基于物模型的智能設施管理平臺設計與實現

沙默泉 劉暢 陳龍

（1.中國聯通智能城市研究院 北京市 100048 2.航天科工海鷹集團有限公司 北京市 100070）

1 研究背景

物聯網是在互聯網基礎上，融合信息傳感設備、射頻識別技術（RFID）、全球定位系統（GPS）、激光掃描器等各種技術，通過各種網絡接入方式，實現“物-物”之間和“人-物”之間的泛在鏈接和互聯互通。基于此，本文設計了一套基于物模型的智能設施管理平臺，實現物聯設備采集與接入、物聯設備數據管理、物聯數據分析與應用、物聯設備故障預判和告警工單派等功能，并將網絡連接能力、設備接入能力、設備管理能力、設備數據解析轉發能力等進行整合、封裝、管理，統一對外提供服務。

2 物模型設計

物模型指將物理空間的實體數字化，并在云端構建該實體的數據模型。是物理空間中的實體的數字化表達，對設備在云端的功能描述和定義，包括設備的屬性，數據，服務和事件等，構建成為智能設備的物模型，便于用統一的模型語言對智能物聯設施進行描述、管理和控制，也有助于智能設施之間的交互通信與理解。

2.1 設備物模型可視化配置

通過物模型，平臺可動態進行物模型屬性、功能和事件定義。其中屬性配置設計支持int 類型、long 長整型、float 單精度浮點型、double 雙精度浮點型，可設置最大值和最小值以及單位類型，支持geo 地理位置類型設置等。

2.2 屬性功能對應設計

通過物模型定義，平臺可實現智能設備功能和屬性的對應設計。設備功能主要包括設備運行情況、日志以及數據記錄，設備批量導入和批量激活，設備控制功能，提供查看運行狀態的能力，可視化告警設置功能和設定告警閾值并查看告警記錄等。

2.3 設備建模功能

用戶可以根據業務的需要定制設備物模型。針對不同行業、不同類型的終端進行建模和標準化，模型包括設備基本信息和業務信息（包含屬性、事件、服務），并提供裸數據到標準模型的編解碼轉換能力。平臺內置常規設備模型模板，支持自定義模板，具備對模型的增、刪、改的能力。

綜上，本文設計的智能設施管理平臺中，所有設備的連接方式全部建立在物模型和協議配置基礎上，因此當設備連接方式發生變化時，不會影響設備在平臺應用層的數據接入和數據展示，從而保證數據的統一性和規范性。

3 平臺設計與實現

3.1 總體設計

3.1.1 整體架構

智能設施管理平臺設計遵循穩定可靠、技術先進、可拓展、可復制以及適用性等原則，采用微服務架構設計，實現業務應用、數據應用的輕量化、松耦合、以及前后端分離，提高功能模塊重用率，統一數據對接方式，支持平臺橫向擴容，實現模塊化的靈活部署。

在設備接入層，平臺支持多種類型物聯設備及相關平臺的接入，包括傳感設備、第三方業務系統、第三方物聯網平臺等。智能設施管理平臺設計了標準的、統一的南向的標準SDK 調用接口，設備接入方按標準接入文檔引入SDK 調用即可。該標準SDK 接口能夠實現各類終端設備和應用系統的迅速接入，按標準接入后可快速對接到智能設施管理平臺完成數據采集，數據存儲、數據管理等，智能設施管理平臺將接收到的數據按照協議解包存儲。

在物聯網平臺層，平臺包括設備接入協議解析、物聯設備管理、物聯數據管理、物聯數據分析、物聯數據服務等主要功能，構建一套智能終端與接入網關的匯聚與管理平臺、場景應用的中間件平臺、輕量級應用的服務賦能平臺。

業務應用層，平臺同時平臺作為開放系統，可以結合智慧城市、智能樓宇、智慧園區等應用場景，開放對接不同企業的感知層樓控設備、智能硬件等，為用戶提供統一的場景服務。

3.1.2 技術架構

在平臺技術架構采用目前已經經過論證的可靠技術，系統各環節具備故障分析與恢復和容錯能力，在安全體系建設、復雜環節解決方案和系統切換等各方面考慮周到、切實可行。

物聯網平臺作為中間層，向上為業務系統提供數據支撐，向下為底層設備提供統一接入和存儲。對于底層設備，只需要使用標準SDK 即可對接到平臺的數據接入容器中，平臺則會進行協議轉換解析，統一流式處理到數據層。對于應用系統，平臺則會提供統一的接入接口，以主動推送和被動查詢兩種形式為其他系統提供支撐，具體形式包括RestfulAPI（面向Web 應用）、MQTT(面向其他IoT平臺)、MQ(面向其他中間系統)。

物聯網平臺中間層降低了底層設備聯入系統時的開發復雜度，幫助完成了底層設備推送數據、轉換協議、存儲數據所需要的開發工作；為應用系統提供了多種多樣的查詢方式，降低了應用系統的使用成本和開發成本。

3.2 功能設計

3.2.1 設備管理

智能設施管理平臺在設備接入基礎上，提供了更豐富完備的設備管理能力，簡化海量設備管理復雜性，實現對智能設施運行、報警、故障狀態的反饋以及全生命周期信息管理。

3.2.1.1 物聯設備模型配置

平臺支持設備建模功能，用戶可在平臺內完成設備物模型（屬性、事件、服務等）和業務管理模型（組織機構、管理層級等）設備模型的建立和配置。平臺支持對單個和批量智能設備進行配置。

3.2.1.2 設備狀態監控

平臺對接入平臺的終端設備進行實時狀態監控，設備接入情況、在線/離線狀態、故障及告警信息等。

3.2.1.3 設備告警管理告警管理主要通過獲取物聯設備監測數據值，并將監測數據與業務管理需求所設定的告警閾值對比，判斷獲取告警信息，并實現信息的推送及管理功能。

3.2.2 連接管理

智能設施管理平臺感知連接管理主要實現物聯傳感層設備接入通道、協議解析、安全保證、實時數據采集、控制等管理。主要包含：設備注冊鑒權、接入通道管理、數據采集和設備交互控制管理等功能。

3.2.2.1 設備注冊鑒權

為確保物聯設備和數據的安全，平臺為每一個物聯接入設備頒發唯一的設備證書，設備證書與設備是一對一的關系，確保設備的唯一合法性。智能設施管理平臺在所有連接點處提供相互身份驗證和加密，平臺支持基于4A 服務的身份驗證。平臺提供設備級的授權粒度，幫助用戶控制數據的安全性。

3.2.2.2 接入通道管理

平臺提出以IoT 聯接管理為核心的統一接入標準規則，在各項應用和物聯網設備之間搭建高效、穩定、安全的應用平臺；同時面向設備，適配多種網絡環境和常見傳輸協議，提供各類硬件終端和廠商設備管理平臺的快速接入方案和設備管理能力，提供統一標準的設備接入。平臺提供2G/3G/4G/5G、NB-IoT、LoRa、WIFI 等不同網絡設備接入方案。提供MQTT、CoAP、HTTP/S 等多種協議的接入實現，滿足多種應用場景的使用需求。

3.2.2.3 數據采集

平臺完成對感知數據的匯聚、處理、封裝等，包括異構感知數據間格式轉換和應用業務觸發。可提供協議轉換、地址映射、數據處理等功能。支持多種接入層MQTT、HTTP 等的通訊匯聚及融合，或其他跨物聯網聯接管理平臺的所有通信量，并提供到智能設施管理平臺的無縫實時數據鏈。

3.2.2.4 設備交互控制

平臺支持設備接入過程中上下行雙向通信功能，即平臺可采集設備業務數據、告警信息；同時平臺可數據或指令發到設備，達到平臺對設備遠程控制的效果。平臺提供基于資源信息模型各主體對象的控制操作功能，控制操作可來源于系統的實時控制、也可來源于預定義的控制策略，系統內預置“控制狀態機（狀態、信號、動作）、反饋控制/反饋調節、單階/多階控制”等多種控制邏輯，保障控制操作安全可靠執行。

3.2.3 數據管理

智能設施數據管理功能主要是指對智能物聯設備運行中產生實時資源數據進行數據清洗、實時存儲、歸檔計算、解析分析等功能。其最顯著的特點是其數據的實時性，通過采用實時數據計算、鍵值數據存儲、實時數據鏈等技術以滿足相關業務在運行中對數據采集、分析和反饋的實時性要求。同時，平臺提供數據分發服務，即按路由規則分發至相應的數據接收端，如即時推送事件、服務數據到具體業務客戶端、第三方智能設施管理平臺等。

3.2.4 應用使能

平臺應用使能管理模塊通過對智能設施管理業務過程中的各類復雜邏輯及處理進行業務封裝，面向物聯網應用開發者提供了快速開發、部署以及管理應用的能力，而無需考慮下層基礎設施擴展、數據管理和歸集、通信協議、通信安全等問題，降低開發成本、縮短開發時間。應用使能管理主要包括規則引擎、業務編排、API 管理等，可為便于用戶自主的實現基于業務和規則的設備聯動、控制和相關應用的開發。

3.2.5 基礎管理

為滿足政府部門、終端商、應用開發商/集成商、應用運營商等各類客戶使用需要，智能設施管理平臺根據需要設計不同基礎管理功能，包括用戶管理、日志管理、權限管理、安全管理等。

3.3 性能設計

3.3.1 彈性的業務承載能力

平臺業務負載均衡可伸縮，可根據實時業務場景，擴大或收縮集群規模，并實時調配整個系統的并發承載壓力，實現高并發業務場景系統整體響應時間低于正常響應時間的150%。

3.3.2 穩定的平臺運行

平臺建設效果最終體現在終端的使用運行效果上，包括數據、網關和系統等運行的穩定性等，具體如表1所示。

表1：智能設施管理平臺運行性能

3.4 部署方案

結合平臺智能化業務場景要求，平臺設計支持私有化部署、Docker 方式部署。

3.4.1 私有化部署

私有化部署適用于比較重視內部數據安全的用戶，采用獨立的部署模式，功能更靈活，管理模式更成熟，同時數據安全可靠性更高。私有化部署還具有拓展性強的特點，支持用戶進行自主二次開發。私有化部署主要通過獨立的服務器、數據庫和賬號體系實現，使得用戶獲得更高自主權。

3.4.2 Docker 方式部署

Docker 是基于容器的平臺，允許高度可移植的工作負載。Docker 容器可以在開發人員的本機上，數據中心的物理或虛擬機上，云服務上或混合環境中運行。客戶端-服務器 (C/S) 的架構模式，使用遠程API 來管理和創建Docker 容器，使Docker 具有可移植性和輕量級的特性，可以使客戶端輕松地完成動態管理的工作負擔，并根據業務需求指示，實時擴展或拆除應用程序和服務。

4 結語

綜上所屬，本文設計并研發的智能設施管理平臺，可實現對物聯感知設備數據的統一管理和共享開放，可廣泛應用于智慧城市及其相關領域，為城市綜合管理、智慧交通、智慧社區、智慧園區、智慧生態、數字農業等不同應用系統之間在物聯感知層面的協同互通提供標準化數據支撐。平臺均遵守微服務架構中的模塊設計原則，可通過統一認證模式，在項目實施過程中獨立拆分和組合使用，同時在業務功能設計上不拘泥于具體項目的特定需求，而是滿足現有智能化應用的泛型功能，并提供模塊化的定制方式。平臺具有低耦合性、靈活性、高復用性和可按模塊分階段實施的特點及優勢。