城市照明云平台架构设计探讨

宋宏伟，孙泉明，方 靖，俞 伟

（1.浙江大学 计算机科学与技术学院，浙江 杭州 310012； 2.浙江方大智控科技有限公司，浙江 杭州 310012；3.浙江理工大学，浙江 杭州 310018）

0 引言

作为智慧城市建设的重要组成部分， 以LED路灯+单灯智能控制为特点的智慧道路照明控制系统建设，已经逐渐得到用户认可和日渐普及。但是在系统的建设、 运维过程中也存在不少问题，如：智能控制方案各有所长，标准不统一，无法实现互换及互联互通， 导致后期运维被初始厂家绑定， 新厂家难以进入老市场； 系统功能没有扩展性，难以接入新型设备，系统维护困难，导致维护工作量不降反增，达不到提高管理效率的目的。

针对以上问题，不少业主单位除了积极参与推动智慧道路照明控制系统全链条相关行业标准的制定外，还根据自己的需求，提出了不少解决方案，包括自定通信协议标准以实现互联互通、采用统一标准接口以实现互换性、平台建设单独招标以保证对硬件设备的公平接入等。这些解决方案在一定程度上缓解了部分矛盾， 但是在实际操作过程中，离业主的期望还存在一定的距离。

1 标准化建设与推进的困难

我们可以通过电子产品充电器接口标准的制定历程，来看看一个标准制定推广的艰辛。

首先， 大量电子产品充电器规格不统一，设备更新过程中充电器浪费严重。为了解决这个问题，国家有关部门很早就提出了充电器标准化以实现设备更新可不换充电器的目标， 但是过程却一波三折。

其次，直到2006 年，当时的信息产业部才发布了“YD/T1591-2006”标准，规定了充电器电压转换模块和充电线之间的接口标准。但是对充电线和充电设备之间的接口标准，却因为大量的电子产品生产厂家无法取得共识而没有涉及。

截至目前，在已经淘汰了大量充电接口的情况下， 还是存在TYPE-C、Micro USB、Lightning 等事实接口标准， 电子产品销售至少还得配一根充电线。 而第三方充电器供应商，不得不做出很多“创新”来兼容这么多的充电接口。

从上述例子可以看出， 要研制推广一个标准，既需要解决技术上的问题，还需要解决利益上的问题。 几个专家几次会议编制一个标准，技术难度可想而知，利益方面的协调更是难上加难。 仅仅靠业主单位的有限力量来自定义一个标准，其实并不是一个比较好的选择。

2 物联网平台架构的几种形式分析

城市物联网设备具有海量、通信异构及低速不可靠的特点。因此物联网平台的架构，与互联网、局域网相比，有自己的特点。 下面是目前几种物联网平台架构的介绍。

2.1 传统烟囱型架构

传统的烟囱型架构如图1 所示。早期的城市物联网系统基本上都是这种架构，各个专项的管理系统像烟囱一样，从设备层直达应用层，部分系统也可以以最简单的方式，对本系统的数据做一个最基础的共享。这样建设的优点是：便于分步建设，事实上目前绝大部分烟囱型的业务系统，都是基于分管领域在不同时间内陆续建设起来的； 协调简单，建设时只要满足本领域需求就可以，最多关注一下上级系统的数据共享要求，不需要关注横向系统的相关专业知识以及数据共享需求。 该架构的缺点是：大量的基础数据重复建设； 业务数据难以共享；专业领域封闭，容易形成后来者进入壁垒。

养殖人员在整个龙虾养殖过程中处于核心地位，大部分养殖工作都需要养殖人员去推进，由此可见养殖工作人员的重要性。但是，结合我国稻田淡水龙虾养殖的实际情况来看，养殖工作人员的整体素质比较低，且大部分养殖工作人员年纪较大，接受新知识和新技术的能力较差，可以说非常不利于淡水龙虾养殖技术的创新。随着时代的发展与进步，稻田淡水龙虾的养殖不仅需要丰富的专业技能和知识，而且要了解很多其他行业的知识，这就对养殖人员提出了严峻的挑战。所以，提高相关养殖人员的素质是促进稻田淡水龙虾养殖业发展的关键。

图1 传统烟囱型架构系统框图Figure 1 System block diagram of traditional chimney architecture

2.2 统一协议架构

统一协议型架构的系统框图如图2 所示。该类型的物联网平台架构以统一设备接入协议为基础，经由接入层到达管理层进行统一管理；针对专业化的管理需求，则在其上再架构一层专项管理层。 该架构的优点是：建设成功以后，进行不同系统、不同行业间的联动会比较方便；物联网设备从基础上解决了互联互通的问题。 该架构的缺点是：建设前期需要充分理解各专项业务的概念和管理要求，协调任务艰巨；有些业务系统专业性非常强，通用化的建设满足不了专业部门的使用要求，但是专项系统建设又可能欠缺更精细化的数据，增加这些数据还可能涉及到协议的更新和业务的理解；容易抹杀各专项系统积累的个性化特点。

图2 统一协议型架构的系统框图Figure 2 System block diagram of unified protocol architecture

2.3 统一顶层架构

统一顶层架构的系统框图如图3 所示。该类型的物联网平台架构通过接入层的适配，实现异构协议设备的统一管理， 并在其上架构专业应用层，部分关键操作及数据， 也可以直接与统一管理层交互。 该架构的优点是：建成后，不同系统、不同行业间的数据共享充分；关注于数据的集成应用，通过大数据进行建模分析， 可以极大提高城市管治水平。 但该架构的缺点是：数据模型建设需要充分理解各专项业务的概念和管理要求， 协调任务艰巨；专注于连接，接口规范的专业性不足会导致应用系统接入不容易，满足不了专业部门的要求。

图3 统一顶层型系统框图Figure 3 Block diagram of unified top-level system

3 基于物联网统一架构下的城市照明云平台建议框架

3.1 框架设计

城市照明云平台作为一个专项平台，需要对整个城市的道路照明、景观亮化、智慧灯杆等设施进行专业化的管理。 同时作为智慧城市大平台的一个重要组成部分，它又需要和上级系统、安防、消防、停车等横向系统以及第三方异构软硬件进行集成。

根据业主单位的诉求， 并结合行业标准化现状， 我们整理了理想的城市照明云平台建设框架，如图4 所示。

图4 城市照明云平台建议框架Figure 4 Suggested framework for urban lighting cloud platform

该框架支持终端-网关-管理平台两级硬件一级软件模式设备、终端-接入平台-管理平台一级硬件两级软件模式设备以及终端-管理平台一级硬件一级软件模式设备的接入，能通过SDK/API/MQTT方式接入第三方设备， 也能通过设备SDK 接口文件和软件平台API 接口文件与其他系统交互。

与该框架配套的部署框架如图5 所示。 必要时，也可以部署成内外网隔离模式。

图5 城市照明云平台硬件部署示意图Figure 5 Schematic diagram of hardware deployment of urban lighting cloud platform

按照该部署框架，在系统小的时候，可以部署在一台服务器上测试验证， 随着系统投入使用，可以视需要进行分拆部署。特别地，IoT 接入服务需保证单台服务器5 万IoT 设备的接入， 包括集控、网关、直连终端及其他需直接与接入服务器交互的智能终端设备。在这个框架体系下，WEB 层通过负载均衡来进行扩展，应用和数据库层通过服务器集群来进行扩展，设备接入层则通过水平复制的方式进行扩展，以保证整个系统不少于200 万个IoT 设备的接入。 系统尽可能采用通用、开源的底层支撑平台，包括操作系统和数据库，降低部署成本。

3.2 软硬件集成方式

该平台框架，可以通过以下几种方式提供设备支持扩展能力。

（1）设备厂商提供设备及管理系统，并提供符合平台标准的系统调用接口

平台建设方定义好基础接入接口标准，并通过调用这些标准的接口来实现基础功能及数据的统一管理；设备初始化、日常维护等琐碎功能，则还是由设备厂商提供的管理系统完成。这个方案的好处是：平台可以专注于核心功能的实现， 不必分心于各类不同设备的差异，并且也解耦了建设先后顺序。平台建成后，新设备供应商，只要提供符合标准的接口，就可以顺利集成应用。 这种方案，比较符合当前实际。

（2）设备厂商提供设备/系统及调用接口，由平台厂商负责接入

该方案在平台建设期间一般不会有大问题，主要问题在两个方面：一是所有功能都需要平台厂商实现，相对工作量是比较大的，如果平台厂商仅熟悉软件开发，对行业了解不深，就会造成比较大的隐患；二是平台厂商撤场后，对接新产品就成为了难题。

（3）业主自定标准通信协议

该方案，业主保留了最大的控制权，同时也承担了最大的变更责任，同时很可能抹杀专业厂商很多特色功能。另外，该方案对供应商来说是非标品，运维期的支持会成为比较大的问题。 因此该方案看起来很美好，但是单个业主推动的可行性比较差，建议业界共同努力， 力争尽早推出国家级的标准供大家统一采用，彻底解决互换性和互联互通的问题。

4 结语

欧洲等地的照明系统，包括硬件和软件，关注重点和国内略有不同，主要体现在两个方面：道路照明线路基本上24 小时不断电， 功能重点关注自动开关灯和信息上传，不关注主动开关控制；管理平台以大平台为主，兼容各家硬件。

随着国内市场的成熟，城市照明管理平台的集中化、集成化，应该也是个趋势，而按照目前的现状，一步到位统一协议又暂时看不到前景。 因此业主和行业可以考虑从以下几个方面逐步推进：建设完备的数据上传下行接口， 成为智慧城市/城市大脑/智慧城管的有机分子； 搭建类似MQTT 服务器之类中介，并利用交付给业主的工具软件来定义平台与MQTT 之间的交互数据方案，设备厂商则负责保证设备或设备管理系统正确与MQTT 服务器交互，进一步解耦平台和设备厂商；开发完善的数据分析模型，利用大屏进行监控中心业务值守。