劉紅義 朱玉明 王璐璐 王雪梅

摘? 要： 針對(duì)目前道路橋梁、供水、排水、供熱、燃?xì)?、園林、地下管線、環(huán)衛(wèi)、工地、公廁等城市治理行業(yè)不同類型終端之間接入通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)協(xié)議不統(tǒng)一的問(wèn)題，本文提出了一種面向城市治理領(lǐng)域的物聯(lián)應(yīng)用支撐平臺(tái)，構(gòu)建全面感知、全域操控的城市運(yùn)行智能感知體系，通過(guò)城市規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的全面感知以及城市運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)控制，打造面向城市治理的應(yīng)用體系。本文闡述了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下對(duì)流量計(jì)、水質(zhì)分析儀、壓力變送器、水位計(jì)、流速儀等感知傳感設(shè)備數(shù)據(jù)采集，提供統(tǒng)一適配、安全接入和身份認(rèn)證服務(wù)，保證采集數(shù)據(jù)的安全、穩(wěn)定、可靠的傳輸，實(shí)現(xiàn)各類采集數(shù)據(jù)的智能、高效、協(xié)同統(tǒng)一管理。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)應(yīng)用支撐平臺(tái);城市治理;感知體系;通訊協(xié)議;身份認(rèn)證

中圖分類號(hào)： TP391.8? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(lián)應(yīng)用支撐平臺(tái)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(lián)網(wǎng)技術(shù)的帶動(dòng)下，引領(lǐng)智慧管網(wǎng)、智慧管廊、智慧水務(wù)、智慧城管、智慧園林等城市治理行業(yè)快速發(fā)展，同時(shí)也給新型城市建設(shè)提出了更高的要求，面向城市治理領(lǐng)域的物聯(lián)應(yīng)用支撐平臺(tái)作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的重要組成部分，有助于推動(dòng)智慧城市的建設(shè)和發(fā)展。

在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的大趨勢(shì)下，物聯(lián)應(yīng)用支撐平臺(tái)的建設(shè)需求不斷的釋放，未來(lái)的市場(chǎng)潛力巨大，由于各個(gè)廠家的感知設(shè)備沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，各終端廠商生產(chǎn)的終端都在使用不同的通訊協(xié)議及通訊接入方式，因此亟需對(duì)物聯(lián)應(yīng)用支撐平臺(tái)展開進(jìn)一步的探討，進(jìn)行對(duì)不同類型終端的可配置接入和統(tǒng)一管理，以便對(duì)上層應(yīng)用進(jìn)行傳感器和通信協(xié)議等的適配，形成一個(gè)高效的物聯(lián)應(yīng)用支撐平臺(tái)。

本文將圍繞“物聯(lián)應(yīng)用支撐平臺(tái)”的技術(shù)體系和主要功能進(jìn)行闡述，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種面向城市治理領(lǐng)域行業(yè)多設(shè)備協(xié)議可配置的物聯(lián)應(yīng)用支撐平臺(tái)。

1? 物聯(lián)應(yīng)用支撐平臺(tái)系統(tǒng)

1.1? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

物聯(lián)應(yīng)用支撐平臺(tái)是根據(jù)平臺(tái)即服務(wù)PaaS的思想[1]，結(jié)合城市治理機(jī)制的設(shè)計(jì)理念，由物聯(lián)接入平臺(tái)（數(shù)據(jù)處理）及天空地水網(wǎng)感知體系（傳感器數(shù)據(jù)）兩部分組成，主要架構(gòu)如下圖所示。

該平臺(tái)能夠提供多種通信方式、多種功能類型、不同廠家的傳感設(shè)備的通信適配、統(tǒng)一接入、協(xié)議解析和數(shù)據(jù)服務(wù)等功能。對(duì)下接入多種行業(yè)終端，能夠?qū)Ξ悩?gòu)通信方式的傳感設(shè)備進(jìn)行通信適配，匯總統(tǒng)一接入，集群分布式的后臺(tái)處理[2]，對(duì)信息進(jìn)

行協(xié)議解析和數(shù)據(jù)解析，為各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，對(duì)上支持城管、水務(wù)、管網(wǎng)、渣土等城市治理領(lǐng)域多種行業(yè)應(yīng)用，把各種垂直的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用整合成一個(gè)扁平的應(yīng)用體系，具有承上啟下的作用，為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)集成技術(shù)的專業(yè)化技術(shù)支撐平臺(tái)。

1.2? 技術(shù)架構(gòu)

以MQTT協(xié)議為核心搭建物聯(lián)應(yīng)用支撐平臺(tái)[3]，利用MQTT代理作為物聯(lián)應(yīng)用支撐平臺(tái)內(nèi)部通信的樞紐，統(tǒng)一應(yīng)用系統(tǒng)與物理設(shè)備的通信方式，從而降低第三方應(yīng)用接入物聯(lián)應(yīng)用支撐平臺(tái)的成本。

1.3? 業(yè)務(wù)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)總體分為：終端接入，通信網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)接入，應(yīng)用四個(gè)部分，其中的物聯(lián)接入是本次技術(shù)研究涉及的主體部分。

2? 物聯(lián)應(yīng)用支撐平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1? 物聯(lián)接入平臺(tái)

物聯(lián)接入平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)據(jù)采集及運(yùn)行狀況的信息匯聚點(diǎn)，滿足適應(yīng)多語(yǔ)言、多操作系統(tǒng)的不同終端設(shè)備的接入和數(shù)據(jù)通訊需求，并保證通信安全性、實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，并具備包括C、Java、.Net、iOS、Android等在內(nèi)的SDK開發(fā)工具，可以接受任何安裝有協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)采集、協(xié)議適配、數(shù)據(jù)處理全面呈現(xiàn)城市系統(tǒng)運(yùn)行狀況，利用可視化技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在信息空間中重現(xiàn)城市治理的全貌，為城市健康、安全、平

穩(wěn)運(yùn)行提供服務(wù)。

2.1.1? 協(xié)議解析

針對(duì)不同類型、不同廠家的設(shè)備，建立多種終端設(shè)備協(xié)議庫(kù)，將多種通信層協(xié)議和應(yīng)用層協(xié)議，開發(fā)協(xié)議解析引擎模塊，實(shí)現(xiàn)通信層的協(xié)議適配，以及應(yīng)用層的協(xié)議適配[4]，并根據(jù)協(xié)議規(guī)則將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，分析報(bào)文內(nèi)容;并對(duì)下傳的指令按照終端自有協(xié)議進(jìn)行封裝，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同廠家、不同功能、不同通信接口的設(shè)備的統(tǒng)一接入服務(wù)。

設(shè)備管理模塊：網(wǎng)關(guān)管理，監(jiān)控設(shè)備管理，位置管理，元數(shù)據(jù)管理。

協(xié)議解析模塊：網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議集，傳輸層協(xié)議集，傳輸層協(xié)議集，私有協(xié)議插件。

數(shù)據(jù)服務(wù)模塊：數(shù)據(jù)調(diào)用接口，控制執(zhí)行接口，數(shù)據(jù)消息訂制，批量數(shù)據(jù)服務(wù)。

應(yīng)用管理模塊：應(yīng)用實(shí)例管理。

為消除不同接入方式服務(wù)請(qǐng)求所采用的協(xié)議差異，對(duì)網(wǎng)關(guān)設(shè)備和測(cè)控設(shè)備的通信報(bào)文進(jìn)行協(xié)議解析[5]，將各種接入?yún)f(xié)議轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的接入模式，包括TCP/IP協(xié)議族中的協(xié)議，如網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和傳輸層協(xié)議，某些情況下也包括在TCP/IP協(xié)議之上封裝的透?jìng)鲄f(xié)議，如Zigbee、RS232/485等協(xié)議，還包括在上述協(xié)議之上承載的應(yīng)用層協(xié)議。

2.1.2? 數(shù)據(jù)通訊

所有的終端設(shè)備發(fā)到平臺(tái)的數(shù)據(jù)都由數(shù)據(jù)通訊模塊接收并預(yù)處理，數(shù)據(jù)通訊模塊完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、終端控制等業(yè)務(wù)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接入適配、統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理等功能。

（1）數(shù)據(jù)接入

為了適應(yīng)物聯(lián)大數(shù)據(jù)的需求，在數(shù)據(jù)接入時(shí)，傳感器或者采集終端通過(guò)無(wú)線或者有線的方式發(fā)送到平臺(tái)端[6]。數(shù)據(jù)接入?yún)f(xié)議分兩個(gè)層次，在通訊層次上，支持TCP、UDP、HTTP和WEBSOCKET等通訊協(xié)議;在數(shù)據(jù)協(xié)議層次上，支持MQTT、JSON、SOAP和自定義二進(jìn)制協(xié)議。通過(guò)這兩個(gè)層次的互相搭配，可以輕松實(shí)現(xiàn)任何物聯(lián)網(wǎng)終端、任何協(xié)議的數(shù)據(jù)接入。

數(shù)據(jù)包發(fā)送到消息中間件中，考慮有效地應(yīng)對(duì)“井噴流量”和下游服務(wù)短暫不可用的問(wèn)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?yàn)樵诜植际江h(huán)境下Kafka的吞吐性能非常優(yōu)秀，并且其持久化和訂閱/發(fā)布的功能與物聯(lián)網(wǎng)的場(chǎng)景非常匹配。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

綜合考慮使用了多種存儲(chǔ)引擎，包括HDFS、Hbase、RDBMS和Redis。其中HDFS非常適合于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，支持?jǐn)?shù)據(jù)的備份、恢復(fù)和遷移，在系統(tǒng)中主要用于存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)和需要進(jìn)行離線分析的數(shù)據(jù)[8]。

（3）數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括實(shí)時(shí)計(jì)算和離線計(jì)算兩種。

實(shí)時(shí)計(jì)算比較Storm和Spark-streaming，本研究擬選擇了Storm，主要考慮兩點(diǎn)：一方面是因?yàn)镾torm具有很好的實(shí)時(shí)性，另一方面是因?yàn)樵谖锫?lián)網(wǎng)的場(chǎng)景中支持對(duì)終端數(shù)據(jù)的全局分組，而Spark-streaming只能在每個(gè)RDD中做分組。本研究選擇Storm作為實(shí)時(shí)處理引擎，基于實(shí)時(shí)處理引擎提供實(shí)時(shí)計(jì)算服務(wù)，可以支持應(yīng)用層的調(diào)度和管理，基于實(shí)時(shí)計(jì)算服務(wù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的清洗、解析、報(bào)警等實(shí)時(shí)的處理。

離線計(jì)算目前支持MapReduce和Hive，對(duì)Spark的支持也正在進(jìn)行中，主要用于對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)做日/周/月/年等多個(gè)時(shí)間維度做報(bào)表分析和數(shù)據(jù)挖掘，并將結(jié)果輸出到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（4）數(shù)據(jù)交換接口

數(shù)據(jù)交換接口主要是為了簡(jiǎn)化應(yīng)用層與平臺(tái)層之間的數(shù)據(jù)訪問(wèn)而抽象了一層訪問(wèn)接口，有了這層接口，應(yīng)用層就不需要直接調(diào)用Hadoop、HBase等原生API，可以快速地進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。數(shù)據(jù)交換接口支持：SQL、Restful、Thrift和Java API，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇數(shù)據(jù)交換的方式。數(shù)據(jù)交換的內(nèi)容包括：物聯(lián)網(wǎng)終端的當(dāng)前狀態(tài)、物聯(lián)網(wǎng)終端的歷史狀態(tài)/軌跡、指令下發(fā)、數(shù)據(jù)訂閱與發(fā)布等等。

2.1.3? 設(shè)備管理

本研究應(yīng)用中使用的設(shè)備種類多，廠家和標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一，若采用傳統(tǒng)設(shè)備接入方式，從實(shí)時(shí)性、接入后的管理和維護(hù)、后續(xù)設(shè)備升級(jí)以及多協(xié)議支持等方面存在問(wèn)題。通過(guò)綜合考慮設(shè)備的異構(gòu)性和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議支持，采用面向智能化設(shè)備的多協(xié)議統(tǒng)一適配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各類傳感器、控制執(zhí)行器等智能設(shè)備的可配置接入和智能化管理。

對(duì)測(cè)控設(shè)備的基本信息進(jìn)行錄入，查詢和管理。添加新測(cè)控設(shè)備時(shí)，需將設(shè)備主要信息、設(shè)備ID/設(shè)序列號(hào)、設(shè)備的通信類型、設(shè)備關(guān)聯(lián)的網(wǎng)關(guān)和端口進(jìn)行錄入，錄入后根據(jù)需要進(jìn)行修改，并實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備信息的增刪改查等功能。

2.1.4? 運(yùn)行監(jiān)控

對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況、報(bào)警信息、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行管理。設(shè)備的運(yùn)行狀況主要觀察所有設(shè)備的工作壓力、工作電壓、運(yùn)行狀態(tài)、啟停次數(shù)、潤(rùn)滑油壓、電機(jī)功率等信息;報(bào)警信息主要是設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的報(bào)警記錄;監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和GPS的查看[9]。

2.1.5? 權(quán)限管理

該功能主要是對(duì)進(jìn)行設(shè)備管理的過(guò)程中一些后臺(tái)的配置，主要包含設(shè)備分區(qū)、設(shè)備分類、設(shè)備授權(quán)的管理，可以進(jìn)行添加、查詢、刪除。添加設(shè)備分區(qū)，對(duì)設(shè)備分區(qū)進(jìn)行配置，可以在設(shè)備管理模塊創(chuàng)建新的設(shè)備信息時(shí)，選擇此處添加的設(shè)備分區(qū)。設(shè)備分區(qū)可以對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行區(qū)域劃分，方便管理。點(diǎn)擊刪除分區(qū)按鈕，可以刪除對(duì)應(yīng)的分區(qū)，方便進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)。創(chuàng)建設(shè)備分類，如流量、溫度、壓力等，對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行功能分類，根據(jù)功能進(jìn)行設(shè)備劃分，可以方便對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理。

2.1.6? 用戶管理

用戶管理實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)用戶、用戶權(quán)限和所屬角色管理功能。用戶注冊(cè)：通過(guò)郵箱、手機(jī)號(hào)進(jìn)行用戶注冊(cè)，企業(yè)用戶需要輸入公司名稱、所在地。用戶權(quán)限分配：通過(guò)角色管理可以把系統(tǒng)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(guò)用戶管理把對(duì)應(yīng)的角色分配給對(duì)應(yīng)的用戶。

2.2? 天空地水網(wǎng)感知體系

借助衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)、雷達(dá)遙測(cè)、仿生魚、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)通信技術(shù)，建設(shè)成布局合理、結(jié)構(gòu)完備、功能齊全、高度共享的天-空-地-水-網(wǎng)一體化城市基礎(chǔ)信息采集與傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水廠、污水廠、管網(wǎng)、水環(huán)境等各種城市運(yùn)行狀態(tài)信息的自動(dòng)采集，并將匯集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理、整合、存儲(chǔ)與交換[10]，為物聯(lián)接入平臺(tái)在城市監(jiān)測(cè)及治理中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

3? 結(jié)論

本文是針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用類項(xiàng)目而設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)管理平臺(tái)，面向道路橋梁、供水、排水、供熱、燃?xì)?、園林、地下管線、環(huán)衛(wèi)、工地、公廁等城市治理領(lǐng)域，以HTTP協(xié)議、Websocket、MQTT、MODBUS協(xié)議為核心，基于天空地水網(wǎng)一體化的智能感知體系及物聯(lián)接入平臺(tái)，打造統(tǒng)一采集、按需分發(fā)的數(shù)據(jù)體系，利用統(tǒng)一應(yīng)用系統(tǒng)與物理設(shè)備的通信方式，解決了不同類型終端設(shè)備接入通信和數(shù)據(jù)協(xié)議不統(tǒng)一的問(wèn)題，降低數(shù)據(jù)采集成本，提高數(shù)據(jù)采集效率，為數(shù)據(jù)分析和智能決策提供支撐，推動(dòng)城市精細(xì)化、科學(xué)化治理具有指導(dǎo)意義。

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