備的唯一合法性。智能設(shè)施管理平臺(tái)在所有連接點(diǎn)處提供相互身份驗(yàn)證和加密，平臺(tái)支持基于4A 服務(wù)的身份驗(yàn)證。平臺(tái)提供設(shè)備級(jí)的授權(quán)粒度，幫助用戶控制數(shù)據(jù)的安全性。

3.2.2.2 接入通道管理

平臺(tái)提出以IoT 聯(lián)接管理為核心的統(tǒng)一接入標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則，在各項(xiàng)應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間搭建高效、穩(wěn)定、安全的應(yīng)用平臺(tái)；同時(shí)面向設(shè)備，適配多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和常見傳輸協(xié)議，提供各類硬件終端和廠商設(shè)備管理平臺(tái)的快速接入方案和設(shè)備管理能力，提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備接入。平臺(tái)提供2G/3G/4G/5G、NB-IoT、LoRa、WIFI 等不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入方案。提供MQTT、CoAP、HTTP/S 等多種協(xié)議的接入實(shí)現(xiàn)，滿足多種應(yīng)用場(chǎng)景的使用需求。

3.2.2.3 數(shù)據(jù)采集

平臺(tái)完成對(duì)感知數(shù)據(jù)的匯聚、處理、封裝等，包括異構(gòu)感知數(shù)據(jù)間格式轉(zhuǎn)換和應(yīng)用業(yè)務(wù)觸發(fā)。可提供協(xié)議轉(zhuǎn)換、地址映射、數(shù)據(jù)處理等功能。支持多種接入層MQTT、HTTP 等的通訊匯聚及融合，或其他跨物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接管理平臺(tái)的所有通信量，并提供到智能設(shè)施管理平臺(tái)的無縫實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈。

3.2.2.4 設(shè)備交互控制

平臺(tái)支持設(shè)備接入過程中上下行雙向通信功能，即平臺(tái)可采集設(shè)備業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、告警信息；同時(shí)平臺(tái)可數(shù)據(jù)或指令發(fā)到設(shè)備，達(dá)到平臺(tái)對(duì)設(shè)備遠(yuǎn)程控制的效果。平臺(tái)提供基于資源信息模型各主體對(duì)象的控制操作功能，控制操作可來源于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制、也可來源于預(yù)定義的控制策略，系統(tǒng)內(nèi)預(yù)置“控制狀態(tài)機(jī)（狀態(tài)、信號(hào)、動(dòng)作）、反饋控制/反饋調(diào)節(jié)、單階/多階控制”等多種控制邏輯，保障控制操作安全可靠執(zhí)行。

3.2.3 數(shù)據(jù)管理

智能設(shè)施數(shù)據(jù)管理功能主要是指對(duì)智能物聯(lián)設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生實(shí)時(shí)資源數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、歸檔計(jì)算、解析分析等功能。其最顯著的特點(diǎn)是其數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，通過采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算、鍵值數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈等技術(shù)以滿足相關(guān)業(yè)務(wù)在運(yùn)行中對(duì)數(shù)據(jù)采集、分析和反饋的實(shí)時(shí)性要求。同時(shí)，平臺(tái)提供數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)，即按路由規(guī)則分發(fā)至相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收端，如即時(shí)推送事件、服務(wù)數(shù)據(jù)到具體業(yè)務(wù)客戶端、第三方智能設(shè)施管理平臺(tái)等。

3.2.4 應(yīng)用使能

平臺(tái)應(yīng)用使能管理模塊通過對(duì)智能設(shè)施管理業(yè)務(wù)過程中的各類復(fù)雜邏輯及處理進(jìn)行業(yè)務(wù)封裝，面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)者提供了快速開發(fā)、部署以及管理應(yīng)用的能力，而無需考慮下層基礎(chǔ)設(shè)施擴(kuò)展、數(shù)據(jù)管理和歸集、通信協(xié)議、通信安全等問題，降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)時(shí)間。應(yīng)用使能管理主要包括規(guī)則引擎、業(yè)務(wù)編排、API 管理等，可為便于用戶自主的實(shí)現(xiàn)基于業(yè)務(wù)和規(guī)則的設(shè)備聯(lián)動(dòng)、控制和相關(guān)應(yīng)用的開發(fā)。

3.2.5 基礎(chǔ)管理

為滿足政府部門、終端商、應(yīng)用開發(fā)商/集成商、應(yīng)用運(yùn)營商等各類客戶使用需要，智能設(shè)施管理平臺(tái)根據(jù)需要設(shè)計(jì)不同基礎(chǔ)管理功能，包括用戶管理、日志管理、權(quán)限管理、安全管理等。

3.3 性能設(shè)計(jì)

3.3.1 彈性的業(yè)務(wù)承載能力

平臺(tái)業(yè)務(wù)負(fù)載均衡可伸縮，可根據(jù)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，擴(kuò)大或收縮集群規(guī)模，并實(shí)時(shí)調(diào)配整個(gè)系統(tǒng)的并發(fā)承載壓力，實(shí)現(xiàn)高并發(fā)業(yè)務(wù)場(chǎng)景系統(tǒng)整體響應(yīng)時(shí)間低于正常響應(yīng)時(shí)間的150%。

3.3.2 穩(wěn)定的平臺(tái)運(yùn)行

平臺(tái)建設(shè)效果最終體現(xiàn)在終端的使用運(yùn)行效果上，包括數(shù)據(jù)、網(wǎng)關(guān)和系統(tǒng)等運(yùn)行的穩(wěn)定性等，具體如表1所示。

表1：智能設(shè)施管理平臺(tái)運(yùn)行性能

3.4 部署方案

結(jié)合平臺(tái)智能化業(yè)務(wù)場(chǎng)景要求，平臺(tái)設(shè)計(jì)支持私有化部署、Docker 方式部署。

3.4.1 私有化部署

私有化部署適用于比較重視內(nèi)部數(shù)據(jù)安全的用戶，采用獨(dú)立的部署模式，功能更靈活，管理模式更成熟，同時(shí)數(shù)據(jù)安全可靠性更高。私有化部署還具有拓展性強(qiáng)的特點(diǎn)，支持用戶進(jìn)行自主二次開發(fā)。私有化部署主要通過獨(dú)立的服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫和賬號(hào)體系實(shí)現(xiàn)，使得用戶獲得更高自主權(quán)。

3.4.2 Docker 方式部署

Docker 是基于容器的平臺(tái)，允許高度可移植的工作負(fù)載。Docker 容器可以在開發(fā)人員的本機(jī)上，數(shù)據(jù)中心的物理或虛擬機(jī)上，云服務(wù)上或混合環(huán)境中運(yùn)行。客戶端-服務(wù)器 (C/S) 的架構(gòu)模式，使用遠(yuǎn)程API 來管理和創(chuàng)建Docker 容器，使Docker 具有可移植性和輕量級(jí)的特性，可以使客戶端輕松地完成動(dòng)態(tài)管理的工作負(fù)擔(dān)，并根據(jù)業(yè)務(wù)需求指示，實(shí)時(shí)擴(kuò)展或拆除應(yīng)用程序和服務(wù)。

4 結(jié)語

綜上所屬，本文設(shè)計(jì)并研發(fā)的智能設(shè)施管理平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)感知設(shè)備數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和共享開放，可廣泛應(yīng)用于智慧城市及其相關(guān)領(lǐng)域，為城市綜合管理、智慧交通、智慧社區(qū)、智慧園區(qū)、智慧生態(tài)、數(shù)字農(nóng)業(yè)等不同應(yīng)用系統(tǒng)之間在物聯(lián)感知層面的協(xié)同互通提供標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)支撐。平臺(tái)均遵守微服務(wù)架構(gòu)中的模塊設(shè)計(jì)原則，可通過統(tǒng)一認(rèn)證模式，在項(xiàng)目實(shí)施過程中獨(dú)立拆分和組合使用，同時(shí)在業(yè)務(wù)功能設(shè)計(jì)上不拘泥于具體項(xiàng)目的特定需求，而是滿足現(xiàn)有智能化應(yīng)用的泛型功能，并提供模塊化的定制方式。平臺(tái)具有低耦合性、靈活性、高復(fù)用性和可按模塊分階段實(shí)施的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)。