物聯網頂層設計方法論研究

楊海濤，王 佳，許 靜，李連杰，劉 光

（1.北京電信規劃設計院有限公司，北京 100048；2.北京歌華有線電視網絡股份有限公司，北京 100007）

1 引言

當前世界各發達國家均將物聯網視為搶占新一輪科技發展制高點的創新風口，我國也將其作為新興產業上升為國家產業發展戰略的高度，物聯網已成為國家戰略計劃中的重要內容。對物聯網進行頂層設計，可以更好地促進本地區物聯網產業的發展，為智慧城市的建設奠定良好基礎，物聯網頂層設計的方法論也日益得到業界的重視。

2 物聯網的發展形勢

2.1 國際發展形勢

面對龐大的物聯網藍海市場，世界各國相繼推出國家性物聯網戰略規劃，美國、歐盟、日本、韓國、新加坡等紛紛推出本國物聯網發展戰略，將物聯網作為搶占新一輪經濟科技發展制高點的重大戰略。

在政策層面，美、日、韓、歐盟啟動了以物聯網為基礎的“智慧地球”、“U-Japan”、“U-Korea”、“物聯網行動計劃”等國家性戰略區域戰略計劃。

在關鍵技術層面，基礎性關鍵技術RFID，成為市場最為關注技術，全球RFID市場持續升溫，并呈現持續上升趨勢，與此同時，RFID的應用領域越來越多，目前RFID正處于迅速成熟的時期，許多國家都將RFID作為一項重要產業予以積極推動。國際標準組織紛紛研究制定相關技術標準。傳感器技術、IPv6、5G、LPWAN、云計算、大數據和人工智能等新技術的飛速發展，為物聯網產業發展提供了強大的技術支撐。

在應用層面，物聯網產業快速發展，產業鏈準備日益成熟，場景落地規模漸起。智能可穿戴設備、智能家電、智能網聯汽車、智能機器人等數以萬億計的新設備將接入網絡，形成海量數據，應用呈現爆發性增長，促進生產生活和社會管理方式進一步向智能化、精細化、網絡化方向轉變，經濟社會發展更加智能、高效，一個萬物互聯的時代呼之欲出。

2.2 國內發展形勢

我國已將物聯網作為新興產業上升為國家產業發展戰略的高度，并在“十三五”規劃中明確提出，要推動物聯網關鍵技術研發、重點領域突破及應用示范落地。

在政策層面，國務院、國家部委先后多次出臺相關的政策，為物聯網產業指明了發展方向。各地方政府也在不斷加強物聯網產業的政策支持力度，促進本地區物聯網產業發展。

在基礎設施層面，RFID、傳感器、攝像頭等成熟技術已在各地區的城市管理、視頻監控、物流溯源等各個領域廣泛應用，低功耗廣域網中的NB-IoT模組也已開始在智能表具、智能燈桿等應用場景規模部署。三大運營商均開啟NB-IoT（窄帶物聯網）網絡建設，并開始商用。

在應用層面，各大城市以“智慧城市”物聯網應用解決方案為突破口和主攻方向，先后進行了多項物聯網城市應用示范工程建設，應用呈現爆發性增長。

在產業層面，產業鏈條已初步形成，產業發展具備良好的基礎。面向服務的商業模式創新活躍，個人和家庭市場應用逐步發展，物聯網產業進入高速成長期。

3 頂層設計的概念與基本原則

3.1 頂層設計的概念

“頂層設計”這一概念源于軟件工程領域的“自頂向下、逐步求精”（Top-down Design）的設計思想。意思就是從宏觀、全局的系統設計開始，逐步向下細化求精，把復雜的問題分解成可以解決的子問題，每個子問題可以再進一步分解，直到問題簡單到可以很容易地解決。

“頂層設計”現已成為一個被各行各業廣泛使用的名詞，對其概念的理解略有不同。幾種有代表性的定義包括：

一是頂層設計是一個工程學概念，本義是統籌考慮項目各層次和各要素，追根溯源，統攬全局，在最高層次上尋求問題的解決之道[1]；

二是頂層設計是運用系統論的方法，從全局的角度，對某項任務或者某個項目的各方面、各層次、各要素統籌規劃，以集中有效資源，高效快捷地實現目標[2]；

三是頂層設計是一項工程“整體理念”的具體化，例如，要完成某一項大工程，就要實現理念一致、功能協調、結構統一、資源共享、部件標準化等系統論的方法，從全局視覺出發，對項目的各個層次、要素進行統籌考慮[3]；四是頂層設計通俗地講就是指價值理念與操作實踐之間的藍圖[4]。

事實上，頂層設計代表的是一種系統論思想和全局觀念，其主要特征有三個：

一是頂層決定性，頂層設計是自高端向低端展開的設計方法，核心理念與目標都源自頂層，因此頂層決定底層，高端決定低端；

二是整體關聯性，頂層設計強調設計對象內部要素之間圍繞核心理念和頂層目標所形成的關聯、匹配與有機銜接；

三是實際可操作性，設計的基本要求是表述簡潔明確，設計成果具備實踐可行性，因此頂層設計成果應是可實施、可操作的。

3.2 頂層設計的基本原則

構建一個既能體現發展戰略、明確工作計劃，又能實際可操作的頂層設計，確實存在很大的難度，根據頂層設計的特征，其基本方法主要包括以下幾點：

（1）統分結合，分層設計。一個區域或領域的頂層設計，由于涉及的部門眾多，業務關系復雜，單憑一個總體設計是難以做實的，因此可以通過設定若干設計層級，將原本一個難以理清的問題分解到不同層面去細化。比如，區域性的頂層設計可以有3 個層次的設計互相配合：第一個層面是本區域或領域的總體設計，第二個層面是對總體設計確定的重點業務或者重點方面分別進行設計，第三個層面是按照上一層次的要求，制定一個實施步驟。頂層設計層次的分解，也是一個任務分解的過程，形成一個內在更為統一的頂設體系。

（2）著眼現狀，注重規劃。一個區域或領域的頂層設計，應依托于該區域或領域的現狀，對現狀的梳理是做實頂層設計的前提。只有在每一個層次的設計上確定并圍繞關鍵現狀進行分析和統籌規劃，才能梳理需求、確定優先級，制定出切實可行的可以依照操作的“行動指南”。

（3）重視架構，加強標準。一個足夠“實在”的頂層設計，應該有清晰的藍圖和明確的架構。應該對架構給予盡可能詳盡的確定，同時要對其內部邏輯關系作清晰的梳理和劃分。此外，應在頂層設計的整個過程中加強“標準化”，一方面充分利用已有的標準，另一方面對新的標準提出新的需求，以實施和操作需求反過來思考對標準的需求，體現這樣思路的頂層設計應該更具有可行性和可操作性。

（4）對標分析，制定戰略。一個體現先進方向的頂層設計，需要在規劃過程中進行標桿對比，借助于標桿管理的理論和方法，發現問題、分析問題和解決問題。標桿法是通過標桿對比，找出差距，尋找不斷改進的途徑。

比較理想的方法是與競爭者比較，即使用競爭標桿來確認競爭者中最佳實務者，判斷其取得最佳實務的因素，以資借鑒，從而制定相應戰略，建立起相應的趕超目標。

4 物聯網頂層設計的方法論

4.1 物聯網頂層設計的內涵

物聯網的頂層設計包括物聯網的發展目標，架構設計，解決方案藍圖，保障機制和實施路線。在進行物聯網頂層設計之前，應首先明確物聯網頂層設計與智慧城市頂層設計之間的關系，物聯網是與智慧城市相輔相成的，智慧城市偏重于應用，而物聯網則偏重于基礎設施，物聯網是智慧城市的神經元，離開了物聯網的智慧城市就好似無源之水、無本之木。

4.2 物聯網頂層設計的思路

物聯網頂層設計總體規劃思路如下圖所示：

圖1 物聯網頂層設計思路

頂層設計主要按照以下工作節點展開：背景資料收集、標桿研究、調研訪談、需求分析、戰略定位設計、架構設計、實施方案等。

4.3 物聯網頂層設計方法論

4.3.1 物聯網頂層設計常用方法

物聯網頂層設計與信息化頂層設計類似，所采用的常用方法也類似：

（1）能力分解法。采用自上而下進行分析與設計的思想方法；包括基于能力的需求分析、制定能力演進計劃、進行能力集成設計等內容。

（2）體系結構法。是國內外信息化體系建設普遍應用的頂層設計方法；注重采用規范化的設計過程，從多個視角對體系建設進行描述。

（3）發展路線法。注重體系演化分析，利用整體性的框架，采用多種決策分析方法、制定規范化的流程。

（4）風險矩陣法。主要用于對采辦風險和潛在影響進行評估；該方法重視成本、計劃、性能的綜合風險分析與評估，可用于分析信息化建設有關因素之間的相互關系，評估和規避決策風險。

4.3.2 物聯網頂層設計方法論

物聯網頂層設計不能直接沿用任何一種視角或方法論，但應有選擇的借鑒其中的分類方法、分析視角、參考模型、評估方法等方面的部分成熟理念，從而制定一套符合物聯網技術及架構需求的方法論。

物聯網頂層設計主要內容應包括“摸清現狀、對標分析、戰略定位、繪制藍圖、實施路線”幾個方面。

圖2 物聯網頂層設計主要內容

4.4 物聯網頂層設計方法論分階段闡釋

4.4.1 摸清現狀

摸清現狀不只是對城市或地區物聯網發展現狀的調研，在進行物聯網頂層設計之前，應首先對物聯網相關的國家政策、地方政策予以收集整理，對物聯網的技術發展趨勢、產業發展趨勢進行研究，從而對物聯網的發展趨勢進行研判，才能確保物聯網頂層設計達到的戰略高度。

通過制訂詳細的調研方案及調研計劃，對本地區物聯網發展現狀進行調研，從而理清本地區物聯網發展的優勢與劣勢，以及存在的問題，對現狀的充分了解與認識，是物聯網頂層設計具有可落地性、可操作性的基礎。

4.4.2 對標分析

隨著物聯網技術的進步，目前在國內及國際已有多個城市形成了具有各自城市特點的典型應用，如無錫的物聯網特色小鎮、鷹潭的物聯網產業園等，與先進城市的對標能迅速發現本地區物聯網發展的差距，使我們在進行物聯網頂層設計時，戰略定位更加清晰，發展目標更加明確。

通過摸清現狀與對標分析，可以使物聯網頂層設計的需求更加明確。

4.4.3 戰略定位

物聯網頂層設計的戰略定位是要明確本地區物聯網的發展思路和發展目標，城市發展的定位、目標及策略是智慧城市建設的目標，而智慧城市的建設目標是統領物聯網等各項基礎設施的“指揮棒”，物聯網頂層設計必須滿足智慧城市發展目標的業務需求。

物聯網頂層設計的戰略定位設計包括指導思想、基本原則、發展定位和目標、總體框架等內容。

4.4.4 繪制藍圖

根據物聯網的戰略定位，提出本地區物聯網的總體架構，并從系統、業務、安全和保障等幾個維度進行分析，形成物聯網系統架構、業務架構、安全架構和標準、保障體系。

系統架構：依據本地區物聯網建設現狀，提出新建或改建的基礎設施需求，依據“集約建設、資源共享、適度超前”的原則，設計開放、面向服務的系統架構。

業務架構：依據本地區城市建設對物聯網的業務需求，分析業務提供方、業務服務對象、業務服務渠道等多方面因素，梳理、構建形成物聯網的業務架構。

安全架構：依據信息安全相關標準規范，結合國家政策文件中有關網絡和信息安全治理要求，從規則、技術、管理等維度進行綜合設計，形成物聯網安全架構。

標準和保障體系：結合本地區特點，在遵循國家行業及地方標準基礎上，形成可支撐當地物聯網建設與發展的標準及保障體系。

4.4.5 實施路線

實施路線是物聯網頂層設計可操作性的重要體現，在規劃實現路徑時，應進行項目清單的分析與任務分解，明確每項重點項目，項目目標及建設內容，項目投資，項目周期，建設運營模式，牽頭單位，參與單位，指導物聯網建設分步推進，有序開展。

5 結束語

物聯網頂層設計是一項龐雜的系統工程，而物聯網頂層設計與本地區智慧城市頂層設計密不可分，在編制物聯網頂層設計時，應特別注重對現狀的分析，并結合與先進城市或地區的對標分析，才能使物聯網頂層設計具有戰略高度，并具有實際可操作性。■