面向城市治理的物聯(lián)應用支撐平臺研究

劉紅義 朱玉明 王璐璐 王雪梅

摘? 要： 針對目前道路橋梁、供水、排水、供熱、燃氣、園林、地下管線、環(huán)衛(wèi)、工地、公廁等城市治理行業(yè)不同類型終端之間接入通訊協(xié)議和數(shù)據協(xié)議不統(tǒng)一的問題，本文提出了一種面向城市治理領域的物聯(lián)應用支撐平臺，構建全面感知、全域操控的城市運行智能感知體系，通過城市規(guī)劃、建設和運營的全面感知以及城市運行狀態(tài)的動態(tài)控制，打造面向城市治理的應用體系。本文闡述了物聯(lián)網技術下對流量計、水質分析儀、壓力變送器、水位計、流速儀等感知傳感設備數(shù)據采集，提供統(tǒng)一適配、安全接入和身份認證服務，保證采集數(shù)據的安全、穩(wěn)定、可靠的傳輸，實現(xiàn)各類采集數(shù)據的智能、高效、協(xié)同統(tǒng)一管理。

關鍵詞： 物聯(lián)應用支撐平臺;城市治理;感知體系;通訊協(xié)議;身份認證

中圖分類號： TP391.8? ? 文獻標識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.015

本文著錄格式：劉紅義，朱玉明，王璐璐，等. 面向城市治理的物聯(lián)應用支撐平臺研究[J]. 軟件，2019，40（10）：6267

IOT Application Supporting Platform Oriented on Urban Governance

LIU Hong-yi1，2， ZHU Yu-ming1，2， WANG Lu-lu1，2， WANG Xue-mei1，2

（1. Beijing Institute of Computing and Communication，beijing 100074， China;

2. Aerospace Haiying Electromechanical Technology Research Institute Co.， Ltd. 100074， China）

【Abstract】： In the urban governance industry such as road and Bridge， Water Supply， Drainage， Heating， Gas， Garden， Underground Pipeline， Sanitation， Construction Site， Public Toilet， different types of terminals access communication protocols and data protocols are not unified， this paper proposes an IOT application supported platform for urban governance， and sets up an urban operational intelligent perception system with comprehensive perception and global control. through urban. comprehensive perception of planning， construction and operation， and dynamic control of urban operational status， to create an application system for urban governance.It introduces data acquisition of sensing equipment such as flow meters， water quality analyzers， pressure transmitters， water level meters， and flow meters in the IOT technology， provides a unified adaptation， secure access and identity authentication service， to ensure the safe and stable collection of data. reliable transmission， achieved intelligent， efficient， collaborative and unified management of all types of data collection.

【Key words】： IOT application supported platform; Urban governance; Perception system; Unified adaptation; The identity authentication

0? 引言

在AI智能、5G、IOT通信等新一代物聯(lián)網技術的帶動下，引領智慧管網、智慧管廊、智慧水務、智慧城管、智慧園林等城市治理行業(yè)快速發(fā)展，同時也給新型城市建設提出了更高的要求，面向城市治理領域的物聯(lián)應用支撐平臺作為物聯(lián)網領域的重要組成部分，有助于推動智慧城市的建設和發(fā)展。

在數(shù)字化、網絡化、智能化發(fā)展的大趨勢下，物聯(lián)應用支撐平臺的建設需求不斷的釋放，未來的市場潛力巨大，由于各個廠家的感知設備沒有統(tǒng)一的標準和協(xié)議，各終端廠商生產的終端都在使用不同的通訊協(xié)議及通訊接入方式，因此亟需對物聯(lián)應用支撐平臺展開進一步的探討，進行對不同類型終端的可配置接入和統(tǒng)一管理，以便對上層應用進行傳感器和通信協(xié)議等的適配，形成一個高效的物聯(lián)應用支撐平臺。

本文將圍繞“物聯(lián)應用支撐平臺”的技術體系和主要功能進行闡述，設計和實現(xiàn)了一種面向城市治理領域行業(yè)多設備協(xié)議可配置的物聯(lián)應用支撐平臺。

1? 物聯(lián)應用支撐平臺系統(tǒng)

1.1? 系統(tǒng)結構

物聯(lián)應用支撐平臺是根據平臺即服務PaaS的思想[1]，結合城市治理機制的設計理念，由物聯(lián)接入平臺（數(shù)據處理）及天空地水網感知體系（傳感器數(shù)據）兩部分組成，主要架構如下圖所示。

該平臺能夠提供多種通信方式、多種功能類型、不同廠家的傳感設備的通信適配、統(tǒng)一接入、協(xié)議解析和數(shù)據服務等功能。對下接入多種行業(yè)終端，能夠對異構通信方式的傳感設備進行通信適配，匯總統(tǒng)一接入，集群分布式的后臺處理[2]，對信息進

行協(xié)議解析和數(shù)據解析，為各個應用系統(tǒng)提供數(shù)據服務，對上支持城管、水務、管網、渣土等城市治理領域多種行業(yè)應用，把各種垂直的物聯(lián)網應用整合成一個扁平的應用體系，具有承上啟下的作用，為物聯(lián)網系統(tǒng)提供基礎集成技術的專業(yè)化技術支撐平臺。

1.2? 技術架構

以MQTT協(xié)議為核心搭建物聯(lián)應用支撐平臺[3]，利用MQTT代理作為物聯(lián)應用支撐平臺內部通信的樞紐，統(tǒng)一應用系統(tǒng)與物理設備的通信方式，從而降低第三方應用接入物聯(lián)應用支撐平臺的成本。

1.3? 業(yè)務架構

物聯(lián)網業(yè)務總體分為：終端接入，通信網絡，物聯(lián)接入，應用四個部分，其中的物聯(lián)接入是本次技術研究涉及的主體部分。

2? 物聯(lián)應用支撐平臺設計與實現(xiàn)

2.1? 物聯(lián)接入平臺

物聯(lián)接入平臺是物聯(lián)網終端數(shù)據采集及運行狀況的信息匯聚點，滿足適應多語言、多操作系統(tǒng)的不同終端設備的接入和數(shù)據通訊需求，并保證通信安全性、實時性和穩(wěn)定性，并具備包括C、Java、.Net、iOS、Android等在內的SDK開發(fā)工具，可以接受任何安裝有協(xié)議驅動程序的設備發(fā)送的數(shù)據。通過數(shù)據采集、協(xié)議適配、數(shù)據處理全面呈現(xiàn)城市系統(tǒng)運行狀況，利用可視化技術和增強現(xiàn)實技術在信息空間中重現(xiàn)城市治理的全貌，為城市健康、安全、平

穩(wěn)運行提供服務。

2.1.1? 協(xié)議解析

針對不同類型、不同廠家的設備，建立多種終端設備協(xié)議庫，將多種通信層協(xié)議和應用層協(xié)議，開發(fā)協(xié)議解析引擎模塊，實現(xiàn)通信層的協(xié)議適配，以及應用層的協(xié)議適配[4]，并根據協(xié)議規(guī)則將采集數(shù)據進行解析，分析報文內容;并對下傳的指令按照終端自有協(xié)議進行封裝，以實現(xiàn)對不同廠家、不同功能、不同通信接口的設備的統(tǒng)一接入服務。

設備管理模塊：網關管理，監(jiān)控設備管理，位置管理，元數(shù)據管理。

協(xié)議解析模塊：網絡層協(xié)議集，傳輸層協(xié)議集，傳輸層協(xié)議集，私有協(xié)議插件。

數(shù)據服務模塊：數(shù)據調用接口，控制執(zhí)行接口，數(shù)據消息訂制，批量數(shù)據服務。

應用管理模塊：應用實例管理。

為消除不同接入方式服務請求所采用的協(xié)議差異，對網關設備和測控設備的通信報文進行協(xié)議解析[5]，將各種接入協(xié)議轉換成統(tǒng)一的接入模式，包括TCP/IP協(xié)議族中的協(xié)議，如網絡層協(xié)議和傳輸層協(xié)議，某些情況下也包括在TCP/IP協(xié)議之上封裝的透傳協(xié)議，如Zigbee、RS232/485等協(xié)議，還包括在上述協(xié)議之上承載的應用層協(xié)議。

2.1.2? 數(shù)據通訊

所有的終端設備發(fā)到平臺的數(shù)據都由數(shù)據通訊模塊接收并預處理，數(shù)據通訊模塊完成實時數(shù)據采集、數(shù)據處理、終端控制等業(yè)務目標，實現(xiàn)數(shù)據接入適配、統(tǒng)一數(shù)據結構、數(shù)據處理等功能。

（1）數(shù)據接入

為了適應物聯(lián)大數(shù)據的需求，在數(shù)據接入時，傳感器或者采集終端通過無線或者有線的方式發(fā)送到平臺端[6]。數(shù)據接入協(xié)議分兩個層次，在通訊層次上，支持TCP、UDP、HTTP和WEBSOCKET等通訊協(xié)議;在數(shù)據協(xié)議層次上，支持MQTT、JSON、SOAP和自定義二進制協(xié)議。通過這兩個層次的互相搭配，可以輕松實現(xiàn)任何物聯(lián)網終端、任何協(xié)議的數(shù)據接入。

數(shù)據包發(fā)送到消息中間件中，考慮有效地應對“井噴流量”和下游服務短暫不可用的問題[7]。在消息中間件的選擇上，考慮Kafka、RabbitMQ和ActiveMQ，本研究選擇Kafka，因為在分布式環(huán)境下Kafka的吞吐性能非常優(yōu)秀，并且其持久化和訂閱/發(fā)布的功能與物聯(lián)網的場景非常匹配。

（2）數(shù)據存儲

綜合考慮使用了多種存儲引擎，包括HDFS、Hbase、RDBMS和Redis。其中HDFS非常適合于非結構化數(shù)據的存儲，支持數(shù)據的備份、恢復和遷移，在系統(tǒng)中主要用于存儲原始數(shù)據和需要進行離線分析的數(shù)據[8]。

（3）數(shù)據處理

數(shù)據處理包括實時計算和離線計算兩種。

實時計算比較Storm和Spark-streaming，本研究擬選擇了Storm，主要考慮兩點：一方面是因為Storm具有很好的實時性，另一方面是因為在物聯(lián)網的場景中支持對終端數(shù)據的全局分組，而Spark-streaming只能在每個RDD中做分組。本研究選擇Storm作為實時處理引擎，基于實時處理引擎提供實時計算服務，可以支持應用層的調度和管理，基于實時計算服務可以實現(xiàn)對物聯(lián)網數(shù)據的清洗、解析、報警等實時的處理。

離線計算目前支持MapReduce和Hive，對Spark的支持也正在進行中，主要用于對物聯(lián)網數(shù)據做日/周/月/年等多個時間維度做報表分析和數(shù)據挖掘，并將結果輸出到關系數(shù)據庫中。

（4）數(shù)據交換接口

數(shù)據交換接口主要是為了簡化應用層與平臺層之間的數(shù)據訪問而抽象了一層訪問接口，有了這層接口，應用層就不需要直接調用Hadoop、HBase等原生API，可以快速地進行應用開發(fā)。數(shù)據交換接口支持：SQL、Restful、Thrift和Java API，用戶可以根據實際情況靈活選擇數(shù)據交換的方式。數(shù)據交換的內容包括：物聯(lián)網終端的當前狀態(tài)、物聯(lián)網終端的歷史狀態(tài)/軌跡、指令下發(fā)、數(shù)據訂閱與發(fā)布等等。

2.1.3? 設備管理

本研究應用中使用的設備種類多，廠家和標準難以統(tǒng)一，若采用傳統(tǒng)設備接入方式，從實時性、接入后的管理和維護、后續(xù)設備升級以及多協(xié)議支持等方面存在問題。通過綜合考慮設備的異構性和標準協(xié)議支持，采用面向智能化設備的多協(xié)議統(tǒng)一適配技術，實現(xiàn)各類傳感器、控制執(zhí)行器等智能設備的可配置接入和智能化管理。

對測控設備的基本信息進行錄入，查詢和管理。添加新測控設備時，需將設備主要信息、設備ID/設序列號、設備的通信類型、設備關聯(lián)的網關和端口進行錄入，錄入后根據需要進行修改，并實現(xiàn)對設備信息的增刪改查等功能。

2.1.4? 運行監(jiān)控

對設備的運行狀況、報警信息、監(jiān)控數(shù)據進行管理。設備的運行狀況主要觀察所有設備的工作壓力、工作電壓、運行狀態(tài)、啟停次數(shù)、潤滑油壓、電機功率等信息;報警信息主要是設備運行過程中產生的報警記錄;監(jiān)控數(shù)據包括實時數(shù)據、歷史數(shù)據和GPS的查看[9]。

2.1.5? 權限管理

該功能主要是對進行設備管理的過程中一些后臺的配置，主要包含設備分區(qū)、設備分類、設備授權的管理，可以進行添加、查詢、刪除。添加設備分區(qū)，對設備分區(qū)進行配置，可以在設備管理模塊創(chuàng)建新的設備信息時，選擇此處添加的設備分區(qū)。設備分區(qū)可以對所有設備進行區(qū)域劃分，方便管理。點擊刪除分區(qū)按鈕，可以刪除對應的分區(qū)，方便進行分區(qū)設計。創(chuàng)建設備分類，如流量、溫度、壓力等，對所有設備進行功能分類，根據功能進行設備劃分，可以方便對設備進行管理。

2.1.6? 用戶管理

用戶管理實現(xiàn)對平臺用戶、用戶權限和所屬角色管理功能。用戶注冊：通過郵箱、手機號進行用戶注冊，企業(yè)用戶需要輸入公司名稱、所在地。用戶權限分配：通過角色管理可以把系統(tǒng)的功能菜單分配給指定的角色，如管理員、工程師、操作工、訪客等不同的角色，能管理的菜單也不一樣，然后可以通過用戶管理把對應的角色分配給對應的用戶。

2.2? 天空地水網感知體系

借助衛(wèi)星遙感、無人機、雷達遙測、仿生魚、物聯(lián)網、互聯(lián)網等先進通信技術，建設成布局合理、結構完備、功能齊全、高度共享的天-空-地-水-網一體化城市基礎信息采集與傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)水廠、污水廠、管網、水環(huán)境等各種城市運行狀態(tài)信息的自動采集，并將匯集的數(shù)據進行統(tǒng)一處理、整合、存儲與交換[10]，為物聯(lián)接入平臺在城市監(jiān)測及治理中的應用提供數(shù)據支撐。

3? 結論

本文是針對物聯(lián)網應用類項目而設計的基礎管理平臺，面向道路橋梁、供水、排水、供熱、燃氣、園林、地下管線、環(huán)衛(wèi)、工地、公廁等城市治理領域，以HTTP協(xié)議、Websocket、MQTT、MODBUS協(xié)議為核心，基于天空地水網一體化的智能感知體系及物聯(lián)接入平臺，打造統(tǒng)一采集、按需分發(fā)的數(shù)據體系，利用統(tǒng)一應用系統(tǒng)與物理設備的通信方式，解決了不同類型終端設備接入通信和數(shù)據協(xié)議不統(tǒng)一的問題，降低數(shù)據采集成本，提高數(shù)據采集效率，為數(shù)據分析和智能決策提供支撐，推動城市精細化、科學化治理具有指導意義。

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