吳永挺

（福建省第二高級(jí)技工學(xué)校，福建福州 350007）

0. 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，智能終端設(shè)備和應(yīng)用軟件在社會(huì)中得到極大普及。物聯(lián)網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)的延伸，利用具有感知和通信能力的智能終端設(shè)備采集物理世界的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)通信技術(shù)將物－物、物－人相連接，進(jìn)行信息交換與處理，實(shí)現(xiàn)智能的識(shí)別、監(jiān)控和管理等目的。物聯(lián)網(wǎng)具有無(wú)處不在的傳感和計(jì)算能力，可以將數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的物理實(shí)體連接到互聯(lián)網(wǎng)上[1]。這些部署在人們社會(huì)生活中的海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集大規(guī)模數(shù)據(jù)信息，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)獲取智慧決策，解決與人類(lèi)生活相關(guān)的問(wèn)題，如能源管理、醫(yī)療保健、商業(yè)物流、建筑自動(dòng)化等。同時(shí)，隨著城市人口的快速增長(zhǎng)和生活節(jié)奏加快，人們對(duì)社區(qū)空間的承載能力和管理水平提出了更高的要求。社區(qū)作為社會(huì)容納、匯聚人群和提供公共基礎(chǔ)設(shè)施的區(qū)域，其運(yùn)作模式、服務(wù)和管理制度直接影響社區(qū)居民的生活質(zhì)量。傳統(tǒng)的基于人工操作的社區(qū)服務(wù)體系具有響應(yīng)不及時(shí)、服務(wù)范圍有限、服務(wù)成本高等問(wèn)題，難以適應(yīng)人們?nèi)諠u多樣化、安全化、便捷化的服務(wù)需求。因此，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用于智慧社區(qū)的構(gòu)建成為新時(shí)代社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)。

智慧社區(qū)是指充分借助物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等網(wǎng)絡(luò)通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)社區(qū)建筑、居民醫(yī)療、物業(yè)管理等領(lǐng)域，形成基于數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和智能決策處理的現(xiàn)代化、智慧化管理模式，構(gòu)建新型社區(qū)生態(tài)服務(wù)體系。我國(guó)“十四五”規(guī)劃中明確指出要推進(jìn)智慧社區(qū)的建設(shè)，形成惠民、便民的社區(qū)服務(wù)。智慧社區(qū)是智慧城市建設(shè)的基礎(chǔ)，它充分利用公共資源和基礎(chǔ)設(shè)施，為居民提供個(gè)性化服務(wù)。智慧社區(qū)有利于解決民生問(wèn)題和城市治理問(wèn)題，對(duì)改善居民生活質(zhì)量、降低能源消耗、提高城市人口承載能力等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

然而，當(dāng)前智慧社區(qū)的建設(shè)在技術(shù)領(lǐng)域面臨多個(gè)挑戰(zhàn)：一是智慧社區(qū)系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜。智慧社區(qū)涵蓋的應(yīng)用場(chǎng)景多種多樣，每個(gè)應(yīng)用所對(duì)應(yīng)的用戶(hù)需求各異。此外，物聯(lián)網(wǎng)中海量且異構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和計(jì)算模式不相兼容。因此，設(shè)計(jì)高效、可拓展的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)是建設(shè)智慧社區(qū)的重要環(huán)節(jié)。二是低時(shí)延、低能耗的計(jì)算模式需求。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備由于其處理器工藝和尺寸受限，導(dǎo)致其計(jì)算、存儲(chǔ)能力不足和電量供應(yīng)有限，難以支持計(jì)算密集型、時(shí)延敏感型應(yīng)用數(shù)據(jù)的處理，嚴(yán)重影響用戶(hù)使用體驗(yàn)。三是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的大規(guī)模接入需求。物聯(lián)網(wǎng)中無(wú)處不在的傳感設(shè)備采集大規(guī)模數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要被快速計(jì)算處理，以及時(shí)獲得反饋結(jié)果和決策。然而，傳統(tǒng)的正交時(shí)頻傳輸資源有限，難以滿(mǎn)足海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入需求，突發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸也會(huì)造成上下行鏈路擁塞。四是數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)交互之間的矛盾。智慧社區(qū)平臺(tái)采集并存儲(chǔ)了大量居民的個(gè)人隱私信息，由于存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系、安全認(rèn)證和流程審批等因素，使得不同的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交流效率和安全性降低。因此，如何兼顧信息安全和數(shù)據(jù)共享是智慧社區(qū)建設(shè)過(guò)程中需要考慮的重要因素。

1. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧社區(qū)的應(yīng)用

為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，一些新型的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被運(yùn)用到智慧社區(qū)的建設(shè)中。首先介紹基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧社區(qū)總體架構(gòu)，其次分別對(duì)邊緣計(jì)算、非正交多址接入和聯(lián)邦學(xué)習(xí)技術(shù)在智慧社區(qū)中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)分析說(shuō)明。

1.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧社區(qū)總體架構(gòu)

目前，智慧社區(qū)常采用物聯(lián)網(wǎng)三層技術(shù)架構(gòu)，自頂向下分別為：應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層。

應(yīng)用層是直接面向用戶(hù)的可交互平臺(tái)，其主要功能是通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)海量異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)預(yù)處理，根據(jù)用戶(hù)需求，構(gòu)建與業(yè)務(wù)相適應(yīng)的子數(shù)據(jù)庫(kù)。各個(gè)子系統(tǒng)可以共享數(shù)據(jù)和應(yīng)用界面，與使用者完成交互。

網(wǎng)絡(luò)層起到數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔茫铣袘?yīng)用層與用戶(hù)連接，下接感知層收集海量數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層可以采用現(xiàn)有的運(yùn)營(yíng)商傳輸網(wǎng)絡(luò)，也可以組建專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)。為了提高傳輸速率、增大網(wǎng)絡(luò)容量，網(wǎng)絡(luò)層可以采用邊緣計(jì)算架構(gòu)和非正交多址接入的空口技術(shù)。

感知層包括海量的智能感知設(shè)備，如攝像頭、智能電表、溫控傳感器等，以及所采集的大規(guī)模原始數(shù)據(jù)。由于物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備計(jì)算和存儲(chǔ)能力較低、電量有限，因此往往需要利用其他物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)輔助計(jì)算。此外，各物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的傳輸和共享機(jī)制需要保障用戶(hù)數(shù)據(jù)的安全性。

以智慧社區(qū)中較常見(jiàn)的智慧物業(yè)管理子系統(tǒng)為例，水電表數(shù)據(jù)采集器作為部署在感知層的智能傳感器，實(shí)時(shí)收集居民的水電使用情況，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層將數(shù)據(jù)傳輸至具有計(jì)算能力的變壓器或者電站。在網(wǎng)絡(luò)層的傳輸過(guò)程中，有有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)兩種傳輸方式。一般而言，有線(xiàn)傳輸方式具有更高的穩(wěn)定性、可靠性和更大的傳輸帶寬，可以有效避免多用戶(hù)數(shù)據(jù)流量之間的干擾。但是有線(xiàn)傳輸?shù)目赏卣剐暂^低，如果社區(qū)中添加新的水電設(shè)備，則需要單獨(dú)為其布線(xiàn)，運(yùn)維成本較高。無(wú)線(xiàn)傳輸方式更加靈活，可拓展性和適應(yīng)性強(qiáng)，適用于室內(nèi)室外等多種環(huán)境。然而由于存在電磁干擾和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境動(dòng)態(tài)復(fù)雜，往往造成信號(hào)不同程度的衰減，使得接收端的信干噪比難以保證，因此需要合理配置中繼實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大和前傳。數(shù)據(jù)到達(dá)計(jì)算中心后，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析和處理，計(jì)算結(jié)果將被反饋至智能終端設(shè)備，如智能手機(jī)，用戶(hù)通過(guò)手機(jī)應(yīng)用軟件就可以查詢(xún)到家庭的水電費(fèi)和使用情況、監(jiān)測(cè)異常數(shù)據(jù)以及控制家庭的水電開(kāi)關(guān)。

1.2 邊緣計(jì)算技術(shù)與社區(qū)無(wú)人駕駛

邊緣計(jì)算是提升物聯(lián)網(wǎng)計(jì)算能力的有效技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)在物理世界中部署大規(guī)模傳感器以獲取周?chē)h(huán)境的實(shí)時(shí)狀態(tài)。海量的數(shù)據(jù)需要被及時(shí)處理以便物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備做出智慧的決策和動(dòng)作[2]，數(shù)據(jù)的巨大增長(zhǎng)會(huì)使資源受限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備負(fù)擔(dān)過(guò)重。傳統(tǒng)的集中式云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將計(jì)算中心部署在核心網(wǎng)，不僅與終端用戶(hù)距離遠(yuǎn)，而且傳輸?shù)霓D(zhuǎn)發(fā)與路由次數(shù)多。由于鏈路容量有限，在數(shù)據(jù)流量突發(fā)的情況下容易發(fā)生鏈路擁塞，使得網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)和延遲增加[3]。為了應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中巨大的通信規(guī)模和計(jì)算需求，邊緣計(jì)算被視為一種有前景和實(shí)用的方法來(lái)升級(jí)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。邊緣計(jì)算的基本原理是在距離移動(dòng)終端較近的位置部署具有通信、計(jì)算、控制和緩存能力的數(shù)據(jù)處理中心，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過(guò)將計(jì)算任務(wù)遷移至邊緣設(shè)施，如邊緣服務(wù)器，從而獲得更為高效快速的計(jì)算服務(wù)。

社區(qū)無(wú)人駕駛是智慧社區(qū)重要組成部分，特別是在疫情防控常態(tài)化時(shí)期，利用小型無(wú)人駕駛車(chē)可以將醫(yī)療物資甚至外賣(mài)和快遞自動(dòng)送至家家戶(hù)戶(hù)，真正實(shí)現(xiàn)人與人的零接觸，有效降低疾病傳播風(fēng)險(xiǎn)。不同于城市中交通管制的無(wú)人駕駛機(jī)動(dòng)車(chē)，社區(qū)無(wú)人駕駛汽車(chē)屬于電動(dòng)力車(chē)，運(yùn)動(dòng)范圍在人口密度較高的社區(qū)，因此具有行駛速度慢、噪聲小、安全性高的特點(diǎn)。社區(qū)無(wú)人駕駛汽車(chē)是物聯(lián)網(wǎng)智能終端設(shè)備，需要實(shí)時(shí)與外界保持聯(lián)系，根據(jù)一系列物理信息數(shù)據(jù)做出瞬時(shí)決策和相應(yīng)的動(dòng)作，如規(guī)避障礙、加速減速、轉(zhuǎn)彎照明、開(kāi)倉(cāng)關(guān)倉(cāng)等，因此社區(qū)無(wú)人駕駛對(duì)低時(shí)延、低能耗的要求較為嚴(yán)格。由于無(wú)人駕駛汽車(chē)的處理器計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間有限，海量實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)難以在本地設(shè)備中完成數(shù)據(jù)處理。借助邊緣計(jì)算，這些采集的數(shù)據(jù)首先被分割為大小不同的子任務(wù)，分別傳輸至不同的邊緣服務(wù)器，并在邊緣服務(wù)器上完成快速計(jì)算。任務(wù)處理時(shí)延主要包括數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和計(jì)算時(shí)延，邊緣計(jì)算技術(shù)將大量邊緣服務(wù)器部署在智慧社區(qū)內(nèi)，距離用戶(hù)更近，覆蓋更廣，極大地降低了任務(wù)傳輸時(shí)延。同時(shí)，邊緣服務(wù)器對(duì)比于終端物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備具有更強(qiáng)的計(jì)算能力，從而使得任務(wù)計(jì)算時(shí)延也大大降低，保證了無(wú)人駕駛汽車(chē)的快速反應(yīng)。

1.3 非正交多址接入技術(shù)與社區(qū)綠化

非正交多址接入是提升網(wǎng)絡(luò)容量、提高無(wú)線(xiàn)接入能力的重要手段，傳統(tǒng)的正交多址接入技術(shù)利用相互正交的無(wú)線(xiàn)資源塊承載用戶(hù)信號(hào)。正交時(shí)分多址接入將相互不重疊的時(shí)隙資源分配給不同用戶(hù)，多用戶(hù)共享頻域資源，以不同時(shí)隙區(qū)分信號(hào)；正交頻分多址接入為不同用戶(hù)分配相互正交的子載波，在全時(shí)域傳輸信號(hào)，避免了同頻干擾；碼分多址接入以相互正交的編碼區(qū)分多用戶(hù)信號(hào)，接收端采用相應(yīng)的碼流譯碼。由于時(shí)隙資源、子載波資源和正交碼譜有限，正交多址接入方式難以滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的大規(guī)模接入需求。非正交多址接入支持在相同的子載波和相同時(shí)隙下，以不同的電平或者編碼來(lái)發(fā)送信號(hào)，通過(guò)用戶(hù)配對(duì)和功率配置策略，使得在有限的頻段和時(shí)間內(nèi)可以承載更多的用戶(hù)。對(duì)比于正交多址接入，非正交多址接入技術(shù)具有更高的能量效率和頻譜效率[4]。

綠地是社區(qū)居民娛樂(lè)休閑的重要場(chǎng)所，也是社區(qū)的綠色心臟，社區(qū)的綠化建設(shè)是提高居民生活質(zhì)量的重要內(nèi)容。隨著人們對(duì)環(huán)境美化的要求越來(lái)越高，社區(qū)的綠色景觀覆蓋率也逐年增大，景觀造型和植物種類(lèi)也越來(lái)越多樣，然而，自然環(huán)境的復(fù)雜多變性給綠地景觀的養(yǎng)護(hù)帶來(lái)不小困難。在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧社區(qū)中，通過(guò)在綠地廣泛部署溫度、濕度、光照等傳感器，將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)處理中心。若土壤濕度低于所設(shè)定的閾值，則開(kāi)啟相應(yīng)位置的噴水器，自動(dòng)調(diào)節(jié)噴水方向、水量和時(shí)間，完成植物的澆灌。此外，還可以根據(jù)不同植被類(lèi)型，有針對(duì)性地進(jìn)行藥物滴灌。由于綠地覆蓋面廣，所安置的傳感器種類(lèi)和數(shù)量也極大，海量傳感器同時(shí)接入容易造成傳輸鏈路的擁塞。傳統(tǒng)的正交多址接入方式將相互正交的時(shí)間或頻率資源分配給所需用戶(hù)，雖然能夠避免多信號(hào)干擾，但是由于正交資源有限，難以支持海量設(shè)備的接入。智慧社區(qū)采用非正交多址接入的方式，允許多個(gè)數(shù)據(jù)流在同一時(shí)頻資源上傳輸，極大地提高了頻譜資源和網(wǎng)絡(luò)容量，使得智慧社區(qū)中的每一塊綠地都能得到有效地監(jiān)測(cè)和護(hù)理。

1.4 聯(lián)邦學(xué)習(xí)技術(shù)與社區(qū)安防

智慧社區(qū)將建立在人工智能技術(shù)之上，從而在異構(gòu)和大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)解決方案。然而，傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)需要通過(guò)中央服務(wù)器集中收集和處理物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，容易出現(xiàn)單點(diǎn)故障，難以保障用戶(hù)隱私。聯(lián)邦學(xué)習(xí)作為一種新興的具有隱私保護(hù)性質(zhì)的分布式人工智能方法，成為智慧社區(qū)中保障數(shù)據(jù)安全的重要解決方案之一。在聯(lián)邦學(xué)習(xí)中，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過(guò)本地?cái)?shù)據(jù)協(xié)作訓(xùn)練共享模型，因此只向中心服務(wù)器上傳模型參數(shù)而不是原始數(shù)據(jù)。聯(lián)邦學(xué)習(xí)是一個(gè)協(xié)同的機(jī)器學(xué)習(xí)框架，它使參與的設(shè)備能夠周期性地更新模型參數(shù)，同時(shí)將所有的訓(xùn)練數(shù)據(jù)保存在本地設(shè)備上。聯(lián)邦學(xué)習(xí)往往與邊緣計(jì)算相結(jié)合，從而最大限度地實(shí)現(xiàn)模型優(yōu)化。中心服務(wù)器主要部署在云上，具有大量的計(jì)算和存儲(chǔ)資源。當(dāng)執(zhí)行聯(lián)邦學(xué)習(xí)時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備首先從中心服務(wù)器下載一個(gè)全局模型，用本地采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，局部模型的訓(xùn)練則采用隨機(jī)梯度下降法，模型經(jīng)過(guò)幾輪本地更新后，將被上傳到邊緣服務(wù)器進(jìn)行全局聚合，更新與聚合過(guò)程不斷重復(fù)，直到產(chǎn)生預(yù)期的模型為止。由于聯(lián)邦學(xué)習(xí)分布式的模型訓(xùn)練，以參數(shù)共享代替原始數(shù)據(jù)共享，因此能夠有效實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的數(shù)據(jù)隱私保護(hù)。

社區(qū)智能安防是智慧社區(qū)的關(guān)鍵內(nèi)容之一，而用戶(hù)行為分析與預(yù)測(cè)是社區(qū)智能安防的基礎(chǔ)。在智慧社區(qū)中，廣泛覆蓋的攝像頭捕捉居民、寵物、車(chē)輛等對(duì)象的行為，分析行為內(nèi)涵，判斷行為屬性，預(yù)測(cè)該行為的安全性，最后做出相應(yīng)的反饋。例如，當(dāng)社區(qū)中大型寵物狗朝人大聲吼叫、掙脫遛狗繩，或者發(fā)生人與人相互扭打，通過(guò)視頻畫(huà)面的采集和實(shí)時(shí)上傳，計(jì)算中心得出寵物狗即將或正在傷人的結(jié)論，計(jì)算中心給社區(qū)安保部門(mén)發(fā)送警報(bào)和事件地點(diǎn)，使得社區(qū)安保人員能夠及時(shí)準(zhǔn)確到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，預(yù)防事故發(fā)生或及時(shí)止損。此外，攝像頭還可以通過(guò)監(jiān)測(cè)社區(qū)車(chē)輛和駕駛員信息與行車(chē)路徑，判斷車(chē)輛是否屬于社區(qū)內(nèi)合法車(chē)輛、是否偏離正常路線(xiàn)，通過(guò)相應(yīng)的反饋機(jī)制防止非法機(jī)動(dòng)車(chē)進(jìn)入社區(qū)，預(yù)防社區(qū)內(nèi)的車(chē)輛事故。智慧社區(qū)中準(zhǔn)確的行為預(yù)測(cè)過(guò)程需要計(jì)算中心可靠的數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)安全保障機(jī)制。智慧社區(qū)采用基于聯(lián)邦學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)處理方式，攝像頭將采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送至邊緣計(jì)算服務(wù)器的訓(xùn)練模型，由于訓(xùn)練模型的分布式部署，每個(gè)子模型保留部分?jǐn)?shù)據(jù)并只需更新各自的模型參數(shù)，并將更新后的參數(shù)傳輸至中心服務(wù)器，從而避免了原始數(shù)據(jù)的聚合，降低數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

2.結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、計(jì)算模式、無(wú)線(xiàn)傳輸模式、安全保障機(jī)制等方面對(duì)智慧社區(qū)的建設(shè)提供有效技術(shù)支持。物聯(lián)網(wǎng)三層技術(shù)架構(gòu)中的應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層是分別面向智慧社區(qū)不同的功能模塊。邊緣計(jì)算技術(shù)助力于解決智慧社區(qū)對(duì)低時(shí)延、低能耗的需求；非正交多址接入技術(shù)滿(mǎn)足海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入需求；聯(lián)邦學(xué)習(xí)技術(shù)保障了智慧社區(qū)用戶(hù)數(shù)據(jù)安全。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，智慧社區(qū)將為居民提供更為便捷舒適的服務(wù)。