智慧城市与智能建筑物联网应用

2012-07-07清华大学计算机科学与技术系张公忠

智能建筑与智慧城市 2012年2期

文｜清华大学计算机科学与技术系张公忠

近两年，国内有关物联网以及物联网应用逐渐增多。从国家层面的立法，政府有关部门的指导，各省市和有关行业的研讨、演讲和规划，应用体系架构与相关导则的制定，到随后各个应用领域物联网产品以及物联网系统成功案例的不断推出，表明了中国的物联网技术的应用已走上快车道，自主的物联网产业链正在快速、稳步成长。

根据新华社2011年10月发布的《2010-2011年中国物联网发展年度报告》，未来5年，全球物联网产业市场将呈现快速增长态势。保守预计，到2015年，中国物联网产业将实现5000多亿元的规模，年均增长率为11%左右。

1 智能建筑业界的问题

（1）在近两年物联网及其应用的推进过程中，为什么要构建物联网系统？真实的智能建筑物联网系统是怎样的架构？包括哪些必要的组成部分？怎样研发智能建筑物联网产品？集成商如何构建物联网系统等一系列问题产生了。

（2）近半年来，伴随着物联网技术和应用的浪潮，建设智慧城市又成为其后的热点。那么智慧城市是何物？怎样发展过来的？物联网与智慧城市有怎样的关系？智能建筑物联网应用如何促进智慧城市的发展等一系列问题又在业界产生了。

2 关于智慧城市

2.1 城市信息化建设发展历程

随着IT技术和应用的飞速发展，城市信息化的浪潮不断推进，人们生活、工作、学习，企业经营，行业发展，市政管理等活动从基础信息孤岛迈向城市和全国。特别是在近20年，城市信息化建设的发展可以概括为早期城市信息化、数字城市和智慧城市三个阶段。

2.1.1 早期城市信息化阶段

20世纪90年代中上期，在局域网和广域网的技术和应用急剧发展的情况下，国内的北京、上海、深圳等一些大城市先后着手城市信息化建设。由于受到当时技术条件的限制，例如：普遍使用的广域网只是传输速率很低的电话网和分组交换网；局域网上的传输速率也只在100Mbps以下；且无统一的网络系统体系结构，只能随着几个厂商特定的规程和结构来构建网络系统，阻碍了较大范围内的集成和应用。因此，本阶段的城市信息化的功能是很弱的，只能满足城市政务部门和企事业单位的管理信息和办公自动化的需求。

2.1.2 数字城市阶段

20世纪90年代中后期，IT进入互联网模式时代，TCP/IP网络协议成为主流，完全取代了各个厂家特定的网络系统体系结构。特别迈入21世纪后，统一的网络应用协议和成熟与不断发展的B/S访问模式，光纤网的建设和千兆位传输率网络的出现等技术和设施给予更强功能的城市信息化建设提供了必要条件。

当克林顿入主白宫后，为了振兴美国经济，美国副总统戈尔于1998年初提出了“数字地球”的概念。随即1999年11月，在北京召开了首届国际“数字地球”大会。“数字中国”、“数字省”、“数字城市”、“数字化社区”等建设在中国拉开了序幕。

许多省、市把它作为“十五”经济技术发展的一个重要战略来抓，数字城市的立项更是如火如荼。2000年5月，中国近百名市长与百名IT精英企业聚首“二十一世纪数字城市论坛”，共商推动中国城市数字化进程大计。近十年来，国内已有百余个城市宣布要建设“数字城市”，目前已初见成效。

“数字城市”是对城市发展方向的一种描述，是指数字、网络、多媒体、3S（GIS/GPS/IS）等技术渗透到城市管理、企业经营、文化教育、生活等各个方面。

2.1.3 智慧城市阶段

2005年，国际电信联盟（ITU）发布物联网报告，正式宣告物联网时代的来临。2006年，我国在中长期2006～2015年的科技发展规划中，列入物联网课题的研究。

2009年初，在奥巴马与美国工商业领袖举行的会议上，IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”的概念。

2009年下旬，温总理多次讲话强调发展物联网的重要性，物联网被列为国家五大新兴战略性产业之一。2010年有关行业和部委相继举行了物联网应用高峰论坛，

2011年国内几乎所有大城市均建立了物联网应用中心或相应机构；特别是2011年下半年来，各个大城市相继举行了有关“物联网与智慧城市”为主题的高峰论坛。目前，国内已有近400个城市规划建设“智慧城市”。

可以认为，智慧城市发展的技术背景是：继互联网应用在数字城市建设的局面的全面展开后，物联网的应用对建设智慧城市是决定性的。此外，包括万兆以上的宽带网、移动互联网、云计算、三网融合等其他信息通信技术ICT的应用也是必不可少的。特别是数据中心的建设和各级云计算的应用为智慧城市提供了不可缺少的资源共享和公共服务。业界有说：在技术上，智慧城市=（互联网、物联网）应用+云计算服务。

2.2 智慧城市与物联网应用

国家十二五规划中物联网应用锁定智能电网、智能交通、智能物流、智能家居、智能环保、智能安防、智能工业、智能医疗、智能农牧业和国防军事十大应用领域。除国防军事领域外，智慧城市覆盖了其他所有领域。

当前各个城市的智慧城市规划可以概括五个方面：

（1）市政：包括智能政务、智能安防、智能交通、智能城管等。

（2）企业：包括智能工业、智能物流等。

（3）民生：智能农牧业、智能医疗保健、智能社区、智能文化教育等。

（4）节能环保：智能电网、智能供水、智能供热、智能供燃气、智能环保等。

（5）信息基础设施建设：数据中心、信息高速公路、三网融合等。

而建筑智能化技术均涉及智慧城市的各个方面，而像智能社区、智能安防等本来就是智能建筑的重要组成部分。

3 关于物联网的一些重要问题

3.1 物联网的核心价值

近十余年来，继互联网应用全面展开后，在三化（工业化、信息化、城市化）的推动下，有关传感/执行系统的应用迅速发展，要求其应用和运行的环境从信息孤岛走向“群”和“远”的环境。不仅在基层，更重要的在“群”和“远”的应用环境（园区、城市、全行业、全国、全球）中，实现传感/执行信息以下三方面的应用：

（1）感知应用。

（2）传输、存储、管理和监控。

（3）资源共享与公共服务。

3.2 物联网的主要目标与业务模式

物联网是建立在互联网协议平台上的网络应用系统，其主要目标是构建智慧城市和强化国家安全。构建智慧城市充分发挥了物联网的核心价值，也决定了物联网应用的业务模式。物联网业务模式包括以下两类：

（1）物联网应用集成MAI（Machine to machine Application Integration）。

（2）物联网运营服务MaaS（Machine to machine as a Service）。

MAI是基础，包括了基层和行业的集成；MaaS是MAI的扩展，在基层和行业集成的基础上，并与云计算服务进一步融合后，实现了全行业以及智慧城市的物联网应用运营服务。

物联网业务模式的发展反映了物联网应用和产业链的发展过程，物联网的广泛应用促进了产品厂商在智慧城市的大市场中逐渐发展成为系统集成商，继而进一步成长为服务运营商，国外已有较多先例。目前国内已有多家产品厂商、系统集成商与电信运营商合作开展智慧城市物联网运行服务MaaS的研发和应用，已经获得了很好的效益。

例如：北京和上海有几家研发有源RIFD设备的企业，近两年来在城市各个领域（包括市政设施、交通、安全、社区等）越来越广泛的应用，这些企业不仅提供了感知产品，在物联网工程中又是系统集成商；并与通信运营商合作后，成为智慧城市物联网应用的运营服务商。企业在智慧城市的大市场中经历了两种业务模式的转变和融合，企业获得迅速发展。

在智慧城市的规划中，首先必须规范物联网运行服务模式MaaS，然后再规范应用集成模式MAI，这样才能顺利地实现智慧行业和智慧城市的大集成。

3.3 智能建筑物联网应用体系架构

3.3.1 物联网应用体系架构

2010年底，由工信部主管的国家物联网标准联合工作组推出了物联网应用体系架构，如图1所示。这个体系架构综合了当前国内各行业物联网应用的各种合理的架构，具有实用和普遍意义。

3.3.2 智能建筑的物联网应用体系架构

对于智能建筑的物联网应用体系架构，在图1的基础上简化和变更。说明如下：

（1）建筑智能化系统包括了常规和专业应用两部分，如图2所示。所有的建筑物基本上都要配置常规部分，常规部分由传感和监控、信息和通信两大系统组成，而专业应用系统则与各个行业有关，不同的行业，其专业系统的功能是不同的。

（2）传感和监控系统中的各个子系统均与传感/执行信息有关，这些子系统简称“物联子系统”，包括：智能家居、建筑设备监控（空调/给排水/供配电/照明/电梯/节能......）、安全防范（视频监控/周界防范/门禁/巡更/访客......）、一卡通（考勤/购物/停车场/门禁/巡更/......）、火灾报警与消防联动、背景音乐与公共广播、智能照明、四表远传计量（水/电/燃气/热量）、电子配线架管理、集成系统（BMS）、数据中心环境与设备监控、能源管理、应急指挥等。

（3）上述近20个物联子系统，构成的智能建筑物联网应用体系架构，如图3所示。

目前这些子系统几乎均走上基于IP网络平台的结构，因此智能建筑物联网应用体系架构的网络层较简单，一般包括两种情况：一是基于TCP/IP互联网协议栈平台；一是基于移动互联网平台。也有个别系统的网络层采用现场总线。

图1 物联网应用体系架构

图2 建筑智能化系统组成

对于感知层，特别是传感设备，不同的物联子系统不尽相同。举例如下：

◆ 建筑设备监控：温度、湿度、压力、水位等；

◆ 视频监控：CCD、CMOS、GPS等；

◆ 门禁一卡通：RFID、条码识别、生物特征识别等；

◆ 防盗报警：双鉴、门磁、窗磁、震动等；

◆ 智能照明：声感、红外等；

◆ 消防报警：烟感、光感等；

◆ 远传表：字轮、脉冲计数、电能、热能等；

◆ 电子配线架：扫描器等。

对于智能建筑物联子系统，“感知层中的传感/执行/现场互动”子层一般采用现场总线、短距离无线网、RS485/232、电力线载波等符合国际标准的短距离通信网络。也有某些厂商的产品，其传感/执行器直接与网络层连接。

对于应用层，在应用体系架构中，为了融合所有的物联子系统，则必须提供中间件。为了摆脱基层信息孤岛，从点集成到线，从线集成到面，在应用层上采用B/S访问模式是必要的。为了适应物联网应用的发展趋势，目前的国内外有关的产品的应用软件（包括建筑设备监控、智能家居、网络化的视频监控、远传表、电子配线架等子系统）采用B/S模式已成为主流。

图3 智能建筑物联网应用体系架构图

4 建筑设备监控系统物联网应用结构

建筑设备监控系统物联网应用结构一般具有三类，如图4、图5所示。

图4为具有三层物理结构典型的建筑设备监控系统物联网应用结构，与传统结构的差异在于控制器，该控制器的功能既是一个网络协议转换的网关和现场总线的控制器，又是一个采集数据的存储器和内嵌Web Server功能的服务器，虚拟化多功能的控制器支撑了客户端的B/S访问模式。网络层一般配置了TCP/IP以太网（基层）、互联网和移动互联网（远程），因而获得了PC、3G智能手机、平板电脑等终端的广泛和灵活的支持。

图5的结构是具有两层物理结构的建筑设备监控系统物联网应用结构。同样，虚拟化多功能DDC和PLC以及网络层的TCP/IP以太网、互联网和移动互联网，支撑了客户终端的PC、3G智能手机、平板电脑等的B/S访问模式。