面向城市治理的物聯應用支撐平臺研究

劉紅義 朱玉明 王璐璐 王雪梅

摘? 要： 針對目前道路橋梁、供水、排水、供熱、燃氣、園林、地下管線、環衛、工地、公廁等城市治理行業不同類型終端之間接入通訊協議和數據協議不統一的問題，本文提出了一種面向城市治理領域的物聯應用支撐平臺，構建全面感知、全域操控的城市運行智能感知體系，通過城市規劃、建設和運營的全面感知以及城市運行狀態的動態控制，打造面向城市治理的應用體系。本文闡述了物聯網技術下對流量計、水質分析儀、壓力變送器、水位計、流速儀等感知傳感設備數據采集，提供統一適配、安全接入和身份認證服務，保證采集數據的安全、穩定、可靠的傳輸，實現各類采集數據的智能、高效、協同統一管理。

關鍵詞： 物聯應用支撐平臺;城市治理;感知體系;通訊協議;身份認證

中圖分類號： TP391.8? ? 文獻標識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.015

本文著錄格式：劉紅義，朱玉明，王璐璐，等. 面向城市治理的物聯應用支撐平臺研究[J]. 軟件，2019，40（10）：6267

IOT Application Supporting Platform Oriented on Urban Governance

LIU Hong-yi1，2， ZHU Yu-ming1，2， WANG Lu-lu1，2， WANG Xue-mei1，2

（1. Beijing Institute of Computing and Communication，beijing 100074， China;

2. Aerospace Haiying Electromechanical Technology Research Institute Co.， Ltd. 100074， China）

【Abstract】： In the urban governance industry such as road and Bridge， Water Supply， Drainage， Heating， Gas， Garden， Underground Pipeline， Sanitation， Construction Site， Public Toilet， different types of terminals access communication protocols and data protocols are not unified， this paper proposes an IOT application supported platform for urban governance， and sets up an urban operational intelligent perception system with comprehensive perception and global control. through urban. comprehensive perception of planning， construction and operation， and dynamic control of urban operational status， to create an application system for urban governance.It introduces data acquisition of sensing equipment such as flow meters， water quality analyzers， pressure transmitters， water level meters， and flow meters in the IOT technology， provides a unified adaptation， secure access and identity authentication service， to ensure the safe and stable collection of data. reliable transmission， achieved intelligent， efficient， collaborative and unified management of all types of data collection.

【Key words】： IOT application supported platform; Urban governance; Perception system; Unified adaptation; The identity authentication

0? 引言

在AI智能、5G、IOT通信等新一代物聯網技術的帶動下，引領智慧管網、智慧管廊、智慧水務、智慧城管、智慧園林等城市治理行業快速發展，同時也給新型城市建設提出了更高的要求，面向城市治理領域的物聯應用支撐平臺作為物聯網領域的重要組成部分，有助于推動智慧城市的建設和發展。

在數字化、網絡化、智能化發展的大趨勢下，物聯應用支撐平臺的建設需求不斷的釋放，未來的市場潛力巨大，由于各個廠家的感知設備沒有統一的標準和協議，各終端廠商生產的終端都在使用不同的通訊協議及通訊接入方式，因此亟需對物聯應用支撐平臺展開進一步的探討，進行對不同類型終端的可配置接入和統一管理，以便對上層應用進行傳感器和通信協議等的適配，形成一個高效的物聯應用支撐平臺。

本文將圍繞“物聯應用支撐平臺”的技術體系和主要功能進行闡述，設計和實現了一種面向城市治理領域行業多設備協議可配置的物聯應用支撐平臺。

1? 物聯應用支撐平臺系統

1.1? 系統結構

物聯應用支撐平臺是根據平臺即服務PaaS的思想[1]，結合城市治理機制的設計理念，由物聯接入平臺（數據處理）及天空地水網感知體系（傳感器數據）兩部分組成，主要架構如下圖所示。

該平臺能夠提供多種通信方式、多種功能類型、不同廠家的傳感設備的通信適配、統一接入、協議解析和數據服務等功能。對下接入多種行業終端，能夠對異構通信方式的傳感設備進行通信適配，匯總統一接入，集群分布式的后臺處理[2]，對信息進

行協議解析和數據解析，為各個應用系統提供數據服務，對上支持城管、水務、管網、渣土等城市治理領域多種行業應用，把各種垂直的物聯網應用整合成一個扁平的應用體系，具有承上啟下的作用，為物聯網系統提供基礎集成技術的專業化技術支撐平臺。

1.2? 技術架構

以MQTT協議為核心搭建物聯應用支撐平臺[3]，利用MQTT代理作為物聯應用支撐平臺內部通信的樞紐，統一應用系統與物理設備的通信方式，從而降低第三方應用接入物聯應用支撐平臺的成本。

1.3? 業務架構

物聯網業務總體分為：終端接入，通信網絡，物聯接入，應用四個部分，其中的物聯接入是本次技術研究涉及的主體部分。

2? 物聯應用支撐平臺設計與實現

2.1? 物聯接入平臺

物聯接入平臺是物聯網終端數據采集及運行狀況的信息匯聚點，滿足適應多語言、多操作系統的不同終端設備的接入和數據通訊需求，并保證通信安全性、實時性和穩定性，并具備包括C、Java、.Net、iOS、Android等在內的SDK開發工具，可以接受任何安裝有協議驅動程序的設備發送的數據。通過數據采集、協議適配、數據處理全面呈現城市系統運行狀況，利用可視化技術和增強現實技術在信息空間中重現城市治理的全貌，為城市健康、安全、平

穩運行提供服務。

2.1.1? 協議解析

針對不同類型、不同廠家的設備，建立多種終端設備協議庫，將多種通信層協議和應用層協議，開發協議解析引擎模塊，實現通信層的協議適配，以及應用層的協議適配[4]，并根據協議規則將采集數據進行解析，分析報文內容;并對下傳的指令按照終端自有協議進行封裝，以實現對不同廠家、不同功能、不同通信接口的設備的統一接入服務。

設備管理模塊：網關管理，監控設備管理，位置管理，元數據管理。

協議解析模塊：網絡層協議集，傳輸層協議集，傳輸層協議集，私有協議插件。

數據服務模塊：數據調用接口，控制執行接口，數據消息訂制，批量數據服務。

應用管理模塊：應用實例管理。

為消除不同接入方式服務請求所采用的協議差異，對網關設備和測控設備的通信報文進行協議解析[5]，將各種接入協議轉換成統一的接入模式，包括TCP/IP協議族中的協議，如網絡層協議和傳輸層協議，某些情況下也包括在TCP/IP協議之上封裝的透傳協議，如Zigbee、RS232/485等協議，還包括在上述協議之上承載的應用層協議。

2.1.2? 數據通訊

所有的終端設備發到平臺的數據都由數據通訊模塊接收并預處理，數據通訊模塊完成實時數據采集、數據處理、終端控制等業務目標，實現數據接入適配、統一數據結構、數據處理等功能。

（1）數據接入

為了適應物聯大數據的需求，在數據接入時，傳感器或者采集終端通過無線或者有線的方式發送到平臺端[6]。數據接入協議分兩個層次，在通訊層次上，支持TCP、UDP、HTTP和WEBSOCKET等通訊協議;在數據協議層次上，支持MQTT、JSON、SOAP和自定義二進制協議。通過這兩個層次的互相搭配，可以輕松實現任何物聯網終端、任何協議的數據接入。

數據包發送到消息中間件中，考慮有效地應對“井噴流量”和下游服務短暫不可用的問題[7]。在消息中間件的選擇上，考慮Kafka、RabbitMQ和ActiveMQ，本研究選擇Kafka，因為在分布式環境下Kafka的吞吐性能非常優秀，并且其持久化和訂閱/發布的功能與物聯網的場景非常匹配。

（2）數據存儲

綜合考慮使用了多種存儲引擎，包括HDFS、Hbase、RDBMS和Redis。其中HDFS非常適合于非結構化數據的存儲，支持數據的備份、恢復和遷移，在系統中主要用于存儲原始數據和需要進行離線分析的數據[8]。

（3）數據處理

數據處理包括實時計算和離線計算兩種。

實時計算比較Storm和Spark-streaming，本研究擬選擇了Storm，主要考慮兩點：一方面是因為Storm具有很好的實時性，另一方面是因為在物聯網的場景中支持對終端數據的全局分組，而Spark-streaming只能在每個RDD中做分組。本研究選擇Storm作為實時處理引擎，基于實時處理引擎提供實時計算服務，可以支持應用層的調度和管理，基于實時計算服務可以實現對物聯網數據的清洗、解析、報警等實時的處理。

離線計算目前支持MapReduce和Hive，對Spark的支持也正在進行中，主要用于對物聯網數據做日/周/月/年等多個時間維度做報表分析和數據挖掘，并將結果輸出到關系數據庫中。

（4）數據交換接口

數據交換接口主要是為了簡化應用層與平臺層之間的數據訪問而抽象了一層訪問接口，有了這層接口，應用層就不需要直接調用Hadoop、HBase等原生API，可以快速地進行應用開發。數據交換接口支持：SQL、Restful、Thrift和Java API，用戶可以根據實際情況靈活選擇數據交換的方式。數據交換的內容包括：物聯網終端的當前狀態、物聯網終端的歷史狀態/軌跡、指令下發、數據訂閱與發布等等。

2.1.3? 設備管理

本研究應用中使用的設備種類多，廠家和標準難以統一，若采用傳統設備接入方式，從實時性、接入后的管理和維護、后續設備升級以及多協議支持等方面存在問題。通過綜合考慮設備的異構性和標準協議支持，采用面向智能化設備的多協議統一適配技術，實現各類傳感器、控制執行器等智能設備的可配置接入和智能化管理。

對測控設備的基本信息進行錄入，查詢和管理。添加新測控設備時，需將設備主要信息、設備ID/設序列號、設備的通信類型、設備關聯的網關和端口進行錄入，錄入后根據需要進行修改，并實現對設備信息的增刪改查等功能。

2.1.4? 運行監控

對設備的運行狀況、報警信息、監控數據進行管理。設備的運行狀況主要觀察所有設備的工作壓力、工作電壓、運行狀態、啟停次數、潤滑油壓、電機功率等信息;報警信息主要是設備運行過程中產生的報警記錄;監控數據包括實時數據、歷史數據和GPS的查看[9]。

2.1.5? 權限管理

該功能主要是對進行設備管理的過程中一些后臺的配置，主要包含設備分區、設備分類、設備授權的管理，可以進行添加、查詢、刪除。添加設備分區，對設備分區進行配置，可以在設備管理模塊創建新的設備信息時，選擇此處添加的設備分區。設備分區可以對所有設備進行區域劃分，方便管理。點擊刪除分區按鈕，可以刪除對應的分區，方便進行分區設計。創建設備分類，如流量、溫度、壓力等，對所有設備進行功能分類，根據功能進行設備劃分，可以方便對設備進行管理。

2.1.6? 用戶管理

用戶管理實現對平臺用戶、用戶權限和所屬角色管理功能。用戶注冊：通過郵箱、手機號進行用戶注冊，企業用戶需要輸入公司名稱、所在地。用戶權限分配：通過角色管理可以把系統的功能菜單分配給指定的角色，如管理員、工程師、操作工、訪客等不同的角色，能管理的菜單也不一樣，然后可以通過用戶管理把對應的角色分配給對應的用戶。

2.2? 天空地水網感知體系

借助衛星遙感、無人機、雷達遙測、仿生魚、物聯網、互聯網等先進通信技術，建設成布局合理、結構完備、功能齊全、高度共享的天-空-地-水-網一體化城市基礎信息采集與傳輸系統，實現水廠、污水廠、管網、水環境等各種城市運行狀態信息的自動采集，并將匯集的數據進行統一處理、整合、存儲與交換[10]，為物聯接入平臺在城市監測及治理中的應用提供數據支撐。

3? 結論

本文是針對物聯網應用類項目而設計的基礎管理平臺，面向道路橋梁、供水、排水、供熱、燃氣、園林、地下管線、環衛、工地、公廁等城市治理領域，以HTTP協議、Websocket、MQTT、MODBUS協議為核心，基于天空地水網一體化的智能感知體系及物聯接入平臺，打造統一采集、按需分發的數據體系，利用統一應用系統與物理設備的通信方式，解決了不同類型終端設備接入通信和數據協議不統一的問題，降低數據采集成本，提高數據采集效率，為數據分析和智能決策提供支撐，推動城市精細化、科學化治理具有指導意義。

參考文獻

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