面向智慧城市应用的物联网平台标准化设计

梁永增

（成都秦川物联网科技股份有限公司，四川 成都 610100）

随着信息技术的迅猛发展，城市信息化应用水平不断得到提升，智慧城市建设应运而生。建设智慧城市在实现城市可持续发展、引领信息技术应用、提升城市综合竞争力等方面具有重要意义。智慧城市建设过程中需要使城市管理、教育、医疗、房地产、交通运输、公用事业和公众安全等城市组成的关键基础设施组件和服务更互联、高效和智能，为此必不可少的是物联网、云计算等新一代信息技术。

1.1 物联网的概念和内涵

物联网（Internet of Things, IoT）是随着信息技术的不断发展而提出的一种新的信息技术，可实现人与人、人与物、物与物的互联互通，与人工智能、云计算、5G等同为新一代信息技术。2018年12月，中央经济工作会议将物联网定义为“新型基础设施”。从名称中就能看出，物联网提出的愿景是实现万物相连。在ICT技术层面，物联网是通过感知设备，按照约定协议连接物、人、系统和信息资源，实现对物理和虚拟世界的信息进行处理并作出反应的智能服务系统[1]。

物物相连的物联网技术并非单纯地将“人-机-物”三者牵线搭桥般地衔接，物联网所寄予世界的样貌不只是人、物在感官和认知上的延伸，更加包含了人类智慧和情感延长[2]。目前，对物联网的研究已经不局限于技术层面，物联网不仅是传感网，也不仅是应用和服务，而是一个由感知控制、传感、管理、服务、用户构成的信息、物理、功能体系。邵泽华[3]针对物联网给出了一个广义的三体系物联网理论，使物联网更具有广适性：物联网是在一定时间、空间内，使信息以信息代码的形式伴随能量载体，在物理实体之间传播并在物理实体上运行时所表现出的功能状态。对物联网内涵的这一表述，使物联网不再局限于技术层面的运用，更多地体现了事物的普遍联系性这一本质：自然界、人类社会中所有有形的、无形的、处于任何状态的事物，只要发生联系，便形成了物联网。目前产业界、学术界等团体所述物联网是指电子信息物联网，是物联网的重要组成部分。电子信息物联网不仅仅指某一技术，而是指体系，涉及对象、传感、管理、服务、用户等内容。本文研究的核心在于探讨电子信息物联网于智慧城市ICT技术层面的应用。

1.2 智慧城市建设需求

智慧城市是运用信息通信技术，有效整合各类城市管理系统，实现城市各系统间信息资源共享和业务协同，推动城市管理和服务智慧化，提升城市运行管理和公共服务水平，提高城市居民幸福感和满意度，实现可持续发展的一种创新型城市[4]。智慧城市建设是城市建设的高级阶段[5]，相对于传统城市建设，智慧城市更加强调以数据为驱动、以人为本、统筹集约、注重实效[6]。在利用新一代信息技术的基础之上，对智慧城市实现全域动态感知，对城市发生的各种事件实时发现、及时处置、精准决策，让城市中的市民生活更加方便快捷，为市民提供更加优质、安全的生活环境，提升城市的人性化、智能化水平。

智慧城市的建设和运营需要解决城市的感知控制、传感、管理、服务等问题，而物联网在智慧城市建设和运营中的有效应用，不仅能够解决城市全域人、事、物的“感、传、管、服、用”等需求，还能够实现对人、事、物的精准掌控，有效支撑、促进智慧城市生态发展；
在民生服务、城市治理、产业经济、生态宜居等场景[7]，优化提升管理和服务质量，满足市民实际需求。物联网能够将城市中的人、事、物进行互联互通，实现城市中各种实体的信息交互，对对象（人、物或其他实体）在任意时间、任意地点的智能化识别、信息交换与管理是其显著特征，这不仅能够实现城市的信息化，还能够实现对城市动态的精准掌控。物联网通过动态化地感知对象信息、稳定地传输信息、有效地管理信息，最终实现向用户提供高效的信息服务，用户的服务反馈信息能够反向优化、改变对象的状态，使其更好地服务于用户。

物联网等信息化技术是建设智慧城市的重要手段和工具，智慧城市与物联网两者之间是相互依存、相互促进的，以此推动城市的整体智能化，促进现代城市向着智能化以及绿色化发展[8]。物联网使智慧城市进入了一个新的发展阶段，而智慧城市也成为物联网未来发展的依托。

2.1 三体系物联网

如前文所述，三体系物联网理论是对世间万物具有普遍联系性的揭示，智慧城市作为一个复杂的巨大系统，作为人生活工作的主要场所，内部包罗万象，其中的人、事、物、组织等根据不同的目的、不同的需求无时无刻不在发生着联系，组成了众多功能不同但结构一致的物联网。三体系物联网运行体系结构[9]见图1所示。

图1 三体系物联网运行体系结构

图1中物联网运行体系结构由三体系结构构成，分别为信息体系结构、物理体系结构和功能体系结构。三体系物联网是组成智慧城市的基本单元。

信息体系结构包括用户域、服务域、管理域、传感域以及对象域，是信息数据和系统的集合；
不同信息域中的信息系统及其子系统的协同作用，使物联网信息体系得到整合。

物联网的物理体系结构由用户层、服务层、管理层、传感层以及对象层组成，每一物理层均存在一个或多个物理实体。物理实体是信息实现功能表达的物理依赖，是虚拟信息世界联系现实物理世界的桥梁。

物联网的功能体系结构是信息在物理实体的支撑下运行所产生的外在功能表现，由用户平台、服务平台、管理平台、传感网络平台和对象平台组成。功能体系的五个平台分别承担着不同的功能，用于实现用户需求。

2.2 面向智慧城市应用的物联网平台标准化设计思路

针对智慧城市的特点和需求，传统的基于三层结构的信息化系统设计方案已经无法满足，因此本文提出基于物联网平台的智慧城市建设方案。基于三体系物联网平台建立一个统筹软硬件功能的智慧城市管理平台，实现智慧城市业务和数据的连接和汇聚，实现各系统之间的资源共享和协同联动[10]。

智慧城市三体系物联网平台的标准化设计应遵循以人为本、需求导向、统筹规划、深度整合等标准化原则，围绕智慧城市民生服务、城市治理、产业经济、生态宜居等场景，侧重城市定位和发展方向，发挥物联网的物联连接能力、数据集成能力、快速开发能力、数据运营能力，实现城市的全面物联、充分整合、协同运作。

基于智慧城市应用的物联网平台标准化设计应围绕信息体系、物理体系、功能体系来展开，能够直观、确定地展现智慧城市要素全景。

智慧城市物联网信息体系包含五域，分别为对象域、传感域、管理域、服务域以及用户域，每个信息域均具有各自的数据类型和信息系统。信息体系架构是智慧城市总体规划的关键，体现的是智慧城市中的信息运行逻辑关系。智慧城市物联网信息体系设计应遵循标准化原则，如图2所示。

图2 智慧城市物联网信息体系标准化设计

（1）对象域：是智慧城市感知控制信息系统和数据的集合。对象层的感知控制设备对城市中的人、事、物（即图2中的信息源）信息进行采集，为服务用户提供基础数据支撑。对象域中的数据包括互联网数据、实时事件监听数据、语义侦听数据以及用户域下发的控制指令数据等。

（2）传感域：是智慧城市通信系统及数据的集合。对象域中的信息通过传感域的通信软件、网关软件、传感网络管理系统等信息传输软件设施实现管理域与对象域的通信，实现对象的感知和控制。

（3）管理域：是智慧城市管理信息系统及数据的集合。管理域存储城市中所有感知控制数据、外部系统交换的数据。通过对不同领域、不同形态的数据进行整理、分类分级，形成管理域的主体数据库、计算数据、开放数据等不同层级数据。主体数据库包括空间地理信息数据、政府机构信息数据、物联网感知数据、城市公共信息数据、应急管理信息数据以及产业经济信息数据；
计算数据包括数据挖掘、文本搜索、数据分析计算等内容；
开放数据包括共享交换数据、交易数据等。

（4）服务域：是智慧城市中各类服务场景业务系统和数据的集合。服务域具备通信功能，连接着用户域和管理域。数据域的数据基于各类场景可提供各类数据服务，其数据类型包括交通数据、医疗数据、教育数据、物流数据等。

（5）用户域：是智慧城市用户所使用的系统和数据的集合。用户在发布需求以及销售服务的过程中形成了各类用户数据，包括居民数据、企事业单位数据、政府数据等。

智慧城市物联网物理体系标准化设计共包含五层，分别为对象层、传感层、管理层、服务层以及用户层，每个物理层均具有各自的物理设备，用于支撑信息域的信息系统和数据运行。物理体系架构也可称为智慧城市基础设施架构，是实现城市智慧化管理和服务的物理支撑，体现的是智慧城市中物理基础设施部署的逻辑关系。智慧城市物联网物理体系标准化设计如图3所示。

图3 智慧城市物联网物理体系标准化设计

（1）对象层：是智慧城市感知控制设备的集合，用于实现对智慧城市中的道路、桥梁、车辆、市政设施、人等进行感知和控制。基础设施：物联感知层可以理解为“端”，主要包括智能物联感知基础设施部件、智能终端等，负责采集、传递数据，主要包括视频监控设备、智慧多功能杆、环境感知设备、AR监测设备等。

（2）传感层：是智慧城市通信设备的集合。在感知层中，感知终端可以借助自组网（专用网络设备）实现各种采集数据传感器的连接，也可以借助运营商提供的无线网络、有线网络设备（公共网络设备）实现各种数据采集传感器的连接。

（3）管理层：是智慧城市各类管理设备及服务器的集合，为智慧城市大数据处理提供算力、算法、存储、安全等支撑。在整体上，管理层设备可分为三类，分别为城市级数据存储服务器、城市业务综合管理服务器、安全管理服务器。

（4）服务层：是智慧城市中各类服务场景所需相关设备的集合。服务层的物理基础设施设备基于各类场景需求部署，主要包括交通服务服务器、医疗服务服务器、教育服务服务器、物流服务服务器等。

（5）用户层：是智慧城市用户所使用的系统和数据的集合。用户在发布需求以及销售服务的过程中形成了各类用户数据，包括居民数据、企事业单位数据、政府数据等。

智慧城市物联网功能体系共包含五平台，分别为对象平台、传感平台、管理平台、服务平台以及用户平台，各功能平台分别实现不同的功能。智慧城市物联网功能体系标准化设计如图4所示。

图4 智慧城市物联网功能体系标准化设计

（1）对象平台：是智慧城市感知控制功能的集合。对象平台通过城市中的视频监控设备、智慧多功能杆、环境感知设备等获取城市的感知控制信息，实现城市人、事、物的态势实时感知和智能协同控制功能。

（2）传感网络平台：是智慧城市通信功能的集合，为智慧城市提供大容量、高带宽、高可靠的光网络和全城覆盖的无线宽带网络。传感网络平台可提供的通信功能包括4G/5G、以太网、专用网络、网络管理等功能。

（3）管理平台：是实现智慧城市业务支撑、业务管理、决策分析、安全管理的功能平台，为智慧城市管理提供统一高效的管理工具，将智慧城市中各个孤立的智能化子系统按需接入集成，统一监测、设置所有设备的运行，实现数据互操作，让各个智能化子系统智能运行，并智能调度处理报警等异常事件。管理平台由支撑能力平台、大数据平台、统一资源集成平台以及信息安全管理平台组成：支撑能力平台包括融合通信、图像分析、视频融合、算力支撑、算法支撑等；
大数据平台包括数据汇聚、数据清洗、数据融合等；
统一资源集成平台包括资源目录管理、资源运营管理、运维配置管理等；
信息安全包括物理安全、系统安全、网络安全、数据安全等。

（4）服务平台：是智慧城市中各类场景服务功能的集合，包括民生服务、城市治理、产业经济、生态宜居四大服务场景。四大服务场景中的不同服务系统或平台可通过接入管理平台，凭借管理平台提供的支撑能力实现各个业务应用。民生服务包括智慧政务、智慧交通、智慧医疗等内容；
城市治理包括智慧安防、城市管理、智慧应急等内容；
产业经济包括智慧金融、智慧农业、智慧园区等内容；
生态宜居包括智慧环保、智慧家居、绿色节能灯内容。

（5）用户平台：用户通过服务平台实现智慧服务，并可以对其下的四个平台进行管理。用户平台主要实现的是用户接入功能，包括市民用户、企事业单位用户、政府用户等。不同的用户类型具有不同的服务需求，具有不同的权限。

智慧城市借助物联网实现了城市中人、事、物等各种主体的有效连接，实现了人们生活方式的改变和品质的提升，促进城市更好地发展。在物联网的加持下，智慧城市的感知能力得到了提升，实现城市各个节点的信息交互，建立了一个智能、生态、人文的城市生活环境，实现了城市可持续发展目标。通过智慧城市物联网平台标准化设计，能够实现智慧城市的全面物联、协同运作，支撑智慧城市中的各个业务充分整合，激励创新新型服务，促进城市经济结构革新，加快推动经济转型，构建以信息技术为主导的数字化城市发展形态，为城市提供源源不断的发展动力。