面向智慧城市應用的物聯網平臺標準化設計

梁永增

（成都秦川物聯網科技股份有限公司，四川 成都 610100）

0 引 言

隨著信息技術的迅猛發展，城市信息化應用水平不斷得到提升，智慧城市建設應運而生。建設智慧城市在實現城市可持續發展、引領信息技術應用、提升城市綜合競爭力等方面具有重要意義。智慧城市建設過程中需要使城市管理、教育、醫療、房地產、交通運輸、公用事業和公眾安全等城市組成的關鍵基礎設施組件和服務更互聯、高效和智能，為此必不可少的是物聯網、云計算等新一代信息技術。

1 物聯網與智慧城市

1.1 物聯網的概念和內涵

物聯網（Internet of Things, IoT）是隨著信息技術的不斷發展而提出的一種新的信息技術，可實現人與人、人與物、物與物的互聯互通，與人工智能、云計算、5G等同為新一代信息技術。2018年12月，中央經濟工作會議將物聯網定義為“新型基礎設施”。從名稱中就能看出，物聯網提出的愿景是實現萬物相連。在ICT技術層面，物聯網是通過感知設備，按照約定協議連接物、人、系統和信息資源，實現對物理和虛擬世界的信息進行處理并作出反應的智能服務系統[1]。

物物相連的物聯網技術并非單純地將“人-機-物”三者牽線搭橋般地銜接，物聯網所寄予世界的樣貌不只是人、物在感官和認知上的延伸，更加包含了人類智慧和情感延長[2]。目前，對物聯網的研究已經不局限于技術層面，物聯網不僅是傳感網，也不僅是應用和服務，而是一個由感知控制、傳感、管理、服務、用戶構成的信息、物理、功能體系。邵澤華[3]針對物聯網給出了一個廣義的三體系物聯網理論，使物聯網更具有廣適性：物聯網是在一定時間、空間內，使信息以信息代碼的形式伴隨能量載體，在物理實體之間傳播并在物理實體上運行時所表現出的功能狀態。對物聯網內涵的這一表述，使物聯網不再局限于技術層面的運用，更多地體現了事物的普遍聯系性這一本質：自然界、人類社會中所有有形的、無形的、處于任何狀態的事物，只要發生聯系，便形成了物聯網。目前產業界、學術界等團體所述物聯網是指電子信息物聯網，是物聯網的重要組成部分。電子信息物聯網不僅僅指某一技術，而是指體系，涉及對象、傳感、管理、服務、用戶等內容。本文研究的核心在于探討電子信息物聯網于智慧城市ICT技術層面的應用。

1.2 智慧城市建設需求

智慧城市是運用信息通信技術，有效整合各類城市管理系統，實現城市各系統間信息資源共享和業務協同，推動城市管理和服務智慧化，提升城市運行管理和公共服務水平，提高城市居民幸福感和滿意度，實現可持續發展的一種創新型城市[4]。智慧城市建設是城市建設的高級階段[5]，相對于傳統城市建設，智慧城市更加強調以數據為驅動、以人為本、統籌集約、注重實效[6]。在利用新一代信息技術的基礎之上，對智慧城市實現全域動態感知，對城市發生的各種事件實時發現、及時處置、精準決策，讓城市中的市民生活更加方便快捷，為市民提供更加優質、安全的生活環境，提升城市的人性化、智能化水平。

智慧城市的建設和運營需要解決城市的感知控制、傳感、管理、服務等問題，而物聯網在智慧城市建設和運營中的有效應用，不僅能夠解決城市全域人、事、物的“感、傳、管、服、用”等需求，還能夠實現對人、事、物的精準掌控，有效支撐、促進智慧城市生態發展；在民生服務、城市治理、產業經濟、生態宜居等場景[7]，優化提升管理和服務質量，滿足市民實際需求。物聯網能夠將城市中的人、事、物進行互聯互通，實現城市中各種實體的信息交互，對對象（人、物或其他實體）在任意時間、任意地點的智能化識別、信息交換與管理是其顯著特征，這不僅能夠實現城市的信息化，還能夠實現對城市動態的精準掌控。物聯網通過動態化地感知對象信息、穩定地傳輸信息、有效地管理信息，最終實現向用戶提供高效的信息服務，用戶的服務反饋信息能夠反向優化、改變對象的狀態，使其更好地服務于用戶。

物聯網等信息化技術是建設智慧城市的重要手段和工具，智慧城市與物聯網兩者之間是相互依存、相互促進的，以此推動城市的整體智能化，促進現代城市向著智能化以及綠色化發展[8]。物聯網使智慧城市進入了一個新的發展階段，而智慧城市也成為物聯網未來發展的依托。

2 物聯網在智慧城市中的應用

2.1 三體系物聯網

如前文所述，三體系物聯網理論是對世間萬物具有普遍聯系性的揭示，智慧城市作為一個復雜的巨大系統，作為人生活工作的主要場所，內部包羅萬象，其中的人、事、物、組織等根據不同的目的、不同的需求無時無刻不在發生著聯系，組成了眾多功能不同但結構一致的物聯網。三體系物聯網運行體系結構[9]見圖1所示。

圖1 三體系物聯網運行體系結構

圖1中物聯網運行體系結構由三體系結構構成，分別為信息體系結構、物理體系結構和功能體系結構。三體系物聯網是組成智慧城市的基本單元。

信息體系結構包括用戶域、服務域、管理域、傳感域以及對象域，是信息數據和系統的集合；不同信息域中的信息系統及其子系統的協同作用，使物聯網信息體系得到整合。

物聯網的物理體系結構由用戶層、服務層、管理層、傳感層以及對象層組成，每一物理層均存在一個或多個物理實體。物理實體是信息實現功能表達的物理依賴，是虛擬信息世界聯系現實物理世界的橋梁。

物聯網的功能體系結構是信息在物理實體的支撐下運行所產生的外在功能表現，由用戶平臺、服務平臺、管理平臺、傳感網絡平臺和對象平臺組成。功能體系的五個平臺分別承擔著不同的功能，用于實現用戶需求。

2.2 面向智慧城市應用的物聯網平臺標準化設計思路

針對智慧城市的特點和需求，傳統的基于三層結構的信息化系統設計方案已經無法滿足，因此本文提出基于物聯網平臺的智慧城市建設方案。基于三體系物聯網平臺建立一個統籌軟硬件功能的智慧城市管理平臺，實現智慧城市業務和數據的連接和匯聚，實現各系統之間的資源共享和協同聯動[10]。

智慧城市三體系物聯網平臺的標準化設計應遵循以人為本、需求導向、統籌規劃、深度整合等標準化原則，圍繞智慧城市民生服務、城市治理、產業經濟、生態宜居等場景，側重城市定位和發展方向，發揮物聯網的物聯連接能力、數據集成能力、快速開發能力、數據運營能力，實現城市的全面物聯、充分整合、協同運作。

基于智慧城市應用的物聯網平臺標準化設計應圍繞信息體系、物理體系、功能體系來展開，能夠直觀、確定地展現智慧城市要素全景。

3 信息體系標準化設計

智慧城市物聯網信息體系包含五域，分別為對象域、傳感域、管理域、服務域以及用戶域，每個信息域均具有各自的數據類型和信息系統。信息體系架構是智慧城市總體規劃的關鍵，體現的是智慧城市中的信息運行邏輯關系。智慧城市物聯網信息體系設計應遵循標準化原則，如圖2所示。

圖2 智慧城市物聯網信息體系標準化設計

（1）對象域：是智慧城市感知控制信息系統和數據的集合。對象層的感知控制設備對城市中的人、事、物（即圖2中的信息源）信息進行采集，為服務用戶提供基礎數據支撐。對象域中的數據包括互聯網數據、實時事件監聽數據、語義偵聽數據以及用戶域下發的控制指令數據等。

（2）傳感域：是智慧城市通信系統及數據的集合。對象域中的信息通過傳感域的通信軟件、網關軟件、傳感網絡管理系統等信息傳輸軟件設施實現管理域與對象域的通信，實現對象的感知和控制。

（3）管理域：是智慧城市管理信息系統及數據的集合。管理域存儲城市中所有感知控制數據、外部系統交換的數據。通過對不同領域、不同形態的數據進行整理、分類分級，形成管理域的主體數據庫、計算數據、開放數據等不同層級數據。主體數據庫包括空間地理信息數據、政府機構信息數據、物聯網感知數據、城市公共信息數據、應急管理信息數據以及產業經濟信息數據；計算數據包括數據挖掘、文本搜索、數據分析計算等內容；開放數據包括共享交換數據、交易數據等。

（4）服務域：是智慧城市中各類服務場景業務系統和數據的集合。服務域具備通信功能，連接著用戶域和管理域。數據域的數據基于各類場景可提供各類數據服務，其數據類型包括交通數據、醫療數據、教育數據、物流數據等。

（5）用戶域：是智慧城市用戶所使用的系統和數據的集合。用戶在發布需求以及銷售服務的過程中形成了各類用戶數據，包括居民數據、企事業單位數據、政府數據等。

4 物理體系標準化設計

智慧城市物聯網物理體系標準化設計共包含五層，分別為對象層、傳感層、管理層、服務層以及用戶層，每個物理層均具有各自的物理設備，用于支撐信息域的信息系統和數據運行。物理體系架構也可稱為智慧城市基礎設施架構，是實現城市智慧化管理和服務的物理支撐，體現的是智慧城市中物理基礎設施部署的邏輯關系。智慧城市物聯網物理體系標準化設計如圖3所示。

圖3 智慧城市物聯網物理體系標準化設計

（1）對象層：是智慧城市感知控制設備的集合，用于實現對智慧城市中的道路、橋梁、車輛、市政設施、人等進行感知和控制。基礎設施：物聯感知層可以理解為“端”，主要包括智能物聯感知基礎設施部件、智能終端等，負責采集、傳遞數據，主要包括視頻監控設備、智慧多功能桿、環境感知設備、AR監測設備等。

（2）傳感層：是智慧城市通信設備的集合。在感知層中，感知終端可以借助自組網（專用網絡設備）實現各種采集數據傳感器的連接，也可以借助運營商提供的無線網絡、有線網絡設備（公共網絡設備）實現各種數據采集傳感器的連接。

（3）管理層：是智慧城市各類管理設備及服務器的集合，為智慧城市大數據處理提供算力、算法、存儲、安全等支撐。在整體上，管理層設備可分為三類，分別為城市級數據存儲服務器、城市業務綜合管理服務器、安全管理服務器。

（4）服務層：是智慧城市中各類服務場景所需相關設備的集合。服務層的物理基礎設施設備基于各類場景需求部署，主要包括交通服務服務器、醫療服務服務器、教育服務服務器、物流服務服務器等。

（5）用戶層：是智慧城市用戶所使用的系統和數據的集合。用戶在發布需求以及銷售服務的過程中形成了各類用戶數據，包括居民數據、企事業單位數據、政府數據等。

5 功能體系標準化設計

智慧城市物聯網功能體系共包含五平臺，分別為對象平臺、傳感平臺、管理平臺、服務平臺以及用戶平臺，各功能平臺分別實現不同的功能。智慧城市物聯網功能體系標準化設計如圖4所示。

圖4 智慧城市物聯網功能體系標準化設計

（1）對象平臺：是智慧城市感知控制功能的集合。對象平臺通過城市中的視頻監控設備、智慧多功能桿、環境感知設備等獲取城市的感知控制信息，實現城市人、事、物的態勢實時感知和智能協同控制功能。

（2）傳感網絡平臺：是智慧城市通信功能的集合，為智慧城市提供大容量、高帶寬、高可靠的光網絡和全城覆蓋的無線寬帶網絡。傳感網絡平臺可提供的通信功能包括4G/5G、以太網、專用網絡、網絡管理等功能。

（3）管理平臺：是實現智慧城市業務支撐、業務管理、決策分析、安全管理的功能平臺，為智慧城市管理提供統一高效的管理工具，將智慧城市中各個孤立的智能化子系統按需接入集成，統一監測、設置所有設備的運行，實現數據互操作，讓各個智能化子系統智能運行，并智能調度處理報警等異常事件。管理平臺由支撐能力平臺、大數據平臺、統一資源集成平臺以及信息安全管理平臺組成：支撐能力平臺包括融合通信、圖像分析、視頻融合、算力支撐、算法支撐等；大數據平臺包括數據匯聚、數據清洗、數據融合等；統一資源集成平臺包括資源目錄管理、資源運營管理、運維配置管理等；信息安全包括物理安全、系統安全、網絡安全、數據安全等。

（4）服務平臺：是智慧城市中各類場景服務功能的集合，包括民生服務、城市治理、產業經濟、生態宜居四大服務場景。四大服務場景中的不同服務系統或平臺可通過接入管理平臺，憑借管理平臺提供的支撐能力實現各個業務應用。民生服務包括智慧政務、智慧交通、智慧醫療等內容；城市治理包括智慧安防、城市管理、智慧應急等內容；產業經濟包括智慧金融、智慧農業、智慧園區等內容；生態宜居包括智慧環保、智慧家居、綠色節能燈內容。

（5）用戶平臺：用戶通過服務平臺實現智慧服務，并可以對其下的四個平臺進行管理。用戶平臺主要實現的是用戶接入功能，包括市民用戶、企事業單位用戶、政府用戶等。不同的用戶類型具有不同的服務需求，具有不同的權限。

6 結 語

智慧城市借助物聯網實現了城市中人、事、物等各種主體的有效連接，實現了人們生活方式的改變和品質的提升，促進城市更好地發展。在物聯網的加持下，智慧城市的感知能力得到了提升，實現城市各個節點的信息交互，建立了一個智能、生態、人文的城市生活環境，實現了城市可持續發展目標。通過智慧城市物聯網平臺標準化設計，能夠實現智慧城市的全面物聯、協同運作，支撐智慧城市中的各個業務充分整合，激勵創新新型服務，促進城市經濟結構革新，加快推動經濟轉型，構建以信息技術為主導的數字化城市發展形態，為城市提供源源不斷的發展動力。