李 過，閆 亮，徐雁云

（中建電子信息技術有限公司，西安 710061）

如今，我國城鎮(zhèn)化的發(fā)展進程逐漸加快，智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)在自動化運行管理中凸顯出很多問題，各種潛在的安全隱患越來越多[1]。 建立和完善智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動化管理平臺和應急處置機制，對突發(fā)事件的預防和應急處理已經成為智慧城市管理的首要任務之一[2]。 物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展為智慧城區(qū)的運行管理工作提供有效的途徑，利用智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動化管理平臺，可以實現(xiàn)自動化與人工結合的管理模式，有效提高智慧城區(qū)日常保障和處置突發(fā)事件的能力，以最大的程度降低突發(fā)事件帶來的損害，保障智慧城區(qū)的有序性，促進了智慧城區(qū)經濟全面、協(xié)調及可持續(xù)發(fā)展[3]。

在國內的研究中，文獻[4]針對目前我國鐵路物流園區(qū)智能化程度低、物流效率低、物流資源不能有效整合的現(xiàn)狀，利用物聯(lián)網(wǎng)技術提出一種鐵路物流園區(qū)的信息化建設方法， 在建設需求的基礎上，結合物聯(lián)網(wǎng)技術的特點，實現(xiàn)鐵路物流園區(qū)的信息化建設。 將物聯(lián)網(wǎng)技術與物流管理、追溯技術、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲模式、 物流信息共享技術等技術相結合，對鐵路物流信息系統(tǒng)的關鍵技術進行了深入的分析。 文獻[5]在Docker 技術的基礎上，結合物聯(lián)網(wǎng)技術，提出了城市消防安全管理平臺設計，根據(jù)構成城市消防安全管理的三大要素，遠程采集了城市消防安全物聯(lián)網(wǎng)在運行過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)挖掘技術的基礎上，分析了城市消防安全管理轄區(qū)內的火災隱患，科學地評估消防轄區(qū)內存在的安全風險，結合數(shù)據(jù)容災管理辦法實現(xiàn)了城市消防安全管理平臺的安全保證。

基于以上研究背景，本文利用數(shù)字孿生技術設計了智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動化管理平臺，從而提高平臺的服務質量。

1 智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動化管理平臺

1.1 智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動化管理平臺架構

智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動化管理平臺是一個連接應用服務器和感知層設備的中間件[6]，不僅是應用支持平臺也是智能管理平臺，其整體架構如圖1所示。

圖1 智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動化管理平臺架構Fig.1 Architecture of IoT automation management platform in smart city

在平臺的數(shù)據(jù)層中，介紹了智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動化管理平臺使用的3 種數(shù)據(jù)庫類型，分別為關系數(shù)據(jù)庫、緩存數(shù)據(jù)庫和存儲數(shù)據(jù)庫。 根據(jù)平臺中服務的數(shù)據(jù)特點，采用關系型數(shù)據(jù)庫、緩存數(shù)據(jù)庫和存儲數(shù)據(jù)庫對平臺中的服務數(shù)據(jù)進行存儲[7]，存儲數(shù)據(jù)庫擔任主要存儲任務，關系數(shù)據(jù)庫和緩存數(shù)據(jù)庫擔任輔助存儲任務，提高了平臺中服務數(shù)據(jù)的訪問速度。

業(yè)務層是智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動化管理平臺的核心，支撐了整個平臺的邏輯功能。 業(yè)務層主要劃分為3 個主要模塊，分別為物聯(lián)網(wǎng)生命周期、自動化管理以及告警管理模塊。 3 個模塊之間存在相互聯(lián)系的關系，對于智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)中的設備，利用設備影子，緩存終端設備最新上傳的數(shù)據(jù)和應用程序的指令，打破了由于網(wǎng)絡不穩(wěn)定導致無法獲取物聯(lián)網(wǎng)設備信息的難題。

展示層介紹了平臺所支持的部署終端。 由于智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動化管理平臺具有比較強的遷移性[8]，能夠運行在APP 客戶端、信息通訊傳輸服務器以及其他的可視化平臺。

訪問層主要介紹了用戶訪問智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動化管理平臺的途徑。 用戶可以通過手機終端、PC 端及其他的終端查看平臺中的服務信息。

1.2 信息通訊傳輸服務器

在智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)中，信息通訊網(wǎng)絡是保證物聯(lián)網(wǎng)可靠運行的基礎條件[9]，設計信息通訊傳輸服務器，可以保證智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動化管理平臺的安全穩(wěn)定運行，圖2 顯示了智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)信息通訊傳輸服務器工作原理。 智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動化管理平臺中的服務信息在通訊傳輸中，執(zhí)行不同功能的傳感器都是根據(jù)自身的結構特點，實現(xiàn)信息的傳輸，比如智慧城區(qū)的水位傳感器，就是利用無線通訊網(wǎng)絡將城區(qū)內的水位信息傳輸給遠程終端；而針對智慧城區(qū)的井蓋監(jiān)測，由于分布在城區(qū)內的井蓋數(shù)量比較多[10]，很多井蓋都呈現(xiàn)出集中分布的特點，因此，利用中繼傳輸基站的信息傳輸特點，在井蓋周圍建立一組監(jiān)測網(wǎng)絡， 實現(xiàn)井蓋信息的傳輸；所有經過信息通訊傳輸服務器傳輸?shù)闹腔鄢菂^(qū)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，都要經過防火墻過濾，才能儲存在自動化管理平臺中；但是如果是智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動化管理平臺發(fā)送指令給服務器，也可以采用相同的方式對數(shù)據(jù)進行反饋，此外，平臺中的服務數(shù)據(jù)還可以通過政府專網(wǎng)為其他部門的信息管理服務。

圖2 信息通訊傳輸服務器工作原理Fig.2 Working principle of information communication transmission server

1.3 基于數(shù)字孿生技術設定智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)信息的期望輸出

對于智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)而言，網(wǎng)絡時滯性和丟包率是影響物聯(lián)網(wǎng)服務信息在自動化管理過程中的主要因素[11]，因此，在平臺軟件的設計過程中，先基于數(shù)字孿生技術， 構建智慧城區(qū)物聯(lián)的動態(tài)性方程，得到物聯(lián)網(wǎng)響應系數(shù)向量，設定智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)信息的期望輸出。 充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)字孿生數(shù)據(jù)[12]，構建智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)的動態(tài)性方程，表示為

式中：sj表示一個正整數(shù)；kp表示物聯(lián)網(wǎng)時滯性的上限值；cm表示智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)的響應系數(shù)矩陣；βo表示物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)在傳輸中的時滯性指標。

由于智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在運行過程中會受到很多因素的影響，導致物聯(lián)網(wǎng)響應系數(shù)矩陣呈現(xiàn)出有時滯性和無時滯性2 種情況，表示為

式中：mo表示智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)內部工作負載；jo表示物聯(lián)網(wǎng)外部工作負載；go表示mo與jo的最大值；xo表示物聯(lián)網(wǎng)響應系數(shù)矩陣的最大時滯性值；ωl表示物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采樣周期；dh表示物聯(lián)網(wǎng)響應系數(shù)矩陣的時滯性類型；｛yj｝k表示第k 個采樣周期內物聯(lián)網(wǎng)響應系數(shù)向量。

利用數(shù)字孿生技術，計算出智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)連續(xù)丟包數(shù)與最大時滯性值之間的映射關系[13]，公式為

式中：my表示物聯(lián)網(wǎng)的連續(xù)丟包數(shù)量；hj表示物聯(lián)網(wǎng)信息在虛擬空間中完成映射的期望輸出；st表示物聯(lián)網(wǎng)信息的期望輸出值；φ 表示映射時刻。

根據(jù)智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)連續(xù)丟包數(shù)與最大時滯性值之間的映射關系，得到智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)信息的期望輸出，即：

式中：mkp表示對物聯(lián)網(wǎng)信息的約束。

以上利用數(shù)字孿生技術構建了智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)的動態(tài)性方程，智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)連續(xù)丟包數(shù)與最大時滯性值之間的映射關系，設定智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)信息的期望輸出。

1.4 智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)服務信息質量管理算法

根據(jù)智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)信息的期望輸出，對智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)服務信息進行布局，即：

式中：mj表示物聯(lián)網(wǎng)服務信息的分布函數(shù)；pj表示物聯(lián)網(wǎng)服務信息分布閾值；x（）表示物聯(lián)網(wǎng)服務信息的分層狀態(tài)；R*表示物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)的初始值；λy表示物聯(lián)網(wǎng)服務信息的均衡函數(shù)；kh表示影響物聯(lián)網(wǎng)服務信息質量的噪聲因素。

如果將智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)中所有節(jié)點的殘差定義為ω0，那么在智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)中，服務信息之間的貢獻率相關性為

式中：lj表示物聯(lián)網(wǎng)結構的空間估計值；ηh表示物聯(lián)網(wǎng)服務信息質量的聚類中心。

利用智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)服務信息之間的貢獻率相關性[14]，從智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)體系中提取出服務信息的統(tǒng)計性特征，即：

式中：σp表示服務信息的屬性特征；mkl表示服務信息波動的約束條件；sl表示影響服務信息質量的不確定性變量；τp表示服務信息的動態(tài)變化性。

由于智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)服務信息在自動化管理中具有一定的隨機性[15]，將其表示為μ*，那么利用式（9）可以實現(xiàn)智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)服務信息質量的自動化管理，即：

式中：de表示智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)服務信息質量管理的約束函數(shù)；Rt表示服務信息的質量系數(shù)。

綜上所述，利用數(shù)字孿生技術設定了智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)信息的期望輸出，結合智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)服務信息質量管理算法設計，實現(xiàn)了平臺的軟件設計。

2 平臺性能的測試與分析

2.1 測試環(huán)境

完成了基于數(shù)字孿生技術的智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動化管理平臺的硬件和軟件設計之后，需要先部署實驗測試環(huán)境，測試環(huán)境會影響平臺測試結果的有效性，文中的自動化管理平臺在測試過程中的環(huán)境如下：

操作系統(tǒng)：為了保證平臺測試的操作系統(tǒng)版本在WindowsXP 以上，本文選擇Windows10 操作系統(tǒng)進行測試。

內存：對于測試環(huán)境內存的要求為＞4 GB，硬盤的內存必須在1 GB 以上。

瀏覽器：Chrome 瀏覽器和IE 瀏覽器是平臺測試的主要瀏覽器， 由于Chrome 瀏覽器的適用性比較廣，因此本文選擇Chrome 瀏覽器。

CPU：文中自動化管理平臺對CPU 的版本要求比較高，本文選擇i5-4768U 2.5 GHz 版本的CPU。

2.2 測試方案

在測試基于數(shù)字孿生技術的智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動化管理平臺時，分2 個階段進行測試，第一階段為平臺的功能測試，本文主要以登錄功能和操作功能為測試對象，驗證文中平臺能否滿足用戶的功能需求。 在性能測試中，主要利用丟包率和時滯效應2 個指標測試平臺的性能，2 個指標計算公式為

式中：ξp表示平臺丟包時執(zhí)行器的值；qr為智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)中服務信息的魯棒性；lo表示智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)的連續(xù)丟包數(shù)。

2.3 功能測試

功能測試中，需要保證平臺的后臺系統(tǒng)能夠正常運行， 用戶登錄功能測試結果如表1 所示。 表1的結果顯示，平臺的登錄功能正常，可以滿足用戶的要求。

表1 用戶登錄測試用例Tab.1 User login test case

用戶的操作功能測試結果如表2 所示。 表2 的結果顯示，用戶在基于數(shù)字孿生技術的智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動化管理平臺上的操作功能滿足用戶要求。

表2 用戶的操作功能測試用例Tab.2 User operation function test cases

2.4 性能測試

在平臺的性能測試中，以執(zhí)行次數(shù)為自變量，測試了平臺在運行過程中的丟包率和時滯效應，結果如圖3 所示。 從圖3 的結果可以看出，隨著用戶執(zhí)行平臺次數(shù)的增加，自動化管理平臺的丟包率和時滯效應都呈現(xiàn)出升高的趨勢， 在丟包率測試中，文中平臺始終控制在20%以內，雖然時滯效應曲線比丟包率曲線的波動范圍大，但是平臺的時滯效應始終在2.0 s 以內，說明基于數(shù)字孿生技術的智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動化管理平臺在性能測試中，也可以滿足用戶的要求。

圖3 平臺性能測試結果Fig.3 Platform performance test results

3 結語

本文提出了基于數(shù)字孿生技術的智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動化管理平臺研究，經測試發(fā)現(xiàn)，該平臺的功能和性能都可以滿足用戶的要求。 但是本文的研究還存在很多不足，在今后的研究中，希望可以將告警功能引入到平臺中，保證智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)設備的質量。