面向智慧城市的物聯網基礎設施關鍵技術研究

李曉輝

(華北計算技術研究所，北京 100083)

面向智慧城市的物聯網基礎設施關鍵技術研究

李曉輝

(華北計算技術研究所，北京 100083)

智慧城市是利用物聯網等新一代信息技術實現城市智慧運行和管理的新型城市形態，是信息技術與城市發展深度融合的產物;針對當前智慧城市因碎片化、煙囪式發展模式而面臨的重復建設嚴重、跨域資源難以共享與聯動協同等突出問題，從資源匯聚和促進城市應用互聯互通互操作的角度，定義了城市物聯網基礎設施的概念內涵，提出城市物聯網基礎設施是一個涵蓋“網絡+平臺+服務”的綜合體，分析總結了國內外政府與企業在城市物聯網基礎設施尤其是物聯網平臺方面的發展現狀，在此基礎上，研究提出了為實現城市物聯資源泛在接入、網絡融合、資源管理和智能服務等核心功能亟需突破的關鍵技術，最后給出了推動城市物聯網基礎設施快速發展的意見和建議。

智慧城市；物聯網；物聯網基礎設施；互聯互通互操作

0 引言

智慧城市是城市發展的高級階段，是信息技術與城市發展深度融合的產物。其核心是利用物聯網、云計算、大數據等新一代信息技術，實現透徹感知、泛在互聯、普適計算與融合應用，進而實現城市的智慧運行和管理，促進城市和諧、可持續發展[1]。

智慧城市的概念一經誕生，就受到國內外政府、企業、社會、學術界的高度重視，引發了各國對智慧城市的研究和建設熱潮。從社會學角度來看，智慧城市的核心目標是實現城市的可持續發展，重點表現在：實現城市資源的優化整合和科學配置、打造集約高效的經濟發展模式、提升幸福宜居的城市品質。從技術角度來看，智慧城市是以新一代信息技術為基礎，通過對城市資源的統一匯聚，推動城市多信息體系的協同交互，實現城市任務的智能處理和智慧決策。

然而，從當前智慧城市的發展來看，仍面臨很多問題和挑戰，其中最突出的一點就是：目前智慧城市缺乏整體規劃和設計，城市信息系統建設多以滿足單個部門的管理需求為主，并沒有從城市全局的角度形成響應市民和企業需求的有效模式。換言之，當前的智慧城市建設仍處于碎片化、煙囪式發展階段，不僅重復建設嚴重，投資浪費嚴重，而且缺乏真正有效的手段支持城市級跨區域、跨行業、跨部門的資源整合、共享、開放和協同。

物聯網，作為支撐智慧城市建設的重要技術手段，是實現城市物理世界、信息系統和人類社會全面感知與高效互聯的基礎。打造面向智慧城市的物聯網基礎設施，不僅能夠從城市全局角度實現資源匯聚、促進城市應用互聯互通互操作，而且能夠減少重復、節約投資，推動實現城市基礎設施集約化建設、應用系統生長式發展以及智慧服務專業化運營，從而真正實現城市治理的高效運轉和科學管理。

本文在深入剖析智慧城市發展面臨問題的基礎上，定義了城市物聯網基礎設施的概念內涵，分析總結了其國內外發展現狀，研究提出了城市物聯網基礎設施的關鍵技術，最后給出了推動城市物聯網基礎設施快速發展的意見與建議。

1 城市物聯網基礎設施概念內涵

基礎設施，通常是指能為社會生產和居民生活提供公共服務的工程系統，它是保證一個國家或地區生存發展的重要物質基礎。

城市基礎設施，則是指城市生存和發展所必須具備的工程性基礎設施和社會性基礎設施，是城市中為順利進行各種經濟活動和其他社會活動而建設的各類設施的總稱[2]。城市基礎設施既包括供水、供電、交通、環境、防災等工程性硬基礎設施，也包括醫療、教育、金融、文化等社會性軟基礎設施，還包括由計算機、網絡、通信設施等構成的信息基礎設施。

城市物聯網基礎設施屬于信息基礎設施中的一種。目前，尚無針對城市物聯網基礎設施的統一定義。在分析總結基礎設施概念內涵的基礎上、結合物聯網在未來智慧城市中的應用價值，本文提出城市物聯網基礎設施的參考定義如下：

城市物聯網基礎設施，指的是為了實現城市級物聯網應用與服務所構建的，由一系列軟件、硬件、網絡、協議等信息資源組成的，可用于部署的通用資源的集合。

在該定義中，強調了以下幾個重點：

1)從基礎設施的類型來看，城市物聯網基礎設施是信息基礎設施的一種，不同于一般的市政工程設施，它主要由軟件、硬件、網絡、協議、服務、應用程序接口等信息資源構成。

2)從基礎設施的特征來看，城市物聯網基礎設施具備所有基礎設施的共性特征，即基礎性、規模性、公共物品行。基礎性，指的是它就像城市水電氣等“三通一平”的基礎設施一樣，是未來城市物聯網應用運行的基礎載體，并以此成為未來城市發展過程中需要先行建設的內容。規模性，指的是必須達到一定的建設規模才能提供服務或者有效的提供服務。公共物品性，指的是它能夠提供未來城市物聯網應用所需要的各種公共服務，成為面向公眾的公共物品。

3)從發展需求來看，城市物聯網基礎設施要實現的是“城市級”的物聯網應用與服務支撐，一是要實現城市資源的統一匯聚，二是要實現城市資源的高效配置，三是要實現城市資源的開放共享，最終打造一個人與人、人與物、物與物泛在互聯的融合生態系統。

4)從能力需求來看，城市物聯網基礎設施應當具備支持萬物互聯、智慧服務的核心能力。物聯網在智慧城市中的應用大致可分為三個階段，首先是解決海量物體連接入網問題，其次是解決物聯大數據深度開發利用問題，再者是解決如何按需提供物聯服務問題。因此，城市物聯網基礎設施不僅僅是網絡，而應該是一個涵蓋“網絡+平臺+服務”的綜合體，能夠提供泛在連接、網絡融合、資源管理、智能處理、服務封裝等核心功能，具體包括：

(1)泛在連接能力：支持各種長短距離、有線無線、高中低速、寬帶窄帶網絡接入方式(如RFID、藍牙、ZigBee、Wifi、3G/4G/5G、NB-IOT、Lora等)；

(2)網絡融合能力：支持異構網絡互聯和異構網絡協議融合，支持跨網通信、跨網傳輸、跨網數據交換；

(3)資源管理能力：支持海量多元異構物聯資源的命名標識、接入管理、搜索查詢和協同調度；

(4)智能處理能力：支持物聯大數據的處理、挖掘和共享；

(5)服務封裝能力：支持物體、數據、服務等各類資源的服務化封裝和應用開發支持，實現物聯即服務。

應當說，城市物聯網基礎設施是智慧城市建設的重要基礎。技術層面，能夠支撐實現城市感知資源匯聚、信息資源共享、應用互聯互通。管理層面，能夠打破信息孤島，支持跨部門、跨行業、跨區域的聯動和協同。服務層面，能夠助推城市發展從碎片化向開放共享升級，從行業級向城市級升級，打造開放共享的城市經濟新形態。

2 國內外發展現狀

物聯網的概念最早可追溯到1999年美國麻省理工學院Ashton教授提出的基于射頻識別(RFID)的理念[3]，但它在智慧城市中的應用則是近些年才逐步興起的。究其原因，一方面是因為物聯網的概念內涵在不斷演化和發展，從早期基于RFID的物聯、到基于局域網絡的物聯，再到基于互聯網絡的物聯，逐步體現出萬物互聯的支撐能力。另一方面是因為智慧城市的建設理念也在不斷演化和發展，從早期的數字化、網絡化再到智能化，逐步體現出互聯互通、共享共治的發展需求。

總體來看，政府、企業、學術界等對物聯網及其在智慧城市中的應用高度重視。政府多從國家戰略高度制定發展計劃，推動國家基礎設施的建設和發展。企業多以物聯網平臺等構建物聯基礎設施的核心產品為突破口，搶占產業鏈關鍵環節。學術界則在網絡體系架構、邊緣計算、物理信息系統(CPS)等方面不斷探尋新型計算模式，以期解決泛在連接、網絡融合、智能處理等方面的關鍵技術，推動物聯網快速發展。

2.1 政府方面

美國在物聯網和智慧城市方面一直走在前列。2008年，IBM首次提出“智慧地球”戰略，次年便向美國總統提出加大智慧型基礎設施建設的建議。隨后，美國政府出臺了《2009年美國復興與再投資法案》，明確提出在與物聯網技術相關的智能電網、衛生醫療信息技術應用和教育信息技術等方面進行大量投資。此后，美國政府又先后發布了先進制造伙伴計劃、總統創新伙伴計劃等，明確提出將以物聯網技術為基礎的網絡物理系統(Cyber-Physical System，CPS)[4-5]列為扶持重點，并在此過程中提出了“工業互聯網(Industrial Internet)”的概念。2015年，美國又宣布投入1.6億美元推動智慧城市計劃，將物聯網應用試驗平臺列為首要建設任務。

歐盟從2008年10月開始實施物聯網戰略，并由歐洲物聯網研究總體協調組(IERC)進行統一規劃和管理。其中最有代表性的“歐盟第七框架計劃(FP7)”，下設了IOT-A、IOT6、open IOT等一系列物聯網研發項目[6-7]，并在智能電網、智慧城市、智能交通等方面積極部署。2013年，歐盟通過了“地平線2020”計劃，明確提出物聯網和智慧城市是重點發展領域之一，并于2014年投資9200萬歐元重點發展節能、交通、ICT基礎設施三大方向。歐盟前成員國英國大力發展物聯網與電網、分布式電源等設施的深度融合，以實現能源全流程實時監測和預測預警。西班牙巴塞羅那提出打造將環境和能源、交通、水資源管理、生活質量等不同領域的傳感數據進行整合分析的城市管理服務平臺。西班牙桑坦德提出打造“城市脈搏”，匯聚遍布全城的傳感器和人體傳感器數據，通過移動APP提供城市管理和生活服務。

日本于2009年制定了“i-Japan”計劃，提出建立“以人為本、安心且充滿活力的數字化社會”。韓國2004年推出“u-Korea”計劃，提出將物聯網等技術包含在所有的城市元素中，讓市民可以在任何時間、任何地點、從任何設備訪問和應用城市元素[8]。新加坡2006年起先后推出“智慧國2015”、“智慧國2025”計劃，旨在打造覆蓋全島的集數據收集、連接和分析于一體的基礎設施和操作系統，用于提供更好的公共服務[9]。

我國政府對物聯網和智慧城市的發展也高度重視。先后出臺了《關于推進物聯網有序健康發展的指導意見(2013)》、《關于促進智慧城市健康發展的指導意見(2014)》等一系列國家文件，均是從國家頂層視角明確提出針對物聯網和智慧城市發展的總體思路與建設目標，尤其提到要加快發展物聯網基礎設施建設，將物聯網和智慧城市推入統籌發展的新階段。

2.2 企業方面

物聯網平臺是構建物聯網基礎設施的重要組成，也是企業搶占物聯網生態鏈的重要環節。

國外企業中，谷歌推出基于Android的物聯網操作系統Brillo，并基于此積極布局車聯網領域。微軟推出物聯網操作系統Win10IOTCore，提供面向物聯網的云服務，協助企業簡化物聯網在云端的應用部署和管理。IBM積極布局物聯網大數據平臺，并聯合思科、通用電器等共同發起成立了工業互聯網聯盟(IIC)，致力于實現傳感器、計算機、企業、車輛和數以百計工業設備的全面整合，構建工業互聯網及云集成服務。此外，還有Xively、Nimbits、Thingspeak、Device Cloud by Etherios等公司，都在打造開放通用的物聯網平臺和云平臺，解決設備接入、管理、服務化等問題。

國內企業中，華為提出“1+2+1”戰略，第一個1就是指要打造一個集收集、管理、處理、應用開發支持等于一體的物聯網平臺。中興積極布局智能交通、物聯網通信等領域，也在主推物聯網平臺建設。阿里從與美的的戰略合作起步，積極打造基于阿里云的物聯網平臺，從最初實現對家電產品的連接和遠程控制，到后來不斷深入布局智能家居、車載系統和智能硬件等領域，預期將實現數十億設備的接入。騰訊2014年推出QQ物聯騰訊社交智能硬件開放平臺，力圖借助微信用戶優勢，實現“連接物體連接人，連接一切”的目標。小米依靠自身硬件體系優勢，推出以小米盒子、小米路由器等為代表的智能家庭套裝，打造連接所有智能家居產品的物聯網平臺[10]。此外，中移動推出的物聯網設備云(OneNet)和業務管理平臺、Yeelink推出的家庭智能控制平臺、中國電科推出的e-Things開放物聯網平臺[11]等，都具有很強的代表性，是打造物聯網基礎設施的重要產品。

3 城市物聯網基礎設施關鍵技術

城市物聯網基礎設施要解決的核心問題，主要是城市物聯資源的泛在接入、網絡融合、資源管理和智能服務。其中，城市物聯網基礎設施體系框架、城市物聯資源統一描述與泛在接入技術、城市物聯資源統一標識與跨域尋址技術、城市物聯資源動態服務與共享技術，是其中的重點和難點。

3.1 城市物聯網基礎設施體系框架

體系指的是若干有關事物或概念互相聯系而構成的整體，框架指的是體系中各組成部分之間的層次和關系。體系框架可以理解為一個系統的頂層設計和基本架構，它是指導系統設計、開發、管理和應用的指南與原則。

城市物聯網基礎設施是一項涉及網絡、通信、平臺、資源、服務等多要素、多領域、多學科的復雜工程，其組成并不是一些簡單緊耦合的模塊或子系統，而是由眾多自主演化、獨立運行、松散耦合的網絡或系統組成。因此，設計一套既滿足當前基礎設施部署和應用需求，又科學、合理、可擴展的體系框架，頗具挑戰。具體解決思路，一是要采用體系工程的方法與理念進行頂層設計與規劃；二是要在充分理解需求的基礎上，以提升城市物聯網應用互操作性為核心，從跨域的集成、共享和安全角度出發，認真設計層次結構、支撐關系、協同關系、數據策略、服務模式和接口關系，形成開放的體系框架。

根據城市物聯網基礎設施的概念內涵和能力需求，提出一個參考框架如圖1所示。

圖1 城市物聯網基礎設施參考體系框架

該框架強調了城市物聯網基礎設施是一個“網絡+平臺+服務”的綜合體，其中：

1)網絡突出了“城市統一網絡”的概念，支持光纖網、無限通信網、政務專網、行業專網等多種異構網絡在接入、傳輸等方面的融合。

2)平臺提供了基礎設施運行的實體環境，包括計算設備、存儲設備、數據資源、平臺軟件等。其核心能力主要包括三個方面：一是對下能夠實現對城市級物聯資源的統一接入、管理、處理等基礎功能；二是對上能夠以服務接口的方式為應用提供共性支撐和開發支持；三是能夠提供包括位置、通信、消息、搜索等在內的城市級公共服務，為實現物聯增值服務和基礎設施運營提供支撐。

可以看到，未來的城市物聯網基礎設施將不僅僅是網絡，提供的服務也不止是通信傳輸，承載實體也不止是硬件設備，而是一個集計算、感知、控制、通信、服務等功能于一體、靈活/健壯/擴展性強/高度智能的新型基礎設施。

3.2 城市物聯資源統一描述與泛在接入技術

城市中能夠接入物聯網的資源種類繁多、功能各異。典型的城市資源包括計算、存儲、網絡等計算資源，傳感器、執行器、M2M設備等物體資源，以及城市信息系統、互聯網絡中的各類信息資源等。資源的異構性導致其在網絡接口、通信協議、傳輸格式、數據格式、交互方式等方面存在很大差異，一個典型問題就是資源在網絡中無法互相識別、理解和交互。因此，城市物聯資源統一描述與泛在接入技術，成為解決該問題的核心與關鍵。

城市物聯資源統一描述與泛在接入技術有兩個關鍵點，一是要解決資源連接特征的抽象化，建立普適的連接規則和方法，支持資源的泛在接入；二是要解決資源的語義一致性理解，建立普適的描述模型，支持設備、數據、服務在網絡中的交互與協同。

具體來說，在連接特征抽象化方面，需要提供表征虛擬設備或物體的能力模型(如感知能力、控制能力、連接能力、通信能力等)、應用與設備/網關之間的信息映射模型、以及統一的數據表示結構等。在語義一致性理解方面，需要提供針對資源或應用的語義描述模型、語義描述管理機制(如創建、刪除、連接、更新等)、不同語義描述的模型語言之間的互操作機制、基于語義描述的資源發現能力、基于語義描述的數據分析能力、語義混聚(Mash-up)能力等。

3.3 城市物聯資源統一標識與跨域尋址技術

資源標識是實現網絡中資源識別與管理的基礎。基于統一的網絡標識，才能進行資源通信和信息交換。然而，目前城市資源標識體系面臨很多問題和挑戰：一是城市物聯資源來源復雜，異構性、分散性、規模性、跨域性等特征明顯，標識編碼的難度很大。二是目前已有的標識體系種類繁多，缺乏統一標準，導致各體系之間兼容性、擴展性、互聯通性不強。三是城市物聯資源及其在網絡中產生的數據將是海量規模，對標識的解析(即尋址能力)在高并發、低延時、高可靠、高安全等方面提出了更高的要求。因此，城市物聯資源統一標識與跨域尋址技術是亟需突破的重點和難點。

城市物聯資源統一標識與跨域尋址技術有兩個關鍵點：一是資源統一標識，二是基于標識的跨域尋址。

在資源統一標識方面，根據標識的作用不同，可以分為對象標識、通信標識和應用標識[12-13]。對象標識主要用于識別物聯資源的身份和屬性，如以一維碼、二維碼作為載體的UPC碼、EAN碼，以RFID作為載體的EPC碼、OID碼、uCode碼等；通信標識主要用于識別通信地址，如IPV4、IPV6等；應用標識主要用于識別基于業務應用的地址，如域名、URL等。資源統一標識的難點是設計一套能夠兼容不同標識體系的統一標識規則。在基于標識的跨域尋址方面，主要是針對城市物聯資源尋址在跨域性、并發性、實時性、安全性等方面的需求，設計多級分層、多級授權的分布式架構(可以是有中心的，也可以是無中心的)，實現不同網絡中物聯資源的統一查詢、關聯和訪問。

3.4 城市物聯資源動態服務與共享技術

資源服務指的是針對物聯資源的功能接口進行服務化封裝，為上層應用提供統一的調用機制。它是解決智慧城市異構應用、異構系統、異構設備之間聯動與協同的重要手段。對于城市物聯資源來說，其最關鍵的共性問題就是解決城市物聯資源是誰、在哪、怎么交互。資源描述和資源標識重點解決是誰、在哪，資源服務則重點解決怎么交互、進而解決聯動與協同問題。因此，城市物聯資源動態服務與共享技術，對于構建城市物聯網基礎設施來說十分關鍵。

其重要作用主要包括兩個方面：一是能夠通過服務化方式將城市物聯資源由傳統的數據源變成具備可重構能力的服務單元(如位置服務、消息服務、數據服務等)，并以服務組合的方式提供豐富的服務類型供上層應用靈活調用，這將極大簡化業務與應用系統的開發工作量。二是通過服務封裝的形式能夠屏蔽底層設備、運行環境、網絡協議等的異構性和復雜性，從而在應用層面實現互操作。研究重點主要包括基于本體的服務集成、面向物體的服務應用、物體服務動態協同框架、物體服務共享機制等。

4 發展趨勢與發展建議

城市物聯網基礎設施，作為城市現行信息基礎設施的升級和擴展，將在支撐未來城市智慧應用方面發揮重要作用。開放，是城市物聯網基礎設施發展的一個重要趨勢，其內涵主要包括以下幾個方面：

1)對城市資源的提供者開放，政府、企業、民眾等，都能將各自所有的設備資源、數據資源、服務資源接入到基礎設施中來，不斷提升公共資源的承載量；

2)對智慧應用的開發者開放，為第三方開發者提供開發工具、開發接口、部署環境，不斷提升公共應用的承載量；

3)對最終用戶開放，為用戶提供包括位置、通信、消息、搜索等在內的城市級公共服務，成為具有運營價值的公共服務平臺，推動城市共享經濟的升級與發展。

城市物聯網基礎設施的發展，不是簡單的系統建設，也不是簡單的工程行為。應當從打造國家在物聯網時代的核心競爭力、推動智慧城市和物聯網有序健康發展的高度來看待其發展，建議重視以下幾個方面：

1)深化城市物聯網基礎設施關鍵技術攻關，完善技術體系；

2)加快城市物聯網基礎設施標準研究，形成標準體系；

3)與城市建設規劃密切結合，先行先試，分步建設，做好與已建、在建、新建系統的無縫銜接與過渡；

4)結合城市需求和新技術發展，不斷修正城市物聯網基礎設施的概念內涵，積極探索新型應用模式和商業模式。

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Research on Key Technologies of the IOT Infrastructure for Smart City

Li Xiaohui

(North China Institute of Computing Technology, Beijing 100083, China)

Smart city is a new type of urban form, which uses the new generation of information technology such as the Internet of Things (IOT) to achieve the city intelligent operation and management. It is the product of the integration of information technology and urban development. Based on the in-depth analysis of the problems facing the development of smart city, the basic concept of the city IOT infrastructure is presented, the development situation at home and abroad is analyzed, the key technologies of the city IOT infrastructure are put forward, and at last some suggestions for promoting the development of the city IOT infrastructure are proposed.

smart city; internet of Things (IOT); IOT infrastructure; interconnection and interoperability

2017-05-10；

2017-05-15。

中國電科主導類創新基金項目(JJ120102)。

李曉輝(1980-)，女，湖南邵東人，博士，高級工程師，主要從事物聯網體系結構、物體服務、物聯網開放中間件等方向的研究。

1671-4598(2017)07-0008-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.002

TP39

A