本文来源:物联传媒

本文作者:麦穗

物联网技术发展到现在已逐渐应用到生活的方方面面,比如日常设备所需的控制器,数字通信的收发器以及合适的协议栈等等,完成物与物、物与人之间的通信,物联网的发展也成为了互联网不可分割的一部分。

物联网的应用使互联网的体验更具象化,人们可以与各种设备(例如家电、监控摄像头、安防传感器、显示器、车辆等等)进行交互。同时也促使了很多相关应用程序的开发和方案应用,在不同领域实现万物互联,例如智能家居、工业自动化、移动医疗、智慧养老、智能管理、智慧电网、智能交通等。

但是每个领域应用的方案都是独立的,没有一套可以兼容所有场景的物联网解决方案,这种差异性导致了在城市布局物联网系统会不断涌现各种矛盾。因此,从系统的角度来看,物联网在城市铺下这张网络的实现除了缺乏完善的后端网络服务及设备,还有可行的实践经验。不说技术上的困难,不清晰和不被接受的商业模式无法吸引投资来促进相关技术的部署,这也是一大阻碍。

在这种复杂的情况下,物联网案例在城市环境应用中备受关注,它响应了政府大力推动在公共事务管理中采用ICT解决方案的理念,这也是布局智慧城市的关键。目前智慧城市还没有一个被明确定义的概念,但其最终的目标是更好地利用公共资源,提高向公民提供的服务的质量,同时降低公众的运营成本。

01建设智慧城市所需关注的细分领域

据前瞻产业研究院《2018-2023年中国平安城市建设趋势前瞻与投资战略规划分析报告》估计,我国智慧城市市场规模在4万亿元左右,该市场从“十二五”中后期开始,将在“十三五”集中释放。由于技术和财务方面的阻碍,智慧城市尚未能真正起飞。

在技术方面,最主要的问题是数据壁垒,难以实现共享数据大平台。

在财务方面,目前建设智慧城市都是单打独斗,缺乏一个清晰的商业模式。解决这种僵局的一个方法是优先将社会公共场合智能化,例如智能停车和智能建筑,从而将其作为其他增值服务和领域的催化剂。

而打造智慧城市这个大项目需要从一个个细小的基础建设开始部署,目前需要关注的细分领域有:

城市建筑:一幢幢楼宇筑起了城市的框架,其中对每个建筑物的实况进行监测管控并排查其可能存在的安全隐患是十分有必要的。城市物联网可以提供建筑物结构完整性测量的分布式数据库,该数据库由位于建筑物中的适当传感器收集,例如用于监测建筑物应力的振动和变形传感器,用于监视污染水平,温度和温度的周围环境中的大气因子传感器等,可以将振动和地震读数结合起来,以便更好地研究和理解轻地震对城市建筑的影响。前段时间深圳赛格大厦“三晃”的情况也可以被计算预测,提前采取相关行动或者通知群众。

废物管理:由于服务成本和垃圾掩埋场污染的问题,在现代许多城市中,废物管理没有一个很好的处理方案。利用ICT解决方案可以实现智能化管理,例如,使用智能垃圾桶检测垃圾积累状态并优化回收垃圾的卡车路线,从而降低垃圾收集的成本并提高回收质量。而实现这个方案需要在智能垃圾桶上运用传感技术感知垃圾积累量,并将城市中的垃圾桶都连接到控制中心(云平台),再由控制中心将收集的数据优化处理进行反馈,实现回收垃圾卡车的最佳管理。

空气质检:欧盟在“20-20-20” 可再生能源指令中提到,为下一个十年制定了减少气候污染的目标:将温室气体排放量在1990年基础上降低20%,将可再生能源在终端能源消费中的比重增至20%,将能源效率提高20%。通过提供通信设施,监测公共场所的空气质量,而要实现这种服务,需要在整个城市中部署空气质量和污染传感器,并向公众公开传感器数据。

噪音监控:噪音是一种很容易被忽略的声音污染,就像空气的二氧化碳一样不达到一定量就无法引起重视。噪音监控需要建立该地区噪声污染的时空图,除了可以测量任何给定时间产生的噪声量,还可以通过声音检测算法来加强公共安全,例如,声音识别算法可以识别玻璃碰撞或斗殴的噪声。但这种方式明显存在隐私隐患,即使在公共场所也很难保证一个明确监管的声音范围。

智慧灯杆:路灯已经在城市中普及,点亮每个城市的夜晚,为了支持“20-20-20”指令,优化街道照明效率是必要的,同时实现一杆多用。智慧灯杆除对智能照明的远程集中控制与管理外,更是集交通指示牌、车速监测违章抓拍、车流量监测、路况监测、充电桩、环境监测的多功能合杆。

交通管理:交通管理主要还是依赖城市路灯灯杆,部署智慧灯杆和摄像头监控,利用低功耗的通信技术提供更密集的信息源,同时,结合安装在车辆上的传感功能和GPS可以实现交通智能化监控和管理。运用5G智慧合杆实现道路环境全方位感知监测、道路安防能力提升、路况实时掌握、交通违规智能管理,以及充电桩、wifi、信息发布等多元化服务。

城市能源消耗:每个城市的能耗都因城市个性化发展和管理不一样,所以优化能耗使用的方案也不一样。需要了解城市的能源服务(公共照明,交通,交通信号灯,控制摄像头等)最终可以归为电力的消耗,因此电力消耗监控设备必须与城市的电网集成在一起。

智慧停车:智能停车服务基于道路传感器和智能显示屏,可引导驾驶员沿着城市的最佳停车路径行驶。通过使用RFID或者NFC之类的短距离通信技术,优化停车场停车服务,实现道路找停和停车场泊车有序管理。

02建设智慧城市的三大架构

部署在市区的密集且繁杂的设备集会生成不同类型的数据,然后通过与控制中心进行适当的通信技术,在数据中心进行数据存储和处理。因此,城市物联网基础设施的主要特征是它具有将不同技术与现有通信基础设施集成在一起的能力,支持物联网的逐步发展,以及其他设备的互连以及新功能和服务的实现。

1云架构

以下基于IETF(国际互联网工程任务组)的标准展开对云架构建设的描述。

基于Web服务方法的城市物联网网络的概念图

实际上,通过采用称为代表性状态转移(ReST)的基于Web的范式,Web服务允许实现可扩展至IoT节点的灵活且可互操作的系统。这极大地促进了最终用户和服务开发人员对IoT的采用和使用,能够轻松地重复使用从传统Web获得的很多知识包含智能对象的网络服务开发中的技术。

不受约束(左)和受约束(右)IoT节点的协议栈

从上图我们可以区分三个不同的功能层,即数据、应用程序/传输和网络,那么如何保证系统不同部分之间的互操作性?

1)数据层

IoT应用程序通常会建立一个由应用程序控制的节点和由此类节点生成的数据的数据库。该数据库可以接收大部分物联网设备集成的数据,允许浏览器与最终的IoT节点之间进行直接通信。

2)应用程序/传输层

如今,通过Internet的大多数流量都是通过HTTP /TCP在应用程序层承载的。但是,本机HTTP的冗长和复杂性使其不适合在受限的IoT设备上直接部署。常规的Internet主机可以支持CoAP直接与IoT设备通信,但最通用且易于互操作的解决方案仍需要部署HTTP-CoAP协议,也称为交叉代理,可以直接在两个协议之间转换请求/响应,从而实现与本机HTTP设备和应用程序的透明互操作。

3)网络层

IPv4是Internet主机支持的领先寻址技术。但是,在全球范围分配IP地址的国际组织IANA宣布IPv4地址块会耗尽。物联网网络预计将包含数十亿个节点,每个节点(原则上)应是唯一可寻址的。IPv6标准提供了一个解决此问题的方法,该标准提供了一个128位的地址字段,从而可以为IoT网络中的任何可能的节点分配唯一的IPv6地址。

一方面,IPv6巨大的地址空间解决了物联网中的寻址问题;另一方面,也解决了多种接入设备连入互联网的障碍。

2链路层技术

智慧城市物联网系统固有的部署面积是很大,需要一套链路层技术覆盖广阔的地理区域,同时支持可能因极高流量聚合而产生的大量数据流。实现城市物联网系统的链路层技术分为无约束和有约束两种技术。所有传统的 LAN、MAN 和 WAN 通信技术,例如以太网、WiFi、光纤、宽带电力线通信 (PLC) 和蜂窝技术(UMTS 和 LTE)。它们通常具有高可靠性、低延迟和高传输速率(Mbit/s 或更高数量级)的特点。

相反,受限于物理层和链路层技术通常具有低能耗和相对较低的传输速率的特点,这类解决方案是使用蓝牙、PLC、NFC和RFID技术。但这些链路通常表现出较长的延迟,主要是由于两个因素:1) 物理层固有的低传输速率;2) 节点为节省能源而实施的节电策略。

3设备

最后是建设智慧城市中必不可少的硬件设备,下面根据它们在通信领域的应用进行分类。

1)后端服务器

数据库管理系统:这些系统复制存储物联网边缘节点(如传感器)产生的大量信息,根据特定的使用场景,这些系统上的负载可能非常大,所以需要建立一个稳定的系统框架。

网站:对于后台不公开和公开的内容,需要建立便于管理和完善的网站页面。同时,需要实现系统和“数据消费者”(例如公共当局、服务运营商、公用事业提供商和普通公民)之间相互操作。

企业资源规划系统(ERP):ERP 组件支持各种业务功能,是管理复杂组织(例如城市管理部门)信息流的宝贵工具。将 ERP 组件与收集物联网生成的数据的数据库管理系统连接起来,可以更简单地管理物联网收集的潜在海量数据,从而可以根据信息流的性质和相关性分离信息流并简化创建的新服务。

2)网关

在物联网的“边缘”,我们找到了网关,其作用是将终端设备与系统的主要通信基础设施互连。网关设备还应提供主要用于物联网网络核心的无约束链路层技术与提供物联网边缘节点之间连接的约束技术之间的互连桥梁。

3)物联网边缘节点

那些负责生成要传送到控制中心的数据的设备,这些设备通常称为IoT边缘节点,或更简单地称为IoT节点。一般来说,这些设备的成本非常低,物联网节点可以基于多种特征进行分类,例如供电模式,网络角色(中继AP或叶子AP),传感器/执行器设备以及支持的链路层技术。最受限制的物联网节点可能是射频标签,虽然它们的功能非常有限,但仍然可以在物联网系统中发挥重要作用,主要是因为其通信硬件的成本极低和无源特性,不需要任何内部能源。射频标签的典型应用是通过接近读取来识别物体,可用于物流、维护、监控和其他服务。

移动设备,如智能手机、平板电脑或笔记本电脑,也是城市物联网的重要组成部分,提供相互交互的便捷方式。例如,集成在上一代智能手机中的 NFC 收发器可用于识别带标签的对象,而大多数常见的移动设备操作系统提供的地理定位服务可以丰富与该对象相关的信息。

03智慧城市建设案例

在《全球半年度智慧城市支出指南》中,IDC预测,2023年全球智慧城市技术相关投资将达到1894．6亿美元,中国市场规模将达到389．2亿美元。自2013年我国掀起建设智慧城市的热潮以来,“数字城市”、“信息化城市”、“智能化城市”的概念层出不穷,但实际上存在很多不成熟的地方,甚至出现不少烂尾工程。

2013年武汉智慧公司与华胜天成签署总价1．75亿元的“智慧城市”建设合同,然而在2017年之后华胜天成却深陷微软与武汉智慧的诉讼扯皮之中,吃够了苦头。

早在2016年,ST慧球旗下主营业务之一的智慧城市建设几乎停滞,广西南宁、北海两地调查发现,负责推进智慧城市业务的主要子公司南宁市智诚合讯信息技术有限公司如同“人间蒸发”,公司股东大会批准投资1．4亿元的4家孙公司仅成立1家,而上海斐讯数据通信技术有限公司投资百亿的基地项目也已经烂尾接近一年。

总体而言,智慧城市的效果大部分并不理想,建设目标缺乏前瞻性,政府管理行为滞后商业行为,出现重复建设,资源浪费等问题。

04结论

智慧城市的建设是一个复杂且长期的过程,目前全国已经有数百个城市宣布建设智慧城市大脑,但是每个城市都有许多“数据孤岛”——智慧交通、智慧医疗、智慧安防等——都是独立的数据库,很难有一个企业甚至是一个方案能将全部数据整合利用。

并且,城市是在不断发展的,建设智慧城市大多是止于眼前出现的问题提出解决方案,没有考虑到城市发展的动态性。因此,建设智慧城市,要着眼于当下的技术成果,更要放眼于未来发展趋势的判断,所以智慧城市建设只有起点,没有终点。

本文参考来源:IEEE