智慧城市信息基礎設施平臺應用研究

杜 洋

（天翼物聯科技有限公司，江蘇 南京 210000）

在信息化高速發展的今天，城市的發展正在由“數字化”時代進入“智慧化”時代，再到“新數字時代”。2020 年4 月20 日，國家發改委首次明確了信息基礎設施、融合基礎設施及創新基礎設施等三大類“新基建”，為智慧城市建設注入了新動力，將刺激著城市經濟、治理、民生等各個領域的應用升級迭代，加速數字經濟的發展。

但現階段的智慧城市整體上仍呈現生態碎片化、信息壁壘化等特征，產業上、下游縱向對接及橫向拉通都缺乏標準以及有力的推動力量和技術手段，各建設參與方之間存在合作標準不統一，合作沉淀率低，生態活力不足，生態價值發掘不夠等問題。在新基建的背景下，隨著智慧城市迎來新的發展窗口，這些問題均叩待解決。

針對該問題，文中提出了一種“開放、標準、共享、融通”的智慧城市信息基礎設施平臺（下文簡稱“平臺”），能夠發揮智慧城市的感知中樞作用，匯聚城市多元化感知數據，并通過人工智能、大數據湖、云邊協同計算等前沿技術，全面支撐智慧城市，為智慧城市的創新運營提供有效的技術手段。

1 國內外研究進展

可作為智慧城市基礎設施平臺的物聯網PaaS平臺已成為市場熱點，國內外運營商及互聯網巨頭均開始布局該市場。目前主流物聯網平臺有亞馬遜IoT、阿里Link 和中國移動的OneNet，專業平臺商有艾拉物聯、機智云等。

國外運營商中，AT&T 探索多種方式構建信息基礎服務平臺，主要和愛立信SEP 平臺合作推出相應服務。德國電信采用Cumulocity 提供物聯網解決方案，設備管理、使能、開發者網站等。SK Telecom 與DaliWorks 聯合開發物聯網平臺Thing-Plug，遵循oneM2M 標準，對接智慧城市平臺，打造物聯公共服務。Verizon 則采用自研方式推出一款ThingSpace 的平臺，目的是簡化物聯網應用程序的開發和部署。

2 平臺研究

平臺是為各類智慧城市應用的開發/測試/運行提供通用服務的開放平臺，可降低應用開發難度，縮短應用開發時間，降低應用開發、測試和運行整體成本[1]，并可增加系統整合敏捷度。同時平臺可以實現應用匯聚，并在此基礎上實現數據的沉淀，為智慧城市數據運營、分析奠定基礎。

2.1 整體架構

平臺提供以數據存儲和應用開發為基礎的PaaS 服務能力，可幫助智慧城市各類應用搭建安全性能強大的數據通道[2]，方便終端和平臺的雙向通信。平臺使用了微服務、容器化、DevOps、持續集成等云原生技術，采用開源堆棧（K8S+Docker）進行容器化，基于微服務架構提高平臺靈活性和可維護性，DevOps 支持平臺持續迭代和運維自動化，并基于云基礎設施實現彈性伸縮、動態調度、優化資源利用率[3]。

平臺核心能力如下，如圖1 所示。

圖1 平臺架構圖

2.1.1 終端管理

平臺支持智能終端通過CDMA、NB-IoT、LTE、WIFI、光纖等不同網絡接入，并支持MQTT、LWM2M、TCP 等主流通信協議。

平臺具備完整的設備生命周期管理功能，支持設備注冊激活、指令下發、OTA 升級能力，提供終端在線調試能力簡化終端開發。

平臺提供多種智能終端安全認證方案，包括特征串、PKI 證書和SM9 國密認證。

2.1.2 數據管理

平臺提供安全可靠的數據匯聚、存儲、管理、分析、挖掘和展現。

智能終端上報的數據可按照平臺用戶設定的規則進行數據加工和數據清洗，并按要求推送數據。

2.1.3 應用管理

平臺可提供應用創建、應用SDK 下載、部署構建、運行監控、版本管理、域名綁定功能，支持應用托管和獨立的第三方部署方式。

2.2 關鍵技術

平臺實現的關鍵技術包括物模型的構建、終端開發服務方案、應用開發的服務方案以及自建能力與第三方能力的匯聚及開放等。

2.2.1 物模型

智慧城市感知層主要由異構的傳感器構成,是物聯網的觸角與神經末稍,負責整個物聯網的關于“物”的數據信息的感知和采集[6]，需要形成統一的規范和標準,為此平臺構建了“物模型”作為終端與平臺適配的標準，物模型是平臺對具體型號的智能終端的數字化抽象，描述該型號設備是什么，能做什么，能對外提供哪些服務，如圖2 所示。

物模型構建需要定義的產品功能類型分為“屬性”和“服務”。“屬性”用于描述設備運行時的狀態屬性，如環境監測設備所讀取的當前環境溫度、濕度等。

圖2 物模型工作原理

“屬性”支持GET 和SET 請求方式。應用系統可發起對屬性的讀取和設置請求。物模型的屬性和數據集中的每一個元素對應，用戶生成數據集時需要選擇各字段分別對應的屬性標識符。“服務”用于描述設備可被外部調用的能力或方法，可設置輸入參數和輸出參數。相對于“屬性”，“服務”可通過一條指令實現更復雜的業務邏輯，如執行某項特定的任務。

2.2.2 終端開發方案

平臺開發了支持MQTT、LWM2M、TCP 等多種通信協議的標準SDK，開放給終端開發者實現終端快速接入平臺，并將SDK 移植到一批主流廠商的LTE、WiFi、NB-IoT 等通信模組中，進一步簡化了終端開發者使用SDK 的過程。

基于SDK，平臺開發了終端通信開發板，開發板支持“積木式”開發，智能終端開發者可根據需要選擇支持Arduino 接口的其他MCU 開發板和專業傳感器板，借助廣泛的Arduino 接口生態實現處理能力和傳感能力的豐富擴展性，并與終端通信開發板組合，實現與平臺的敏捷對接[4]。

2.2.3 應用開發方案

智慧城市各類應用的構建長期采用端到端封閉的“煙囪式”構建模式，構建一個應用需要較長的開發周期和成本，且“煙囪式”構建的應用之間也無法互通，數據也分散在各個應用內部，難以實現聚合和分享[5]。

而平臺將常見的智慧城市類應用重復開發的部分納入平臺提供的服務中，能夠有效提高應用開發的效率。通過云端的平臺和終端側的Agent/SDK的協同，開發者也不用再設計和開發端云之間交互的協議，不用進行繁瑣的協議報文編碼工作，大幅降低了應用開發難度。

基于平臺開發應用后，數據被終端采集后匯聚到平臺，形成大數據湖，可實現數據的深度挖掘和價值利用，為智慧城市的運營提供輔助決策支持。同時，各應用之間可基于平臺進行高效、安全地聯動，為智慧城市管理提供了更智能的技術手段。

2.2.4 開發組件

基于平臺的終端、應用開發方案，封裝了開發組件，可進一步加快基于平臺的開發效率。組件包括通知服務組件、應用集成組件、報表引擎、工作流引擎、地圖引擎以及第三方能力集成組件等。

組件將智慧城市應用開發的常用功能以“微件”的方式提供，平臺用戶通過對這些微件的參數配置和組合，實現簡單智慧城市“微應用”在平臺的自動生成和運行加載，而不再需要開發者另行編寫應用程序和平臺對接。

2.2.5 能力網關

平臺開發了能力網關，將平臺自建能力以及匯聚的多種第三方能力，以Restful API 的形式對外提供服務，智慧城市應用可通過開放的API 調用平臺的能力和數據。

能力網關還支持平臺用戶將能力、服務、數據以API 的形式開放給合作伙伴，供更多的開發者使用，平臺開發者間能夠互相借力，將能力的復用率最大化。平臺還提供防攻擊、防重放、請求加密、身份認證、權限管理、流量控制等多重手段保證API安全，降低API 開放風險，并提供便捷的API 監控、報警、分析等工具，降低API 運營、維護成本。

3.2.6 終端安全認證

智慧城市的終端安全認證是智慧城市安全體系的關鍵一環，平臺提供TLS/DTLS 加密通道服務，并研發和提供了高安全等級的多種終端認證服務保證終端的安全認證，包括國密SM9 認證服務和SIM ID 認證服務，SIM ID 認證服務，可基于運營商SIM 卡能力，提供高等級安全認證服務，如圖3所示。

圖3 終端接入安全認證機制

3 應用案例

3.1 某新區智慧城市信息基礎設施平臺

1）案例背景。智慧城市系統要求確保PaaS 平臺總體構架的完整實施[7]，新區基于平臺構建城市超腦運行的底座，通過實現多維感知數據的融合匯聚，形成全域、全時、互聯互通的感知體系，有效支撐城市生命線、城市部件、公共安全、生態環境、民生服務等重點領域，實現數字孿生智能新區的基礎。

2）實施效果。新區基于平臺進行項目建設，可接入水、電、氣、熱等領域的百萬級別規模的感知設備，可匯聚超過100TB 級別規模的感知數據。基于平臺進行智慧城市相關的開發，開發周期及成本平均降低約30%。

項目構建了“1+2+N”的智慧城市服務體系，其中“1”為一體化城市感知網絡，涵蓋光纖網絡、蜂窩移動網絡、云基礎設施、物聯網專線等產品；“2”分別對應城市運營管理平臺、生態和應用聚合平臺，其中城市運營管理平臺運用人工智能、3D 可視化等技術構建城市、區縣和社區的運營中心，掌控城市和社區運行狀況，更好地進行治理；生態和應用聚合平臺負責智慧城市應用的匯聚，能夠實現一點接入、快速加載、全網服務，能夠實現應用之間信息聯動分享；“N”是提供智慧社區、智慧園區、特色小鎮、產業園區等N 個行業應用，與運營中心協同治理城市。

4 結論

平臺構建了智慧城市感知信息中樞，可實現多種能力的匯聚開放；依托物模型，平臺實現了智能終端的標準化對接，可提供智慧城市感知層標準化接入服務；平臺有效降低了智慧城市應用的開發難度，縮短應用開發時間，降低應用開發、測試和運行整體成本，并增加了系統整合敏捷度等，實現智慧城市應用的聚合與分析，助力數據的沉淀與分析，已在實踐中成為智慧城市管理、運營的有力輔助技術工具。