智慧城區系統集成的分析與應用

2016-01-15 07:01:24吳聞婧,曲辰飛,王東林

智能建筑電氣技術 2015年4期

智慧城區系統集成的分析與應用

吳聞婧 / 曲辰飛 / 王東林 (天津市建筑設計院，天津 300074)

摘要對智慧城區系統集成的必要性、功能、架構和原則進行了介紹。在分析現有智能化集成技術的基礎上，總結智慧城區系統集成的方式。還強調了智慧城區系統集成過程中需要重點關注的問題，對天津某區域智慧城區系統集成方案進行了介紹。

關鍵詞智慧城區集成功能集成架構集成原則集成方式

AbstractThe necessities, functions, architectures and principles of system integration in smart city are introduced. Based on the analysis of existing intelligent integration technologies, the ways of smart city system integration are summarized. The problems need to be emphasized are presented, as well as the smart city system integration scheme in Tianjin.

Keywordssmart city, integration function, integration architecture, integration principle, integration way

作者簡介

0引言

隨著物聯網、新一代移動寬帶網絡、下一代互聯網和云計算等信息技術的迅猛發展，信息化在社會發展中的引領和支撐作用進一步顯現。國內外許多國家、城市提出了建設智慧國家、智慧城市、智慧城區的發展戰略。其中包括：2009年美國迪比克市提出將建設美國第一個智慧城市；新加坡提出2015年建成“智慧國”計劃。截至 2012 年 10 月，國內有 220 多個城市提出建設或正在建設智慧城市[1]。

智慧城區是以互聯網、物聯網、電信網、廣電網、無線寬帶網等網絡組合為基礎，以智慧技術高度集成、智慧產業高端發展、智慧服務高效便民為主要特征的城區發展新模式[2]。目前，我國的智慧國家、智慧城市、智慧城區的建設還處于初級階段。智慧城區的建設基本是各種產品和子應用平臺的拼湊，各平臺間相互處于信息孤立狀態，這種無集成的現狀造成了智慧城區各子平臺間的標準不統一，系統間無法溝通和共享數據，存在信息孤島[3]。

智慧城區的核心理念是智慧、互聯、協同，高度集成是智慧城區發展的大趨勢，智慧城區最終應能體現一體化的集成管理。通過智慧城市一體化集成，可以提高管理者對全局事件的掌握、控制和處理能力，可以實現各個子平臺、站點間的信息共享，可以使智慧城市中的各種應用更加快捷，減少城市運營成本。通過合理的集成結構來構建智慧城區系統集成平臺，將原有各個子平臺進行集成是智慧城區建設的關鍵所在。

1智慧城區系統集成概述

1.1集成的功能

系統集成是指在一個具體范圍內，采用一定的技術手段，將不同應用的子平臺在物理、邏輯和功能方面連接在一起，以實現信息綜合和資源共享。智慧城區系統集成不是各系統的簡單組合，而是利用計算機網絡技術、分布式數據庫技術、云計算等技術實現的一種總體優化設計，把原來相對獨立的資源、功能和信息等集合到一個相互關聯、協調和統一的系統中，實現信息資源和任務的共享與全局一體化綜合管理，提高服務和管理的效率。智慧城區系統集成后應具有以下功能。

1)智慧服務。通過集成平臺的建設可以實現多種一站式服務，提高政府服務效率，為市民提供更加便利的應用。

2)通過智慧城區系統集成平臺，管理員可以同時監控各子應用平臺運行狀況的信息，提高管理者對全局事件的掌握能力。位于不同子平臺內的信息點和受控點可以建立聯動關系，支持智能化的全局管理及全局事件的協調處理，提高管理者對全局事件的控制能力。

3)可以對城區內的故障進行綜合處理。當系統設備發生異常時，集成平臺可以根據預先設定的報警等級及時在頁面上以圖像、文字、動畫、聲音等方式進行報警，并且能夠依據數據共享和聯動原則得出故障事件的影響范圍和對其他子應用平臺的影響程度。

4)預警和應急指揮功能。在事件發生前，政府有能力依據集成平臺中的數據來提供不同級別的預警，控制事故損失到最小。威脅性事件發生時，政府能迅速了解事件信息、掌握救災資源信息，有效展開救援，合理安排生產恢復。較為成熟的智慧城區系統還應具有自學習功能，可以對突發事件進行分析，生成緊急情況處理方案，綜合管理、調動各個子應用平臺，處理突發事件。

5)智慧城區信息集中存儲在中央服務器數據庫中，各子應用平臺和各部門、站點間可以通過中央數據庫快速進行信息共享、交流，生成綜合信息分析數據和統計報表。

6)可以對智慧城區內各種基礎設施進行集約化建設，降低智慧城區建設成本。可以充分挖掘智慧城區中各種潛在的信息資源，減少城市資源消耗。

1.2集成的架構

智慧城區系統集成架構如圖1所示，包括應用層、支撐層、傳輸層與感知層四個部分。其中，應用層是目標，是智慧城區建設成效的最終體現。智慧城區應用層中通常包含智慧社區、智慧交通、智慧能源等多個子應用平臺，包括高清監控、預測預警、智能分析、輔助決策、仿真模擬和智能控制等主要應用。支撐層是智慧城區建設的核心，是集約建設、共建共享的關鍵環節。應用層與支撐層中包括編碼解碼服務、公共基礎數據服務、公共信息安全服務等支撐服務，其中常用的新技術包括云計算、云存儲和云分析。傳輸層與感知層是智慧城區業務運行、信息交互和信息采集的堅實基礎，也是智慧城區底層集成的重要組成。

從智慧城區架構中可以看出，智慧城區中通常都有數十個系統同時運行，每個系統都對城市的健康高速運轉至關重要。智慧城區系統集成后可以有效地感知和監測城市運行的各個重要方面，通過網絡及城市內各種先進感知工具的連接從而整合成一個大系統，使城市管理者和市民可以更好地進行管理和生活。

1.3集成的原則

智慧城區系統集成應該從需求分析著手，按照實際工程需求開展相關工作。在保證各種實際需要的前提下，還應滿足以下要求。

1) 可靠性與容錯性：可靠性與容錯性是智慧城區系統集成的基本要求。系統應具有對城區內設備的測量、監視和控制的功能，確保整個系統穩定地運行；保證當子平臺發生錯誤時，集成系統平臺仍能正常工作而不致失效。

2) 易維護性：應進行標準化和通用化的設計，保證系統出現故障后能以較短的時間和較小的代價進行維護。

圖1　智慧城區架構

3) 先進性與可擴展性：設計應適度超前，所采用的設備、軟件應成熟、可擴展。

4) 統一性：智慧城區系統集成的關鍵在于解決各子平臺間的互聯互通和互相操作的問題。進行集成的各子應用平臺應盡可能符合有關標準，滿足統一性原則。智慧城區系統集成應堅持統一規劃、統一設計、統一標準、統一聯網、統一管理，避免盲目投資和重復建設。

5) 便捷性：集成平臺應為管理者及用戶提供有效的信息服務，提供高效、舒適、便利和安全的工作環境。

2智慧城區系統集成方式

我國目前對具體集成方式的研究較少，現有的智慧城區系統集成建設成功的案例不多，多數所謂的智慧城區并沒有建設智慧城區系統集成平臺，較常見的做法是將多個子應用平臺的管理服務器統一設置在監控中心，進行集中監管，如天津中新生態城應急指揮中心。這種方式在一定程度上可以提高管理者對各種全局事件的掌握能力，但無法實現不同子應用平臺間信息點和受控點的聯動。目前國際上常采用的系統集成方式主要包括以下四種。

1)基于網關路由器等硬件接口的系統集成

通常采用兼容控制器等設備將多個廠家的系統或設備直接連到現場控制總線上，采用網關路由器將多個工業總線進行集成。采用這種集成方式的主要特點是通過簡單的硬件I/O觸點來簡單聯動，因而集成深度不夠，無法實現復雜控制。這種集成方式適用于現場控制級的集成，不適用于智慧城區頂層系統的集成。

2)基于 Windows軟件接口的系統集成

這種集成方式是通過使用一些軟件接口，如OPC、ODBC 等實現系統的集成。構建支持不同現場設備通信協議的服務器、OPC設備驅動程序庫，通過ODBC和動態IP解析，實現現場總線、局域網、廣域網間的數據交換，解決信息管理域應用軟件與實時控制域之間數據傳輸的問題、應用軟件與過程控制設備間的通信問題及異種數據庫間的互聯問題。

采用這種集成方式簡化了系統集成環境，系統易于功能擴展，系統更加開放。但需要所有子平臺都提供較高層次的互聯方法，系統控制的實時性較前一種方法差，集成的實現與平臺的相關性強。

3)面向Web的集成技術

面向Web的集成技術是通過Web服務器和瀏覽器在整個網絡上進行信息交換、綜合與共享。與前兩種信息集成技術相比，Web Service 技術是一種高層次的信息模型轉換技術，在現有各種異構平臺的基礎上構筑了一個與平臺、語言和通信協議無關的技術層，通過這個技術層可以較好地解決跨平臺、不同異構系統的集成問題。

為了擴展 Web Service 系統集成的功能，OPC 基金會于2003年7月發布了一種名為OPC XML DA的新規范，使得 OPC 應用擴展到整個網絡。不僅簡化了應用程序間的互操作性，而且也使 OPC 由基于單一的Windows 操作系統向跨平臺的應用邁出了一步。

4)其他方式的集成

隨著云計算、物聯網和現代信息技術的發展，新的集成方式開始出現，如面向服務的體系結構和基于云計算的智慧城市數據中心等。面向服務的體系結構為系統集成提供了松耦合、可擴展及互操作性強的軟件架構思想，使得在此基礎上構建新的應用程序更加容易，減少了軟件重復開發的成本[4]。基于云計算的網絡架構，建設智慧城市云計算數據中心具有傳統數據中心、單應用系統建設無法比擬的優勢，從根本上支撐龐大系統的安全運行。

總體上智慧城區系統集成應采用三層網絡架構，分別為綜合信息互聯網絡、智能化專業以太網和現場控制總線網絡。基于網關路由器等硬件接口和Windows軟件接口的系統集成是智慧城區系統集成的常見方式。但隨著NET、Web Service、云計算等技術的發展，面向Web的集成技術、面向服務的體系結構、基于云計算的智慧城市數據中心等在智慧城區系統集成中的作用將會越來越明顯。

3智慧城區系統集成需要重點關注的問題

智慧城區系統集成是一個龐大的、系統化的工程，系統集成過程中應重點關注以下問題。

1)應以適用性為前提，不能貪大求全，應該以適用為主、留有余地為原則。

2)要按照總體規劃、優先設計、從上向下、分步實施的方法進行設計。各個子應用平臺的功能和技術方案必須滿足系統集成的目標和設計指導，先完成子平臺的集成，只有這樣才能夠達到總體規劃目標。

3)必須提前建立相應的指標體系，明確智慧城區系統集成的核心、主要問題和階段性需求。在智慧城區集成建設過程中，要為智慧城區進一步發展及城區系統與上層智慧城市系統的集成預留各種接入條件，形成接入標準。

4)系統集成過程中應注意各個行業之間數據的開放程度、數據安全和數據交互要求，考慮數據對系統的依賴性造成的風險。

5)數據庫的集成設計尤為重要，應慎重考慮數據的分類、編碼及數據庫邏輯設計等問題。

4應用案例分析

天津市北辰區某城區在智慧城區規劃過程中率先考慮了智慧城區系統集成的問題。該區域內配有學校、社區綜合服務中心、醫院、老年人活動中心、多級文化中心、商業服務中心及其他基礎設施，是典型的城區級案例。該區域智慧城區指標體系中共有12項一級指標、51項二級指標，涵蓋城市管理、民生服務、政務與產業等多個方面。

綜合考慮區域內智慧城區集成要求和該區域建設現狀，在區域內建立智慧城區系統二級集成平臺。規劃過程中首先對智慧城區級的集成平臺進行規劃，預留本平臺與上層智慧城市平臺及下層次級應用平臺的接口。隨后對智慧社區系統集成平臺進行規劃、建設及改造，使其滿足與智慧城區總集成平臺進行集成的條件。最后，進行智慧城區集成平臺建設，形成內容完善、符合當地發展需要的智慧城區系統集成平臺，并借助該平臺建設城區的管控中心。該城區系統集成示意圖如圖2所示。