白 旭
(上海外高橋集團(tuán)股份有限公司森蘭置地分公司 上海 200120)
時(shí)至今日,物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣,在諸如智能家居、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,都取得了很好的示范性效果。在國(guó)家十三五計(jì)劃中,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)核心,國(guó)家出臺(tái)了相關(guān)扶持政策對(duì)其進(jìn)行了大力的支持,未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可能成為我國(guó)重點(diǎn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的潛在推動(dòng)力量。森蘭(即東溝楔形綠地)位于浦東新區(qū)東北部,是2035規(guī)劃中上海北部新市鎮(zhèn)的核心區(qū)域,也是上海市政府規(guī)劃的八大楔形綠地之一,其不僅僅在區(qū)域上承擔(dān)著城市重要綠地生態(tài)的作用,還是居民文化和休閑的重要依附板塊,所以該板塊的相應(yīng)建筑需要具備智能化和未來(lái)化。智能建筑作為智慧城市最基本的單元,借助于物聯(lián)網(wǎng),可以有效的推進(jìn)智慧城市的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)使智能建筑的各個(gè)子系統(tǒng)變的“智能”起來(lái),各系統(tǒng)根據(jù)使用者的需求,相應(yīng)的功能及服務(wù)可自由地增減,將“智能建筑”變成“智慧建筑”,實(shí)現(xiàn)“管、控、營(yíng)”一體化,構(gòu)建智慧城市。
森蘭物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)以“統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實(shí)施、集中管理”為核心設(shè)計(jì)方針。建設(shè)可視化展示及管理平臺(tái)。主要分為以下幾個(gè)方面:(1)建設(shè)區(qū)域全覆蓋的低功耗物聯(lián)專網(wǎng)。(2)建設(shè)一個(gè)面向智能應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺(tái)。(3)形成多種商業(yè)和社會(huì)服務(wù)模式。(4)最終形成的園區(qū)智聯(lián)數(shù)據(jù)平臺(tái)統(tǒng)一接口,數(shù)據(jù)分析,消除信息孤島實(shí)現(xiàn)與各部門對(duì)接互聯(lián)。森蘭物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺(tái)按照功能主要由物聯(lián)傳感器管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)、智慧城市基礎(chǔ)管理平臺(tái)、信息資源目錄、移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)、物聯(lián)事件處置系統(tǒng)、業(yè)務(wù)安全系統(tǒng)等幾部分組成。
森蘭物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工程的數(shù)字系統(tǒng)是基于數(shù)字識(shí)別、自動(dòng)感知、網(wǎng)絡(luò)鏈接、普惠計(jì)算、智能控制平臺(tái)、信息技術(shù)服務(wù)體系和城市信息空間模型,建立一個(gè)城市與物理在數(shù)字空間匹配相應(yīng)的數(shù)字城市,運(yùn)用全息建模技術(shù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)診斷城市狀態(tài),準(zhǔn)確預(yù)測(cè)城市物理實(shí)體在真實(shí)環(huán)境,促進(jìn)城市全要素的數(shù)字化和虛擬化,實(shí)現(xiàn)全狀態(tài)實(shí)時(shí)協(xié)同智能可視化,實(shí)現(xiàn)城市運(yùn)行管理可控化,實(shí)現(xiàn)實(shí)體城市與數(shù)字城市的協(xié)同交互并行運(yùn)行。平臺(tái)的建設(shè)依賴于以云計(jì)算和端端為主的技術(shù)生態(tài)系統(tǒng),端端形成社區(qū)的全域感知,并對(duì)社區(qū)運(yùn)行標(biāo)志進(jìn)行深度描述。網(wǎng)絡(luò)端形成了無(wú)處不在的高速網(wǎng)絡(luò),提供了以毫秒為單位的雙向數(shù)據(jù)傳輸能力,為智能交互奠定了基礎(chǔ)。在云端,形成包容性智能計(jì)算,實(shí)現(xiàn)大范圍、多尺度、長(zhǎng)周期、智能化的社區(qū)消防風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)能力評(píng)估、預(yù)警和防控決策與控制的作用,如圖1所示:

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖
信息平臺(tái)主要由大數(shù)據(jù)管理技術(shù)、真三維快速可視化分析技術(shù)、多元時(shí)空一體化技術(shù)三部分組成,構(gòu)建了私有云的應(yīng)用架構(gòu),主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體擴(kuò)展和管理靈活化,模塊間數(shù)據(jù)可以及時(shí)共享交換,底層資源集中管理,靈活提供給上層進(jìn)行使用。具體如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)層級(jí)示意圖
森蘭物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是需要收集和處理許多城市數(shù)據(jù)的系統(tǒng),由于城市級(jí)三維數(shù)據(jù)具有多尺度和海量等豐富的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)類型復(fù)雜,并且數(shù)據(jù)量巨大。其中典型的三維城市數(shù)據(jù)具有多尺度尺度(如1:500、1:2000等)和多時(shí)間尺度(如2000-2010年的遙感影像數(shù)據(jù))的特征。系統(tǒng)利用GIS“云”技術(shù),使獨(dú)立的數(shù)據(jù)管理的功能層,這些來(lái)自不同服務(wù)器和不同尺度,不同格式的數(shù)據(jù)處理、加工和管理作為服務(wù)系統(tǒng)的整個(gè)工作過(guò)程,形成了集成的數(shù)據(jù)和軟件,由桌面、移動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)側(cè)各種應(yīng)用系統(tǒng)以一種更友好的方式,效率高、成本低、容易使用地理信息資源,為了實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用,改變了傳統(tǒng)的GIS應(yīng)用和建設(shè)模式。
“云GIS”技術(shù)可以集成不同尺度、不同類型的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理和調(diào)度。主要內(nèi)容如下:
(1)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)管理功能分離為數(shù)據(jù)管理功能層,數(shù)據(jù)管理功能層與系統(tǒng)其他層(如應(yīng)用支持層等)邏輯分離,實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)訪問(wèn)的設(shè)備獨(dú)立性、位置獨(dú)立性;
(2)采用文件系統(tǒng)存儲(chǔ)3D顯示數(shù)據(jù),提高數(shù)據(jù)調(diào)度的響應(yīng)速度。采用圖像金字塔和JPEG對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和存儲(chǔ)。將屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中,以滿足屬性數(shù)據(jù)多樣性豐富、維護(hù)更新頻繁的管理需求。空間數(shù)據(jù)由二維GIS空間數(shù)據(jù)引擎存儲(chǔ),以滿足矢量分析和查詢的需要。屬性數(shù)據(jù)通過(guò)關(guān)鍵詞與空間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)功能和管理的相對(duì)獨(dú)立性。空間數(shù)據(jù)和三維顯示數(shù)據(jù)通過(guò)關(guān)鍵詞進(jìn)行關(guān)聯(lián)。
(3)基于平鋪金字塔技術(shù),編制發(fā)布的地圖圖像數(shù)據(jù)可以形成海量的小文件集,每個(gè)文件的平均大小在100K左右。系統(tǒng)以Linux文件系統(tǒng)格式存儲(chǔ)這些文件。這樣,系統(tǒng)的運(yùn)行效率和成本都優(yōu)于數(shù)據(jù)庫(kù)模式,小文件、大目錄樹和低CPU消耗的綜合效率都高于Windows文件系統(tǒng),具有更高的穩(wěn)定性和安全性。
由于城市真實(shí)三維模型中數(shù)據(jù)量大,傳統(tǒng)的三維繪制技術(shù)很難繪制出如此大的三維場(chǎng)景。在傳統(tǒng)三維模型數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的基礎(chǔ)上,優(yōu)化算法和創(chuàng)新,結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)塊切割算法,四叉樹結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)層次(LOD)模型和數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加載技術(shù),可以快速顯示和分析大量的真實(shí)的3d數(shù)據(jù),人們接近自然的表現(xiàn)觀察有豐富的幾何細(xì)節(jié)和照片紋理的三維城市模型,隨著對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的接近,視覺體驗(yàn)和空間感知。
(1)實(shí)時(shí)塊裁剪算法的數(shù)據(jù)裁剪技術(shù):該技術(shù)在圖形管道的前期去除不可見的多邊形,避免對(duì)場(chǎng)景中不可見部分進(jìn)行不必要的處理。其核心理念是:首先使用的障礙物(根據(jù)視圖移動(dòng)選擇的先驗(yàn)知識(shí),如沿街流浪街頭大樓附近,可以作為避難所)簡(jiǎn)單的可見性測(cè)試,以確定的一些場(chǎng)景(空間凸包的范圍,即層次邊界框)的全部或部分陰影,然后把所有的大型住所附近瞬時(shí)角度識(shí)別預(yù)處理,然后重復(fù)一個(gè)層次結(jié)構(gòu)的可見性測(cè)試,以確保盡可能對(duì)動(dòng)態(tài)塊目標(biāo)陣列的視點(diǎn)附近進(jìn)行處理,如圖3所示。該方法利用KD樹對(duì)多邊形數(shù)據(jù)進(jìn)行組織,充分利用了空間相干性,同時(shí)緩存了跨視點(diǎn)和大型遮擋對(duì)象的遮擋關(guān)系,并在視點(diǎn)移動(dòng)過(guò)程中充分利用了時(shí)間相干性。因此,實(shí)時(shí)處理城市三維景觀具有很高的效率。

圖3 云GIS的應(yīng)用模式

圖4 透視顯示之?dāng)?shù)據(jù)裁剪
(2)四叉樹基于結(jié)構(gòu)的多分辨率LOD技術(shù):采用一個(gè)簡(jiǎn)化與視圖相關(guān)的LOD方法選擇合理的位置和方向的multi-resolution-based地圖表示從一個(gè)高的角度詳細(xì)地從周圍的地形,和地區(qū)遠(yuǎn)離的觀點(diǎn)是一個(gè)粗略的細(xì)節(jié)。通過(guò)四叉樹的分割可以提高渲染率,即將地形劃分為不同大小的塊,近視點(diǎn)較大,遠(yuǎn)視點(diǎn)較小。渲染不同大小的塊,實(shí)現(xiàn)不同細(xì)節(jié)層次的LOD渲染,有效簡(jiǎn)化和控制場(chǎng)景的數(shù)據(jù)復(fù)雜度。該方法對(duì)原始地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行了三個(gè)階段的處理:原始柵格數(shù)據(jù)→中間結(jié)果數(shù)據(jù)→打包結(jié)果數(shù)據(jù)。在從原始數(shù)據(jù)生成中間數(shù)據(jù)的過(guò)程中,需要設(shè)置投影參數(shù)和處理級(jí)別,然后修改中間數(shù)據(jù),主要通過(guò)復(fù)選框和設(shè)置融合背景數(shù)據(jù)。最后對(duì)修改后的中間數(shù)據(jù)進(jìn)行打包,生成系統(tǒng)加載的包數(shù)據(jù)格式。具體處理流程圖如圖5所示:

圖5 數(shù)據(jù)處理流程圖
(3)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)加載技術(shù):采用基于數(shù)據(jù)分層、塊化和數(shù)據(jù)頁(yè)面動(dòng)態(tài)更新的算法,實(shí)現(xiàn)多層、大尺度城市場(chǎng)景的實(shí)時(shí)繪制。同時(shí),減少“延遲”,使用多線程機(jī)制,充分利用計(jì)算機(jī)的CPU資源,促進(jìn)更新數(shù)據(jù)從硬盤讀取到內(nèi)存中根據(jù)角度的方向趨勢(shì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中水平和垂直細(xì)節(jié)水平過(guò)渡,然后意識(shí)到實(shí)際內(nèi)存中數(shù)據(jù)更新,如圖6所示:

圖6 塊狀數(shù)據(jù)處理示意圖
實(shí)現(xiàn)北塊綠地信號(hào)覆蓋率達(dá)到95%以上,物聯(lián)終端接入能力不小于1萬(wàn)個(gè),LORA物聯(lián)網(wǎng)負(fù)責(zé)傳輸各前端無(wú)線傳感器的數(shù)據(jù)傳輸及上傳。室外LoRa基站采用新建原則進(jìn)行布站,網(wǎng)關(guān)功放采用天線口輸出100mW配置為主,可根據(jù)需求適當(dāng)增減。
Okumura-Hata傳播模型
L=69.55+26.161gf(MHz)-13.821ghb(m)-a(hm)dB+(44.9-6.551ghb(m))logd(km)+Cce11
f:頻率
L:路徑損耗
d(km):收、發(fā)天線之間的距離
hb(m):基站天線有效高度
a(hm):終端天線的校正因子
Cce11:園區(qū)類型矯正因子
a(hm)(dB)的計(jì)算
——中小城市
a(hm)(dB)=(1.1lgf(MHz)-0.7)hm-(1.56lgf(MHz))-0.8
——大城市、郊區(qū)、農(nóng)村
a(hm)(dB)=8.29(lg1.54hm)2-1.1,f≤300MHzz
a(hm)(dB)=3.2(lg11.75hm)2-4.97,f≥300MHzz
Cce11的計(jì)算
根據(jù)上表,計(jì)算公式可化簡(jiǎn)為

表1 化簡(jiǎn)后的Hata計(jì)算公式
覆蓋規(guī)模估算和仿真分析
本期工程場(chǎng)景劃分按照密集市區(qū)。站點(diǎn)規(guī)模由于庭安路綠地+北片綠地內(nèi)樓宇較少且建筑物高度偏低,本次規(guī)劃5個(gè)物聯(lián)網(wǎng)站點(diǎn),站點(diǎn)位置如下圖所示:

圖7 現(xiàn)場(chǎng)衛(wèi)星圖
鏈路預(yù)算是在理想情況下得到的基站建站數(shù)量,未考慮地形、地貌、建筑分布等因素。為得到更為精確的建站規(guī)模,需引入仿真軟件。本次規(guī)劃采用了分辨率為5m的上海高精度仿真地圖,能精確模擬各種地形對(duì)無(wú)線信號(hào)造成的影響。通過(guò)仿真軟件的輔助,調(diào)整規(guī)劃站點(diǎn)布局及規(guī)模,本次庭安路綠地+北片綠地LoRa物聯(lián)網(wǎng)基站規(guī)劃5個(gè)基站,仿真覆蓋率達(dá)到98.58%,滿足規(guī)劃目標(biāo),但實(shí)際覆蓋結(jié)果仍需取決于實(shí)際獲取站點(diǎn)的偏離。
就目前而言,二維GIS和三維GIS具有各自的優(yōu)勢(shì)和不足,將長(zhǎng)期共存。如何把兩者有機(jī)地結(jié)合起來(lái),最大化地發(fā)揮二、三維的優(yōu)勢(shì),是人們一直關(guān)心的問(wèn)題。當(dāng)前有一些系統(tǒng),能夠同時(shí)顯示二維和三維的信息,但實(shí)際上貌合神離,是一種簡(jiǎn)單的系統(tǒng)集成,數(shù)據(jù)、表現(xiàn)形式、功能本質(zhì)上都是相互獨(dú)立的。本系統(tǒng)基于先進(jìn)的GIS內(nèi)核技術(shù),將二維和三維統(tǒng)一到一個(gè)真實(shí)的地理空間(球面空間)中,真正實(shí)現(xiàn)了二三維的有機(jī)結(jié)合。圖8展示了二、三維管線空間數(shù)據(jù)融合的處理流程:

圖8 現(xiàn)場(chǎng)仿真示意圖

圖9 空間管理流程圖
本系統(tǒng)二、三維一體化的實(shí)現(xiàn)路線具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)地理空間一體化。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了地上和地下、室內(nèi)與室外、地面與地上實(shí)體、地質(zhì)層與地下實(shí)體等在地理空間上的一體化,支持對(duì)各類數(shù)據(jù)的無(wú)縫瀏覽,使用戶的視覺感官趨于完整。將二維和三維信息統(tǒng)一到球面這個(gè)真實(shí)的地理環(huán)境去,將所有的數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換為真實(shí)的地理空間坐標(biāo)進(jìn)行發(fā)布。(2)空間與時(shí)間一體化。系統(tǒng)針對(duì)目前地理信息平臺(tái)多在空間上割裂和時(shí)間維缺乏的現(xiàn)狀,提出了多元時(shí)空一體化技術(shù)體系,實(shí)現(xiàn)了DEM、DOM、Model等的歷史數(shù)據(jù)管理,支持以時(shí)間軸或多屏方式進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)比對(duì)與分析。基于空間數(shù)據(jù)庫(kù)的歷史版本,平臺(tái)可以承載時(shí)間維信息,實(shí)現(xiàn)了空間與時(shí)間一體化。(3)查詢和分析的集成。三維、二維集成空間分析和算法引擎使用,大部分二維查詢(包括屬性查詢、空間查詢)、分析功能都可以用于三維系統(tǒng),同時(shí),三維系統(tǒng)還將提供淹沒分析、三維計(jì)算等真實(shí)的三維分析功能。
利用平臺(tái)一體化技術(shù),將真實(shí)的三維世界精準(zhǔn)地、高效地、開放地濃縮在平臺(tái)中,有效解決了空間割裂和時(shí)間維缺乏問(wèn)題。系統(tǒng)在技術(shù)上堅(jiān)持?jǐn)?shù)據(jù)、管理、服務(wù)與應(yīng)用相分離的架構(gòu)原則,利用“云GIS”技術(shù)構(gòu)建私有云應(yīng)用體系結(jié)構(gòu),建立靈活的預(yù)制擴(kuò)展機(jī)制,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、共享、融合、交換和與其他業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的集成。系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)被劃分為五層:工具集、系統(tǒng)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)服務(wù)、業(yè)務(wù)應(yīng)用程序和客戶端。通過(guò)建立貫穿整個(gè)體系和保障體系的不同層次的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,使這五個(gè)層次相互聯(lián)系,形成一個(gè)有機(jī)的整體。
數(shù)據(jù)中心是基于規(guī)范的數(shù)據(jù)資源的元數(shù)據(jù)描述,根據(jù)特定的一組信息分類和編碼,一個(gè)術(shù)語(yǔ)用來(lái)描述不同的數(shù)據(jù)資源的特點(diǎn),為了方便數(shù)據(jù)檢索資源,位置和訪問(wèn),是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享和業(yè)務(wù)協(xié)作和開放的基礎(chǔ)上,通過(guò)信息壁壘,實(shí)現(xiàn)信息共享和公共數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。它包括數(shù)據(jù)資源的分類、元數(shù)據(jù)的描述、代碼的規(guī)劃和編目,以及相關(guān)工作的組織、過(guò)程、需求等方面。
根據(jù)數(shù)據(jù)源類型,數(shù)據(jù)資源可分為物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)建數(shù)據(jù)、校園存量數(shù)據(jù)和社會(huì)開放數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)創(chuàng)建:物聯(lián)網(wǎng)傳感器終端采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)匯聚到管理平臺(tái)。園區(qū)盤存政務(wù)數(shù)據(jù):盤存政務(wù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)是在各個(gè)政務(wù)系統(tǒng)建成建設(shè)后的日常管理和服務(wù)過(guò)程中產(chǎn)生的,存在于各個(gè)政務(wù)系統(tǒng)中。社會(huì)公開數(shù)據(jù):指通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上公開渠道或通過(guò)數(shù)據(jù)交易獲得的數(shù)據(jù)。根據(jù)再處理的特點(diǎn),將原始數(shù)據(jù)到最終應(yīng)用于目標(biāo)的數(shù)據(jù)資源分為原始數(shù)據(jù)、半處理數(shù)據(jù)和完全處理數(shù)據(jù)。

圖10 數(shù)據(jù)加工示意圖
數(shù)據(jù)交換平臺(tái)是一組信息分類和編碼根據(jù)某種分類方法根據(jù)元數(shù)據(jù)的描述,它是用來(lái)描述每個(gè)數(shù)據(jù)資源的特點(diǎn),以方便檢索,位置和采集的數(shù)據(jù)資源。
森蘭(即東溝楔形綠地)位于浦東新區(qū)東北部,是2035規(guī)劃中上海北部新市鎮(zhèn)的核心區(qū)域。物聯(lián)網(wǎng)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)的衍生產(chǎn)品,與生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)的各方各面聯(lián)系緊密。本文以森蘭為例,分析了物聯(lián)網(wǎng)和智能建筑行業(yè)結(jié)合的可能性,對(duì)物聯(lián)網(wǎng)在智能建筑方面依托于大數(shù)據(jù)和可視化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。森蘭物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工程的數(shù)字系統(tǒng)是基于數(shù)字識(shí)別、自動(dòng)感知、網(wǎng)絡(luò)鏈接、普惠計(jì)算、智能控制平臺(tái)、信息技術(shù)服務(wù)體系和城市信息空間模型,建立一個(gè)城市與物理在數(shù)字空間匹配相應(yīng)的數(shù)字城市,運(yùn)用全息建模技術(shù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)診斷城市狀態(tài),準(zhǔn)確預(yù)測(cè)城市物理實(shí)體在真實(shí)環(huán)境,促進(jìn)城市全要素的數(shù)字化和虛擬化,實(shí)現(xiàn)全狀態(tài)實(shí)時(shí)協(xié)同智能可視化,實(shí)現(xiàn)城市運(yùn)行管理可控化。通過(guò)本文的分析以期為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能化建筑方面的應(yīng)用提供良好的范例。