基于数字孪生技术的智慧城区物联网自动化管理平台研究

李 过，闫 亮，徐雁云

（中建电子信息技术有限公司，西安 710061）

如今，我国城镇化的发展进程逐渐加快，智慧城区物联网在自动化运行管理中凸显出很多问题，各种潜在的安全隐患越来越多[1]。 建立和完善智慧城区物联网自动化管理平台和应急处置机制，对突发事件的预防和应急处理已经成为智慧城市管理的首要任务之一[2]。 物联网技术的发展为智慧城区的运行管理工作提供有效的途径，利用智慧城区物联网自动化管理平台，可以实现自动化与人工结合的管理模式，有效提高智慧城区日常保障和处置突发事件的能力，以最大的程度降低突发事件带来的损害，保障智慧城区的有序性，促进了智慧城区经济全面、协调及可持续发展[3]。

在国内的研究中，文献[4]针对目前我国铁路物流园区智能化程度低、物流效率低、物流资源不能有效整合的现状，利用物联网技术提出一种铁路物流园区的信息化建设方法， 在建设需求的基础上，结合物联网技术的特点，实现铁路物流园区的信息化建设。 将物联网技术与物流管理、追溯技术、物联网数据存储模式、 物流信息共享技术等技术相结合，对铁路物流信息系统的关键技术进行了深入的分析。 文献[5]在Docker 技术的基础上，结合物联网技术，提出了城市消防安全管理平台设计，根据构成城市消防安全管理的三大要素，远程采集了城市消防安全物联网在运行过程中的状态数据，在数据挖掘技术的基础上，分析了城市消防安全管理辖区内的火灾隐患，科学地评估消防辖区内存在的安全风险，结合数据容灾管理办法实现了城市消防安全管理平台的安全保证。

基于以上研究背景，本文利用数字孪生技术设计了智慧城区物联网自动化管理平台，从而提高平台的服务质量。

1 智慧城区物联网自动化管理平台

1.1 智慧城区物联网自动化管理平台架构

智慧城区物联网自动化管理平台是一个连接应用服务器和感知层设备的中间件[6]，不仅是应用支持平台也是智能管理平台，其整体架构如图1所示。

图1 智慧城区物联网自动化管理平台架构Fig.1 Architecture of IoT automation management platform in smart city

在平台的数据层中，介绍了智慧城区物联网自动化管理平台使用的3 种数据库类型，分别为关系数据库、缓存数据库和存储数据库。 根据平台中服务的数据特点，采用关系型数据库、缓存数据库和存储数据库对平台中的服务数据进行存储[7]，存储数据库担任主要存储任务，关系数据库和缓存数据库担任辅助存储任务，提高了平台中服务数据的访问速度。

业务层是智慧城区物联网自动化管理平台的核心，支撑了整个平台的逻辑功能。 业务层主要划分为3 个主要模块，分别为物联网生命周期、自动化管理以及告警管理模块。 3 个模块之间存在相互联系的关系，对于智慧城区物联网中的设备，利用设备影子，缓存终端设备最新上传的数据和应用程序的指令，打破了由于网络不稳定导致无法获取物联网设备信息的难题。

展示层介绍了平台所支持的部署终端。 由于智慧城区物联网自动化管理平台具有比较强的迁移性[8]，能够运行在APP 客户端、信息通讯传输服务器以及其他的可视化平台。

访问层主要介绍了用户访问智慧城区物联网自动化管理平台的途径。 用户可以通过手机终端、PC 端及其他的终端查看平台中的服务信息。

1.2 信息通讯传输服务器

在智慧城区物联网中，信息通讯网络是保证物联网可靠运行的基础条件[9]，设计信息通讯传输服务器，可以保证智慧城区物联网自动化管理平台的安全稳定运行，图2 显示了智慧城区物联网信息通讯传输服务器工作原理。 智慧城区物联网自动化管理平台中的服务信息在通讯传输中，执行不同功能的传感器都是根据自身的结构特点，实现信息的传输，比如智慧城区的水位传感器，就是利用无线通讯网络将城区内的水位信息传输给远程终端；而针对智慧城区的井盖监测，由于分布在城区内的井盖数量比较多[10]，很多井盖都呈现出集中分布的特点，因此，利用中继传输基站的信息传输特点，在井盖周围建立一组监测网络， 实现井盖信息的传输；所有经过信息通讯传输服务器传输的智慧城区物联网数据，都要经过防火墙过滤，才能储存在自动化管理平台中；但是如果是智慧城区物联网自动化管理平台发送指令给服务器，也可以采用相同的方式对数据进行反馈，此外，平台中的服务数据还可以通过政府专网为其他部门的信息管理服务。

图2 信息通讯传输服务器工作原理Fig.2 Working principle of information communication transmission server

1.3 基于数字孪生技术设定智慧城区物联网信息的期望输出

对于智慧城区物联网而言，网络时滞性和丢包率是影响物联网服务信息在自动化管理过程中的主要因素[11]，因此，在平台软件的设计过程中，先基于数字孪生技术， 构建智慧城区物联的动态性方程，得到物联网响应系数向量，设定智慧城区物联网信息的期望输出。 充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数字孪生数据[12]，构建智慧城区物联网的动态性方程，表示为

式中：sj表示一个正整数；kp表示物联网时滞性的上限值；cm表示智慧城区物联网的响应系数矩阵；βo表示物联网数据在传输中的时滞性指标。

由于智慧城区物联网系统在运行过程中会受到很多因素的影响，导致物联网响应系数矩阵呈现出有时滞性和无时滞性2 种情况，表示为

式中：mo表示智慧城区物联网内部工作负载；jo表示物联网外部工作负载；go表示mo与jo的最大值；xo表示物联网响应系数矩阵的最大时滞性值；ωl表示物联网数据采样周期；dh表示物联网响应系数矩阵的时滞性类型；｛yj｝k表示第k 个采样周期内物联网响应系数向量。

利用数字孪生技术，计算出智慧城区物联网连续丢包数与最大时滞性值之间的映射关系[13]，公式为

式中：my表示物联网的连续丢包数量；hj表示物联网信息在虚拟空间中完成映射的期望输出；st表示物联网信息的期望输出值；φ 表示映射时刻。

根据智慧城区物联网连续丢包数与最大时滞性值之间的映射关系，得到智慧城区物联网信息的期望输出，即：

式中：mkp表示对物联网信息的约束。

以上利用数字孪生技术构建了智慧城区物联网的动态性方程，智慧城区物联网连续丢包数与最大时滞性值之间的映射关系，设定智慧城区物联网信息的期望输出。

1.4 智慧城区物联网服务信息质量管理算法

根据智慧城区物联网信息的期望输出，对智慧城区物联网服务信息进行布局，即：

式中：mj表示物联网服务信息的分布函数；pj表示物联网服务信息分布阈值；x（）表示物联网服务信息的分层状态；R*表示物联网状态的初始值；λy表示物联网服务信息的均衡函数；kh表示影响物联网服务信息质量的噪声因素。

如果将智慧城区物联网中所有节点的残差定义为ω0，那么在智慧城区物联网中，服务信息之间的贡献率相关性为

式中：lj表示物联网结构的空间估计值；ηh表示物联网服务信息质量的聚类中心。

利用智慧城区物联网服务信息之间的贡献率相关性[14]，从智慧城区物联网体系中提取出服务信息的统计性特征，即：

式中：σp表示服务信息的属性特征；mkl表示服务信息波动的约束条件；sl表示影响服务信息质量的不确定性变量；τp表示服务信息的动态变化性。

由于智慧城区物联网服务信息在自动化管理中具有一定的随机性[15]，将其表示为μ*，那么利用式（9）可以实现智慧城区物联网服务信息质量的自动化管理，即：

式中：de表示智慧城区物联网服务信息质量管理的约束函数；Rt表示服务信息的质量系数。

综上所述，利用数字孪生技术设定了智慧城区物联网信息的期望输出，结合智慧城区物联网服务信息质量管理算法设计，实现了平台的软件设计。

2 平台性能的测试与分析

2.1 测试环境

完成了基于数字孪生技术的智慧城区物联网自动化管理平台的硬件和软件设计之后，需要先部署实验测试环境，测试环境会影响平台测试结果的有效性，文中的自动化管理平台在测试过程中的环境如下：

操作系统：为了保证平台测试的操作系统版本在WindowsXP 以上，本文选择Windows10 操作系统进行测试。

内存：对于测试环境内存的要求为＞4 GB，硬盘的内存必须在1 GB 以上。

浏览器：Chrome 浏览器和IE 浏览器是平台测试的主要浏览器， 由于Chrome 浏览器的适用性比较广，因此本文选择Chrome 浏览器。

CPU：文中自动化管理平台对CPU 的版本要求比较高，本文选择i5-4768U 2.5 GHz 版本的CPU。

2.2 测试方案

在测试基于数字孪生技术的智慧城区物联网自动化管理平台时，分2 个阶段进行测试，第一阶段为平台的功能测试，本文主要以登录功能和操作功能为测试对象，验证文中平台能否满足用户的功能需求。 在性能测试中，主要利用丢包率和时滞效应2 个指标测试平台的性能，2 个指标计算公式为

式中：ξp表示平台丢包时执行器的值；qr为智慧城区物联网中服务信息的鲁棒性；lo表示智慧城区物联网的连续丢包数。

2.3 功能测试

功能测试中，需要保证平台的后台系统能够正常运行， 用户登录功能测试结果如表1 所示。 表1的结果显示，平台的登录功能正常，可以满足用户的要求。

表1 用户登录测试用例Tab.1 User login test case

用户的操作功能测试结果如表2 所示。 表2 的结果显示，用户在基于数字孪生技术的智慧城区物联网自动化管理平台上的操作功能满足用户要求。

表2 用户的操作功能测试用例Tab.2 User operation function test cases

2.4 性能测试

在平台的性能测试中，以执行次数为自变量，测试了平台在运行过程中的丢包率和时滞效应，结果如图3 所示。 从图3 的结果可以看出，随着用户执行平台次数的增加，自动化管理平台的丢包率和时滞效应都呈现出升高的趋势， 在丢包率测试中，文中平台始终控制在20%以内，虽然时滞效应曲线比丢包率曲线的波动范围大，但是平台的时滞效应始终在2.0 s 以内，说明基于数字孪生技术的智慧城区物联网自动化管理平台在性能测试中，也可以满足用户的要求。

图3 平台性能测试结果Fig.3 Platform performance test results

3 结语

本文提出了基于数字孪生技术的智慧城区物联网自动化管理平台研究，经测试发现，该平台的功能和性能都可以满足用户的要求。 但是本文的研究还存在很多不足，在今后的研究中，希望可以将告警功能引入到平台中，保证智慧城区物联网设备的质量。