面向智慧城市的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)鍵技術(shù)研究

李曉輝

(華北計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100083)

面向智慧城市的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)鍵技術(shù)研究

李曉輝

(華北計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100083)

智慧城市是利用物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市智慧運(yùn)行和管理的新型城市形態(tài)，是信息技術(shù)與城市發(fā)展深度融合的產(chǎn)物;針對(duì)當(dāng)前智慧城市因碎片化、煙囪式發(fā)展模式而面臨的重復(fù)建設(shè)嚴(yán)重、跨域資源難以共享與聯(lián)動(dòng)協(xié)同等突出問(wèn)題，從資源匯聚和促進(jìn)城市應(yīng)用互聯(lián)互通互操作的角度，定義了城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的概念內(nèi)涵，提出城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施是一個(gè)涵蓋“網(wǎng)絡(luò)+平臺(tái)+服務(wù)”的綜合體，分析總結(jié)了國(guó)內(nèi)外政府與企業(yè)在城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施尤其是物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)方面的發(fā)展現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上，研究提出了為實(shí)現(xiàn)城市物聯(lián)資源泛在接入、網(wǎng)絡(luò)融合、資源管理和智能服務(wù)等核心功能亟需突破的關(guān)鍵技術(shù)，最后給出了推動(dòng)城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施快速發(fā)展的意見(jiàn)和建議。

智慧城市；物聯(lián)網(wǎng)；物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施；互聯(lián)互通互操作

0 引言

智慧城市是城市發(fā)展的高級(jí)階段，是信息技術(shù)與城市發(fā)展深度融合的產(chǎn)物。其核心是利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)透徹感知、泛在互聯(lián)、普適計(jì)算與融合應(yīng)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)城市的智慧運(yùn)行和管理，促進(jìn)城市和諧、可持續(xù)發(fā)展[1]。

智慧城市的概念一經(jīng)誕生，就受到國(guó)內(nèi)外政府、企業(yè)、社會(huì)、學(xué)術(shù)界的高度重視，引發(fā)了各國(guó)對(duì)智慧城市的研究和建設(shè)熱潮。從社會(huì)學(xué)角度來(lái)看，智慧城市的核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展，重點(diǎn)表現(xiàn)在：實(shí)現(xiàn)城市資源的優(yōu)化整合和科學(xué)配置、打造集約高效的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式、提升幸福宜居的城市品質(zhì)。從技術(shù)角度來(lái)看，智慧城市是以新一代信息技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)城市資源的統(tǒng)一匯聚，推動(dòng)城市多信息體系的協(xié)同交互，實(shí)現(xiàn)城市任務(wù)的智能處理和智慧決策。

然而，從當(dāng)前智慧城市的發(fā)展來(lái)看，仍面臨很多問(wèn)題和挑戰(zhàn)，其中最突出的一點(diǎn)就是：目前智慧城市缺乏整體規(guī)劃和設(shè)計(jì)，城市信息系統(tǒng)建設(shè)多以滿足單個(gè)部門(mén)的管理需求為主，并沒(méi)有從城市全局的角度形成響應(yīng)市民和企業(yè)需求的有效模式。換言之，當(dāng)前的智慧城市建設(shè)仍處于碎片化、煙囪式發(fā)展階段，不僅重復(fù)建設(shè)嚴(yán)重，投資浪費(fèi)嚴(yán)重，而且缺乏真正有效的手段支持城市級(jí)跨區(qū)域、跨行業(yè)、跨部門(mén)的資源整合、共享、開(kāi)放和協(xié)同。

物聯(lián)網(wǎng)，作為支撐智慧城市建設(shè)的重要技術(shù)手段，是實(shí)現(xiàn)城市物理世界、信息系統(tǒng)和人類(lèi)社會(huì)全面感知與高效互聯(lián)的基礎(chǔ)。打造面向智慧城市的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，不僅能夠從城市全局角度實(shí)現(xiàn)資源匯聚、促進(jìn)城市應(yīng)用互聯(lián)互通互操作，而且能夠減少重復(fù)、節(jié)約投資，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)城市基礎(chǔ)設(shè)施集約化建設(shè)、應(yīng)用系統(tǒng)生長(zhǎng)式發(fā)展以及智慧服務(wù)專(zhuān)業(yè)化運(yùn)營(yíng)，從而真正實(shí)現(xiàn)城市治理的高效運(yùn)轉(zhuǎn)和科學(xué)管理。

本文在深入剖析智慧城市發(fā)展面臨問(wèn)題的基礎(chǔ)上，定義了城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的概念內(nèi)涵，分析總結(jié)了其國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，研究提出了城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)，最后給出了推動(dòng)城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施快速發(fā)展的意見(jiàn)與建議。

1 城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施概念內(nèi)涵

基礎(chǔ)設(shè)施，通常是指能為社會(huì)生產(chǎn)和居民生活提供公共服務(wù)的工程系統(tǒng)，它是保證一個(gè)國(guó)家或地區(qū)生存發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。

城市基礎(chǔ)設(shè)施，則是指城市生存和發(fā)展所必須具備的工程性基礎(chǔ)設(shè)施和社會(huì)性基礎(chǔ)設(shè)施，是城市中為順利進(jìn)行各種經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和其他社會(huì)活動(dòng)而建設(shè)的各類(lèi)設(shè)施的總稱(chēng)[2]。城市基礎(chǔ)設(shè)施既包括供水、供電、交通、環(huán)境、防災(zāi)等工程性硬基礎(chǔ)設(shè)施，也包括醫(yī)療、教育、金融、文化等社會(huì)性軟基礎(chǔ)設(shè)施，還包括由計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信設(shè)施等構(gòu)成的信息基礎(chǔ)設(shè)施。

城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施屬于信息基礎(chǔ)設(shè)施中的一種。目前，尚無(wú)針對(duì)城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的統(tǒng)一定義。在分析總結(jié)基礎(chǔ)設(shè)施概念內(nèi)涵的基礎(chǔ)上、結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)在未來(lái)智慧城市中的應(yīng)用價(jià)值，本文提出城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的參考定義如下：

城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，指的是為了實(shí)現(xiàn)城市級(jí)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與服務(wù)所構(gòu)建的，由一系列軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議等信息資源組成的，可用于部署的通用資源的集合。

在該定義中，強(qiáng)調(diào)了以下幾個(gè)重點(diǎn)：

1)從基礎(chǔ)設(shè)施的類(lèi)型來(lái)看，城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施是信息基礎(chǔ)設(shè)施的一種，不同于一般的市政工程設(shè)施，它主要由軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議、服務(wù)、應(yīng)用程序接口等信息資源構(gòu)成。

2)從基礎(chǔ)設(shè)施的特征來(lái)看，城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施具備所有基礎(chǔ)設(shè)施的共性特征，即基礎(chǔ)性、規(guī)模性、公共物品行?；A(chǔ)性，指的是它就像城市水電氣等“三通一平”的基礎(chǔ)設(shè)施一樣，是未來(lái)城市物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用運(yùn)行的基礎(chǔ)載體，并以此成為未來(lái)城市發(fā)展過(guò)程中需要先行建設(shè)的內(nèi)容。規(guī)模性，指的是必須達(dá)到一定的建設(shè)規(guī)模才能提供服務(wù)或者有效的提供服務(wù)。公共物品性，指的是它能夠提供未來(lái)城市物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所需要的各種公共服務(wù)，成為面向公眾的公共物品。

3)從發(fā)展需求來(lái)看，城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施要實(shí)現(xiàn)的是“城市級(jí)”的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與服務(wù)支撐，一是要實(shí)現(xiàn)城市資源的統(tǒng)一匯聚，二是要實(shí)現(xiàn)城市資源的高效配置，三是要實(shí)現(xiàn)城市資源的開(kāi)放共享，最終打造一個(gè)人與人、人與物、物與物泛在互聯(lián)的融合生態(tài)系統(tǒng)。

4)從能力需求來(lái)看，城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)當(dāng)具備支持萬(wàn)物互聯(lián)、智慧服務(wù)的核心能力。物聯(lián)網(wǎng)在智慧城市中的應(yīng)用大致可分為三個(gè)階段，首先是解決海量物體連接入網(wǎng)問(wèn)題，其次是解決物聯(lián)大數(shù)據(jù)深度開(kāi)發(fā)利用問(wèn)題，再者是解決如何按需提供物聯(lián)服務(wù)問(wèn)題。因此，城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施不僅僅是網(wǎng)絡(luò)，而應(yīng)該是一個(gè)涵蓋“網(wǎng)絡(luò)+平臺(tái)+服務(wù)”的綜合體，能夠提供泛在連接、網(wǎng)絡(luò)融合、資源管理、智能處理、服務(wù)封裝等核心功能，具體包括：

(1)泛在連接能力：支持各種長(zhǎng)短距離、有線無(wú)線、高中低速、寬帶窄帶網(wǎng)絡(luò)接入方式(如RFID、藍(lán)牙、ZigBee、Wifi、3G/4G/5G、NB-IOT、Lora等)；

(2)網(wǎng)絡(luò)融合能力：支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議融合，支持跨網(wǎng)通信、跨網(wǎng)傳輸、跨網(wǎng)數(shù)據(jù)交換；

(3)資源管理能力：支持海量多元異構(gòu)物聯(lián)資源的命名標(biāo)識(shí)、接入管理、搜索查詢和協(xié)同調(diào)度；

(4)智能處理能力：支持物聯(lián)大數(shù)據(jù)的處理、挖掘和共享；

(5)服務(wù)封裝能力：支持物體、數(shù)據(jù)、服務(wù)等各類(lèi)資源的服務(wù)化封裝和應(yīng)用開(kāi)發(fā)支持，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)即服務(wù)。

應(yīng)當(dāng)說(shuō)，城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施是智慧城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)。技術(shù)層面，能夠支撐實(shí)現(xiàn)城市感知資源匯聚、信息資源共享、應(yīng)用互聯(lián)互通。管理層面，能夠打破信息孤島，支持跨部門(mén)、跨行業(yè)、跨區(qū)域的聯(lián)動(dòng)和協(xié)同。服務(wù)層面，能夠助推城市發(fā)展從碎片化向開(kāi)放共享升級(jí)，從行業(yè)級(jí)向城市級(jí)升級(jí)，打造開(kāi)放共享的城市經(jīng)濟(jì)新形態(tài)。

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)的概念最早可追溯到1999年美國(guó)麻省理工學(xué)院Ashton教授提出的基于射頻識(shí)別(RFID)的理念[3]，但它在智慧城市中的應(yīng)用則是近些年才逐步興起的。究其原因，一方面是因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)的概念內(nèi)涵在不斷演化和發(fā)展，從早期基于RFID的物聯(lián)、到基于局域網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)，再到基于互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)，逐步體現(xiàn)出萬(wàn)物互聯(lián)的支撐能力。另一方面是因?yàn)橹腔鄢鞘械慕ㄔO(shè)理念也在不斷演化和發(fā)展，從早期的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化再到智能化，逐步體現(xiàn)出互聯(lián)互通、共享共治的發(fā)展需求。

總體來(lái)看，政府、企業(yè)、學(xué)術(shù)界等對(duì)物聯(lián)網(wǎng)及其在智慧城市中的應(yīng)用高度重視。政府多從國(guó)家戰(zhàn)略高度制定發(fā)展計(jì)劃，推動(dòng)國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和發(fā)展。企業(yè)多以物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等構(gòu)建物聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施的核心產(chǎn)品為突破口，搶占產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)。學(xué)術(shù)界則在網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、邊緣計(jì)算、物理信息系統(tǒng)(CPS)等方面不斷探尋新型計(jì)算模式，以期解決泛在連接、網(wǎng)絡(luò)融合、智能處理等方面的關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展。

2.1 政府方面

美國(guó)在物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市方面一直走在前列。2008年，IBM首次提出“智慧地球”戰(zhàn)略，次年便向美國(guó)總統(tǒng)提出加大智慧型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的建議。隨后，美國(guó)政府出臺(tái)了《2009年美國(guó)復(fù)興與再投資法案》，明確提出在與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)的智能電網(wǎng)、衛(wèi)生醫(yī)療信息技術(shù)應(yīng)用和教育信息技術(shù)等方面進(jìn)行大量投資。此后，美國(guó)政府又先后發(fā)布了先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃、總統(tǒng)創(chuàng)新伙伴計(jì)劃等，明確提出將以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)(Cyber-Physical System，CPS)[4-5]列為扶持重點(diǎn)，并在此過(guò)程中提出了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(Industrial Internet)”的概念。2015年，美國(guó)又宣布投入1.6億美元推動(dòng)智慧城市計(jì)劃，將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用試驗(yàn)平臺(tái)列為首要建設(shè)任務(wù)。

歐盟從2008年10月開(kāi)始實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略，并由歐洲物聯(lián)網(wǎng)研究總體協(xié)調(diào)組(IERC)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和管理。其中最有代表性的“歐盟第七框架計(jì)劃(FP7)”，下設(shè)了IOT-A、IOT6、open IOT等一系列物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)項(xiàng)目[6-7]，并在智能電網(wǎng)、智慧城市、智能交通等方面積極部署。2013年，歐盟通過(guò)了“地平線2020”計(jì)劃，明確提出物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市是重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一，并于2014年投資9200萬(wàn)歐元重點(diǎn)發(fā)展節(jié)能、交通、ICT基礎(chǔ)設(shè)施三大方向。歐盟前成員國(guó)英國(guó)大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)與電網(wǎng)、分布式電源等設(shè)施的深度融合，以實(shí)現(xiàn)能源全流程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)預(yù)警。西班牙巴塞羅那提出打造將環(huán)境和能源、交通、水資源管理、生活質(zhì)量等不同領(lǐng)域的傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析的城市管理服務(wù)平臺(tái)。西班牙桑坦德提出打造“城市脈搏”，匯聚遍布全城的傳感器和人體傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)移動(dòng)APP提供城市管理和生活服務(wù)。

日本于2009年制定了“i-Japan”計(jì)劃，提出建立“以人為本、安心且充滿活力的數(shù)字化社會(huì)”。韓國(guó)2004年推出“u-Korea”計(jì)劃，提出將物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)包含在所有的城市元素中，讓市民可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、從任何設(shè)備訪問(wèn)和應(yīng)用城市元素[8]。新加坡2006年起先后推出“智慧國(guó)2015”、“智慧國(guó)2025”計(jì)劃，旨在打造覆蓋全島的集數(shù)據(jù)收集、連接和分析于一體的基礎(chǔ)設(shè)施和操作系統(tǒng)，用于提供更好的公共服務(wù)[9]。

我國(guó)政府對(duì)物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市的發(fā)展也高度重視。先后出臺(tái)了《關(guān)于推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)(2013)》、《關(guān)于促進(jìn)智慧城市健康發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)(2014)》等一系列國(guó)家文件，均是從國(guó)家頂層視角明確提出針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市發(fā)展的總體思路與建設(shè)目標(biāo)，尤其提到要加快發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，將物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市推入統(tǒng)籌發(fā)展的新階段。

2.2 企業(yè)方面

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成，也是企業(yè)搶占物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)鏈的重要環(huán)節(jié)。

國(guó)外企業(yè)中，谷歌推出基于Android的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)Brillo，并基于此積極布局車(chē)聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。微軟推出物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)Win10IOTCore，提供面向物聯(lián)網(wǎng)的云服務(wù)，協(xié)助企業(yè)簡(jiǎn)化物聯(lián)網(wǎng)在云端的應(yīng)用部署和管理。IBM積極布局物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，并聯(lián)合思科、通用電器等共同發(fā)起成立了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)，致力于實(shí)現(xiàn)傳感器、計(jì)算機(jī)、企業(yè)、車(chē)輛和數(shù)以百計(jì)工業(yè)設(shè)備的全面整合，構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及云集成服務(wù)。此外，還有Xively、Nimbits、Thingspeak、Device Cloud by Etherios等公司，都在打造開(kāi)放通用的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和云平臺(tái)，解決設(shè)備接入、管理、服務(wù)化等問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)企業(yè)中，華為提出“1+2+1”戰(zhàn)略，第一個(gè)1就是指要打造一個(gè)集收集、管理、處理、應(yīng)用開(kāi)發(fā)支持等于一體的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。中興積極布局智能交通、物聯(lián)網(wǎng)通信等領(lǐng)域，也在主推物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)。阿里從與美的的戰(zhàn)略合作起步，積極打造基于阿里云的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，從最初實(shí)現(xiàn)對(duì)家電產(chǎn)品的連接和遠(yuǎn)程控制，到后來(lái)不斷深入布局智能家居、車(chē)載系統(tǒng)和智能硬件等領(lǐng)域，預(yù)期將實(shí)現(xiàn)數(shù)十億設(shè)備的接入。騰訊2014年推出QQ物聯(lián)騰訊社交智能硬件開(kāi)放平臺(tái)，力圖借助微信用戶優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)“連接物體連接人，連接一切”的目標(biāo)。小米依靠自身硬件體系優(yōu)勢(shì)，推出以小米盒子、小米路由器等為代表的智能家庭套裝，打造連接所有智能家居產(chǎn)品的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)[10]。此外，中移動(dòng)推出的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備云(OneNet)和業(yè)務(wù)管理平臺(tái)、Yeelink推出的家庭智能控制平臺(tái)、中國(guó)電科推出的e-Things開(kāi)放物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)[11]等，都具有很強(qiáng)的代表性，是打造物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的重要產(chǎn)品。

3 城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)鍵技術(shù)

城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施要解決的核心問(wèn)題，主要是城市物聯(lián)資源的泛在接入、網(wǎng)絡(luò)融合、資源管理和智能服務(wù)。其中，城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施體系框架、城市物聯(lián)資源統(tǒng)一描述與泛在接入技術(shù)、城市物聯(lián)資源統(tǒng)一標(biāo)識(shí)與跨域?qū)ぶ芳夹g(shù)、城市物聯(lián)資源動(dòng)態(tài)服務(wù)與共享技術(shù)，是其中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3.1 城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施體系框架

體系指的是若干有關(guān)事物或概念互相聯(lián)系而構(gòu)成的整體，框架指的是體系中各組成部分之間的層次和關(guān)系。體系框架可以理解為一個(gè)系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)和基本架構(gòu)，它是指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、管理和應(yīng)用的指南與原則。

城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施是一項(xiàng)涉及網(wǎng)絡(luò)、通信、平臺(tái)、資源、服務(wù)等多要素、多領(lǐng)域、多學(xué)科的復(fù)雜工程，其組成并不是一些簡(jiǎn)單緊耦合的模塊或子系統(tǒng)，而是由眾多自主演化、獨(dú)立運(yùn)行、松散耦合的網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)組成。因此，設(shè)計(jì)一套既滿足當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施部署和應(yīng)用需求，又科學(xué)、合理、可擴(kuò)展的體系框架，頗具挑戰(zhàn)。具體解決思路，一是要采用體系工程的方法與理念進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)與規(guī)劃；二是要在充分理解需求的基礎(chǔ)上，以提升城市物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用互操作性為核心，從跨域的集成、共享和安全角度出發(fā)，認(rèn)真設(shè)計(jì)層次結(jié)構(gòu)、支撐關(guān)系、協(xié)同關(guān)系、數(shù)據(jù)策略、服務(wù)模式和接口關(guān)系，形成開(kāi)放的體系框架。

根據(jù)城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的概念內(nèi)涵和能力需求，提出一個(gè)參考框架如圖1所示。

圖1 城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施參考體系框架

該框架強(qiáng)調(diào)了城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施是一個(gè)“網(wǎng)絡(luò)+平臺(tái)+服務(wù)”的綜合體，其中：

1)網(wǎng)絡(luò)突出了“城市統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)”的概念，支持光纖網(wǎng)、無(wú)限通信網(wǎng)、政務(wù)專(zhuān)網(wǎng)、行業(yè)專(zhuān)網(wǎng)等多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在接入、傳輸?shù)确矫娴娜诤稀?/p>

2)平臺(tái)提供了基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行的實(shí)體環(huán)境，包括計(jì)算設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、數(shù)據(jù)資源、平臺(tái)軟件等。其核心能力主要包括三個(gè)方面：一是對(duì)下能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)城市級(jí)物聯(lián)資源的統(tǒng)一接入、管理、處理等基礎(chǔ)功能；二是對(duì)上能夠以服務(wù)接口的方式為應(yīng)用提供共性支撐和開(kāi)發(fā)支持；三是能夠提供包括位置、通信、消息、搜索等在內(nèi)的城市級(jí)公共服務(wù)，為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)增值服務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)提供支撐。

可以看到，未來(lái)的城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施將不僅僅是網(wǎng)絡(luò)，提供的服務(wù)也不止是通信傳輸，承載實(shí)體也不止是硬件設(shè)備，而是一個(gè)集計(jì)算、感知、控制、通信、服務(wù)等功能于一體、靈活/健壯/擴(kuò)展性強(qiáng)/高度智能的新型基礎(chǔ)設(shè)施。

3.2 城市物聯(lián)資源統(tǒng)一描述與泛在接入技術(shù)

城市中能夠接入物聯(lián)網(wǎng)的資源種類(lèi)繁多、功能各異。典型的城市資源包括計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等計(jì)算資源，傳感器、執(zhí)行器、M2M設(shè)備等物體資源，以及城市信息系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的各類(lèi)信息資源等。資源的異構(gòu)性導(dǎo)致其在網(wǎng)絡(luò)接口、通信協(xié)議、傳輸格式、數(shù)據(jù)格式、交互方式等方面存在很大差異，一個(gè)典型問(wèn)題就是資源在網(wǎng)絡(luò)中無(wú)法互相識(shí)別、理解和交互。因此，城市物聯(lián)資源統(tǒng)一描述與泛在接入技術(shù)，成為解決該問(wèn)題的核心與關(guān)鍵。

城市物聯(lián)資源統(tǒng)一描述與泛在接入技術(shù)有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，一是要解決資源連接特征的抽象化，建立普適的連接規(guī)則和方法，支持資源的泛在接入；二是要解決資源的語(yǔ)義一致性理解，建立普適的描述模型，支持設(shè)備、數(shù)據(jù)、服務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中的交互與協(xié)同。

具體來(lái)說(shuō)，在連接特征抽象化方面，需要提供表征虛擬設(shè)備或物體的能力模型(如感知能力、控制能力、連接能力、通信能力等)、應(yīng)用與設(shè)備/網(wǎng)關(guān)之間的信息映射模型、以及統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表示結(jié)構(gòu)等。在語(yǔ)義一致性理解方面，需要提供針對(duì)資源或應(yīng)用的語(yǔ)義描述模型、語(yǔ)義描述管理機(jī)制(如創(chuàng)建、刪除、連接、更新等)、不同語(yǔ)義描述的模型語(yǔ)言之間的互操作機(jī)制、基于語(yǔ)義描述的資源發(fā)現(xiàn)能力、基于語(yǔ)義描述的數(shù)據(jù)分析能力、語(yǔ)義混聚(Mash-up)能力等。

3.3 城市物聯(lián)資源統(tǒng)一標(biāo)識(shí)與跨域?qū)ぶ芳夹g(shù)

資源標(biāo)識(shí)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中資源識(shí)別與管理的基礎(chǔ)?；诮y(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，才能進(jìn)行資源通信和信息交換。然而，目前城市資源標(biāo)識(shí)體系面臨很多問(wèn)題和挑戰(zhàn)：一是城市物聯(lián)資源來(lái)源復(fù)雜，異構(gòu)性、分散性、規(guī)模性、跨域性等特征明顯，標(biāo)識(shí)編碼的難度很大。二是目前已有的標(biāo)識(shí)體系種類(lèi)繁多，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致各體系之間兼容性、擴(kuò)展性、互聯(lián)通性不強(qiáng)。三是城市物聯(lián)資源及其在網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將是海量規(guī)模，對(duì)標(biāo)識(shí)的解析(即尋址能力)在高并發(fā)、低延時(shí)、高可靠、高安全等方面提出了更高的要求。因此，城市物聯(lián)資源統(tǒng)一標(biāo)識(shí)與跨域?qū)ぶ芳夹g(shù)是亟需突破的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

城市物聯(lián)資源統(tǒng)一標(biāo)識(shí)與跨域?qū)ぶ芳夹g(shù)有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：一是資源統(tǒng)一標(biāo)識(shí)，二是基于標(biāo)識(shí)的跨域?qū)ぶ贰?/p>

在資源統(tǒng)一標(biāo)識(shí)方面，根據(jù)標(biāo)識(shí)的作用不同，可以分為對(duì)象標(biāo)識(shí)、通信標(biāo)識(shí)和應(yīng)用標(biāo)識(shí)[12-13]。對(duì)象標(biāo)識(shí)主要用于識(shí)別物聯(lián)資源的身份和屬性，如以一維碼、二維碼作為載體的UPC碼、EAN碼，以RFID作為載體的EPC碼、OID碼、uCode碼等；通信標(biāo)識(shí)主要用于識(shí)別通信地址，如IPV4、IPV6等；應(yīng)用標(biāo)識(shí)主要用于識(shí)別基于業(yè)務(wù)應(yīng)用的地址，如域名、URL等。資源統(tǒng)一標(biāo)識(shí)的難點(diǎn)是設(shè)計(jì)一套能夠兼容不同標(biāo)識(shí)體系的統(tǒng)一標(biāo)識(shí)規(guī)則。在基于標(biāo)識(shí)的跨域?qū)ぶ贩矫?，主要是針?duì)城市物聯(lián)資源尋址在跨域性、并發(fā)性、實(shí)時(shí)性、安全性等方面的需求，設(shè)計(jì)多級(jí)分層、多級(jí)授權(quán)的分布式架構(gòu)(可以是有中心的，也可以是無(wú)中心的)，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)中物聯(lián)資源的統(tǒng)一查詢、關(guān)聯(lián)和訪問(wèn)。

3.4 城市物聯(lián)資源動(dòng)態(tài)服務(wù)與共享技術(shù)

資源服務(wù)指的是針對(duì)物聯(lián)資源的功能接口進(jìn)行服務(wù)化封裝，為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的調(diào)用機(jī)制。它是解決智慧城市異構(gòu)應(yīng)用、異構(gòu)系統(tǒng)、異構(gòu)設(shè)備之間聯(lián)動(dòng)與協(xié)同的重要手段。對(duì)于城市物聯(lián)資源來(lái)說(shuō)，其最關(guān)鍵的共性問(wèn)題就是解決城市物聯(lián)資源是誰(shuí)、在哪、怎么交互。資源描述和資源標(biāo)識(shí)重點(diǎn)解決是誰(shuí)、在哪，資源服務(wù)則重點(diǎn)解決怎么交互、進(jìn)而解決聯(lián)動(dòng)與協(xié)同問(wèn)題。因此，城市物聯(lián)資源動(dòng)態(tài)服務(wù)與共享技術(shù)，對(duì)于構(gòu)建城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)說(shuō)十分關(guān)鍵。

其重要作用主要包括兩個(gè)方面：一是能夠通過(guò)服務(wù)化方式將城市物聯(lián)資源由傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)源變成具備可重構(gòu)能力的服務(wù)單元(如位置服務(wù)、消息服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)等)，并以服務(wù)組合的方式提供豐富的服務(wù)類(lèi)型供上層應(yīng)用靈活調(diào)用，這將極大簡(jiǎn)化業(yè)務(wù)與應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作量。二是通過(guò)服務(wù)封裝的形式能夠屏蔽底層設(shè)備、運(yùn)行環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等的異構(gòu)性和復(fù)雜性，從而在應(yīng)用層面實(shí)現(xiàn)互操作。研究重點(diǎn)主要包括基于本體的服務(wù)集成、面向物體的服務(wù)應(yīng)用、物體服務(wù)動(dòng)態(tài)協(xié)同框架、物體服務(wù)共享機(jī)制等。

4 發(fā)展趨勢(shì)與發(fā)展建議

城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，作為城市現(xiàn)行信息基礎(chǔ)設(shè)施的升級(jí)和擴(kuò)展，將在支撐未來(lái)城市智慧應(yīng)用方面發(fā)揮重要作用。開(kāi)放，是城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)，其內(nèi)涵主要包括以下幾個(gè)方面：

1)對(duì)城市資源的提供者開(kāi)放，政府、企業(yè)、民眾等，都能將各自所有的設(shè)備資源、數(shù)據(jù)資源、服務(wù)資源接入到基礎(chǔ)設(shè)施中來(lái)，不斷提升公共資源的承載量；

2)對(duì)智慧應(yīng)用的開(kāi)發(fā)者開(kāi)放，為第三方開(kāi)發(fā)者提供開(kāi)發(fā)工具、開(kāi)發(fā)接口、部署環(huán)境，不斷提升公共應(yīng)用的承載量；

3)對(duì)最終用戶開(kāi)放，為用戶提供包括位置、通信、消息、搜索等在內(nèi)的城市級(jí)公共服務(wù)，成為具有運(yùn)營(yíng)價(jià)值的公共服務(wù)平臺(tái)，推動(dòng)城市共享經(jīng)濟(jì)的升級(jí)與發(fā)展。

城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，不是簡(jiǎn)單的系統(tǒng)建設(shè)，也不是簡(jiǎn)單的工程行為。應(yīng)當(dāng)從打造國(guó)家在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的核心競(jìng)爭(zhēng)力、推動(dòng)智慧城市和物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的高度來(lái)看待其發(fā)展，建議重視以下幾個(gè)方面：

1)深化城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，完善技術(shù)體系；

2)加快城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)研究，形成標(biāo)準(zhǔn)體系；

3)與城市建設(shè)規(guī)劃密切結(jié)合，先行先試，分步建設(shè)，做好與已建、在建、新建系統(tǒng)的無(wú)縫銜接與過(guò)渡；

4)結(jié)合城市需求和新技術(shù)發(fā)展，不斷修正城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的概念內(nèi)涵，積極探索新型應(yīng)用模式和商業(yè)模式。

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Research on Key Technologies of the IOT Infrastructure for Smart City

Li Xiaohui

(North China Institute of Computing Technology, Beijing 100083, China)

Smart city is a new type of urban form, which uses the new generation of information technology such as the Internet of Things (IOT) to achieve the city intelligent operation and management. It is the product of the integration of information technology and urban development. Based on the in-depth analysis of the problems facing the development of smart city, the basic concept of the city IOT infrastructure is presented, the development situation at home and abroad is analyzed, the key technologies of the city IOT infrastructure are put forward, and at last some suggestions for promoting the development of the city IOT infrastructure are proposed.

smart city; internet of Things (IOT); IOT infrastructure; interconnection and interoperability

2017-05-10；

2017-05-15。

中國(guó)電科主導(dǎo)類(lèi)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(JJ120102)。

李曉輝(1980-)，女，湖南邵東人，博士，高級(jí)工程師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)、物體服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放中間件等方向的研究。

1671-4598(2017)07-0008-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.002

TP39

A