基于數字孿生技術的智慧城區物聯網自動化管理平臺研究

李 過，閆 亮，徐雁云

（中建電子信息技術有限公司，西安 710061）

如今，我國城鎮化的發展進程逐漸加快，智慧城區物聯網在自動化運行管理中凸顯出很多問題，各種潛在的安全隱患越來越多[1]。 建立和完善智慧城區物聯網自動化管理平臺和應急處置機制，對突發事件的預防和應急處理已經成為智慧城市管理的首要任務之一[2]。 物聯網技術的發展為智慧城區的運行管理工作提供有效的途徑，利用智慧城區物聯網自動化管理平臺，可以實現自動化與人工結合的管理模式，有效提高智慧城區日常保障和處置突發事件的能力，以最大的程度降低突發事件帶來的損害，保障智慧城區的有序性，促進了智慧城區經濟全面、協調及可持續發展[3]。

在國內的研究中，文獻[4]針對目前我國鐵路物流園區智能化程度低、物流效率低、物流資源不能有效整合的現狀，利用物聯網技術提出一種鐵路物流園區的信息化建設方法， 在建設需求的基礎上，結合物聯網技術的特點，實現鐵路物流園區的信息化建設。 將物聯網技術與物流管理、追溯技術、物聯網數據存儲模式、 物流信息共享技術等技術相結合，對鐵路物流信息系統的關鍵技術進行了深入的分析。 文獻[5]在Docker 技術的基礎上，結合物聯網技術，提出了城市消防安全管理平臺設計，根據構成城市消防安全管理的三大要素，遠程采集了城市消防安全物聯網在運行過程中的狀態數據，在數據挖掘技術的基礎上，分析了城市消防安全管理轄區內的火災隱患，科學地評估消防轄區內存在的安全風險，結合數據容災管理辦法實現了城市消防安全管理平臺的安全保證。

基于以上研究背景，本文利用數字孿生技術設計了智慧城區物聯網自動化管理平臺，從而提高平臺的服務質量。

1 智慧城區物聯網自動化管理平臺

1.1 智慧城區物聯網自動化管理平臺架構

智慧城區物聯網自動化管理平臺是一個連接應用服務器和感知層設備的中間件[6]，不僅是應用支持平臺也是智能管理平臺，其整體架構如圖1所示。

圖1 智慧城區物聯網自動化管理平臺架構Fig.1 Architecture of IoT automation management platform in smart city

在平臺的數據層中，介紹了智慧城區物聯網自動化管理平臺使用的3 種數據庫類型，分別為關系數據庫、緩存數據庫和存儲數據庫。 根據平臺中服務的數據特點，采用關系型數據庫、緩存數據庫和存儲數據庫對平臺中的服務數據進行存儲[7]，存儲數據庫擔任主要存儲任務，關系數據庫和緩存數據庫擔任輔助存儲任務，提高了平臺中服務數據的訪問速度。

業務層是智慧城區物聯網自動化管理平臺的核心，支撐了整個平臺的邏輯功能。 業務層主要劃分為3 個主要模塊，分別為物聯網生命周期、自動化管理以及告警管理模塊。 3 個模塊之間存在相互聯系的關系，對于智慧城區物聯網中的設備，利用設備影子，緩存終端設備最新上傳的數據和應用程序的指令，打破了由于網絡不穩定導致無法獲取物聯網設備信息的難題。

展示層介紹了平臺所支持的部署終端。 由于智慧城區物聯網自動化管理平臺具有比較強的遷移性[8]，能夠運行在APP 客戶端、信息通訊傳輸服務器以及其他的可視化平臺。

訪問層主要介紹了用戶訪問智慧城區物聯網自動化管理平臺的途徑。 用戶可以通過手機終端、PC 端及其他的終端查看平臺中的服務信息。

1.2 信息通訊傳輸服務器

在智慧城區物聯網中，信息通訊網絡是保證物聯網可靠運行的基礎條件[9]，設計信息通訊傳輸服務器，可以保證智慧城區物聯網自動化管理平臺的安全穩定運行，圖2 顯示了智慧城區物聯網信息通訊傳輸服務器工作原理。 智慧城區物聯網自動化管理平臺中的服務信息在通訊傳輸中，執行不同功能的傳感器都是根據自身的結構特點，實現信息的傳輸，比如智慧城區的水位傳感器，就是利用無線通訊網絡將城區內的水位信息傳輸給遠程終端；而針對智慧城區的井蓋監測，由于分布在城區內的井蓋數量比較多[10]，很多井蓋都呈現出集中分布的特點，因此，利用中繼傳輸基站的信息傳輸特點，在井蓋周圍建立一組監測網絡， 實現井蓋信息的傳輸；所有經過信息通訊傳輸服務器傳輸的智慧城區物聯網數據，都要經過防火墻過濾，才能儲存在自動化管理平臺中；但是如果是智慧城區物聯網自動化管理平臺發送指令給服務器，也可以采用相同的方式對數據進行反饋，此外，平臺中的服務數據還可以通過政府專網為其他部門的信息管理服務。

圖2 信息通訊傳輸服務器工作原理Fig.2 Working principle of information communication transmission server

1.3 基于數字孿生技術設定智慧城區物聯網信息的期望輸出

對于智慧城區物聯網而言，網絡時滯性和丟包率是影響物聯網服務信息在自動化管理過程中的主要因素[11]，因此，在平臺軟件的設計過程中，先基于數字孿生技術， 構建智慧城區物聯的動態性方程，得到物聯網響應系數向量，設定智慧城區物聯網信息的期望輸出。 充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數字孿生數據[12]，構建智慧城區物聯網的動態性方程，表示為

式中：sj表示一個正整數；kp表示物聯網時滯性的上限值；cm表示智慧城區物聯網的響應系數矩陣；βo表示物聯網數據在傳輸中的時滯性指標。

由于智慧城區物聯網系統在運行過程中會受到很多因素的影響，導致物聯網響應系數矩陣呈現出有時滯性和無時滯性2 種情況，表示為

式中：mo表示智慧城區物聯網內部工作負載；jo表示物聯網外部工作負載；go表示mo與jo的最大值；xo表示物聯網響應系數矩陣的最大時滯性值；ωl表示物聯網數據采樣周期；dh表示物聯網響應系數矩陣的時滯性類型；｛yj｝k表示第k 個采樣周期內物聯網響應系數向量。

利用數字孿生技術，計算出智慧城區物聯網連續丟包數與最大時滯性值之間的映射關系[13]，公式為

式中：my表示物聯網的連續丟包數量；hj表示物聯網信息在虛擬空間中完成映射的期望輸出；st表示物聯網信息的期望輸出值；φ 表示映射時刻。

根據智慧城區物聯網連續丟包數與最大時滯性值之間的映射關系，得到智慧城區物聯網信息的期望輸出，即：

式中：mkp表示對物聯網信息的約束。

以上利用數字孿生技術構建了智慧城區物聯網的動態性方程，智慧城區物聯網連續丟包數與最大時滯性值之間的映射關系，設定智慧城區物聯網信息的期望輸出。

1.4 智慧城區物聯網服務信息質量管理算法

根據智慧城區物聯網信息的期望輸出，對智慧城區物聯網服務信息進行布局，即：

式中：mj表示物聯網服務信息的分布函數；pj表示物聯網服務信息分布閾值；x（）表示物聯網服務信息的分層狀態；R*表示物聯網狀態的初始值；λy表示物聯網服務信息的均衡函數；kh表示影響物聯網服務信息質量的噪聲因素。

如果將智慧城區物聯網中所有節點的殘差定義為ω0，那么在智慧城區物聯網中，服務信息之間的貢獻率相關性為

式中：lj表示物聯網結構的空間估計值；ηh表示物聯網服務信息質量的聚類中心。

利用智慧城區物聯網服務信息之間的貢獻率相關性[14]，從智慧城區物聯網體系中提取出服務信息的統計性特征，即：

式中：σp表示服務信息的屬性特征；mkl表示服務信息波動的約束條件；sl表示影響服務信息質量的不確定性變量；τp表示服務信息的動態變化性。

由于智慧城區物聯網服務信息在自動化管理中具有一定的隨機性[15]，將其表示為μ*，那么利用式（9）可以實現智慧城區物聯網服務信息質量的自動化管理，即：

式中：de表示智慧城區物聯網服務信息質量管理的約束函數；Rt表示服務信息的質量系數。

綜上所述，利用數字孿生技術設定了智慧城區物聯網信息的期望輸出，結合智慧城區物聯網服務信息質量管理算法設計，實現了平臺的軟件設計。

2 平臺性能的測試與分析

2.1 測試環境

完成了基于數字孿生技術的智慧城區物聯網自動化管理平臺的硬件和軟件設計之后，需要先部署實驗測試環境，測試環境會影響平臺測試結果的有效性，文中的自動化管理平臺在測試過程中的環境如下：

操作系統：為了保證平臺測試的操作系統版本在WindowsXP 以上，本文選擇Windows10 操作系統進行測試。

內存：對于測試環境內存的要求為＞4 GB，硬盤的內存必須在1 GB 以上。

瀏覽器：Chrome 瀏覽器和IE 瀏覽器是平臺測試的主要瀏覽器， 由于Chrome 瀏覽器的適用性比較廣，因此本文選擇Chrome 瀏覽器。

CPU：文中自動化管理平臺對CPU 的版本要求比較高，本文選擇i5-4768U 2.5 GHz 版本的CPU。

2.2 測試方案

在測試基于數字孿生技術的智慧城區物聯網自動化管理平臺時，分2 個階段進行測試，第一階段為平臺的功能測試，本文主要以登錄功能和操作功能為測試對象，驗證文中平臺能否滿足用戶的功能需求。 在性能測試中，主要利用丟包率和時滯效應2 個指標測試平臺的性能，2 個指標計算公式為

式中：ξp表示平臺丟包時執行器的值；qr為智慧城區物聯網中服務信息的魯棒性；lo表示智慧城區物聯網的連續丟包數。

2.3 功能測試

功能測試中，需要保證平臺的后臺系統能夠正常運行， 用戶登錄功能測試結果如表1 所示。 表1的結果顯示，平臺的登錄功能正常，可以滿足用戶的要求。

表1 用戶登錄測試用例Tab.1 User login test case

用戶的操作功能測試結果如表2 所示。 表2 的結果顯示，用戶在基于數字孿生技術的智慧城區物聯網自動化管理平臺上的操作功能滿足用戶要求。

表2 用戶的操作功能測試用例Tab.2 User operation function test cases

2.4 性能測試

在平臺的性能測試中，以執行次數為自變量，測試了平臺在運行過程中的丟包率和時滯效應，結果如圖3 所示。 從圖3 的結果可以看出，隨著用戶執行平臺次數的增加，自動化管理平臺的丟包率和時滯效應都呈現出升高的趨勢， 在丟包率測試中，文中平臺始終控制在20%以內，雖然時滯效應曲線比丟包率曲線的波動范圍大，但是平臺的時滯效應始終在2.0 s 以內，說明基于數字孿生技術的智慧城區物聯網自動化管理平臺在性能測試中，也可以滿足用戶的要求。

圖3 平臺性能測試結果Fig.3 Platform performance test results

3 結語

本文提出了基于數字孿生技術的智慧城區物聯網自動化管理平臺研究，經測試發現，該平臺的功能和性能都可以滿足用戶的要求。 但是本文的研究還存在很多不足，在今后的研究中，希望可以將告警功能引入到平臺中，保證智慧城區物聯網設備的質量。