物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧城市中的應(yīng)用*

權(quán) 煒

(西安建筑科技大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院, 陜西 西安 710055)

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物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧城市中的應(yīng)用*

權(quán) 煒

(西安建筑科技大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院, 陜西 西安 710055)

介紹了物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)模型,從智能建筑、智能電網(wǎng)、智能交通、智能醫(yī)療、智能物流方面分析了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧城市中的應(yīng)用。提出智慧城市只要能攻克核心技術(shù)問(wèn)題,同時(shí)解決行業(yè)統(tǒng)一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、成本造價(jià)等問(wèn)題,滿足各類用戶的綜合性要求,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就能得到進(jìn)一步的發(fā)展。

物聯(lián)網(wǎng); 智慧城市; 智能建筑; 智能電網(wǎng)

權(quán) 煒(1975—),男,高級(jí)工程師,博士,研究方向?yàn)橹腔鄢鞘?、物?lián)網(wǎng)、模式識(shí)別。

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求,利用具有感知、通信與計(jì)算能力的智能物體自動(dòng)獲取物理世界的各種信息,將所有能夠獨(dú)立尋址的物理對(duì)象互聯(lián)起來(lái),實(shí)現(xiàn)全面感知、可靠傳輸、智能處理,構(gòu)建人與物、物與物互聯(lián)的智能信息服務(wù)系統(tǒng)[1]。其目的是實(shí)現(xiàn)人與人、物與人、物與物、所有物品與網(wǎng)絡(luò)的連接,方便識(shí)別、管理和控制,以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視、自動(dòng)報(bào)警、控制、診斷和維護(hù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通信、控制、協(xié)同、自治一體化。

物聯(lián)網(wǎng)逐步向感知設(shè)備多樣化、網(wǎng)絡(luò)多樣化、感控相結(jié)合多樣化的方向發(fā)展,對(duì)傳統(tǒng)分離的物理世界與信息世界實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、融合。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)模型

物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

(1) 感知層處于物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的最底層,是物聯(lián)網(wǎng)感知和識(shí)別物體、采集和捕獲信息的來(lái)源,是聯(lián)系物理世界與虛擬信息世界的紐帶。感知層的設(shè)備是能夠自動(dòng)感知外部物理物體與物理環(huán)境信息的設(shè)備,包括傳感器、智能家電、智能機(jī)器人等以及人工生成信息的智能電子設(shè)備,包括智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)等。感知層的設(shè)備根據(jù)所應(yīng)用的環(huán)境決定了是否同時(shí)具備感知能力和控制、執(zhí)行能力。

(2) 網(wǎng)絡(luò)層建立在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,主要包括各種通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)形成的融合網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)管理中心、信息中心、云計(jì)算平臺(tái),以及專家系統(tǒng)對(duì)各種感知信息進(jìn)行挖掘、分析、處理的部分。網(wǎng)絡(luò)層分為接入層、匯聚層和核心交換層。接入層通過(guò)各種接入技術(shù),連接最終用戶設(shè)備;匯聚層聚合接入層的用戶流量,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)路由、轉(zhuǎn)發(fā)與交換;核心交換層為物聯(lián)網(wǎng)提供高速、安全和保證服務(wù)質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境。匯聚層與核心交換層的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、通信線路構(gòu)成了傳輸網(wǎng)。

(3) 應(yīng)用層將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與行業(yè)專業(yè)技術(shù)相結(jié)合,制定各種所需功能,包括各種應(yīng)用支持和服務(wù)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)智能化應(yīng)用的解決方案,以便提供更好的服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層可分為管理服務(wù)層和行業(yè)應(yīng)用層。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)模型

① 管理服務(wù)層位于傳輸層與行業(yè)應(yīng)用層之間,通過(guò)中間軟件實(shí)現(xiàn)感知硬件與應(yīng)用軟件物理的隔離與邏輯的無(wú)縫連接,通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘、智能數(shù)據(jù)處理與智能決策計(jì)算,為行業(yè)應(yīng)用層提供安全的網(wǎng)絡(luò)管理與智能服務(wù)。管理服務(wù)層提供信息安全、隱私保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)管理功能。

② 行業(yè)應(yīng)用層由多樣化、規(guī)模化的行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成。物聯(lián)網(wǎng)可以用于智能電網(wǎng)、智能交通、智能物流、智能數(shù)字制造、智能建筑、智能農(nóng)業(yè)、智能家居、智能環(huán)境監(jiān)控、智能醫(yī)療保健、智能旅游等領(lǐng)域。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧城市中的應(yīng)用

智慧城市是指基于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)以及各種網(wǎng)絡(luò)組合,利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、各類社交網(wǎng)絡(luò)、各類用戶終端、綜合集成法及其他各種技術(shù)、工具和方法,對(duì)城市中交通、電網(wǎng)、物流、醫(yī)療、建筑和學(xué)校等方面關(guān)鍵信息進(jìn)行感知、測(cè)量、分析和整合,從而對(duì)有關(guān)民生、工商業(yè)服務(wù)、公共安全和城市服務(wù)等需求給予智能的反饋和響應(yīng),來(lái)營(yíng)造可實(shí)現(xiàn)全方位感知、寬帶互聯(lián)及綜合控制的現(xiàn)代化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的城市[2]。

物聯(lián)網(wǎng)是智慧城市的重要組成部分,通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)把植入城市設(shè)備和設(shè)施的智能化傳感器連接起來(lái),實(shí)現(xiàn)對(duì)物理城市的全面感知以及數(shù)字城市與物聯(lián)網(wǎng)的融合,并給出控制信息、各種應(yīng)用需求,做出智能化響應(yīng)和智能化決策支持。

2.1 智能建筑

智能建筑為了實(shí)現(xiàn)安全、高效、便捷、節(jié)能、環(huán)保和健康的建筑環(huán)境,利用各種通信與計(jì)算機(jī)技術(shù),將樓宇中的建筑設(shè)備集成于自動(dòng)化系統(tǒng)中,如安防、消防、供配電、供水和門禁等。將各實(shí)物的信息綜合掌握并控制是智能建筑的必要功能。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)是將人與物、物與物相聯(lián)通。智能建筑在發(fā)展中都滲透著物聯(lián)網(wǎng)的基本思想。物聯(lián)網(wǎng)與智能建筑的發(fā)展相輔相成、相互促進(jìn)[3]。

物聯(lián)網(wǎng)在智能建筑中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下方面[4-5]:

(1) 設(shè)備監(jiān)控。智能建筑中包含照明、空調(diào)、給排水、供配電等多個(gè)子系統(tǒng),這些子系統(tǒng)由不同的建筑設(shè)備組成。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),可以通過(guò)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、自動(dòng)化儀表、控制器、執(zhí)行器等設(shè)備,實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)中建筑設(shè)備的運(yùn)行情況和控制設(shè)備的起停及工作模式;通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)中的控制程序,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行,且在系統(tǒng)中某個(gè)設(shè)備發(fā)生故障時(shí),能及時(shí)上傳報(bào)警信息。

(2) 環(huán)境監(jiān)測(cè)。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),通過(guò)分布在建筑中的光照、溫/濕度、噪聲等各類環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)傳感器,將建筑室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)信息實(shí)時(shí)地傳輸?shù)街悄芙ㄖ芾砥脚_(tái)或各類顯示終端,使管理者或工作人員實(shí)時(shí)掌握建筑內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量狀況,同時(shí)與智能建筑中的空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng),改善建筑室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。

(3) 節(jié)能管理。低能源消耗是衡量智能建筑的一項(xiàng)重要指標(biāo)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為智能建筑的節(jié)能降耗提供了技術(shù)支撐。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),通過(guò)分布在建筑中的智能能耗計(jì)量?jī)x表,分別對(duì)用電、用水、用氣、供暖、供冷等消耗進(jìn)行分類分項(xiàng)采集、統(tǒng)計(jì)和分析,掌握建筑的能耗狀況和能耗指標(biāo),并可通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘、系統(tǒng)辨識(shí)等方法建立建筑的用能模型,達(dá)到對(duì)建筑用能的科學(xué)預(yù)測(cè),對(duì)建筑的節(jié)能改造提供措施支持。

(4) 安防管理。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能建筑安防系統(tǒng)的特點(diǎn)是有效、快速及準(zhǔn)確率高。智能建筑安防管理的內(nèi)容包括進(jìn)出口控制、防入侵、視頻監(jiān)控、家庭安防、電子巡更等。家庭安防是智能建筑安防系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)。在家庭中布防紅外線感應(yīng)器、門磁、玻璃碎裂傳感器、感煙探測(cè)器及燃?xì)庑孤﹤鞲衅鞯?可有效保障家庭安全。在家庭出現(xiàn)非法侵入、煤氣泄漏等事故時(shí),安防系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào),同時(shí)通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信息發(fā)送至業(yè)主的手機(jī)終端。

2.2 智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)是將現(xiàn)代先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成而形成的新型電網(wǎng)，充分滿足用戶對(duì)電力的需求和優(yōu)化資源配置，確保電力供應(yīng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，保證電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶可靠、經(jīng)濟(jì)、清潔、互動(dòng)的電力供應(yīng)和增值服務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的作用可以歸結(jié)為以下方面:

(1) 深入的環(huán)境感知。隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的深入,未來(lái)智能電網(wǎng)從發(fā)電廠、輸變電、配電中可以使用各種傳感器對(duì)從電能生產(chǎn)、傳輸、配送到用戶使用的內(nèi)外部環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控,從而快速地識(shí)別環(huán)境變化對(duì)電網(wǎng)的影響;通過(guò)監(jiān)控各種電力設(shè)備的參數(shù),及時(shí)、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)從輸配電到用電的全面在線監(jiān)控,實(shí)時(shí)獲取電力設(shè)備的運(yùn)行信息,及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的故障,快速管理故障點(diǎn),提高系統(tǒng)安全性;利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),整合電力設(shè)備、輸電線路、外部環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)信息的智能處理,提高設(shè)備的自適應(yīng)能力,實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的自愈能力。

(2) 全面的信息交互。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以將電力生產(chǎn)、輸配電管理、用戶等各方連接起來(lái),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的自動(dòng)感知、采集、匯聚、傳輸、存儲(chǔ),全面的信息交互為數(shù)據(jù)的智能處理提供了條件。

(3) 智慧的信息處理。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組建的智能電網(wǎng)系統(tǒng),可以提取從電能生產(chǎn)、配電調(diào)度、安全監(jiān)控到用戶計(jì)量計(jì)費(fèi)全過(guò)程的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)反映了從發(fā)電廠、輸變電、配電到用電全過(guò)程狀態(tài),管理人員可以通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘與智能信息處理算法,從大量的數(shù)據(jù)中提取對(duì)電力生產(chǎn)、電力市場(chǎng)智慧處理有用的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)資源的優(yōu)化配置,達(dá)到提高能源的利用率、節(jié)能減排的目的。

2.3 智能交通

智能交通系統(tǒng)基于信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通信傳輸技術(shù)、控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù),提高了交通運(yùn)輸系統(tǒng)的安全性、可管理性、運(yùn)輸效能,減低了能源消耗對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。

物聯(lián)網(wǎng)在智能交通系統(tǒng)中主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面:

(1) 城市交通智能誘導(dǎo)系統(tǒng)。城市交通智能誘導(dǎo)系統(tǒng)將人、車、路作為一個(gè)有機(jī)的整體來(lái)綜合考慮,根據(jù)車輛的起點(diǎn)向駕駛員提供優(yōu)化路徑的引導(dǎo)指令,或者通過(guò)發(fā)布實(shí)時(shí)交通信息,幫助駕駛員找到從出發(fā)點(diǎn)到目的地的最優(yōu)路徑。通過(guò)誘導(dǎo)駕駛員的出行行為來(lái)改善路面交通狀況,阻止交通阻塞的發(fā)生,減少車輛在道路上的逗留時(shí)間,最終實(shí)現(xiàn)交通流量在交通路網(wǎng)中各個(gè)路段上的合理分配。交通誘導(dǎo)信息系統(tǒng)涉及交通信息采集、信息處理與控制、誘導(dǎo)信息發(fā)布的全過(guò)程。

(2) 不停車收費(fèi)系統(tǒng)。目前,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)和道路自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)中。當(dāng)安裝有車載無(wú)線射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification,RFID)標(biāo)簽的車輛進(jìn)入ETC車道時(shí),RFID讀寫器自動(dòng)喚醒有源RFID標(biāo)簽,并實(shí)時(shí)向RFID標(biāo)簽寫入入口站的位置標(biāo)志信息。在出口站,ETC車道的RFID讀寫器根據(jù)入口站與出口站的距離,計(jì)算出應(yīng)繳費(fèi)用,并寫入RFID標(biāo)簽,后臺(tái)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)RFID標(biāo)簽中的數(shù)據(jù),作為不同路段費(fèi)用分配的依據(jù)。

(3) 車載網(wǎng)。車載網(wǎng)是應(yīng)用于智能交通的一種無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò),不僅能夠支持道路交通查詢、多媒體信息共享等,更重要的是通過(guò)對(duì)道路與車輛等客觀環(huán)境的實(shí)時(shí)感知,實(shí)現(xiàn)緊急情況下自動(dòng)報(bào)警,主動(dòng)保護(hù)駕乘人員的人身和財(cái)產(chǎn)安全。車載網(wǎng)主要包括智能駕駛、車輛輔助駕駛、車輛導(dǎo)航與娛樂(lè)等。

2.4 智能醫(yī)療

智能醫(yī)療是將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)感知技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、智能技術(shù)與醫(yī)療技術(shù)的融合,大型醫(yī)院、?？漆t(yī)院與社區(qū)醫(yī)院的融合,將有限的醫(yī)療資源提供給更多的人共享,把醫(yī)院的作用向社區(qū)、家庭以及偏遠(yuǎn)農(nóng)村延伸和輻射,提升全社會(huì)的疾病預(yù)防、疾病治療、醫(yī)療保健與健康管理水平。

在智能醫(yī)療體系中,要建設(shè)公共衛(wèi)生系統(tǒng)和健康檔案。公共衛(wèi)生系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)將公共衛(wèi)生系統(tǒng)中人員、藥品和醫(yī)療設(shè)備等方面的信息進(jìn)行資源整合,合理應(yīng)用與管理,以應(yīng)對(duì)各種醫(yī)療突發(fā)事件。通過(guò)建立個(gè)人健康檔案,實(shí)現(xiàn)個(gè)人健康信息的共享。目前,無(wú)線傳感器和RFID電子標(biāo)簽在智能醫(yī)療中也得到了廣泛的應(yīng)用。

2.5 智能物流

智能物流利用條形碼、RFID技術(shù)、傳感器、全球定位系統(tǒng)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),通過(guò)信息處理和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)平臺(tái),廣泛應(yīng)用于物流業(yè)運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)、配送、包裝、裝卸等基本活動(dòng)環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)貨物運(yùn)輸過(guò)程的自動(dòng)化運(yùn)作和高效率優(yōu)化管理,提高物流行業(yè)的服務(wù)水平,降低成本。物聯(lián)網(wǎng)為物流業(yè)將傳統(tǒng)物流技術(shù)與智能化系統(tǒng)運(yùn)作管理相結(jié)合提供了一個(gè)很好的平臺(tái),能夠?qū)崿F(xiàn)智能物流的信息化、智能化、自動(dòng)化、透明化。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)覆蓋智能物流運(yùn)行的全過(guò)程。未來(lái)的智能物流需要利用RFID與傳感器技術(shù),獲知物品從采購(gòu)、入庫(kù)、調(diào)撥、配送、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的準(zhǔn)確信息,將制造、采購(gòu)、庫(kù)存、運(yùn)輸?shù)某杀窘档阶畹?同時(shí)將各個(gè)環(huán)節(jié)可能造成的浪費(fèi)降到最低,利用信息流精確控制物流過(guò)程,使利潤(rùn)達(dá)到最大化。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的特點(diǎn),分析了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧城市中的應(yīng)用。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧城市是一個(gè)具有劃時(shí)代意義的發(fā)展進(jìn)程,積極地推動(dòng)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與新興的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的融合。雖然目前物聯(lián)網(wǎng)還沒(méi)有全面實(shí)現(xiàn)和推廣,但只要能在大力攻克核心技術(shù)問(wèn)題的同時(shí),解決行業(yè)統(tǒng)一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、成本造價(jià)等問(wèn)題,滿足各類用戶的綜合性要求,就能在智慧城市中得到進(jìn)一步的發(fā)展。

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Application of Internet of Things Technology in Smart City

QUAN Wei

(School of Information and Control Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)

This paper introduced the structure model of internet of things,and analyzed the applications of internet of things technology in smart city,in aspects of intelligent building,smart grid,intelligent transportation,intelligent healthcare and intelligent logistics,etc.If smart city can achieve the core technologies and solve the problems of unified professional standards and cost,which meets the comprehensive requirements of all kinds of users,the internet of things technology will get further development.

internet of things; smart city; intelligent building; smart grid

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016JM6021)；西安建筑科技大學(xué)校人才科技基金項(xiàng)目(RC1521)

TU 855

B

1674-8417(2016)10-0010-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.10.004

2016-09-18