城市照明云平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)探討

宋宏偉，孫泉明，方 靖，俞 偉

（1.浙江大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310012； 2.浙江方大智控科技有限公司，浙江 杭州 310012；3.浙江理工大學(xué)，浙江 杭州 310018）

0 引言

作為智慧城市建設(shè)的重要組成部分， 以LED路燈+單燈智能控制為特點(diǎn)的智慧道路照明控制系統(tǒng)建設(shè)，已經(jīng)逐漸得到用戶認(rèn)可和日漸普及。但是在系統(tǒng)的建設(shè)、 運(yùn)維過程中也存在不少問題，如：智能控制方案各有所長，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，無法實(shí)現(xiàn)互換及互聯(lián)互通， 導(dǎo)致后期運(yùn)維被初始廠家綁定， 新廠家難以進(jìn)入老市場； 系統(tǒng)功能沒有擴(kuò)展性，難以接入新型設(shè)備，系統(tǒng)維護(hù)困難，導(dǎo)致維護(hù)工作量不降反增，達(dá)不到提高管理效率的目的。

針對以上問題，不少業(yè)主單位除了積極參與推動(dòng)智慧道路照明控制系統(tǒng)全鏈條相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定外，還根據(jù)自己的需求，提出了不少解決方案，包括自定通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口以實(shí)現(xiàn)互換性、平臺建設(shè)單獨(dú)招標(biāo)以保證對硬件設(shè)備的公平接入等。這些解決方案在一定程度上緩解了部分矛盾， 但是在實(shí)際操作過程中，離業(yè)主的期望還存在一定的距離。

1 標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)與推進(jìn)的困難

我們可以通過電子產(chǎn)品充電器接口標(biāo)準(zhǔn)的制定歷程，來看看一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)制定推廣的艱辛。

首先， 大量電子產(chǎn)品充電器規(guī)格不統(tǒng)一，設(shè)備更新過程中充電器浪費(fèi)嚴(yán)重。為了解決這個(gè)問題，國家有關(guān)部門很早就提出了充電器標(biāo)準(zhǔn)化以實(shí)現(xiàn)設(shè)備更新可不換充電器的目標(biāo)， 但是過程卻一波三折。

其次，直到2006 年，當(dāng)時(shí)的信息產(chǎn)業(yè)部才發(fā)布了“YD/T1591-2006”標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了充電器電壓轉(zhuǎn)換模塊和充電線之間的接口標(biāo)準(zhǔn)。但是對充電線和充電設(shè)備之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，卻因?yàn)榇罅康碾娮赢a(chǎn)品生產(chǎn)廠家無法取得共識而沒有涉及。

截至目前，在已經(jīng)淘汰了大量充電接口的情況下， 還是存在TYPE-C、Micro USB、Lightning 等事實(shí)接口標(biāo)準(zhǔn)， 電子產(chǎn)品銷售至少還得配一根充電線。 而第三方充電器供應(yīng)商，不得不做出很多“創(chuàng)新”來兼容這么多的充電接口。

從上述例子可以看出， 要研制推廣一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，既需要解決技術(shù)上的問題，還需要解決利益上的問題。 幾個(gè)專家?guī)状螘?huì)議編制一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)難度可想而知，利益方面的協(xié)調(diào)更是難上加難。 僅僅靠業(yè)主單位的有限力量來自定義一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其實(shí)并不是一個(gè)比較好的選擇。

2 物聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)的幾種形式分析

城市物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備具有海量、通信異構(gòu)及低速不可靠的特點(diǎn)。因此物聯(lián)網(wǎng)平臺的架構(gòu)，與互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)相比，有自己的特點(diǎn)。 下面是目前幾種物聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)的介紹。

2.1 傳統(tǒng)煙囪型架構(gòu)

傳統(tǒng)的煙囪型架構(gòu)如圖1 所示。早期的城市物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)基本上都是這種架構(gòu)，各個(gè)專項(xiàng)的管理系統(tǒng)像煙囪一樣，從設(shè)備層直達(dá)應(yīng)用層，部分系統(tǒng)也可以以最簡單的方式，對本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)做一個(gè)最基礎(chǔ)的共享。這樣建設(shè)的優(yōu)點(diǎn)是：便于分步建設(shè)，事實(shí)上目前絕大部分煙囪型的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，都是基于分管領(lǐng)域在不同時(shí)間內(nèi)陸續(xù)建設(shè)起來的； 協(xié)調(diào)簡單，建設(shè)時(shí)只要滿足本領(lǐng)域需求就可以，最多關(guān)注一下上級系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享要求，不需要關(guān)注橫向系統(tǒng)的相關(guān)專業(yè)知識以及數(shù)據(jù)共享需求。 該架構(gòu)的缺點(diǎn)是：大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)重復(fù)建設(shè)； 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)難以共享；專業(yè)領(lǐng)域封閉，容易形成后來者進(jìn)入壁壘。

養(yǎng)殖人員在整個(gè)龍蝦養(yǎng)殖過程中處于核心地位，大部分養(yǎng)殖工作都需要養(yǎng)殖人員去推進(jìn)，由此可見養(yǎng)殖工作人員的重要性。但是，結(jié)合我國稻田淡水龍蝦養(yǎng)殖的實(shí)際情況來看，養(yǎng)殖工作人員的整體素質(zhì)比較低，且大部分養(yǎng)殖工作人員年紀(jì)較大，接受新知識和新技術(shù)的能力較差，可以說非常不利于淡水龍蝦養(yǎng)殖技術(shù)的創(chuàng)新。隨著時(shí)代的發(fā)展與進(jìn)步，稻田淡水龍蝦的養(yǎng)殖不僅需要豐富的專業(yè)技能和知識，而且要了解很多其他行業(yè)的知識，這就對養(yǎng)殖人員提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。所以，提高相關(guān)養(yǎng)殖人員的素質(zhì)是促進(jìn)稻田淡水龍蝦養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

圖1 傳統(tǒng)煙囪型架構(gòu)系統(tǒng)框圖Figure 1 System block diagram of traditional chimney architecture

2.2 統(tǒng)一協(xié)議架構(gòu)

統(tǒng)一協(xié)議型架構(gòu)的系統(tǒng)框圖如圖2 所示。該類型的物聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)以統(tǒng)一設(shè)備接入?yún)f(xié)議為基礎(chǔ)，經(jīng)由接入層到達(dá)管理層進(jìn)行統(tǒng)一管理；針對專業(yè)化的管理需求，則在其上再架構(gòu)一層專項(xiàng)管理層。 該架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：建設(shè)成功以后，進(jìn)行不同系統(tǒng)、不同行業(yè)間的聯(lián)動(dòng)會(huì)比較方便；物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備從基礎(chǔ)上解決了互聯(lián)互通的問題。 該架構(gòu)的缺點(diǎn)是：建設(shè)前期需要充分理解各專項(xiàng)業(yè)務(wù)的概念和管理要求，協(xié)調(diào)任務(wù)艱巨；有些業(yè)務(wù)系統(tǒng)專業(yè)性非常強(qiáng)，通用化的建設(shè)滿足不了專業(yè)部門的使用要求，但是專項(xiàng)系統(tǒng)建設(shè)又可能欠缺更精細(xì)化的數(shù)據(jù)，增加這些數(shù)據(jù)還可能涉及到協(xié)議的更新和業(yè)務(wù)的理解；容易抹殺各專項(xiàng)系統(tǒng)積累的個(gè)性化特點(diǎn)。

圖2 統(tǒng)一協(xié)議型架構(gòu)的系統(tǒng)框圖Figure 2 System block diagram of unified protocol architecture

2.3 統(tǒng)一頂層架構(gòu)

統(tǒng)一頂層架構(gòu)的系統(tǒng)框圖如圖3 所示。該類型的物聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)通過接入層的適配，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)協(xié)議設(shè)備的統(tǒng)一管理， 并在其上架構(gòu)專業(yè)應(yīng)用層，部分關(guān)鍵操作及數(shù)據(jù)， 也可以直接與統(tǒng)一管理層交互。 該架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：建成后，不同系統(tǒng)、不同行業(yè)間的數(shù)據(jù)共享充分；關(guān)注于數(shù)據(jù)的集成應(yīng)用，通過大數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析， 可以極大提高城市管治水平。 但該架構(gòu)的缺點(diǎn)是：數(shù)據(jù)模型建設(shè)需要充分理解各專項(xiàng)業(yè)務(wù)的概念和管理要求， 協(xié)調(diào)任務(wù)艱巨；專注于連接，接口規(guī)范的專業(yè)性不足會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用系統(tǒng)接入不容易，滿足不了專業(yè)部門的要求。

圖3 統(tǒng)一頂層型系統(tǒng)框圖Figure 3 Block diagram of unified top-level system

3 基于物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一架構(gòu)下的城市照明云平臺建議框架

3.1 框架設(shè)計(jì)

城市照明云平臺作為一個(gè)專項(xiàng)平臺，需要對整個(gè)城市的道路照明、景觀亮化、智慧燈桿等設(shè)施進(jìn)行專業(yè)化的管理。 同時(shí)作為智慧城市大平臺的一個(gè)重要組成部分，它又需要和上級系統(tǒng)、安防、消防、停車等橫向系統(tǒng)以及第三方異構(gòu)軟硬件進(jìn)行集成。

根據(jù)業(yè)主單位的訴求， 并結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀， 我們整理了理想的城市照明云平臺建設(shè)框架，如圖4 所示。

圖4 城市照明云平臺建議框架Figure 4 Suggested framework for urban lighting cloud platform

該框架支持終端-網(wǎng)關(guān)-管理平臺兩級硬件一級軟件模式設(shè)備、終端-接入平臺-管理平臺一級硬件兩級軟件模式設(shè)備以及終端-管理平臺一級硬件一級軟件模式設(shè)備的接入，能通過SDK/API/MQTT方式接入第三方設(shè)備， 也能通過設(shè)備SDK 接口文件和軟件平臺API 接口文件與其他系統(tǒng)交互。

與該框架配套的部署框架如圖5 所示。 必要時(shí)，也可以部署成內(nèi)外網(wǎng)隔離模式。

圖5 城市照明云平臺硬件部署示意圖Figure 5 Schematic diagram of hardware deployment of urban lighting cloud platform

按照該部署框架，在系統(tǒng)小的時(shí)候，可以部署在一臺服務(wù)器上測試驗(yàn)證， 隨著系統(tǒng)投入使用，可以視需要進(jìn)行分拆部署。特別地，IoT 接入服務(wù)需保證單臺服務(wù)器5 萬IoT 設(shè)備的接入， 包括集控、網(wǎng)關(guān)、直連終端及其他需直接與接入服務(wù)器交互的智能終端設(shè)備。在這個(gè)框架體系下，WEB 層通過負(fù)載均衡來進(jìn)行擴(kuò)展，應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫層通過服務(wù)器集群來進(jìn)行擴(kuò)展，設(shè)備接入層則通過水平復(fù)制的方式進(jìn)行擴(kuò)展，以保證整個(gè)系統(tǒng)不少于200 萬個(gè)IoT 設(shè)備的接入。 系統(tǒng)盡可能采用通用、開源的底層支撐平臺，包括操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫，降低部署成本。

3.2 軟硬件集成方式

該平臺框架，可以通過以下幾種方式提供設(shè)備支持?jǐn)U展能力。

（1）設(shè)備廠商提供設(shè)備及管理系統(tǒng)，并提供符合平臺標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用接口

平臺建設(shè)方定義好基礎(chǔ)接入接口標(biāo)準(zhǔn)，并通過調(diào)用這些標(biāo)準(zhǔn)的接口來實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)功能及數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理；設(shè)備初始化、日常維護(hù)等瑣碎功能，則還是由設(shè)備廠商提供的管理系統(tǒng)完成。這個(gè)方案的好處是：平臺可以專注于核心功能的實(shí)現(xiàn)， 不必分心于各類不同設(shè)備的差異，并且也解耦了建設(shè)先后順序。平臺建成后，新設(shè)備供應(yīng)商，只要提供符合標(biāo)準(zhǔn)的接口，就可以順利集成應(yīng)用。 這種方案，比較符合當(dāng)前實(shí)際。

（2）設(shè)備廠商提供設(shè)備/系統(tǒng)及調(diào)用接口，由平臺廠商負(fù)責(zé)接入

該方案在平臺建設(shè)期間一般不會(huì)有大問題，主要問題在兩個(gè)方面：一是所有功能都需要平臺廠商實(shí)現(xiàn)，相對工作量是比較大的，如果平臺廠商僅熟悉軟件開發(fā)，對行業(yè)了解不深，就會(huì)造成比較大的隱患；二是平臺廠商撤場后，對接新產(chǎn)品就成為了難題。

（3）業(yè)主自定標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議

該方案，業(yè)主保留了最大的控制權(quán)，同時(shí)也承擔(dān)了最大的變更責(zé)任，同時(shí)很可能抹殺專業(yè)廠商很多特色功能。另外，該方案對供應(yīng)商來說是非標(biāo)品，運(yùn)維期的支持會(huì)成為比較大的問題。 因此該方案看起來很美好，但是單個(gè)業(yè)主推動(dòng)的可行性比較差，建議業(yè)界共同努力， 力爭盡早推出國家級的標(biāo)準(zhǔn)供大家統(tǒng)一采用，徹底解決互換性和互聯(lián)互通的問題。

4 結(jié)語

歐洲等地的照明系統(tǒng)，包括硬件和軟件，關(guān)注重點(diǎn)和國內(nèi)略有不同，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：道路照明線路基本上24 小時(shí)不斷電， 功能重點(diǎn)關(guān)注自動(dòng)開關(guān)燈和信息上傳，不關(guān)注主動(dòng)開關(guān)控制；管理平臺以大平臺為主，兼容各家硬件。

隨著國內(nèi)市場的成熟，城市照明管理平臺的集中化、集成化，應(yīng)該也是個(gè)趨勢，而按照目前的現(xiàn)狀，一步到位統(tǒng)一協(xié)議又暫時(shí)看不到前景。 因此業(yè)主和行業(yè)可以考慮從以下幾個(gè)方面逐步推進(jìn)：建設(shè)完備的數(shù)據(jù)上傳下行接口， 成為智慧城市/城市大腦/智慧城管的有機(jī)分子； 搭建類似MQTT 服務(wù)器之類中介，并利用交付給業(yè)主的工具軟件來定義平臺與MQTT 之間的交互數(shù)據(jù)方案，設(shè)備廠商則負(fù)責(zé)保證設(shè)備或設(shè)備管理系統(tǒng)正確與MQTT 服務(wù)器交互，進(jìn)一步解耦平臺和設(shè)備廠商；開發(fā)完善的數(shù)據(jù)分析模型，利用大屏進(jìn)行監(jiān)控中心業(yè)務(wù)值守。