基于物联感知底座的城市数字化转型研究和实践_孔令军.pdf

基于物联感知底座的城市数字化转型研究和实践孔令军张辛波龚国成姜山张宇梁吴德东(中移物联网有限公司，重庆 401120)摘要:物联网技术的广泛应用有力推进智慧城市建设。通过沉淀城市治理共性需求，打造支持泛在设备接入、数据存储分析和反向控制等通用能力的数字城市感知底座，可以更好地融合上层物联网应用，加速城市数字化转型。在设备接入方面，结合设备特征提出了新的数据模型和设备物理模型，基于数据模型和设备物理模型构建分布式物联网平台存储体系。在设备控制方面，支持云端控制和本地控制。基于提出的数字城市感知底座构建智慧防疫、智慧水利、智慧消防等智慧城市应用，有效推进了城市数字化转型。关键词:数字城市感知底座;设备接入;设备控制;数据存储中图分类号:TP393.4文献标志码:A引用格式:孔令军，张辛波，龚国成，等.基于物联感知底座的城市数字化转型研究和实践 J 信息通信技术与政策，2022，48(12):32-40.DOI:10.12267/j.issn.2096-5931.2022.12.0050引言2021 年发布的 中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要(以下简称 “十四五”规划)明确指出，城市数字化转型包括:数字经济建设、数字社会变革、数字政府建设三部分，分别对应着生产方式、生活方式、治理方式的数字化变革。智慧城市建设的主要内容为，公共数字化基础设施和建筑物的数字化1。智慧城市的建设范畴主要包括:智慧防疫、智慧交通、智慧路灯、智慧停车、智慧城管、智慧垃圾清理、智慧供电、智慧管网、智慧排水、智慧环卫、智慧水利、智慧执法、城市大脑、数字孪生城市、城市信息模型等2。智慧城市的应用都与物联网平台息息相关，物联网平台是智慧城市应用的底座之一2。智慧城市建设为城镇化建设遇到的各种城市通病提供了可行的解决方案。据统计，在打造了城市数字化基础设施的城市中，GDP 增长率达到 0.7&3。欧洲、俄罗斯、美国、日本等发达国家，已经开始布局城市数字化转型相关研究，并且取得一定产业化成果4。云计算、大数据、物联网、人工智能等新技术的发展和进步，会进一步提升智慧城市基础设施建设5。本文将基于云计算、大数据、物联网技术等新兴技术构建基于物联网平台的数字城市感知底座，以助力城市数字化转型。1发展趋势和研究现状1.1政策、行业发展趋势“十四五”规划 提出，一方面，要加快构建信息通信网络基础设施，建设高速泛在、天地一体、云网融合、智能敏捷、绿色低碳、安全可控的智能化综合性数字信息基础设施，有序推进 5G 网络基础设施建设，推动 5G 商用部署和规模应用，前瞻布局第六代移动通信网络技术，提高物联网在工业制造、农业生产、公共23服务、应急管理等领域的覆盖水平，增强固移融合、宽窄结合的物联网接入能力5。“十四五”规划 还指出，要加快城市数字化转型步伐。一是提供智慧便捷的信息化公共服务，推进学校、医院、养老院等公共服务机构资源数字化，加大资源开放共享服务力度，积极发展在线课堂、互联网医院、智慧图书馆等，鼓励社会力量参与“互联网+公共服务”，创新提供服务模式和产品5。二是建设智慧城市和数字乡村，分级分类推进新型智慧城市建设，将物联网感知设施、通信系统等纳入公共基础设施统一规划建设，推进市政公共设施智能化改造，推进城市数据大脑建设，构建面向农业农村的综合信息服务体系6。“十四五”数字经济发展规划 提出了 5 个发展目标:要初步建立数据要素市场体系;争取实现产业数字化转型迈上新台阶;数字产业化水平显著提升;数字化公共服务更加普惠均等;数字经济治理体系更加完善7。同时还提出了 3 项关于优化数字化基础设施的措施和方案，包括:加快建设信息网络基础设施;推进云网协同和算网融合发展;有序推进基础设施智能升级。按照 “十四五”数字经济发展规划 的要求，在未来 5 年，各项数字化经济的指标将达到一定指标7，如表 1 所示。从表 1 可以看出，与物联网底座息息相关的指标工业互联网平台应用普及率，在未来 5 年将有 2 倍的提升。与城市数字化转型的相关的指标数字经济核心产业增加值占 GDP 比重，将提升约 25&。这意味着，在未来 5 年，城市数字化转型将有较大发展，同时物联网感知底座在数字经济转型中有着重要的应用。以上海市为例，上海市政府制定的 上海市全面推进城市数字化转型“十四五”规划 提出:第一点要从“城市是生命体、有机体”的全局出发，统筹推进城市经济、生活、治理全面数字化转型，率先探索符合时代特征、上海特色、转型特点的城市数字化转型新路子和新经验8;第二点要完善城市 AIoT 基础设施，通过集成发展新一代感知、网络、算力等数字基础设施，实现城市“物联、数联、智联”。从上海市的文件可以看出，各个城市已经在积极响应中央关于推进城市数字化转型的规划。同时也可以看出，物联网感知底座在数字化经济转型中的重要地位。中央多部委联合印发 国家新型城镇化规划 关于促进智慧城市健康发展的指导意见 “十三五”国家信息化规划 智慧城市信息技术运营指南 智慧城市顶层设计指南 等政策和标准文件，指出智慧城市在城市数字化转型和推进城镇化建设中的重要地位，并提出了若干个包括智慧城市建设的目标:在未来 15年，我国包括云计算、人工智能、大数据、数据分析、高性能通信、物联网、互联网、城市治理、设备智能化等信息基础设施达到全球领先水平6 9。1.2研究现状中国的城市数字化转型建设经历了两个阶段的发展。2010 年是我国城市数字化转型的重要节点，在2010 年前我国城市数字化建设处于萌芽阶段11。2010 年，宁波政府开始推动实施城市数字化转型建设，而一些其他大城市也开始效仿，城市数字化转型在我国的建设如火如荼地开展，很多城市提出了一系列建设目标和行动方案，甚至部分城市把城市数字化转型列入发展规划，如上海、北京、天津、广州、武汉、深圳、株洲、佛山等12。表 1各项数字化经济的指标规划值和预期值指标2020 年2025 年预期值数字经济核心产业增加值占 GDP 比重(&)7.810IPv6 活跃用户数(亿户)4.68千兆宽带用户数(万户)6406 000软件和信息技术服务业规模(万亿元)8.1614工业互联网平台应用普及率(&)14.745全国网上零额(万亿元)11.7617电子商务交易规模(万亿元)37.2146在线政务服务实名用户规模(亿)4833城市数字化转型与物联网的关系在于，城市数字化转型的核心技术是高新技术，包含了向数字化转型的智能制造、智慧城市、电子商务和电子政务等诸多行业，这些行业的高新技术升级就是物联网升级，物联平台不仅仅只是城市数字化转型的必然产物，也是反向推进城市数字化转型的内生动力13。随着智能制造的不断升级、智慧城市的不断搭建、电子商务的蓬勃发展、电子政务的普及开来，物联网平台方面的需求有非常大的显著提升14。现在，物联网平台迎来了前所未有的发展机遇，其产业升值空间较大，所以应当充分把握发展机遇，为物联网平台构建和促进城市数字化转型，贡献一份绵薄之力15。调研发现，当前国内的物联网平台开发商主要来自运营商、互联网巨头、云计算厂商。而国内较为重要的物联网平台主要有中移物联网开放平台、阿里云物联网套件、百度物接入、QQ 物联、机智云 IoT 物联网云服务平台及智能硬件自助开发平台、京东微联、庆科云、Ablecloud 物联网自助开发和大数据云平台等八大平台，其广泛分布在智慧防疫、智慧城市、科技服务等领域16-17。2013 年，北京建设我国首个为城市数字化转型服务的北斗公共平台。目前北京市的信息基础设施建设取得显著成效，特别是在卫生、教育、社保、安防等领域取得了突破性进展，建成了电子政务、社区公共服务平台。深圳当前正计划加快推进信息化和无线城市建设，发展云计算+物流，打造智能物流产业城市，建成多个综合交通调度中心，实现了 U 型交通战略。在智慧交通领域，深圳目前已经国内领先，在物联网研究方面，深圳部署了物联网在安防领域的多项应用项目，因此深圳被冠名为安防之都18-19。2城市数字化转型重点、难点城市数字化转型主要存在以下难点:一是数字化转型的本质主要是转型，由于未来不明确，政策规划不清晰，数字化转型方向未知，城市数字化转型方向模糊。二是区别于信息化建设，城市数字化能力要求更高，需要能支持城市高效率运营并且持续创新20。三是城市数字化转型不是简单地信息化，而是涉及城市全面综合能力的系统性工程22。智慧城市建设涉及多个重点和难点，举例来说，在智慧水利方面，存在的难点包括:基础数据不全，完成设备接入耗时较长;地域分散，建设物联网成本巨大23。对于新冠肺炎疫情防控的难点和重点，主要包括:要在病毒传播之前，将所有可能感染的人员全部找到进行隔离24。通过物联网和大数据等信息化技术，将人员活动轨迹与实时监测结果进行智能分析，能够快速和全面地进行感染人员排查24。综上所述，城市数字化转型难点，即本文的研究内容在于以下方面。(1)产品体系大，架构设计难。对于智慧防疫应用来说，其要对接的应用包括了医院信息管理系统，社区信息登记系统、防疫人员的手机应用、异构的手持式测温管理系统，其应用的复杂程度将非常巨大。(2)设备接入量大，设备种类繁多。智慧防疫应用要接入的手持式测温设备数目超过上百万个，而这些手持式设备的数据格式也包含了上百种，二维码标注的核酸检测试管也有上千万个。因此，智慧防疫应用构建所要接入的设备量将非常巨大。(3)数据分析和数据建模困难，二维码标注的核酸检测试管和手持式测温设备每天将产生上亿条数据，如何存储和分析海量数据，将是一个巨大挑战。本文将逐一解决这些困难，以构建统一共性数字城市感知底座。3方案设计3.1数字城市感知底座助力城市数字化转型城市数字化转型的基础是能够满足城市服务的各类物联网应用，城市物联网应用服务的基础是数字城市感知底座，本文提出了数字城市感知底座的设计、架构和功能实现，数字城市感知底座能力包括:设备接入能力、设备控制能力、数据存储能力。数字城市物联感知底座助力城市数字化转型的架构设计如图 1 所示。3.2设备接入能力3.2.1数据协议数字城市感知底座的负载数据与接入方式无关，采用统一的数据标准，支持 MQTT、NB 等多种协议(见图 2)。负载数据的格式包括 TLV 和 json 方式。其中，TLV 方式是二进制序列化数据，适用于资源受限设备;json 方式是基于文本的结构化标记格式，可读性43图 1数字城市感知底座总体架构图图 2数据统一示意图好，但数据冗余，相对于 TLV 方式占用资源多，适用于资源丰富的设备。3.2.2设备数据模型为了统一设备控制，实现设备、底座平台和应用数据互通，本文对设备能力(功能点)进行了统一数据模型定义。设备功能点主要可分为两类:通用指令指所有设备均可能具备的通用能力，例如设备复位、设备升级、恢复出厂设置等;物理模型功能点指不同类别设备根据自身功能所抽象的共性功能，支持用户自定义。3.2.3设备物理模型为了统一设备控制，实现设备、底座平台和应用侧的数据互通。另外，也需要对设备能力(功能点)进行统一物模型定义，物模型是一种对物理实体进行数字化语义描述的方法，将实体设备抽象为数字模型，通过模型来描述设备是什么，能做什么，能对外提供哪些服务18。本文数字城市感知底座的物理模型示意图如图 3 所示。其中，设备信息(Info)是设备描述信息，例如厂家、品牌、产品型号等内容;属性(Property):用于描述设备所具备的各种能力或配置项，例如灯的颜色、亮度、开关状态等;事件(Event):用于描述设备侧发生的图 3设备物理模型示意图各种告警、提示信息或者故障信息等;行为(Action):用于描述设备能对外提供的能力输出。属性、事件和行为统称为物模型功能点，基于统一的框架进行定义，并根据实际情况定义各自不同的内容。3.2.4功能点模型物理模型功能点具备以下要素。(1)名称:用于区分不同功能点，面向用户展示，支持中文、英文等用户可识别的区域语言、数字、短划线、下划线等字符。(2)标识:用途与名称类似，区别在于主要用于系统内部数据流转