物聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)系統(tǒng)綜合管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)開發(fā)

林凡　張秋鎮(zhèn)　楊峰

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)經(jīng)過飛速發(fā)展，各行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)終端及數(shù)據(jù)已逐漸實(shí)現(xiàn)上云上平臺(tái)的遷移與跨越，城市級(jí)物聯(lián)網(wǎng)已具備一定的規(guī)模，但由于目前大部分系統(tǒng)，一類終端均對(duì)應(yīng)一個(gè)管理平臺(tái)，導(dǎo)致管理平臺(tái)各種業(yè)務(wù)功能及單元模塊被多次重復(fù)開發(fā)，使得資源無法被有效復(fù)用，造成極大的浪費(fèi)。因此，文中提出一種物聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)系統(tǒng)綜合管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法，將異構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)終端統(tǒng)一接入到一個(gè)平臺(tái)中，結(jié)合大數(shù)據(jù)、AI、云計(jì)算與邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)不同規(guī)模、性質(zhì)與結(jié)構(gòu)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的綜合智能化管理。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);異構(gòu)系統(tǒng);管理平臺(tái);大數(shù)據(jù);云計(jì)算;AI

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）07-00-04

0 引 言

目前物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)在應(yīng)用管理平臺(tái)的開發(fā)設(shè)計(jì)方面基本采取煙囪式垂直開發(fā)模式，應(yīng)用平臺(tái)直接對(duì)接物聯(lián)網(wǎng)終端、獨(dú)立管理，終端業(yè)務(wù)產(chǎn)生的各項(xiàng)數(shù)據(jù)均由該管理平臺(tái)獨(dú)立掌握。煙囪化的應(yīng)用平臺(tái)初期開發(fā)效率較高，但長遠(yuǎn)發(fā)展可能面臨一些問題：不利于終端接入標(biāo)準(zhǔn)化，不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用需重復(fù)開發(fā)公用組件;數(shù)據(jù)分散，不同應(yīng)用業(yè)務(wù)無法聯(lián)動(dòng)，缺少統(tǒng)一的業(yè)務(wù)管理，用戶感知一致性差;平臺(tái)缺乏開放性，不利于商業(yè)模式多元化。為解決上述問題，需構(gòu)建面向水務(wù)、燃?xì)夂腿藛T等方面的大規(guī)模異構(gòu)系統(tǒng)綜合管理平臺(tái)，以提升水務(wù)、燃?xì)鈽I(yè)務(wù)的運(yùn)營安全，降低管網(wǎng)漏損率為主線，聯(lián)動(dòng)水務(wù)、燃?xì)夤芫W(wǎng)設(shè)備和人員數(shù)據(jù)，開展敏感區(qū)域/設(shè)備與敏感人群的監(jiān)控管理，通過大數(shù)據(jù)及人工智能的分析手段，做到基于物聯(lián)網(wǎng)管網(wǎng)安全運(yùn)營的實(shí)時(shí)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的綜合、智能化管理?；诖笠?guī)模異構(gòu)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，考慮采用模塊化架構(gòu)設(shè)計(jì)思想，構(gòu)建基于云計(jì)算的通用基礎(chǔ)設(shè)施模塊，通用大數(shù)據(jù)分析模塊，通用AI分析模塊，水務(wù)知識(shí)庫及管理模型，燃?xì)庵R(shí)庫及管理模型，人員管理知識(shí)庫及管理模型，構(gòu)建異構(gòu)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一接入管理模塊，構(gòu)建基于云計(jì)算與邊緣計(jì)算協(xié)同的計(jì)算架構(gòu)，提高系統(tǒng)運(yùn)營效率。

1 平臺(tái)總體架構(gòu)

平臺(tái)總體技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

（1）傳感層：通過部署各類傳感設(shè)備，獲取目標(biāo)對(duì)象的信息數(shù)據(jù)，形成對(duì)水務(wù)/燃?xì)夤芫W(wǎng)，敏感區(qū)域/設(shè)備，敏感人群的監(jiān)測(cè)信息的采集。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：作為連接傳感層和上層應(yīng)用的紐帶，通過傳輸網(wǎng)絡(luò)，將傳感層獲取的數(shù)據(jù)信息傳輸至上層應(yīng)用，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理。

（3）適配層：平臺(tái)支持多種協(xié)議適配方式，包括內(nèi)置協(xié)議、提供SDK接口、提供插件方式擴(kuò)展、提供設(shè)備協(xié)議模型等方式，對(duì)接入設(shè)備的應(yīng)用協(xié)議進(jìn)行解析。

（4）數(shù)據(jù)/設(shè)備管理：設(shè)備管理主要負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備的接入管理和協(xié)同管理，包括設(shè)備連接、資源目錄、設(shè)備解析、設(shè)備交互等從靜態(tài)信息到動(dòng)態(tài)連接的管理。數(shù)據(jù)管理主要完成對(duì)傳感設(shè)備所感知數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)、融合、轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理、分析、利用。

（5）數(shù)據(jù)層：匯聚至平臺(tái)的感知數(shù)據(jù)經(jīng)過處理、歸類，形成面向不同主題、不同業(yè)務(wù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)倉庫。

（6）服務(wù)層：提供業(yè)務(wù)、開發(fā)使能和數(shù)據(jù)、算法開放服務(wù)，構(gòu)建人工智能引擎，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析挖掘，形成知識(shí)庫和算法庫，為各類智慧應(yīng)用系統(tǒng)提供支撐。

（7）運(yùn)營支撐服務(wù)：實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)運(yùn)營的支撐，從應(yīng)用管理、告警中心、數(shù)據(jù)流通的確權(quán)到流量及計(jì)費(fèi)。

（8）安全保障：實(shí)現(xiàn)平臺(tái)開發(fā)能力安全、應(yīng)用和數(shù)據(jù)安全、服務(wù)器環(huán)境安全、網(wǎng)絡(luò)通信安全的功能。

（9）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：統(tǒng)一的設(shè)備接入標(biāo)準(zhǔn)、感知元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、感知信息資源目錄和感知數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)。

2 物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)架構(gòu)如圖2所示。

整個(gè)平臺(tái)按照微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)，分為設(shè)備接入/報(bào)文解析/告警/控制模塊，感知數(shù)據(jù)推送模塊、感知數(shù)據(jù)訂閱模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、管理服務(wù)、配置服務(wù)模塊。每個(gè)模塊都可以獨(dú)立部署，橫向擴(kuò)展，按需部署，模塊間采用RPC調(diào)用方式通信。接入采用Nginx作為TCP，HTTP負(fù)載均衡器。MQTT，CoAP，HTTP（s）均為插件方式實(shí)現(xiàn)，不需要時(shí)可以卸載，無需加載到JVM中運(yùn)行，減少服務(wù)器資源消耗。提供設(shè)備模型，用以描述感知設(shè)備的屬性及設(shè)備與平臺(tái)之間交換的數(shù)據(jù)報(bào)文指令或控制指令的結(jié)構(gòu)信息，以供用戶可以一種可配置的形式實(shí)現(xiàn)感知設(shè)備的接入、數(shù)據(jù)解析、存儲(chǔ)、報(bào)警觸發(fā)以及控制（反控）等功能操作，增強(qiáng)平臺(tái)的可擴(kuò)展性。無法使用設(shè)備模型定義的感知設(shè)備，可以通過系統(tǒng)的提供的插件方式來支持。感知設(shè)備接入可選國際標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)稱、非對(duì)稱加密方式。流量控制，對(duì)于接入的設(shè)備，可以限制每秒報(bào)文數(shù)、每秒流量數(shù)。對(duì)于超過限制的設(shè)備，及時(shí)斷開連接。對(duì)于單個(gè)報(bào)文，可以限制大小，如果單個(gè)報(bào)文超過設(shè)定值，及時(shí)斷開連接。

支持北向數(shù)據(jù)推送，支持對(duì)感知數(shù)據(jù)驗(yàn)簽以及通過國際標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)稱、非對(duì)稱加密方式對(duì)推送的感知數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

基于Serverless技術(shù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)異的擴(kuò)展性與低成本的可維護(hù)性。采用已有豐富技術(shù)積累的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫技術(shù)、已經(jīng)過充分的實(shí)踐驗(yàn)證的ESB服務(wù)總線技術(shù)作為底層核心，在此技術(shù)之上研發(fā)可部署于私有云環(huán)境下的Serverless框架。使用了BaaS技術(shù)架構(gòu)，將數(shù)據(jù)庫存取、單點(diǎn)登陸等系統(tǒng)常用功能悉數(shù)服務(wù)化，有效減少后期開發(fā)、運(yùn)維成本。其次平臺(tái)也突破性的自主實(shí)現(xiàn)了符合FaaS架構(gòu)的技術(shù)框架，不僅可以迅速提高后期的系統(tǒng)功能開發(fā)效率，還能夠大幅提升整個(gè)平臺(tái)的系統(tǒng)穩(wěn)定性，以其函數(shù)級(jí)的細(xì)粒度特性將系統(tǒng)耦合度降至最低。

該平臺(tái)主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)如下。

（1）無服務(wù)器架構(gòu)。汲取MSA微服務(wù)設(shè)計(jì)思想，基于Serverless技術(shù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

（2）函數(shù)即服務(wù)?？苫贔aaS技術(shù)框架開發(fā)、擴(kuò)展和維護(hù)系統(tǒng)功能。

（3）后端即服務(wù)?？苫贐aaS技術(shù)框架為開發(fā)者提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，存儲(chǔ)方式靈活支持使用SQL關(guān)系數(shù)據(jù)、NoSQL非關(guān)系數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)庫、時(shí)序數(shù)據(jù)庫。

（4）智能并網(wǎng)?？稍谙到y(tǒng)性能不足時(shí)新增FaaS，BaaS容器并注冊(cè)至平臺(tái)提升性能。

（5）智能退網(wǎng)。在某個(gè)FaaS、BaaS容器服務(wù)健康監(jiān)測(cè)信息低于閥值時(shí)，由系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行斷路退網(wǎng)操作，以確保整個(gè)系統(tǒng)的無障礙運(yùn)行。

（6）高性能 HUB。實(shí)現(xiàn)IoT設(shè)備與云端穩(wěn)定通信，支持?jǐn)U展任意標(biāo)準(zhǔn)、非標(biāo)通信協(xié)議以支持各類設(shè)備，通過云節(jié)點(diǎn)技術(shù)有效降低通信延遲。

（7）分布式管理。基于分布式技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供豐富的產(chǎn)品管理、分組管理、實(shí)例管理功能，并為每臺(tái)設(shè)備提供便捷的設(shè)備調(diào)試功能，快速排除終端故障。

（8）規(guī)則引擎。針對(duì)供水、燃?xì)獾阮I(lǐng)域的業(yè)務(wù)需求，深度定制數(shù)據(jù)的處理標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)務(wù)服務(wù)規(guī)則模式，顯著減少系統(tǒng)的維護(hù)成本。

（9）開放賦能。平臺(tái)采用Serverless技術(shù)架構(gòu)，基于FaaS框架構(gòu)建，可自定義API，靈活擴(kuò)展微服務(wù)與云函數(shù)接口，有效支撐大數(shù)據(jù)、人工智能等三方平臺(tái)。

3 基于云邊協(xié)同的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)架構(gòu)

基于云邊協(xié)同的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

感知終端部署到各行業(yè)現(xiàn)場，獲取目標(biāo)對(duì)象的信息數(shù)據(jù)，由各種傳感器、控制器和智能設(shè)備組成，其中涉及到自研設(shè)備主要是智能腕表、智能手機(jī)APP和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，智能手機(jī)APP通過配置適配行業(yè)要求，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與其他外部設(shè)備集成為各行業(yè)監(jiān)測(cè)終端。

通用平臺(tái)提供統(tǒng)一的設(shè)備接入、設(shè)備管理、設(shè)備服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)分析以及BIM和GIS服務(wù)，根據(jù)功能邊界劃分為大數(shù)據(jù)平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)、GIS&BIM平臺(tái)。

行業(yè)應(yīng)用基于通用平臺(tái)能力，采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)和控制現(xiàn)場設(shè)備，面向各行業(yè)領(lǐng)域以及專業(yè)方向提供應(yīng)用系統(tǒng)。

各個(gè)產(chǎn)品之間通過公共的接口、協(xié)議和數(shù)據(jù)模型進(jìn)行交互。傳感器以硬件接口連接到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，再通過通信接口連接到物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)，智能手機(jī)APP和智能腕表則直接通過通信接口連接到物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的上傳和控制指令的接收。物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)對(duì)外提供設(shè)備數(shù)據(jù)和感知數(shù)據(jù)，為行業(yè)應(yīng)用提供設(shè)備管理服務(wù)和反向控制服務(wù)。大數(shù)據(jù)平臺(tái)為行業(yè)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)和分析能力。GIS&BIM平臺(tái)為行業(yè)應(yīng)用提供呈現(xiàn)服務(wù)。

大數(shù)據(jù)平臺(tái)是智慧業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)的核心構(gòu)成部分，負(fù)責(zé)各行業(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、清洗、分析和人工智能服務(wù)，是智慧業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)的心臟，是通用型大數(shù)據(jù)平臺(tái)+面向垂直行業(yè)的數(shù)據(jù)分析服務(wù)引擎，具備分布式文件系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)挖掘、實(shí)時(shí)計(jì)算、離線分析和機(jī)器學(xué)習(xí)，為智慧水務(wù)、智慧人員管理等應(yīng)用提供專業(yè)化、自動(dòng)化、可視化的數(shù)據(jù)分析服務(wù)和人工智能服務(wù)。

大數(shù)據(jù)平臺(tái)是易用、高性能、高可靠性、高安全性的完整大數(shù)據(jù)解決方案，系統(tǒng)涵蓋大數(shù)據(jù)完整生命周期，從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)處理、運(yùn)維監(jiān)控、服務(wù)引擎。產(chǎn)品結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)需求，融合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等前沿技術(shù)，為行業(yè)提供專業(yè)化數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)。

4 結(jié) 語

本文旨在提供以智能終端監(jiān)控管理為支撐的面向大規(guī)模異構(gòu)系統(tǒng)的綜合管理平臺(tái)，在智慧水務(wù)、智慧燃?xì)?、人員個(gè)體智能化管理等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)示范應(yīng)用。未來，平臺(tái)將接入更多不同種類的物聯(lián)網(wǎng)終端，綜合運(yùn)用云平臺(tái)、分布式軟件、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、邊緣計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，研究大規(guī)模異構(gòu)系統(tǒng)的個(gè)體化數(shù)學(xué)建模方法、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、智能決策和信息管理核心技術(shù)。通過構(gòu)建大規(guī)模異構(gòu)系統(tǒng)的多目標(biāo)隨機(jī)優(yōu)化與決策模型，支撐異構(gòu)業(yè)務(wù)系統(tǒng)量化與非量化指標(biāo)的綜合科學(xué)決策，實(shí)現(xiàn)不同規(guī)模、性質(zhì)與結(jié)構(gòu)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的有效管理和監(jiān)控。

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