智慧城市與智能建筑物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

文｜清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 張公忠

近兩年，國(guó)內(nèi)有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用逐漸增多。從國(guó)家層面的立法，政府有關(guān)部門的指導(dǎo)，各省市和有關(guān)行業(yè)的研討、演講和規(guī)劃，應(yīng)用體系架構(gòu)與相關(guān)導(dǎo)則的制定，到隨后各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品以及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)成功案例的不斷推出，表明了中國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用已走上快車道，自主的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈正在快速、穩(wěn)步成長(zhǎng)。

根據(jù)新華社2011年10月發(fā)布的《2010-2011年中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展年度報(bào)告》，未來(lái)5年，全球物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)將呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。保守預(yù)計(jì)，到2015年，中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將實(shí)現(xiàn)5000多億元的規(guī)模，年均增長(zhǎng)率為11%左右。

1 智能建筑業(yè)界的問題

（1）在近兩年物聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用的推進(jìn)過(guò)程中，為什么要構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)？真實(shí)的智能建筑物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是怎樣的架構(gòu)？包括哪些必要的組成部分？怎樣研發(fā)智能建筑物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品？集成商如何構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等一系列問題產(chǎn)生了。

（2）近半年來(lái)，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用的浪潮，建設(shè)智慧城市又成為其后的熱點(diǎn)。那么智慧城市是何物？怎樣發(fā)展過(guò)來(lái)的？物聯(lián)網(wǎng)與智慧城市有怎樣的關(guān)系？智能建筑物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用如何促進(jìn)智慧城市的發(fā)展等一系列問題又在業(yè)界產(chǎn)生了。

2 關(guān)于智慧城市

2.1 城市信息化建設(shè)發(fā)展歷程

隨著IT技術(shù)和應(yīng)用的飛速發(fā)展，城市信息化的浪潮不斷推進(jìn)，人們生活、工作、學(xué)習(xí)，企業(yè)經(jīng)營(yíng)，行業(yè)發(fā)展，市政管理等活動(dòng)從基礎(chǔ)信息孤島邁向城市和全國(guó)。特別是在近20年，城市信息化建設(shè)的發(fā)展可以概括為早期城市信息化、數(shù)字城市和智慧城市三個(gè)階段。

2.1.1 早期城市信息化階段

20世紀(jì)90年代中上期，在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的技術(shù)和應(yīng)用急劇發(fā)展的情況下，國(guó)內(nèi)的北京、上海、深圳等一些大城市先后著手城市信息化建設(shè)。由于受到當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，例如：普遍使用的廣域網(wǎng)只是傳輸速率很低的電話網(wǎng)和分組交換網(wǎng)；局域網(wǎng)上的傳輸速率也只在100Mbps以下；且無(wú)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，只能隨著幾個(gè)廠商特定的規(guī)程和結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，阻礙了較大范圍內(nèi)的集成和應(yīng)用。因此，本階段的城市信息化的功能是很弱的，只能滿足城市政務(wù)部門和企事業(yè)單位的管理信息和辦公自動(dòng)化的需求。

2.1.2 數(shù)字城市階段

20世紀(jì)90年代中后期，IT進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)模式時(shí)代，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議成為主流，完全取代了各個(gè)廠家特定的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。特別邁入21世紀(jì)后，統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用協(xié)議和成熟與不斷發(fā)展的B/S訪問模式，光纖網(wǎng)的建設(shè)和千兆位傳輸率網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)等技術(shù)和設(shè)施給予更強(qiáng)功能的城市信息化建設(shè)提供了必要條件。

當(dāng)克林頓入主白宮后，為了振興美國(guó)經(jīng)濟(jì)，美國(guó)副總統(tǒng)戈?duì)栍?998年初提出了“數(shù)字地球”的概念。隨即1999年11月，在北京召開了首屆國(guó)際“數(shù)字地球”大會(huì)?！皵?shù)字中國(guó)”、“數(shù)字省”、“數(shù)字城市”、“數(shù)字化社區(qū)”等建設(shè)在中國(guó)拉開了序幕。

許多省、市把它作為“十五”經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要戰(zhàn)略來(lái)抓，數(shù)字城市的立項(xiàng)更是如火如荼。2000年5月，中國(guó)近百名市長(zhǎng)與百名IT精英企業(yè)聚首“二十一世紀(jì)數(shù)字城市論壇”，共商推動(dòng)中國(guó)城市數(shù)字化進(jìn)程大計(jì)。近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)已有百余個(gè)城市宣布要建設(shè)“數(shù)字城市”，目前已初見成效。

“數(shù)字城市”是對(duì)城市發(fā)展方向的一種描述，是指數(shù)字、網(wǎng)絡(luò)、多媒體、3S（GIS/GPS/IS）等技術(shù)滲透到城市管理、企業(yè)經(jīng)營(yíng)、文化教育、生活等各個(gè)方面。

2.1.3 智慧城市階段

2005年，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布物聯(lián)網(wǎng)報(bào)告，正式宣告物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的來(lái)臨。2006年，我國(guó)在中長(zhǎng)期2006～2015年的科技發(fā)展規(guī)劃中，列入物聯(lián)網(wǎng)課題的研究。

2009年初，在奧巴馬與美國(guó)工商業(yè)領(lǐng)袖舉行的會(huì)議上，IBM首席執(zhí)行官彭明盛首次提出“智慧地球”的概念。

2009年下旬，溫總理多次講話強(qiáng)調(diào)發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的重要性，物聯(lián)網(wǎng)被列為國(guó)家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。2010年有關(guān)行業(yè)和部委相繼舉行了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用高峰論壇，

2011年國(guó)內(nèi)幾乎所有大城市均建立了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中心或相應(yīng)機(jī)構(gòu)；特別是2011年下半年來(lái)，各個(gè)大城市相繼舉行了有關(guān)“物聯(lián)網(wǎng)與智慧城市”為主題的高峰論壇。目前，國(guó)內(nèi)已有近400個(gè)城市規(guī)劃建設(shè)“智慧城市”。

可以認(rèn)為，智慧城市發(fā)展的技術(shù)背景是：繼互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在數(shù)字城市建設(shè)的局面的全面展開后，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用對(duì)建設(shè)智慧城市是決定性的。此外，包括萬(wàn)兆以上的寬帶網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、三網(wǎng)融合等其他信息通信技術(shù)ICT的應(yīng)用也是必不可少的。特別是數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和各級(jí)云計(jì)算的應(yīng)用為智慧城市提供了不可缺少的資源共享和公共服務(wù)。業(yè)界有說(shuō)：在技術(shù)上，智慧城市=（互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)）應(yīng)用+云計(jì)算服務(wù)。

2.2 智慧城市與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

國(guó)家十二五規(guī)劃中物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用鎖定智能電網(wǎng)、智能交通、智能物流、智能家居、智能環(huán)保、智能安防、智能工業(yè)、智能醫(yī)療、智能農(nóng)牧業(yè)和國(guó)防軍事十大應(yīng)用領(lǐng)域。除國(guó)防軍事領(lǐng)域外，智慧城市覆蓋了其他所有領(lǐng)域。

當(dāng)前各個(gè)城市的智慧城市規(guī)劃可以概括五個(gè)方面：

（1）市政：包括智能政務(wù)、智能安防、智能交通、智能城管等。

（2）企業(yè)：包括智能工業(yè)、智能物流等。

（3）民生：智能農(nóng)牧業(yè)、智能醫(yī)療保健、智能社區(qū)、智能文化教育等。

（4）節(jié)能環(huán)保：智能電網(wǎng)、智能供水、智能供熱、智能供燃?xì)狻⒅悄墉h(huán)保等。

（5）信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)：數(shù)據(jù)中心、信息高速公路、三網(wǎng)融合等。

而建筑智能化技術(shù)均涉及智慧城市的各個(gè)方面，而像智能社區(qū)、智能安防等本來(lái)就是智能建筑的重要組成部分。

3 關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的一些重要問題

3.1 物聯(lián)網(wǎng)的核心價(jià)值

近十余年來(lái)，繼互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用全面展開后，在三化（工業(yè)化、信息化、城市化）的推動(dòng)下，有關(guān)傳感/執(zhí)行系統(tǒng)的應(yīng)用迅速發(fā)展，要求其應(yīng)用和運(yùn)行的環(huán)境從信息孤島走向“群”和“遠(yuǎn)”的環(huán)境。不僅在基層，更重要的在“群”和“遠(yuǎn)”的應(yīng)用環(huán)境（園區(qū)、城市、全行業(yè)、全國(guó)、全球）中，實(shí)現(xiàn)傳感/執(zhí)行信息以下三方面的應(yīng)用：

（1）感知應(yīng)用。

（2）傳輸、存儲(chǔ)、管理和監(jiān)控。

（3）資源共享與公共服務(wù)。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)的主要目標(biāo)與業(yè)務(wù)模式

物聯(lián)網(wǎng)是建立在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議平臺(tái)上的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)，其主要目標(biāo)是構(gòu)建智慧城市和強(qiáng)化國(guó)家安全。構(gòu)建智慧城市充分發(fā)揮了物聯(lián)網(wǎng)的核心價(jià)值，也決定了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的業(yè)務(wù)模式。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)模式包括以下兩類：

（1）物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用集成MAI（Machine to machine Application Integration）。

（2）物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)服務(wù)MaaS（Machine to machine as a Service）。

MAI是基礎(chǔ)，包括了基層和行業(yè)的集成；MaaS是MAI的擴(kuò)展，在基層和行業(yè)集成的基礎(chǔ)上，并與云計(jì)算服務(wù)進(jìn)一步融合后，實(shí)現(xiàn)了全行業(yè)以及智慧城市的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用運(yùn)營(yíng)服務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)模式的發(fā)展反映了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展過(guò)程，物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了產(chǎn)品廠商在智慧城市的大市場(chǎng)中逐漸發(fā)展成為系統(tǒng)集成商，繼而進(jìn)一步成長(zhǎng)為服務(wù)運(yùn)營(yíng)商，國(guó)外已有較多先例。目前國(guó)內(nèi)已有多家產(chǎn)品廠商、系統(tǒng)集成商與電信運(yùn)營(yíng)商合作開展智慧城市物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行服務(wù)MaaS的研發(fā)和應(yīng)用，已經(jīng)獲得了很好的效益。

例如：北京和上海有幾家研發(fā)有源RIFD設(shè)備的企業(yè)，近兩年來(lái)在城市各個(gè)領(lǐng)域（包括市政設(shè)施、交通、安全、社區(qū)等）越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，這些企業(yè)不僅提供了感知產(chǎn)品，在物聯(lián)網(wǎng)工程中又是系統(tǒng)集成商；并與通信運(yùn)營(yíng)商合作后，成為智慧城市物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的運(yùn)營(yíng)服務(wù)商。企業(yè)在智慧城市的大市場(chǎng)中經(jīng)歷了兩種業(yè)務(wù)模式的轉(zhuǎn)變和融合，企業(yè)獲得迅速發(fā)展。

在智慧城市的規(guī)劃中，首先必須規(guī)范物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行服務(wù)模式MaaS，然后再規(guī)范應(yīng)用集成模式MAI，這樣才能順利地實(shí)現(xiàn)智慧行業(yè)和智慧城市的大集成。

3.3 智能建筑物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系架構(gòu)

3.3.1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系架構(gòu)

2010年底，由工信部主管的國(guó)家物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合工作組推出了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系架構(gòu)，如圖1所示。這個(gè)體系架構(gòu)綜合了當(dāng)前國(guó)內(nèi)各行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的各種合理的架構(gòu)，具有實(shí)用和普遍意義。

3.3.2 智能建筑的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系架構(gòu)

對(duì)于智能建筑的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系架構(gòu)，在圖1的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化和變更。說(shuō)明如下：

（1）建筑智能化系統(tǒng)包括了常規(guī)和專業(yè)應(yīng)用兩部分，如圖2所示。所有的建筑物基本上都要配置常規(guī)部分，常規(guī)部分由傳感和監(jiān)控、信息和通信兩大系統(tǒng)組成，而專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)則與各個(gè)行業(yè)有關(guān)，不同的行業(yè)，其專業(yè)系統(tǒng)的功能是不同的。

（2）傳感和監(jiān)控系統(tǒng)中的各個(gè)子系統(tǒng)均與傳感/執(zhí)行信息有關(guān)，這些子系統(tǒng)簡(jiǎn)稱“物聯(lián)子系統(tǒng)”，包括：智能家居、建筑設(shè)備監(jiān)控（空調(diào)/給排水/供配電/照明/電梯/節(jié)能......）、安全防范（視頻監(jiān)控/周界防范/門禁/巡更/訪客......）、一卡通（考勤/購(gòu)物/停車場(chǎng)/門禁/巡更/......）、火災(zāi)報(bào)警與消防聯(lián)動(dòng)、背景音樂與公共廣播、智能照明、四表遠(yuǎn)傳計(jì)量（水/電/燃?xì)?熱量）、電子配線架管理、集成系統(tǒng)（BMS）、數(shù)據(jù)中心環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控、能源管理、應(yīng)急指揮等。

（3）上述近20個(gè)物聯(lián)子系統(tǒng)，構(gòu)成的智能建筑物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系架構(gòu)，如圖3所示。

目前這些子系統(tǒng)幾乎均走上基于IP網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，因此智能建筑物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)層較簡(jiǎn)單，一般包括兩種情況：一是基于TCP/IP互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧平臺(tái)；一是基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。也有個(gè)別系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層采用現(xiàn)場(chǎng)總線。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系架構(gòu)

圖2 建筑智能化系統(tǒng)組成

對(duì)于感知層，特別是傳感設(shè)備，不同的物聯(lián)子系統(tǒng)不盡相同。舉例如下：

◆ 建筑設(shè)備監(jiān)控：溫度、濕度、壓力、水位等；

◆ 視頻監(jiān)控：CCD、CMOS、GPS等；

◆ 門禁一卡通：RFID、條碼識(shí)別、生物特征識(shí)別等；

◆ 防盜報(bào)警：雙鑒、門磁、窗磁、震動(dòng)等；

◆ 智能照明：聲感、紅外等；

◆ 消防報(bào)警：煙感、光感等；

◆ 遠(yuǎn)傳表：字輪、脈沖計(jì)數(shù)、電能、熱能等；

◆ 電子配線架：掃描器等。

對(duì)于智能建筑物聯(lián)子系統(tǒng)，“感知層中的傳感/執(zhí)行/現(xiàn)場(chǎng)互動(dòng)”子層一般采用現(xiàn)場(chǎng)總線、短距離無(wú)線網(wǎng)、RS485/232、電力線載波等符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的短距離通信網(wǎng)絡(luò)。也有某些廠商的產(chǎn)品，其傳感/執(zhí)行器直接與網(wǎng)絡(luò)層連接。

對(duì)于應(yīng)用層，在應(yīng)用體系架構(gòu)中，為了融合所有的物聯(lián)子系統(tǒng)，則必須提供中間件。為了擺脫基層信息孤島，從點(diǎn)集成到線，從線集成到面，在應(yīng)用層上采用B/S訪問模式是必要的。為了適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，目前的國(guó)內(nèi)外有關(guān)的產(chǎn)品的應(yīng)用軟件（包括建筑設(shè)備監(jiān)控、智能家居、網(wǎng)絡(luò)化的視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)傳表、電子配線架等子系統(tǒng)）采用B/S模式已成為主流。

圖3 智能建筑物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系架構(gòu)圖

4 建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)

建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)一般具有三類，如圖4、圖5所示。

圖4為具有三層物理結(jié)構(gòu)典型的建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的差異在于控制器，該控制器的功能既是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)和現(xiàn)場(chǎng)總線的控制器，又是一個(gè)采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器和內(nèi)嵌Web Server功能的服務(wù)器，虛擬化多功能的控制器支撐了客戶端的B/S訪問模式。網(wǎng)絡(luò)層一般配置了TCP/IP以太網(wǎng)（基層）、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)（遠(yuǎn)程），因而獲得了PC、3G智能手機(jī)、平板電腦等終端的廣泛和靈活的支持。

圖5的結(jié)構(gòu)是具有兩層物理結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)。同樣，虛擬化多功能DDC和PLC以及網(wǎng)絡(luò)層的TCP/IP以太網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，支撐了客戶終端的PC、3G智能手機(jī)、平板電腦等的B/S訪問模式。

5 結(jié)束語(yǔ)

建設(shè)智慧城市為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用展現(xiàn)了龐大的市場(chǎng)，智能建筑走向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)的步伐越來(lái)越快。美、歐盟、日、韓等國(guó)家都宣布了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展計(jì)劃，可以認(rèn)為，我國(guó)與他們處在同一個(gè)起跑線上。

圖4 具有三層物理結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)

圖5 具有兩層物理結(jié)構(gòu)采用DDC的建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)

智能建筑物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)是各個(gè)物聯(lián)行業(yè)乃至智慧城市的基礎(chǔ)單元；要建設(shè)智慧城市，必須要落實(shí)智能建筑和各個(gè)“物聯(lián)行業(yè)”物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展；特別要發(fā)展符合國(guó)情的自主創(chuàng)新的產(chǎn)品和系統(tǒng)。國(guó)家十二五規(guī)劃“新一代信息技術(shù)”為智能建筑和各個(gè)“物聯(lián)行業(yè)”可持續(xù)發(fā)展、自主創(chuàng)新、融入智慧城市提供了技術(shù)支撐。

可以展望，未來(lái)5～10年，正是智能建筑、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、智慧城市建設(shè)大發(fā)展時(shí)期。技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、市場(chǎng)將會(huì)展現(xiàn)極大的機(jī)遇。