物联网异构系统综合管理平台的设计开发

林凡　张秋镇　杨峰

摘 要：物联网技术经过飞速发展，各行业的物联网终端及数据已逐渐实现上云上平台的迁移与跨越，城市级物联网已具备一定的规模，但由于目前大部分系统，一类终端均对应一个管理平台，导致管理平台各种业务功能及单元模块被多次重复开发，使得资源无法被有效复用，造成极大的浪费。因此，文中提出一种物联网异构系统综合管理平台的设计方法，将异构的物联网节点终端统一接入到一个平台中，结合大数据、AI、云计算与边缘计算实现不同规模、性质与结构业务系统的综合智能化管理。

关键词：物联网;异构系统;管理平台;大数据;云计算;AI

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）07-00-04

0 引 言

目前物联网行业在应用管理平台的开发设计方面基本采取烟囱式垂直开发模式，应用平台直接对接物联网终端、独立管理，终端业务产生的各项数据均由该管理平台独立掌握。烟囱化的应用平台初期开发效率较高，但长远发展可能面临一些问题：不利于终端接入标准化，不同的业务应用需重复开发公用组件;数据分散，不同应用业务无法联动，缺少统一的业务管理，用户感知一致性差;平台缺乏开放性，不利于商业模式多元化。为解决上述问题，需构建面向水务、燃气和人员等方面的大规模异构系统综合管理平台，以提升水务、燃气业务的运营安全，降低管网漏损率为主线，联动水务、燃气管网设备和人员数据，开展敏感区域/设备与敏感人群的监控管理，通过大数据及人工智能的分析手段，做到基于物联网管网安全运营的实时预警，实现异构业务系统的综合、智能化管理。基于大规模异构业务系统的特点，考虑采用模块化架构设计思想，构建基于云计算的通用基础设施模块，通用大数据分析模块，通用AI分析模块，水务知识库及管理模型，燃气知识库及管理模型，人员管理知識库及管理模型，构建异构系统物联网统一接入管理模块，构建基于云计算与边缘计算协同的计算架构，提高系统运营效率。

1 平台总体架构

平台总体技术架构如图1所示。

（1）传感层：通过部署各类传感设备，获取目标对象的信息数据，形成对水务/燃气管网，敏感区域/设备，敏感人群的监测信息的采集。

（2）网络层：作为连接传感层和上层应用的纽带，通过传输网络，将传感层获取的数据信息传输至上层应用，然后进行相应的处理。

（3）适配层：平台支持多种协议适配方式，包括内置协议、提供SDK接口、提供插件方式扩展、提供设备协议模型等方式，对接入设备的应用协议进行解析。

（4）数据/设备管理：设备管理主要负责物联网接入设备的接入管理和协同管理，包括设备连接、资源目录、设备解析、设备交互等从静态信息到动态连接的管理。数据管理主要完成对传感设备所感知数据的获取、存储、融合、转发，实现对数据的处理、分析、利用。

（5）数据层：汇聚至平台的感知数据经过处理、归类，形成面向不同主题、不同业务应用的数据仓库。

（6）服务层：提供业务、开发使能和数据、算法开放服务，构建人工智能引擎，实现数据的分析挖掘，形成知识库和算法库，为各类智慧应用系统提供支撑。

（7）运营支撑服务：实现物联网平台对运营的支撑，从应用管理、告警中心、数据流通的确权到流量及计费。

（8）安全保障：实现平台开发能力安全、应用和数据安全、服务器环境安全、网络通信安全的功能。

（9）技术标准：统一的设备接入标准、感知元数据标准、感知信息资源目录和感知数据接口标准。

2 物联网接入平台技术架构

物联网接入平台架构如图2所示。

整个平台按照微服务架构设计，分为设备接入/报文解析/告警/控制模块，感知数据推送模块、感知数据订阅模块、数据存储模块、管理服务、配置服务模块。每个模块都可以独立部署，横向扩展，按需部署，模块间采用RPC调用方式通信。接入采用Nginx作为TCP，HTTP负载均衡器。MQTT，CoAP，HTTP（s）均为插件方式实现，不需要时可以卸载，无需加载到JVM中运行，减少服务器资源消耗。提供设备模型，用以描述感知设备的属性及设备与平台之间交换的数据报文指令或控制指令的结构信息，以供用户可以一种可配置的形式实现感知设备的接入、数据解析、存储、报警触发以及控制（反控）等功能操作，增强平台的可扩展性。无法使用设备模型定义的感知设备，可以通过系统的提供的插件方式来支持。感知设备接入可选国际标准的对称、非对称加密方式。流量控制，对于接入的设备，可以限制每秒报文数、每秒流量数。对于超过限制的设备，及时断开连接。对于单个报文，可以限制大小，如果单个报文超过设定值，及时断开连接。

支持北向数据推送，支持对感知数据验签以及通过国际标准的对称、非对称加密方式对推送的感知数据进行加密。

基于Serverless技术架构实现具有优异的扩展性与低成本的可维护性。采用已有丰富技术积累的内存数据库技术、已经过充分的实践验证的ESB服务总线技术作为底层核心，在此技术之上研发可部署于私有云环境下的Serverless框架。使用了BaaS技术架构，将数据库存取、单点登陆等系统常用功能悉数服务化，有效减少后期开发、运维成本。其次平台也突破性的自主实现了符合FaaS架构的技术框架，不仅可以迅速提高后期的系统功能开发效率，还能够大幅提升整个平台的系统稳定性，以其函数级的细粒度特性将系统耦合度降至最低。

该平台主要技术创新点如下。

（1）无服务器架构。汲取MSA微服务设计思想，基于Serverless技术架构实现。

（2）函数即服务。可基于FaaS技术框架开发、扩展和维护系统功能。

（3）后端即服务。可基于BaaS技术框架为开发者提供统一的数据存储功能，存储方式灵活支持使用SQL关系数据、NoSQL非关系数据、空间数据库、时序数据库。

（4）智能并网。可在系统性能不足时新增FaaS，BaaS容器并注册至平台提升性能。

（5）智能退网。在某个FaaS、BaaS容器服务健康监测信息低于阀值时，由系统自动对该节点进行断路退网操作，以确保整个系统的无障碍运行。

（6）高性能 HUB。实现IoT设备与云端稳定通信，支持扩展任意标准、非标通信协议以支持各类设备，通过云节点技术有效降低通信延迟。

（7）分布式管理。基于分布式技术为物联网设备提供丰富的产品管理、分组管理、实例管理功能，并为每台设备提供便捷的设备调试功能，快速排除终端故障。

（8）规则引擎。针对供水、燃气等领域的业务需求，深度定制数据的处理标准和业务服务规则模式，显著减少系统的维护成本。

（9）开放赋能。平台采用Serverless技术架构，基于FaaS框架构建，可自定义API，灵活扩展微服务与云函数接口，有效支撑大数据、人工智能等三方平台。

3 基于云边协同的大数据分析技术架构

基于云边协同的大数据分析技术架构如图3所示。

感知终端部署到各行业现场，获取目标对象的信息数据，由各种传感器、控制器和智能设备组成，其中涉及到自研设备主要是智能腕表、智能手机APP和物联网网关，智能手机APP通过配置适配行业要求，物联网网关与其他外部设备集成为各行业监测终端。

通用平台提供统一的设备接入、设备管理、设备服务、数据存储、数据服务、数据分析以及BIM和GIS服务，根据功能边界划分为大数据平台、物联网接入平台、GIS&BIM平台。

行业应用基于通用平台能力，采集现场数据和控制现场设备，面向各行业领域以及专业方向提供应用系统。

各个产品之间通过公共的接口、协议和数据模型进行交互。传感器以硬件接口连接到物联网网关，再通过通信接口连接到物联网接入平台，智能手机APP和智能腕表则直接通过通信接口连接到物联网接入平台，实现感知数据的上传和控制指令的接收。物联网接入平台对外提供设备数据和感知数据，为行业应用提供设备管理服务和反向控制服务。大数据平台为行业应用提供数据服务和分析能力。GIS&BIM平台为行业应用提供呈现服务。

大数据平台是智慧业务支撑平台的核心构成部分，负责各行业数据存储、清洗、分析和人工智能服务，是智慧业务支撑平台的心脏，是通用型大数据平台+面向垂直行业的数据分析服务引擎，具备分布式文件系统、分布式数据库、数据挖掘、实时计算、离线分析和机器学习，为智慧水务、智慧人员管理等应用提供专业化、自动化、可视化的数据分析服务和人工智能服务。

大数据平台是易用、高性能、高可靠性、高安全性的完整大数据解决方案，系统涵盖大数据完整生命周期，从数据采集到数据存储、数据库、数据仓库、数据处理、运维监控、服务引擎。产品结合实际业务需求，融合物联网、云计算、人工智能等前沿技术，为行业提供专业化数据应用服务。

4 结 语

本文旨在提供以智能终端监控管理为支撑的面向大规模异构系统的综合管理平台，在智慧水务、智慧燃气、人员个体智能化管理等领域实现示范应用。未来，平台将接入更多不同种类的物联网终端，综合运用云平台、分布式软件、物联网、人工智能、边缘计算等先进技术，研究大规模异构系统的个体化数学建模方法、复杂网络优化、智能决策和信息管理核心技术。通过构建大规模异构系统的多目标随机优化与决策模型，支撑异构业务系统量化与非量化指标的综合科学决策，实现不同规模、性质与结构业务系统的有效管理和监控。

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