基于物联感知底座的城市数字化转型研究和实践

孔令军 张辛波 龚国成 姜山 张宇梁 吴德东

(中移物联网有限公司，重庆 401120)

0 引言

2021年发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》(以下简称《“十四五”规划》)明确指出，城市数字化转型包括：数字经济建设、数字社会变革、数字政府建设三部分，分别对应着生产方式、生活方式、治理方式的数字化变革。智慧城市建设的主要内容为，公共数字化基础设施和建筑物的数字化[1]。智慧城市的建设范畴主要包括：智慧防疫、智慧交通、智慧路灯、智慧停车、智慧城管、智慧垃圾清理、智慧供电、智慧管网、智慧排水、智慧环卫、智慧水利、智慧执法、城市大脑、数字孪生城市、城市信息模型等[2]。智慧城市的应用都与物联网平台息息相关，物联网平台是智慧城市应用的底座之一[2]。

智慧城市建设为城镇化建设遇到的各种城市通病提供了可行的解决方案。据统计，在打造了城市数字化基础设施的城市中，GDP增长率达到0.7%[3]。欧洲、俄罗斯、美国、日本等发达国家，已经开始布局城市数字化转型相关研究，并且取得一定产业化成果[4]。云计算、大数据、物联网、人工智能等新技术的发展和进步，会进一步提升智慧城市基础设施建设[5]。本文将基于云计算、大数据、物联网技术等新兴技术构建基于物联网平台的数字城市感知底座，以助力城市数字化转型。

1 发展趋势和研究现状

1.1 政策、行业发展趋势

《“十四五”规划》提出，一方面，要加快构建信息通信网络基础设施，建设高速泛在、天地一体、云网融合、智能敏捷、绿色低碳、安全可控的智能化综合性数字信息基础设施，有序推进5G网络基础设施建设，推动5G商用部署和规模应用，前瞻布局第六代移动通信网络技术，提高物联网在工业制造、农业生产、公共服务、应急管理等领域的覆盖水平，增强固移融合、宽窄结合的物联网接入能力[5]。

《“十四五”规划》还指出，要加快城市数字化转型步伐。一是提供智慧便捷的信息化公共服务，推进学校、医院、养老院等公共服务机构资源数字化，加大资源开放共享服务力度，积极发展在线课堂、互联网医院、智慧图书馆等，鼓励社会力量参与“互联网+公共服务”，创新提供服务模式和产品[5]。二是建设智慧城市和数字乡村，分级分类推进新型智慧城市建设，将物联网感知设施、通信系统等纳入公共基础设施统一规划建设，推进市政公共设施智能化改造，推进城市数据大脑建设，构建面向农业农村的综合信息服务体系[6]。

《“十四五”数字经济发展规划》提出了5个发展目标：要初步建立数据要素市场体系；争取实现产业数字化转型迈上新台阶；数字产业化水平显著提升；数字化公共服务更加普惠均等；数字经济治理体系更加完善[7]。同时还提出了3项关于优化数字化基础设施的措施和方案，包括：加快建设信息网络基础设施；推进云网协同和算网融合发展；有序推进基础设施智能升级。按照《“十四五”数字经济发展规划》的要求，在未来5年，各项数字化经济的指标将达到一定指标[7]，如表1所示。

从表1可以看出，与物联网底座息息相关的指标工业互联网平台应用普及率，在未来5年将有2倍的提升。与城市数字化转型的相关的指标数字经济核心产业增加值占GDP比重，将提升约25%。这意味着，在未来5年，城市数字化转型将有较大发展，同时物联网感知底座在数字经济转型中有着重要的应用。

以上海市为例，上海市政府制定的《上海市全面推进城市数字化转型“十四五”规划》提出：第一点要从“城市是生命体、有机体”的全局出发，统筹推进城市经济、生活、治理全面数字化转型，率先探索符合时代特征、上海特色、转型特点的城市数字化转型新路子和新经验[8]；第二点要完善城市AIoT基础设施，通过集成发展新一代感知、网络、算力等数字基础设施，实现城市“物联、数联、智联”。从上海市的文件可以看出，各个城市已经在积极响应中央关于推进城市数字化转型的规划。同时也可以看出，物联网感知底座在数字化经济转型中的重要地位。

中央多部委联合印发《国家新型城镇化规划》《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》《“十三五”国家信息化规划》《智慧城市信息技术运营指南》《智慧城市顶层设计指南》等政策和标准文件，指出智慧城市在城市数字化转型和推进城镇化建设中的重要地位，并提出了若干个包括智慧城市建设的目标：在未来15年，我国包括云计算、人工智能、大数据、数据分析、高性能通信、物联网、互联网、城市治理、设备智能化等信息基础设施达到全球领先水平[6][9]。

1.2 研究现状

中国的城市数字化转型建设经历了两个阶段的发展。2010年是我国城市数字化转型的重要节点，在2010年前我国城市数字化建设处于萌芽阶段[11]。2010年，宁波政府开始推动实施城市数字化转型建设，而一些其他大城市也开始效仿，城市数字化转型在我国的建设如火如荼地开展，很多城市提出了一系列建设目标和行动方案，甚至部分城市把城市数字化转型列入发展规划，如上海、北京、天津、广州、武汉、深圳、株洲、佛山等[12]。

表1 各项数字化经济的指标规划值和预期值

城市数字化转型与物联网的关系在于，城市数字化转型的核心技术是高新技术，包含了向数字化转型的智能制造、智慧城市、电子商务和电子政务等诸多行业，这些行业的高新技术升级就是物联网升级，物联平台不仅仅只是城市数字化转型的必然产物，也是反向推进城市数字化转型的内生动力[13]。随着智能制造的不断升级、智慧城市的不断搭建、电子商务的蓬勃发展、电子政务的普及开来，物联网平台方面的需求有非常大的显著提升[14]。现在，物联网平台迎来了前所未有的发展机遇，其产业升值空间较大，所以应当充分把握发展机遇，为物联网平台构建和促进城市数字化转型，贡献一份绵薄之力[15]。

调研发现，当前国内的物联网平台开发商主要来自运营商、互联网巨头、云计算厂商。而国内较为重要的物联网平台主要有中移物联网开放平台、阿里云物联网套件、百度物接入、QQ物联、机智云IoT物联网云服务平台及智能硬件自助开发平台、京东微联、庆科云、Ablecloud物联网自助开发和大数据云平台等八大平台，其广泛分布在智慧防疫、智慧城市、科技服务等领域[16-17]。

2013年，北京建设我国首个为城市数字化转型服务的北斗公共平台。目前北京市的信息基础设施建设取得显著成效，特别是在卫生、教育、社保、安防等领域取得了突破性进展，建成了电子政务、社区公共服务平台。深圳当前正计划加快推进信息化和无线城市建设，发展云计算+物流，打造智能物流产业城市，建成多个综合交通调度中心，实现了U型交通战略。在智慧交通领域，深圳目前已经国内领先，在物联网研究方面，深圳部署了物联网在安防领域的多项应用项目，因此深圳被冠名为安防之都[18-19]。

2 城市数字化转型重点、难点

城市数字化转型主要存在以下难点：一是数字化转型的本质主要是转型，由于未来不明确，政策规划不清晰，数字化转型方向未知，城市数字化转型方向模糊。二是区别于信息化建设，城市数字化能力要求更高，需要能支持城市高效率运营并且持续创新[20]。三是城市数字化转型不是简单地信息化，而是涉及城市全面综合能力的系统性工程[22]。

智慧城市建设涉及多个重点和难点，举例来说，在智慧水利方面，存在的难点包括：基础数据不全，完成设备接入耗时较长；地域分散，建设物联网成本巨大[23]。对于新冠肺炎疫情防控的难点和重点，主要包括：要在病毒传播之前，将所有可能感染的人员全部找到进行隔离[24]。通过物联网和大数据等信息化技术，将人员活动轨迹与实时监测结果进行智能分析，能够快速和全面地进行感染人员排查[24]。

综上所述，城市数字化转型难点，即本文的研究内容在于以下方面。

(1)产品体系大，架构设计难。对于智慧防疫应用来说，其要对接的应用包括了医院信息管理系统，社区信息登记系统、防疫人员的手机应用、异构的手持式测温管理系统，其应用的复杂程度将非常巨大。

(2)设备接入量大，设备种类繁多。智慧防疫应用要接入的手持式测温设备数目超过上百万个，而这些手持式设备的数据格式也包含了上百种，二维码标注的核酸检测试管也有上千万个。因此，智慧防疫应用构建所要接入的设备量将非常巨大。

(3)数据分析和数据建模困难，二维码标注的核酸检测试管和手持式测温设备每天将产生上亿条数据，如何存储和分析海量数据，将是一个巨大挑战。本文将逐一解决这些困难，以构建统一共性数字城市感知底座。

3 方案设计

3.1 数字城市感知底座助力城市数字化转型

城市数字化转型的基础是能够满足城市服务的各类物联网应用，城市物联网应用服务的基础是数字城市感知底座，本文提出了数字城市感知底座的设计、架构和功能实现，数字城市感知底座能力包括：设备接入能力、设备控制能力、数据存储能力。数字城市物联感知底座助力城市数字化转型的架构设计如图1所示。

图1 数字城市感知底座总体架构图

3.2 设备接入能力

3.2.1 数据协议

数字城市感知底座的负载数据与接入方式无关，采用统一的数据标准，支持MQTT、NB等多种协议(见图2)。

图2 数据统一示意图

负载数据的格式包括TLV和json方式。其中，TLV方式是二进制序列化数据，适用于资源受限设备；json方式是基于文本的结构化标记格式，可读性好，但数据冗余，相对于TLV方式占用资源多，适用于资源丰富的设备。

3.2.2 设备数据模型

为了统一设备控制，实现设备、底座平台和应用数据互通，本文对设备能力(功能点)进行了统一数据模型定义。设备功能点主要可分为两类：通用指令指所有设备均可能具备的通用能力，例如设备复位、设备升级、恢复出厂设置等；物理模型功能点指不同类别设备根据自身功能所抽象的共性功能，支持用户自定义。

3.2.3 设备物理模型

为了统一设备控制，实现设备、底座平台和应用侧的数据互通。另外，也需要对设备能力(功能点)进行统一物模型定义,物模型是一种对物理实体进行数字化语义描述的方法，将实体设备抽象为数字模型，通过模型来描述设备是什么，能做什么，能对外提供哪些服务[18]。本文数字城市感知底座的物理模型示意图如图3所示。

图3 设备物理模型示意图

其中，设备信息(Info)是设备描述信息，例如厂家、品牌、产品型号等内容；属性(Property)：用于描述设备所具备的各种能力或配置项，例如灯的颜色、亮度、开关状态等；事件(Event)：用于描述设备侧发生的各种告警、提示信息或者故障信息等；行为(Action)：用于描述设备能对外提供的能力输出。属性、事件和行为统称为物模型功能点，基于统一的框架进行定义，并根据实际情况定义各自不同的内容。

3.2.4 功能点模型

物理模型功能点具备以下要素。

(1)名称：用于区分不同功能点，面向用户展示，支持中文、英文等用户可识别的区域语言、数字、短划线、下划线等字符。

(2)标识：用途与名称类似，区别在于主要用于系统内部数据流转标识，只支持大小写字母、数字、下划线。

(3)操作权限：可分为4种，可在功能点支持的操作权限范围内进行复选，且至少选择一项，包括：上报、可读、可写和执行。

数据类型：每个数据功能点仅可选择一种类型。

(1)整型：有符号、无符号。

(2)浮点型：单精度、双精度。

(4)枚举型：1字节有符号整型值，每个值代表一个枚举项，对应关系由用户自定义。

(5)位图型：4字节无符号整型值。

(6)字符串型：长度由用户自定义。

(7)时间型：8字节无符号整型值，Unix时间戳。

(8)二进制透传：长度由用户自定义，平台不进行任何解析处理。

设备属性数据和行为数据示意图如图4所示。设备属性数据包括名称、标识、数据类型和操作权限。行为数据包括名称、标识、输入参数、输出参数和操作权限。

图4 设备属性数据和行为数据示意图

3.2.5 功能点标准化

统计学处理 采用SPSS (15.0 v；SPSS Inc，Chicago，Ⅲ)统计软件，计量资料采用均数±标准差表示，两组影像质量的比较采用t检验，射线剂量及碘负荷的比较采用t检验，P<0.05为差异有统计学意义。

针对不同的应用，可根据设备特性提供一套物模型功能集，称为标准功能点。当用户创建设备后，可直接选择该设备标准功能点内的任意功能，并随时进行增、删操作(标准功能点不可修改)，根据需要搭配用户自定义功能点，生成设备自有功能。

3.3 设备控制能力

通常情况下，物联网设备控制主要存在两种方式：云端控制和本地控制。根据不同的控制通道，两种控制方式均可进一步细化。常见的设备控制应用场景如图5所示。

3.3.1 云端控制

设备通过有线或者无线连接数字城市感知底座，手机APP等应用通过调用数字城市感知底座北向接口完成对设备控制。根据设备连网方式不同，可分为Wi-Fi/有线网络和蜂窝网络。Wi-Fi/有线网络具有较好的网络QoS，支持TCP通信。蜂窝网络-2G/3G/4G/5G支持TCP通信，仅网络带宽有区别；蜂窝网络-NB不支持TCP通信，具有低功耗的特点。

图5 设备控制应用场景示意图

3.3.2 本地控制

由于网络限制，设备无法连接数字城市感知底座，需要在本地开放控制端口或通道，由应用侧直接通过控制端口或通道进行控制设备。根据本地控制通道不同，可分为两种情况：一是基于IP网络的局域网，设备开放一个TCP或UDP端口，由应用侧主动建立连接并进行控制；二是基于非IP网络，设备开放一种近场通信方式，例如蓝牙、ZigBee等，根据设备本身特点决定。

图6 数据库设计示意图

3.3.3 通信方式

IP网络一般分为TCP和UDP两种通信方式，分别适用于长连接和短连接的场景。前者适合网络条件较好的情况下，可以及时地响应指令，展示设备状态；后者主要应用于NB等低功耗场景，但无法保证数据传输的可靠性。

基于两种不同的通信方式，直连设备采用MQTT和LwM2M。使用MQTT的设备及其网络支持TCP的方式，例如Wi-Fi、蜂窝网络(2G/4G/5G/Cat1等)、以太网；使用LwM2M的设备及其网络支持UDP的方式，主要应用于NB-IoT。不直接连接数字城市感知底座的设备，则通过连接手机APP的方式数据同步到数字城市感知底座；或者以子设备本地组网(蓝牙、ZigBee、Lora等)的方式连接网关，由网关设备进行数据中转到数字城市感知底座。子设备接入协议由网关确定，子设备与网关之间通信协议由用户自定义[24]。

3.4 数据存储能力

本文基于数字城市感知底座数据模型和设备物理模型采用分布式技术对数据库进行设计，下图是数据库的简要设计，主要包括设备主表、产品主表、产品品类表、用户主表、功能点表、标准功能点。这些表存储设备、产品、功能点和用户信息。由于篇幅限制，图6展示了部分表的部分信息。

4 应用效果

自新冠肺炎疫情发生以来，政府部门和卫生单位面临的最大问题就是如何防止和管控疫情。通过物联网技术，将人员活动轨迹进行实时智能分析，能够快速和全面地进行可疑传染人员排查，因此，本文将着重阐述物联网感知底座在智慧城市中的应用方案——智慧防疫。在我国长江流域，水利灾害频繁发生，水利部门的重点工作是建立高效的水旱灾害监测体系和防治手段，物联网感知底座支持构建水电生态检测系统系统，因此本文将阐述物联网感知底座助力智慧水利的具体方案。目前，火灾仍然是威胁人民群众生命财产安全的一大威胁，构建起立体化、全覆盖的社会火灾防控体系，是政府和社会各部门的重中之重，因此本文还将阐述智慧消防应用的构建方案。

4.1 智慧防疫

在智慧城市场景下，基于数字城市感知底座的智慧防疫助力多个省市防疫防控。智慧防疫提供终端+感知底座+应用的整体解决方案。智慧防疫应用包括：人流统计、数字哨兵、设备管理、防疫调度、集中隔离、社区防控等功能。智慧防疫基于数字城市感知底座设备接入能力进行打造，实现对智能扫码设备、手持式测温设备、人脸识别测温设备、双屏测温设备进行管理和结果分析，助力防疫防控。

基于数字城市感知底座的智慧防疫，丰富了疫情感知监管手段。通过数字城市感知底座准确高效采集疫情大数据、提升防疫监管能力、扩大防疫监测范围，并结合人工智能、图像处理、红外温度监测、位置跟踪等技术，实现了数据实时采集、人员轨迹分析，提升疫情实时预警水平，提高可疑感染人员排查效率。

4.2 智慧水利

在智慧水利方面，数字城市感知底座完成了行业协议兼容，支持构建智慧水利应用。最上层应用为智慧水利综合门户，包含了小水电生态检测系统、水文监测系统、水闸物联智控系统，数字城市感知底座为该解决方案提供设备直连、网关接入和系统接入等能力(见图7)。

图7 智慧水利解决方案的架构图

智慧水利应用与物联网感知技术相结合，丰富了水利系统监测的方法。通过接入数字城市感知底座的设备高效采集水文数据、提升水利系统监测能力。通过实时水文数据与人工智能、云计算、大数据等技术相结合，实现了水电生态检测、水文监测、水闸物联智控等智慧水利应用，提升水利灾害实时预警水平，提高水利灾害预防指挥能力和水利灾害综合决策能力。

4.3 智慧消防

智慧消防安全服务解决方案横向对接数据共享交换平台以及各业务系统，纵向对接市、区应急指挥平台，建设人工智能政务服务系统，打造智慧消防的一张图、决策指挥和应急指挥中枢。智慧消防应用包括消防设备巡检、智能疏散引导、用电安全监测、消防水监测、视频远程监控(见图8)。数字城市感知底座为该解决方案提供设备接入能力和数据存储能力，接入设备包括：烟雾探测器、燃气探测器、智能消防栓、移动门磁、智慧空开、热成像摄像机、电动车智能充电站、电气火灾探测器等。

图8 智慧消防解决方案架构图

基于数字城市感知底座的消防救援物联感知应用，增加了灾害现场感知网络，丰富感知监管手段。通过数字城市感知底座准确高效采集感知数据、扩大感知范围、提升监管能力，并充分结合互联网数据、空间数据、多领域行业数据，利用数据共享、数据挖掘等互联网技术，提升火灾风险智能分析和隐患动态监测预警水平，健全决策所需的数据资源，提升辅助指挥决策效能，为事前风险分析和隐患预警、事中灵敏真实动态的灾害现场感知网络、事后监管分析奠定充实数据基础。

5 结束语

本文针对城市数字化转型趋势，数字城市感知底座具备设备接入能力、设备控制能力、数据存储能力。数字城市感知底座有助于构建物联网上层应用，并且能够提高物联网应用附加价值。在方法创新层面，本文提出了设备数据和物理模型。数字城市感知底座是智慧城市应用的底座，基于数字城市感知底座打造了智慧防疫、智慧消防、智慧水利等智慧城市应用。智慧城市应用完善了城市公共服务能力，有助于建设智慧城市和城市数字化转型。