物联网顶层设计方法论研究

杨海涛，王 佳，许 静，李连杰，刘 光

（1.北京电信规划设计院有限公司，北京 100048；2.北京歌华有线电视网络股份有限公司，北京 100007）

1 引言

当前世界各发达国家均将物联网视为抢占新一轮科技发展制高点的创新风口，我国也将其作为新兴产业上升为国家产业发展战略的高度，物联网已成为国家战略计划中的重要内容。对物联网进行顶层设计，可以更好地促进本地区物联网产业的发展，为智慧城市的建设奠定良好基础，物联网顶层设计的方法论也日益得到业界的重视。

2 物联网的发展形势

2.1 国际发展形势

面对庞大的物联网蓝海市场，世界各国相继推出国家性物联网战略规划，美国、欧盟、日本、韩国、新加坡等纷纷推出本国物联网发展战略，将物联网作为抢占新一轮经济科技发展制高点的重大战略。

在政策层面，美、日、韩、欧盟启动了以物联网为基础的“智慧地球”、“U-Japan”、“U-Korea”、“物联网行动计划”等国家性战略区域战略计划。

在关键技术层面，基础性关键技术RFID，成为市场最为关注技术，全球RFID市场持续升温，并呈现持续上升趋势，与此同时，RFID的应用领域越来越多，目前RFID正处于迅速成熟的时期，许多国家都将RFID作为一项重要产业予以积极推动。国际标准组织纷纷研究制定相关技术标准。传感器技术、IPv6、5G、LPWAN、云计算、大数据和人工智能等新技术的飞速发展，为物联网产业发展提供了强大的技术支撑。

在应用层面，物联网产业快速发展，产业链准备日益成熟，场景落地规模渐起。智能可穿戴设备、智能家电、智能网联汽车、智能机器人等数以万亿计的新设备将接入网络，形成海量数据，应用呈现爆发性增长，促进生产生活和社会管理方式进一步向智能化、精细化、网络化方向转变，经济社会发展更加智能、高效，一个万物互联的时代呼之欲出。

2.2 国内发展形势

我国已将物联网作为新兴产业上升为国家产业发展战略的高度，并在“十三五”规划中明确提出，要推动物联网关键技术研发、重点领域突破及应用示范落地。

在政策层面，国务院、国家部委先后多次出台相关的政策，为物联网产业指明了发展方向。各地方政府也在不断加强物联网产业的政策支持力度，促进本地区物联网产业发展。

在基础设施层面，RFID、传感器、摄像头等成熟技术已在各地区的城市管理、视频监控、物流溯源等各个领域广泛应用，低功耗广域网中的NB-IoT模组也已开始在智能表具、智能灯杆等应用场景规模部署。三大运营商均开启NB-IoT（窄带物联网）网络建设，并开始商用。

在应用层面，各大城市以“智慧城市”物联网应用解决方案为突破口和主攻方向，先后进行了多项物联网城市应用示范工程建设，应用呈现爆发性增长。

在产业层面，产业链条已初步形成，产业发展具备良好的基础。面向服务的商业模式创新活跃，个人和家庭市场应用逐步发展，物联网产业进入高速成长期。

3 顶层设计的概念与基本原则

3.1 顶层设计的概念

“顶层设计”这一概念源于软件工程领域的“自顶向下、逐步求精”（Top-down Design）的设计思想。意思就是从宏观、全局的系统设计开始，逐步向下细化求精，把复杂的问题分解成可以解决的子问题，每个子问题可以再进一步分解，直到问题简单到可以很容易地解决。

“顶层设计”现已成为一个被各行各业广泛使用的名词，对其概念的理解略有不同。几种有代表性的定义包括：

一是顶层设计是一个工程学概念，本义是统筹考虑项目各层次和各要素，追根溯源，统揽全局，在最高层次上寻求问题的解决之道[1]；

二是顶层设计是运用系统论的方法，从全局的角度，对某项任务或者某个项目的各方面、各层次、各要素统筹规划，以集中有效资源，高效快捷地实现目标[2]；

三是顶层设计是一项工程“整体理念”的具体化，例如，要完成某一项大工程，就要实现理念一致、功能协调、结构统一、资源共享、部件标准化等系统论的方法，从全局视觉出发，对项目的各个层次、要素进行统筹考虑[3]；四是顶层设计通俗地讲就是指价值理念与操作实践之间的蓝图[4]。

事实上，顶层设计代表的是一种系统论思想和全局观念，其主要特征有三个：

一是顶层决定性，顶层设计是自高端向低端展开的设计方法，核心理念与目标都源自顶层，因此顶层决定底层，高端决定低端；

二是整体关联性，顶层设计强调设计对象内部要素之间围绕核心理念和顶层目标所形成的关联、匹配与有机衔接；

三是实际可操作性，设计的基本要求是表述简洁明确，设计成果具备实践可行性，因此顶层设计成果应是可实施、可操作的。

3.2 顶层设计的基本原则

构建一个既能体现发展战略、明确工作计划，又能实际可操作的顶层设计，确实存在很大的难度，根据顶层设计的特征，其基本方法主要包括以下几点：

（1）统分结合，分层设计。一个区域或领域的顶层设计，由于涉及的部门众多，业务关系复杂，单凭一个总体设计是难以做实的，因此可以通过设定若干设计层级，将原本一个难以理清的问题分解到不同层面去细化。比如，区域性的顶层设计可以有3 个层次的设计互相配合：第一个层面是本区域或领域的总体设计，第二个层面是对总体设计确定的重点业务或者重点方面分别进行设计，第三个层面是按照上一层次的要求，制定一个实施步骤。顶层设计层次的分解，也是一个任务分解的过程，形成一个内在更为统一的顶设体系。

（2）着眼现状，注重规划。一个区域或领域的顶层设计，应依托于该区域或领域的现状，对现状的梳理是做实顶层设计的前提。只有在每一个层次的设计上确定并围绕关键现状进行分析和统筹规划，才能梳理需求、确定优先级，制定出切实可行的可以依照操作的“行动指南”。

（3）重视架构，加强标准。一个足够“实在”的顶层设计，应该有清晰的蓝图和明确的架构。应该对架构给予尽可能详尽的确定，同时要对其内部逻辑关系作清晰的梳理和划分。此外，应在顶层设计的整个过程中加强“标准化”，一方面充分利用已有的标准，另一方面对新的标准提出新的需求，以实施和操作需求反过来思考对标准的需求，体现这样思路的顶层设计应该更具有可行性和可操作性。

（4）对标分析，制定战略。一个体现先进方向的顶层设计，需要在规划过程中进行标杆对比，借助于标杆管理的理论和方法，发现问题、分析问题和解决问题。标杆法是通过标杆对比，找出差距，寻找不断改进的途径。

比较理想的方法是与竞争者比较，即使用竞争标杆来确认竞争者中最佳实务者，判断其取得最佳实务的因素，以资借鉴，从而制定相应战略，建立起相应的赶超目标。

4 物联网顶层设计的方法论

4.1 物联网顶层设计的内涵

物联网的顶层设计包括物联网的发展目标，架构设计，解决方案蓝图，保障机制和实施路线。在进行物联网顶层设计之前，应首先明确物联网顶层设计与智慧城市顶层设计之间的关系，物联网是与智慧城市相辅相成的，智慧城市偏重于应用，而物联网则偏重于基础设施，物联网是智慧城市的神经元，离开了物联网的智慧城市就好似无源之水、无本之木。

4.2 物联网顶层设计的思路

物联网顶层设计总体规划思路如下图所示：

图1 物联网顶层设计思路

顶层设计主要按照以下工作节点展开：背景资料收集、标杆研究、调研访谈、需求分析、战略定位设计、架构设计、实施方案等。

4.3 物联网顶层设计方法论

4.3.1 物联网顶层设计常用方法

物联网顶层设计与信息化顶层设计类似，所采用的常用方法也类似：

（1）能力分解法。采用自上而下进行分析与设计的思想方法；包括基于能力的需求分析、制定能力演进计划、进行能力集成设计等内容。

（2）体系结构法。是国内外信息化体系建设普遍应用的顶层设计方法；注重采用规范化的设计过程，从多个视角对体系建设进行描述。

（3）发展路线法。注重体系演化分析，利用整体性的框架，采用多种决策分析方法、制定规范化的流程。

（4）风险矩阵法。主要用于对采办风险和潜在影响进行评估；该方法重视成本、计划、性能的综合风险分析与评估，可用于分析信息化建设有关因素之间的相互关系，评估和规避决策风险。

4.3.2 物联网顶层设计方法论

物联网顶层设计不能直接沿用任何一种视角或方法论，但应有选择的借鉴其中的分类方法、分析视角、参考模型、评估方法等方面的部分成熟理念，从而制定一套符合物联网技术及架构需求的方法论。

物联网顶层设计主要内容应包括“摸清现状、对标分析、战略定位、绘制蓝图、实施路线”几个方面。

图2 物联网顶层设计主要内容

4.4 物联网顶层设计方法论分阶段阐释

4.4.1 摸清现状

摸清现状不只是对城市或地区物联网发展现状的调研，在进行物联网顶层设计之前，应首先对物联网相关的国家政策、地方政策予以收集整理，对物联网的技术发展趋势、产业发展趋势进行研究，从而对物联网的发展趋势进行研判，才能确保物联网顶层设计达到的战略高度。

通过制订详细的调研方案及调研计划，对本地区物联网发展现状进行调研，从而理清本地区物联网发展的优势与劣势，以及存在的问题，对现状的充分了解与认识，是物联网顶层设计具有可落地性、可操作性的基础。

4.4.2 对标分析

随着物联网技术的进步，目前在国内及国际已有多个城市形成了具有各自城市特点的典型应用，如无锡的物联网特色小镇、鹰潭的物联网产业园等，与先进城市的对标能迅速发现本地区物联网发展的差距，使我们在进行物联网顶层设计时，战略定位更加清晰，发展目标更加明确。

通过摸清现状与对标分析，可以使物联网顶层设计的需求更加明确。

4.4.3 战略定位

物联网顶层设计的战略定位是要明确本地区物联网的发展思路和发展目标，城市发展的定位、目标及策略是智慧城市建设的目标，而智慧城市的建设目标是统领物联网等各项基础设施的“指挥棒”，物联网顶层设计必须满足智慧城市发展目标的业务需求。

物联网顶层设计的战略定位设计包括指导思想、基本原则、发展定位和目标、总体框架等内容。

4.4.4 绘制蓝图

根据物联网的战略定位，提出本地区物联网的总体架构，并从系统、业务、安全和保障等几个维度进行分析，形成物联网系统架构、业务架构、安全架构和标准、保障体系。

系统架构：依据本地区物联网建设现状，提出新建或改建的基础设施需求，依据“集约建设、资源共享、适度超前”的原则，设计开放、面向服务的系统架构。

业务架构：依据本地区城市建设对物联网的业务需求，分析业务提供方、业务服务对象、业务服务渠道等多方面因素，梳理、构建形成物联网的业务架构。

安全架构：依据信息安全相关标准规范，结合国家政策文件中有关网络和信息安全治理要求，从规则、技术、管理等维度进行综合设计，形成物联网安全架构。

标准和保障体系：结合本地区特点，在遵循国家行业及地方标准基础上，形成可支撑当地物联网建设与发展的标准及保障体系。

4.4.5 实施路线

实施路线是物联网顶层设计可操作性的重要体现，在规划实现路径时，应进行项目清单的分析与任务分解，明确每项重点项目，项目目标及建设内容，项目投资，项目周期，建设运营模式，牵头单位，参与单位，指导物联网建设分步推进，有序开展。

5 结束语

物联网顶层设计是一项庞杂的系统工程，而物联网顶层设计与本地区智慧城市顶层设计密不可分，在编制物联网顶层设计时，应特别注重对现状的分析，并结合与先进城市或地区的对标分析，才能使物联网顶层设计具有战略高度，并具有实际可操作性。■