物聯(lián)網(wǎng)技術在城市智能建筑中的應用研究

白 旭

(上海外高橋集團股份有限公司森蘭置地分公司 上海 200120)

引言

時至今日，物聯(lián)網(wǎng)的應用領域越來越廣，在諸如智能家居、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領域得到了廣泛應用，都取得了很好的示范性效果。在國家十三五計劃中，物聯(lián)網(wǎng)技術是國家重點發(fā)展技術核心，國家出臺了相關扶持政策對其進行了大力的支持，未來物聯(lián)網(wǎng)技術可能成為我國重點經(jīng)濟發(fā)展的潛在推動力量。森蘭(即東溝楔形綠地)位于浦東新區(qū)東北部，是2035規(guī)劃中上海北部新市鎮(zhèn)的核心區(qū)域，也是上海市政府規(guī)劃的八大楔形綠地之一，其不僅僅在區(qū)域上承擔著城市重要綠地生態(tài)的作用，還是居民文化和休閑的重要依附板塊，所以該板塊的相應建筑需要具備智能化和未來化。智能建筑作為智慧城市最基本的單元，借助于物聯(lián)網(wǎng)，可以有效的推進智慧城市的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)使智能建筑的各個子系統(tǒng)變的“智能”起來，各系統(tǒng)根據(jù)使用者的需求，相應的功能及服務可自由地增減，將“智能建筑”變成“智慧建筑”，實現(xiàn)“管、控、營”一體化，構建智慧城市。

森蘭物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工程設計以“統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實施、集中管理”為核心設計方針。建設可視化展示及管理平臺。主要分為以下幾個方面：(1)建設區(qū)域全覆蓋的低功耗物聯(lián)專網(wǎng)。(2)建設一個面向智能應用的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺。(3)形成多種商業(yè)和社會服務模式。(4)最終形成的園區(qū)智聯(lián)數(shù)據(jù)平臺統(tǒng)一接口，數(shù)據(jù)分析，消除信息孤島實現(xiàn)與各部門對接互聯(lián)。森蘭物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺按照功能主要由物聯(lián)傳感器管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)、智慧城市基礎管理平臺、信息資源目錄、移動應用系統(tǒng)、物聯(lián)事件處置系統(tǒng)、業(yè)務安全系統(tǒng)等幾部分組成。

一、森蘭物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體智能架構

森蘭物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工程的數(shù)字系統(tǒng)是基于數(shù)字識別、自動感知、網(wǎng)絡鏈接、普惠計算、智能控制平臺、信息技術服務體系和城市信息空間模型,建立一個城市與物理在數(shù)字空間匹配相應的數(shù)字城市,運用全息建模技術、動態(tài)監(jiān)測和實時診斷城市狀態(tài)，準確預測城市物理實體在真實環(huán)境,促進城市全要素的數(shù)字化和虛擬化，實現(xiàn)全狀態(tài)實時協(xié)同智能可視化，實現(xiàn)城市運行管理可控化，實現(xiàn)實體城市與數(shù)字城市的協(xié)同交互并行運行。平臺的建設依賴于以云計算和端端為主的技術生態(tài)系統(tǒng)，端端形成社區(qū)的全域感知，并對社區(qū)運行標志進行深度描述。網(wǎng)絡端形成了無處不在的高速網(wǎng)絡，提供了以毫秒為單位的雙向數(shù)據(jù)傳輸能力，為智能交互奠定了基礎。在云端，形成包容性智能計算，實現(xiàn)大范圍、多尺度、長周期、智能化的社區(qū)消防風險識別和風險能力評估、預警和防控決策與控制的作用，如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體架構圖

信息平臺主要由大數(shù)據(jù)管理技術、真三維快速可視化分析技術、多元時空一體化技術三部分組成，構建了私有云的應用架構，主要實現(xiàn)系統(tǒng)整體擴展和管理靈活化，模塊間數(shù)據(jù)可以及時共享交換，底層資源集中管理，靈活提供給上層進行使用。具體如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)層級示意圖

二、森蘭物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心設計實施

(一)大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

森蘭物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是需要收集和處理許多城市數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，由于城市級三維數(shù)據(jù)具有多尺度和海量等豐富的特點。數(shù)據(jù)類型復雜，并且數(shù)據(jù)量巨大。其中典型的三維城市數(shù)據(jù)具有多尺度尺度(如1:500、1:2000等)和多時間尺度(如2000-2010年的遙感影像數(shù)據(jù))的特征。系統(tǒng)利用GIS“云”技術,使獨立的數(shù)據(jù)管理的功能層,這些來自不同服務器和不同尺度,不同格式的數(shù)據(jù)處理、加工和管理作為服務系統(tǒng)的整個工作過程,形成了集成的數(shù)據(jù)和軟件,由桌面、移動、網(wǎng)絡側各種應用系統(tǒng)以一種更友好的方式,效率高、成本低、容易使用地理信息資源,為了實現(xiàn)資源的最大化利用，改變了傳統(tǒng)的GIS應用和建設模式。

“云GIS”技術可以集成不同尺度、不同類型的基礎空間數(shù)據(jù)的存儲、管理和調(diào)度。主要內(nèi)容如下:

(1)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)管理功能分離為數(shù)據(jù)管理功能層，數(shù)據(jù)管理功能層與系統(tǒng)其他層(如應用支持層等)邏輯分離，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)訪問的設備獨立性、位置獨立性;

(2)采用文件系統(tǒng)存儲3D顯示數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)調(diào)度的響應速度。采用圖像金字塔和JPEG對遙感影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)進行組織和存儲。將屬性數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，以滿足屬性數(shù)據(jù)多樣性豐富、維護更新頻繁的管理需求?？臻g數(shù)據(jù)由二維GIS空間數(shù)據(jù)引擎存儲，以滿足矢量分析和查詢的需要。屬性數(shù)據(jù)通過關鍵詞與空間數(shù)據(jù)關聯(lián)，實現(xiàn)功能和管理的相對獨立性?？臻g數(shù)據(jù)和三維顯示數(shù)據(jù)通過關鍵詞進行關聯(lián)。

(3)基于平鋪金字塔技術，編制發(fā)布的地圖圖像數(shù)據(jù)可以形成海量的小文件集，每個文件的平均大小在100K左右。系統(tǒng)以Linux文件系統(tǒng)格式存儲這些文件。這樣，系統(tǒng)的運行效率和成本都優(yōu)于數(shù)據(jù)庫模式，小文件、大目錄樹和低CPU消耗的綜合效率都高于Windows文件系統(tǒng)，具有更高的穩(wěn)定性和安全性。

(二)真三維快速可視化分析系統(tǒng)

由于城市真實三維模型中數(shù)據(jù)量大，傳統(tǒng)的三維繪制技術很難繪制出如此大的三維場景。在傳統(tǒng)三維模型數(shù)據(jù)可視化技術的基礎上,優(yōu)化算法和創(chuàng)新,結合實時數(shù)據(jù)塊切割算法,四叉樹結構的細節(jié)層次(LOD)模型和數(shù)據(jù)動態(tài)加載技術,可以快速顯示和分析大量的真實的3d數(shù)據(jù),人們接近自然的表現(xiàn)觀察有豐富的幾何細節(jié)和照片紋理的三維城市模型,隨著對現(xiàn)實世界的接近，視覺體驗和空間感知。

(1)實時塊裁剪算法的數(shù)據(jù)裁剪技術:該技術在圖形管道的前期去除不可見的多邊形，避免對場景中不可見部分進行不必要的處理。其核心理念是:首先使用的障礙物(根據(jù)視圖移動選擇的先驗知識,如沿街流浪街頭大樓附近,可以作為避難所)簡單的可見性測試,以確定的一些場景(空間凸包的范圍,即層次邊界框)的全部或部分陰影,然后把所有的大型住所附近瞬時角度識別預處理,然后重復一個層次結構的可見性測試,以確保盡可能對動態(tài)塊目標陣列的視點附近進行處理，如圖3所示。該方法利用KD樹對多邊形數(shù)據(jù)進行組織，充分利用了空間相干性，同時緩存了跨視點和大型遮擋對象的遮擋關系，并在視點移動過程中充分利用了時間相干性。因此，實時處理城市三維景觀具有很高的效率。

圖3 云GIS的應用模式

圖4 透視顯示之數(shù)據(jù)裁剪

(2)四叉樹基于結構的多分辨率LOD技術:采用一個簡化與視圖相關的LOD方法選擇合理的位置和方向的multi-resolution-based地圖表示從一個高的角度詳細地從周圍的地形,和地區(qū)遠離的觀點是一個粗略的細節(jié)。通過四叉樹的分割可以提高渲染率，即將地形劃分為不同大小的塊，近視點較大，遠視點較小。渲染不同大小的塊，實現(xiàn)不同細節(jié)層次的LOD渲染，有效簡化和控制場景的數(shù)據(jù)復雜度。該方法對原始地圖數(shù)據(jù)進行了三個階段的處理:原始柵格數(shù)據(jù)→中間結果數(shù)據(jù)→打包結果數(shù)據(jù)。在從原始數(shù)據(jù)生成中間數(shù)據(jù)的過程中，需要設置投影參數(shù)和處理級別，然后修改中間數(shù)據(jù)，主要通過復選框和設置融合背景數(shù)據(jù)。最后對修改后的中間數(shù)據(jù)進行打包，生成系統(tǒng)加載的包數(shù)據(jù)格式。具體處理流程圖如圖5所示：

圖5 數(shù)據(jù)處理流程圖

(3)動態(tài)數(shù)據(jù)加載技術:采用基于數(shù)據(jù)分層、塊化和數(shù)據(jù)頁面動態(tài)更新的算法，實現(xiàn)多層、大尺度城市場景的實時繪制。同時,減少“延遲”,使用多線程機制,充分利用計算機的CPU資源,促進更新數(shù)據(jù)從硬盤讀取到內(nèi)存中根據(jù)角度的方向趨勢運動過程中水平和垂直細節(jié)水平過渡,然后意識到實際內(nèi)存中數(shù)據(jù)更新，如圖6所示：

圖6 塊狀數(shù)據(jù)處理示意圖

三、森蘭物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應用實例

(一)北塊綠地部分網(wǎng)絡鏈路應用實例

實現(xiàn)北塊綠地信號覆蓋率達到95%以上，物聯(lián)終端接入能力不小于1萬個，LORA物聯(lián)網(wǎng)負責傳輸各前端無線傳感器的數(shù)據(jù)傳輸及上傳。室外LoRa基站采用新建原則進行布站，網(wǎng)關功放采用天線口輸出100mW配置為主，可根據(jù)需求適當增減。

Okumura-Hata傳播模型

L=69.55+26.161gf(MHz)-13.821ghb(m)-a(hm)dB+(44.9-6.551ghb(m))logd(km)+Cce11

f：頻率

L：路徑損耗

d(km)：收、發(fā)天線之間的距離

hb(m)：基站天線有效高度

a(hm)：終端天線的校正因子

Cce11：園區(qū)類型矯正因子

a(hm)(dB)的計算

——中小城市

a(hm)(dB)=(1.1lgf(MHz)-0.7)hm-(1.56lgf(MHz))-0.8

——大城市、郊區(qū)、農(nóng)村

a(hm)(dB)=8.29(lg1.54hm)2-1.1,f≤300MHzz

a(hm)(dB)=3.2(lg11.75hm)2-4.97,f≥300MHzz

Cce11的計算

根據(jù)上表，計算公式可化簡為

表1 化簡后的Hata計算公式

覆蓋規(guī)模估算和仿真分析

本期工程場景劃分按照密集市區(qū)。站點規(guī)模由于庭安路綠地+北片綠地內(nèi)樓宇較少且建筑物高度偏低，本次規(guī)劃5個物聯(lián)網(wǎng)站點，站點位置如下圖所示：

圖7 現(xiàn)場衛(wèi)星圖

鏈路預算是在理想情況下得到的基站建站數(shù)量，未考慮地形、地貌、建筑分布等因素。為得到更為精確的建站規(guī)模，需引入仿真軟件。本次規(guī)劃采用了分辨率為5m的上海高精度仿真地圖，能精確模擬各種地形對無線信號造成的影響。通過仿真軟件的輔助，調(diào)整規(guī)劃站點布局及規(guī)模，本次庭安路綠地+北片綠地LoRa物聯(lián)網(wǎng)基站規(guī)劃5個基站，仿真覆蓋率達到98.58%，滿足規(guī)劃目標，但實際覆蓋結果仍需取決于實際獲取站點的偏離。

(二)多元時空一體化系統(tǒng)集成與管理

就目前而言，二維GIS和三維GIS具有各自的優(yōu)勢和不足，將長期共存。如何把兩者有機地結合起來，最大化地發(fā)揮二、三維的優(yōu)勢，是人們一直關心的問題。當前有一些系統(tǒng)，能夠同時顯示二維和三維的信息，但實際上貌合神離，是一種簡單的系統(tǒng)集成，數(shù)據(jù)、表現(xiàn)形式、功能本質(zhì)上都是相互獨立的。本系統(tǒng)基于先進的GIS內(nèi)核技術，將二維和三維統(tǒng)一到一個真實的地理空間(球面空間)中，真正實現(xiàn)了二三維的有機結合。圖8展示了二、三維管線空間數(shù)據(jù)融合的處理流程:

圖8 現(xiàn)場仿真示意圖

圖9 空間管理流程圖

本系統(tǒng)二、三維一體化的實現(xiàn)路線具體表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)地理空間一體化。系統(tǒng)實現(xiàn)了地上和地下、室內(nèi)與室外、地面與地上實體、地質(zhì)層與地下實體等在地理空間上的一體化，支持對各類數(shù)據(jù)的無縫瀏覽，使用戶的視覺感官趨于完整。將二維和三維信息統(tǒng)一到球面這個真實的地理環(huán)境去，將所有的數(shù)據(jù)都轉換為真實的地理空間坐標進行發(fā)布。(2)空間與時間一體化。系統(tǒng)針對目前地理信息平臺多在空間上割裂和時間維缺乏的現(xiàn)狀，提出了多元時空一體化技術體系，實現(xiàn)了DEM、DOM、Model等的歷史數(shù)據(jù)管理，支持以時間軸或多屏方式進行歷史數(shù)據(jù)比對與分析?；诳臻g數(shù)據(jù)庫的歷史版本，平臺可以承載時間維信息，實現(xiàn)了空間與時間一體化。(3)查詢和分析的集成。三維、二維集成空間分析和算法引擎使用，大部分二維查詢(包括屬性查詢、空間查詢)、分析功能都可以用于三維系統(tǒng)，同時，三維系統(tǒng)還將提供淹沒分析、三維計算等真實的三維分析功能。

利用平臺一體化技術，將真實的三維世界精準地、高效地、開放地濃縮在平臺中，有效解決了空間割裂和時間維缺乏問題。系統(tǒng)在技術上堅持數(shù)據(jù)、管理、服務與應用相分離的架構原則，利用“云GIS”技術構建私有云應用體系結構，建立靈活的預制擴展機制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、共享、融合、交換和與其他業(yè)務應用系統(tǒng)的集成。系統(tǒng)的技術架構被劃分為五層:工具集、系統(tǒng)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)服務、業(yè)務應用程序和客戶端。通過建立貫穿整個體系和保障體系的不同層次的標準和規(guī)范，使這五個層次相互聯(lián)系，形成一個有機的整體。

(三)數(shù)據(jù)分析與應用

數(shù)據(jù)中心是基于規(guī)范的數(shù)據(jù)資源的元數(shù)據(jù)描述,根據(jù)特定的一組信息分類和編碼,一個術語用來描述不同的數(shù)據(jù)資源的特點,為了方便數(shù)據(jù)檢索資源,位置和訪問,是實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享和業(yè)務協(xié)作和開放的基礎上,通過信息壁壘,實現(xiàn)信息共享和公共數(shù)據(jù)的基礎。它包括數(shù)據(jù)資源的分類、元數(shù)據(jù)的描述、代碼的規(guī)劃和編目，以及相關工作的組織、過程、需求等方面。

根據(jù)數(shù)據(jù)源類型，數(shù)據(jù)資源可分為物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)建數(shù)據(jù)、校園存量數(shù)據(jù)和社會開放數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)創(chuàng)建:物聯(lián)網(wǎng)傳感器終端采集的實時數(shù)據(jù)通過各種網(wǎng)絡匯聚到管理平臺。園區(qū)盤存政務數(shù)據(jù):盤存政務系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)是在各個政務系統(tǒng)建成建設后的日常管理和服務過程中產(chǎn)生的，存在于各個政務系統(tǒng)中。社會公開數(shù)據(jù):指通過互聯(lián)網(wǎng)上公開渠道或通過數(shù)據(jù)交易獲得的數(shù)據(jù)。根據(jù)再處理的特點，將原始數(shù)據(jù)到最終應用于目標的數(shù)據(jù)資源分為原始數(shù)據(jù)、半處理數(shù)據(jù)和完全處理數(shù)據(jù)。

圖10 數(shù)據(jù)加工示意圖

數(shù)據(jù)交換平臺是一組信息分類和編碼根據(jù)某種分類方法根據(jù)元數(shù)據(jù)的描述,它是用來描述每個數(shù)據(jù)資源的特點,以方便檢索,位置和采集的數(shù)據(jù)資源。

四、結語

森蘭(即東溝楔形綠地)位于浦東新區(qū)東北部，是2035規(guī)劃中上海北部新市鎮(zhèn)的核心區(qū)域。物聯(lián)網(wǎng)作為計算機技術的衍生產(chǎn)品，與生產(chǎn)和經(jīng)濟的各方各面聯(lián)系緊密。本文以森蘭為例，分析了物聯(lián)網(wǎng)和智能建筑行業(yè)結合的可能性，對物聯(lián)網(wǎng)在智能建筑方面依托于大數(shù)據(jù)和可視化技術的實際應用。森蘭物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工程的數(shù)字系統(tǒng)是基于數(shù)字識別、自動感知、網(wǎng)絡鏈接、普惠計算、智能控制平臺、信息技術服務體系和城市信息空間模型,建立一個城市與物理在數(shù)字空間匹配相應的數(shù)字城市,運用全息建模技術、動態(tài)監(jiān)測和實時診斷城市狀態(tài)，準確預測城市物理實體在真實環(huán)境,促進城市全要素的數(shù)字化和虛擬化，實現(xiàn)全狀態(tài)實時協(xié)同智能可視化，實現(xiàn)城市運行管理可控化。通過本文的分析以期為物聯(lián)網(wǎng)技術在智能化建筑方面的應用提供良好的范例。