北京市物联网应用标准体系框架研究

2012-06-27高顺尉杨冬菊何可文

电信科学 2012年12期

高顺尉，杨冬菊，何可文

（1.北京市信息资源管理中心北京 100101；2.北方工业大学云计算研究中心北京 100041；3.太极计算机股份有限公司北京 100083）

1 引言

物联网是继计算机、互联网和移动通信之后引发的新一轮信息产业浪潮的核心领域。一般的，人们认为物联网是互联网向物理世界的延伸，通过传感设备感知物品状态，并对感知的信息实施智能分析与处理，从而实现对物品行为的反馈控制。其中，“感知”是基础，“智能”是核心，“反馈控制”是重要目标。

经过近几年的发展，北京市已经逐渐在农业、交通、应急等多个领域建设了物联网示范应用系统，并初见成效。在“十二五”的开局之年，北京市提出物联网发展的总体规划与蓝图，将用5年时间，初步建立起政府部门有效感知、安全传输、数据共享、智能处理的物联网应用基础支撑体系，完成基础设施建设，并在关键领域和行业建立示范应用。同时，针对目前北京市物联网建设“自发为主，尚未规范，有所应用，未成体系，监测类多，智能类少”的特点，结合数据实时获取、预测预警、智能研判、信息共享、应急联动和辅助决策等需求，提出北京市城市安全运行和应急管理领域物联网应用“1+1+N”的总体框架，即一个市应急指挥平台、一个市物联网应用支撑平台、多个由部门和区县建设的物联网应用管理系统和平台，规范全市物联网应用建设，实现城市日常管理与应急管理的有机结合。

物联网产业链长，涵盖面广，参与的主体众多，在大量物联网应用涌现的情况下，由于相关标准的缺失且缺乏协调统一，行业内、行业间互联互通的程度较低，凸显出难以形成产业规划、研究成本过高、资源利用率过低、无序重复建设现象严重的问题，阻碍了物联网的进一步规模化应用，物联网的显著优势无法充分地发挥出来。

从近期物联网的建设任务来看，“1+1+N”方案的落实和实施迫切需要制定相应的物联网标准，一方面为了实现物联信息在各个物联网应用之间的无缝流转，另一方面为了规范指导各部门（区县）独立建设物联网应用系统之间及与应用支撑平台之间的对接与数据流动。从物联网的长远发展及产业推动来看，需要实施物联网标准的顶层设计，制定物联网标准发展的蓝图，为标准的制定提供路径和依据。

结合北京市的物联网应用建设实际需求，着手设计北京市物联网应用标准规范发展的体系框架，准确梳理物联网应用建设过程中需要遵循和具有指导作用的标准规范，发现缺失的标准，并根据应用需求设定建设的优先级，这些工作对于推进北京市物联网发展显得尤为重要。

2 相关工作

目前，国内外对物联网的研究尚处于探索阶段，主要集中在两个方面：一方面是对物联网概念内涵及体系结构的研究[1～5]，在重点研究物联网关键技术及架构体系的基础上，分析物联网标准建设的必要性及重要性；另一方面工作集中在对物联网标准的研究方面[6～8]，全面分析国内外相关的物联网标准化组织、标准的发展现状及趋势，并对我国的物联网标准提出建议。目前专注于物联网标准规范制定的主要的国际标准组织有国际标准化组织（ISO）、国际电信联盟（ITU-T）、欧洲电信标准化协会（ETSI）、美国电气及电子工程师学会（IEEE）、3GPP、3GPP2 等，这些标准组织在物联网总体架构、感知技术、通信网络技术、应用技术等方面制订了一系列标准规范。其中，ITU-T及ETSI主要从总体框架方面制定相关标准，前者从泛在网的角度出发，后者主要从M2M的角度出发；ISO和IEEE主要针对感知技术，特别是无线传感网方面研制相关标准；3GPP和3GPP2主要从M2M业务对移动网络的需求方面研究，特别关注移动网络层面；在应用技术方面，各标准组织都有一些研究，主要集中于特定应用制定标准[6]。

在我国，物联网标准的制订工作还处于起步阶段，但发展迅速。目前，我国已经有涉及物联网总体架构、无线传感网、物联网应用层面的众多标准正在制订中，并且有一部分的标准项目已在相关国际标准组织立项[7,8]。

国内外关于物联网标准规范体系框架的相关工作比较少。结合我国的信息化技术及物联网应用现状，参考文献[9]从应用需求出发，按照技术基础标准和应用子集两个层次，提出引用现有标准、裁剪现有标准或制定新规范的策略，形成了包括体系架构、组网通信协议、协同处理组件、网络安全、编码标识、骨干网接入与服务等技术基础规范和产品、应用类规范的物联网标准体系，从而指导系统化的物联网标准制定工作，为我国物联网产品研发和应用开发中对标准的采用提供重要的支持。参考文献[10]则在分析EPC系统基本组成、标准体系和技术架构的基础上，通过EPC系统与传感网、泛在传感器网络的对比与分析，探讨了物联网标准体系的构建和技术实现策略，提出物联网的构建首先需要注重通用原则和总体需求，让不同行业有一个构建物联网的基本平台，然后针对不同场景构建不同技术模式的相应标准。参考文献[11]则重点结合感知层的共性需求和特定需求，提出物联网感知层的标准体系架构。此外，在医疗卫生领域[12]、电子政务领域[13]和节能减排领域[14]，都在探讨制订相关的标准体系框架，对于避免该领域的管理模式混乱、低水平重复建设和信息“孤岛”现象的出现具有巨大的应用价值。以上标准体系框架为本文的工作提供了借鉴和参考。

相比目前已有的物联网标准体系框架，北京市的物联网应用标准规范体系框架以应用和落地为导向，突出应用和应用支撑部分，重落实和实效，共性技术部分则参照和遵循国家物联网标准规范。所以，北京市物联网应用标准规范体系框架是在遵照国家物联网标准规范体系基础上的补充和落实。

3 北京市物联网技术架构及现状

物联网是互联网向物理世界的延伸，通过传感设备感知物品状态，并对感知的信息实施智能分析与处理，从而实现对物品行为的反馈控制。此过程包括“感、传、知、用”4个环节。其中，“感”是获取物联信息的基础和手段，是伸向物理世界的触角；“传”是物联信息的交换和传输；“知”负责物联信息的智能分析，是物联网的“大脑”；“用”实现对物体的智能控制，是目标和价值体现。物联网建设的目标是从物联网的“大脑”建起，一方面利用“后端智能”，利用应用之间的共享、协作，达到单一系统所不具有的群体协作而产生涌现效应，实现“事件驱动的智能互联”；另一方面为物联网应用建设提供必要的“服务”，从而简化应用搭建。

基于以上认识，北京市提出物联网技术架构，包括感知层、网络层、支撑层和应用层以及标准规范体系和信息安全体系，并将支撑层和应用层确定为北京市物联网的建设重点。具体如图1所示。

物联网各个层次的划分及衔接，要解决的本质问题是物联信息在纵向层次（指感知层、网络层等多个层次之间）及横向应用（指多个物联网应用）之间的无缝流转，而标准规范正是在上述各环节中充当“粘合剂”作用。

同时，北京市将以智慧城市建设的具体需求为导向，以城市安全运行和应急管理应用为突破口，以解决制约城市发展的瓶颈问题为重点，在10个领域建设应用示范。

（1）城市应急管理领域

围绕城市运行生命线检查等开展应用示范建设，提升城市应急管理水平。

（2）社会安全领域

加强重点地区的安全监控管理，提高社区管理和安防能力。

（3）交通领域

建设和完善新一代智能交通服务体系，实现各类交通信息的动态监测。

（4）市政市容管理应用领域

逐步实现城市生命体征监测及市政市容设施管理的智能化，提升城市管理综合行政执法能力和水平。

（5）环境监测监管领域

针对重点监测对象，构建多元化智慧感知网络，提升环境机动执法能力。

（6）水资源管理领域

对各类城市用排水的水质、水量以及安防等进行全面监测。

（7）安全生产监管领域

针对煤矿等重点行业，加强物联网与安全监管平台的信息共享和业务联动。

（8）节能减排领域

加强对重点用能企业运行情况的监测，实现能源的可靠、安全利用。

（9）医疗卫生领域

构建智能医疗体系。

（10）农产品和食品监管领域

实现农业的规模化和集约化种植，推进农产品可靠配送、保险管理和可视化跟踪应用。

“需求导向、统一框架、统一标准、分建共享”是指导整个“1+1+N”物联网体系建设的基本原则，其具体含义是：详细分析业务需求，重视物联网标准的顶层设计，遵循统一的物联网技术框架，建立统一的物联网标准体系框架，遵从并采用各项相关标准，依托统一的物联网应用支撑平台，按照分建共享的机制，逐步建立各类领域和行业应用，最终形成整个物联网体系。

4 北京市物联网应用标准体系框架

4.1 标准体系框架的建设原则

遵循“需求导向、统一框架、统一标准、分建共享机制”建设北京市物联网体系的过程中，保障物联网信息在各环节之间的无缝流转成为一项关键任务，建立全市统一的物联网标准体系则是保证物联网信息有效共享的必要条件。

以面向领域业务应用作为导向，以物联网的层次化观点和流程化需求作为出发点，以保障各类信息在物联网中的正确流转、共享和使用作为落脚点，北京市物联网标准体系框架设计的基本原则包括以下4方面。

（1）分离通用共性各层参照

对于“感、传、知、用”各层次都会涉及和使用的通用标准和共性标准，要将其分离出来，各层次共同参照，避免重复建设。

（2）利用已有标准,避免重建

物联网标准体系框架覆盖范围广，特别是不同领域、不同行业已经建了许多相关标准，应优先利用，避免重建。

（3）针对难点问题重点突破

紧紧抓住物联信息流转这个主要矛盾，结合各行业、各应用的特点建立标准规范，实现有效共享。

（4）分清主次轻重,优先建设

结合北京市物联网发展现状和发展规划，优先建设对当前发展状态起到制约作用的“瓶颈”问题的相关规范。

4.2 构建标准体系框架模型

标准体系框架是对标准体系的组成要素及其相互关系的描述。北京市物联网应用标准体系框架的设计既要遵循标准体系框架的共有模型，又要体现物联网应用建设的核心内容。参考文献[15]中指出，标准体系可以由一个三维空间组成，包括性质维、专业维和级别维。其中，级别维分为国际级、区域级、国家级、行业级、地方级、企业级；性质维包含管理标准、技术标准、工作标准；专业维代表标准化活动的各种专业领域，包括农业、工业、商业、科研、教育等。

依照该模型对物联网应用建设所需的标准进行分析和映射，设计了北京市物联网应用标准规范体系框架的四维模型（如图2所示），包括级别维、性质维、业务维和应用维。

其中，级别维从标准规范所属级别进行划分，包括国际级、国家级、行业级和地方级。性质维从标准规范所属性质进行划分，包括管理标准和技术标准。业务维则从物联网应用建设需求出发，分析物联网应用建设的各个层次。从本质上来看，北京市物联网应用的建设离不开“感、传、知、用”4个层次，需要传感设备获取物品的状态，需要网络实现数据的传输，需要支撑平台实现数据的加工和整合，最终通过应用系统实现对物品的反馈和控制。所以，业务维包括感知层、传输层、应用支撑层和应用层，此外，还包括物联网应用建设的总体标准及各层涉及的共性技术标准。应用维则从物联网应用建设的具体领域进行划分，包括北京市重点建设物联网应用的10大领域，包括农产品和食品监管、城市应急管理、市政市容管理、环境监测监管、水资源管理、安全生产监管、节能减排监测监管、智能交通、社会安全维稳和医疗卫生。

4.3 标准体系框架的主要内容

依据前述北京市物联网应用标准体系框架模型的设计，抽取与物联网应用建设需求最为密切的业务维、性质维与应用维，进行扁平化映射，并根据重点突出、层次清晰的原则设计了北京市物联网应用标准体系框架。它依托于对物联网技术层面所做的“感、传、知、用”的基本划分，覆盖了从底层感知设备（感知层）、网络传输（传输层）、应用支撑（智能层），直至顶层的领域和行业应用（应用层）。框架的主要内容如图3所示。

北京市物联网标准体系框架共包含7个部分，分别是：总体标准、共性技术标准、管理标准、感知层标准、网络层标准、应用支撑层标准、应用层标准。每个部分又分为若干子类，受篇幅限制，本文仅从整体上对这7个部分的作用进行介绍。

（1）总体标准

总体标准对整个物联网体系的架构、各组成部分的关系以及使用的基本术语进行规范化，具体包括3个部分：物联网术语标准、体系结构和参考模型、标准组成及关系。物联网术语标准规定了物联网建设过程中需要遵循和参照的所有术语，在编制过程中可以参照传感器术语标准、信息技术术语标准及电子政务术语标准等相关标准；体系结构与参考模型则为所有的物联网应用建设提供体系结构指导及参考模型，可以参照信息技术、信息处理系统等一些相关标准。总体标准不仅是设计物联网架构的参照性文件，也是各部门、各行业、各领域建设各自应用时必须参照的标准性文件。

（2）共性技术标准

共性技术标准涵盖了物联网建设过程中所需的共性技术标准，由物联网的各层次共同参考，主要包括安全标准规范、网络架构标准、标识解析标准、QoS管理规范、网络管理规范、日志管理规范等方面的具体标准。

其中，安全标准从信息安全、网络安全、保密措施等不同的角度来保障物联网的安全。目前，专属物联网的安全标准很少，在项目建设过程中，将更多地遵循和借鉴信息化标准。随着物联网的发展，会出现更多的与物联网相关的安全标准，本标准体系框架会进行相应的扩展。网络架构标准包含网络建设中涉及的硬件、软件、协议、存取控制和拓扑等相关标准。

标识解析标准规定了物联网终端进行唯一标识、定位和解析的方法，并与传统网络标识机制结合，使感知层能够快速接入传统网络（包括互联网、专用网络等）。

QoS管理规范定义了物联网在实现移动性管理、网络拥塞控制、信令拥塞控制、群组通信管理等业务功能时需要提供的QoS管理服务。

网络管理规范主要针对传感网络拓扑变化快、无中心、终端独立等特点，既包含传统互联网和电信网在网络管理方面的故障管理、配置管理、计费管理、性能管理和安全管理5大功能，也包含传感器网络中节点的生存、工作管理（包括电源工作情况等）；传感网的自组织特性和传感网的信息传输；传感网拓扑变化及其管理；自组织网络的多跳和分级管理；自组织网络的业务管理等物联网独有功能。

日志管理规范规定了物联网建设及运行过程中涉及的日志的内容、存储、管理、分析等方法。

由于共性技术标准规范了物联网建设过程中需要共同遵循的共性技术，不涉及感知、智能等物联网的一些独有特征，所以此部分标准以参照和遵循国家、行业和北京市制定的物联网、信息化等相关标准等为主。

（3）管理标准

管理标准的设计主要覆盖了物联网工程建设的全生命周期涉及的所有标准规范，包括项目管理、建设与实施、测评与验收、运维管理、绩效考核评价等各环节所需标准。管理标准的设置，一方面为了规范北京市物联网的建设，另一方面为了落实和实施北京市物联网的各项标准。由于物联网应用建设包含在信息化建设范畴内，所以管理标准的内容设计主要参照北京市信息化标准体系，在执行中也以遵循、参照国家、行业和北京市的信息化管理标准为主。

（4）感知层标准

物联网要感知各种各样的物品对象信息，而种类繁多的物品信息则依赖不同类型的传感器进行采集，而且即使同一类型的传感器也有多种品牌与型号。感知层标准对物联网中使用的感知设备加以规范化，从而保证设备采集的信息能够被各类物联网应用所识别、共享和使用。感知层标准主要包括如下几类：传感网络技术标准、射频识别技术标准、短距离无线通信标准、各类传感设备标准等。感知层标准主要借鉴并采纳与设备相关的领域的通行标准。

（5）网络层标准

传感设备采集的物品信息需要依赖网络传输才能被应用共享和使用，目前北京市已经建成的网络基础设施就包括政务网、电信网、互联网等，这些网络设施是物联网体系的有机组成部分，因此它们所遵循的标准也是物联网标准体系的一部分。从发展的角度出发，网络层标准涵盖了电信网增强标准、互联网标准规范、电信网标准、下一代承载网标准等。此外，针对北京市物联网的建设要求，网络层标准还应包括北京市物联网网络建设应用标准。总之，网络层标准规定了现在或未来可能会用于物联网信息传输的各类网络设施相关的标准。

（6）应用支撑层标准

根据北京市物联网顶层设计，多个由部门和区县建设的物联网应用管理系统和平台之间完成物联信息的共享与交换时，要通过市物联网应用支撑平台进行协调。为此，遵循物联网标准体系设计中的 “针对难点问题重点突破”原则，应用支撑标准围绕物联网流转与共享，涵盖了信息编码、接入、存储、管理、分析、交换、服务等方面，具体包括物联信息接入、物联信息管理和物联信息服务等几个方面的标准，其中物联信息接入标准包括平台和应用两端的物联实时信息接入标准及政务综合信息接入标准；物联信息管理标准包括物联网基础信息标准、物联网实时信息和政务综合信息的元数据标准、感知设备及对象的编码标准及编码赋码管理标准、物联信息的分类、编目及管理标准等内容。物联信息服务标准对物联信息的分析处理、信息交换、信息服务的梳理、封装及管理等内容进行了规范。同时为了规范支撑平台的开发工作，支持市区等多级平台的对接，还纳入了物联网应用支撑体系架构与参考模型以及平台运行支撑环境等方面的标准规范。这些标准规范不仅为物联网应用支撑平台的开发提供了参考依据，也是物联网应用建设的必要参照和支撑。

（7）应用标准

北京市“1+1+N”物联网发展框架将服务于不同的应用领域，参照北京市经济和信息化委员会2011[16]号文中提出的率先在城市应急管理、社会安全、交通、市政市容管理应用、环境监测监管、水资源管理、安全生产监管、节能减排监测监管、医疗卫生、农产品和食品监管10个领域推进物联网应用建设的目标，遵从物联网标准体系设计中“利用已有标准避免重建”原则，物联网标准体系框架中明确提出各领域的应用必须满足该领域已有的相关标准与规范。这样指导各领域应用建设的相关标准规范也成为物联网标准体系框架的一个组成部分。

4.4 物联网标准规范的建设思路

目前，北京市物联网体系已经有了一定的基础，特别是许多行业中已经构造了多种多样的物联网应用，并取得了一定的效果。为此，在建设物联网标准规范的过程中，必须遵循“利用已有标准避免重建”、“分清主次轻重，优先建设”的原则，对于已经存在的标准规范，要充分引用和利用，将重点放在制约当前物联网发展的标准规范上，优先进行建设。

共性技术标准和管理标准覆盖“感、传、知、用”各层次，与感知设备、网络环境、领域与行业应用相关的安全与共享技术标准，将充分采用各自已有的相关标准和规范，而与应用支撑平台相关的共性技术标准和管理标准，则需要和物联网应用支撑标准同时进行优先建设。

参照4.3节的分析，感知层、网络层两类标准涉及各类设备厂商、不同的运营商以及多个行业和领域，而无论是厂商、运营商还是行业和领域都自己成熟的产品、服务和业务，也已经相应地存在各种标准。因此，对于这两类标准，将以充分利用已有标准为主。

面对北京市物联网建设所表现出来的“自发为主、尚未规范，有所应用、未成体系”的现状，北京市物联网体系将促进物联信息的共享和服务作为核心目标，期望通过一个物联网应用支撑平台，让N个物联网应用实现信息互动与智能处理。因此，与此目标直接关联的物联网应用支撑标准和应用标准这两类标准是将要优先建设的标准。

根据以上分析，当前北京市需要优先建设的物联网标准主要包括与物联网应用支撑平台相关的应用支撑标准和应用标准，具体包括北京市政务物联网实体编码规范、北京市政务物联网感知实时信息元数据规范、北京市政务物联网基础信息规范、北京市政务物联网信息接入规范、北京市示范工程物联信息交换规范、北京市感知设备接入规范等多项内容。

下面将以应急领域为例，详细讨论一下物联网应用建设时需要遵循及制定的标准。按照北京市物联网的顶层设计，北京市各物联网应用产生的物联信息要通过物联网应用支撑平台实现规范接入与有效整合，并提供给市应急指挥平台，进行整合处理、分析加工和综合展现，提供全市安全运行和应急管理的全貌，提供精细化动态信息服务和辅助决策支撑。为了全面支撑上述任务的落实，除了需要制定应用支撑层标准外，还需要制定应用层标准，以规范应用的建设、保障其与应用支撑平台的顺利对接。所以，除了需要制定应用建设的标准外，还需要对数据的格式、获取接口、传输要求等进行规范。按照自顶向下的分析原则，每个物联网应用都需要至少制定如下几类标准规范。

（1）针对各领域的监控技术要求

主要规范监控的总体技术要求，包括管理对象、监控手段、监控数据等基本要求，如汽车制造行业主要风险点安全监控技术要求、冶金行业主要风险点安全监控技术要求等规范。

（2）针对各领域的感知设备的技术要求

规范该领域中采用的感知设备的种类、数量、安装方式、布控点等要求，如电梯运行数据采集设备技术要求及安装和验收规范。

（3）该领域内感知设备及管理对象的编码规则

用于在领域内实现感知设备与监控实体对象的唯一标识，并与应用支撑层的管理对象和感知设备编码规范相符合，如电梯运行数据采集设备编码规则。

（4）针对各领域的监控信息的分类、数据格式、应用接口基本要求

规范获取的物联信息的分类及数据格式，并规定数据获取的接口，如电梯基础信息分类、数据格式、数据基本要求等规范。

（5）数据传输网络的技术要求及传输协议

规定物联信息传输的网络类型、协议等内容，如电梯运行数据传输网络的有关技术条件及要求。

（6）其他规范

包括监控数据的存储格式、质量要求、存储时间要求、管理终端技术要求等，此类规范一般根据领域的特点、实际需求及规模大小决定是否制定，如电梯摄像设备存储图像的格式、质量及图像存储时间等内容标准。

5 结束语

物联网是世界信息化发展的第3次浪潮，是我国战略性新兴产业的重要组成部分。北京市针对当前的发展现状，有组织、有计划地提出物联网应用技术框架及重点发展的应用领域，以智慧城市建设需求为导向，以城市管理涉及的多个应用领域为突破口，在分建共享原则的指导下，沿着标准规范先行的思路，推进北京市物联网体系建设。本文在充分调研国内外物联网标准规范体系框架基础上，重点分析北京市物联网应用发展现状，提出北京市物联网标准规范体系框架，并讨论了北京市物联网标准规范的建设思路。

通过标准规范体系框架的建立，能够在城市安全运行和应急管理领域落实示范工程建设，初步建立本市应急系统物联网应用体系，并逐渐发展成“N+1+N”的物联网新型应用服务模式，保障物联网建设的标准化、物联网业务的互联化，促进物联网发展的科学性与合理性，进而提升产业发展水平，促进并带动产业链的健康发展。

在标准规范体系框架落实过程中，尚需考虑一些关键技术的实现，包括物联信息的接入与转发技术、物联信息服务封装、管理、调用等效率和质量的保障技术以及物联信息智能融合等几方面。只有标准规范体系框架与关键技术研发的有效结合，才能真正推进物联网的健康、规范、有序发展。

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