杜 洋

（天翼物联科技有限公司，江苏 南京 210000）

在信息化高速发展的今天，城市的发展正在由“数字化”时代进入“智慧化”时代，再到“新数字时代”。2020 年4 月20 日，国家发改委首次明确了信息基础设施、融合基础设施及创新基础设施等三大类“新基建”，为智慧城市建设注入了新动力，将刺激着城市经济、治理、民生等各个领域的应用升级迭代，加速数字经济的发展。

但现阶段的智慧城市整体上仍呈现生态碎片化、信息壁垒化等特征，产业上、下游纵向对接及横向拉通都缺乏标准以及有力的推动力量和技术手段，各建设参与方之间存在合作标准不统一，合作沉淀率低，生态活力不足，生态价值发掘不够等问题。在新基建的背景下，随着智慧城市迎来新的发展窗口，这些问题均叩待解决。

针对该问题，文中提出了一种“开放、标准、共享、融通”的智慧城市信息基础设施平台（下文简称“平台”），能够发挥智慧城市的感知中枢作用，汇聚城市多元化感知数据，并通过人工智能、大数据湖、云边协同计算等前沿技术，全面支撑智慧城市，为智慧城市的创新运营提供有效的技术手段。

1 国内外研究进展

可作为智慧城市基础设施平台的物联网PaaS平台已成为市场热点，国内外运营商及互联网巨头均开始布局该市场。目前主流物联网平台有亚马逊IoT、阿里Link 和中国移动的OneNet，专业平台商有艾拉物联、机智云等。

国外运营商中，AT&T 探索多种方式构建信息基础服务平台，主要和爱立信SEP 平台合作推出相应服务。德国电信采用Cumulocity 提供物联网解决方案，设备管理、使能、开发者网站等。SK Telecom 与DaliWorks 联合开发物联网平台Thing-Plug，遵循oneM2M 标准，对接智慧城市平台，打造物联公共服务。Verizon 则采用自研方式推出一款ThingSpace 的平台，目的是简化物联网应用程序的开发和部署。

2 平台研究

平台是为各类智慧城市应用的开发/测试/运行提供通用服务的开放平台，可降低应用开发难度，缩短应用开发时间，降低应用开发、测试和运行整体成本[1]，并可增加系统整合敏捷度。同时平台可以实现应用汇聚，并在此基础上实现数据的沉淀，为智慧城市数据运营、分析奠定基础。

2.1 整体架构

平台提供以数据存储和应用开发为基础的PaaS 服务能力，可帮助智慧城市各类应用搭建安全性能强大的数据通道[2]，方便终端和平台的双向通信。平台使用了微服务、容器化、DevOps、持续集成等云原生技术，采用开源堆栈（K8S+Docker）进行容器化，基于微服务架构提高平台灵活性和可维护性，DevOps 支持平台持续迭代和运维自动化，并基于云基础设施实现弹性伸缩、动态调度、优化资源利用率[3]。

平台核心能力如下，如图1 所示。

图1 平台架构图

2.1.1 终端管理

平台支持智能终端通过CDMA、NB-IoT、LTE、WIFI、光纤等不同网络接入，并支持MQTT、LWM2M、TCP 等主流通信协议。

平台具备完整的设备生命周期管理功能，支持设备注册激活、指令下发、OTA 升级能力，提供终端在线调试能力简化终端开发。

平台提供多种智能终端安全认证方案，包括特征串、PKI 证书和SM9 国密认证。

2.1.2 数据管理

平台提供安全可靠的数据汇聚、存储、管理、分析、挖掘和展现。

智能终端上报的数据可按照平台用户设定的规则进行数据加工和数据清洗，并按要求推送数据。

2.1.3 应用管理

平台可提供应用创建、应用SDK 下载、部署构建、运行监控、版本管理、域名绑定功能，支持应用托管和独立的第三方部署方式。

2.2 关键技术

平台实现的关键技术包括物模型的构建、终端开发服务方案、应用开发的服务方案以及自建能力与第三方能力的汇聚及开放等。

2.2.1 物模型

智慧城市感知层主要由异构的传感器构成,是物联网的触角与神经末稍,负责整个物联网的关于“物”的数据信息的感知和采集[6]，需要形成统一的规范和标准,为此平台构建了“物模型”作为终端与平台适配的标准，物模型是平台对具体型号的智能终端的数字化抽象，描述该型号设备是什么，能做什么，能对外提供哪些服务，如图2 所示。

物模型构建需要定义的产品功能类型分为“属性”和“服务”。“属性”用于描述设备运行时的状态属性，如环境监测设备所读取的当前环境温度、湿度等。

图2 物模型工作原理

“属性”支持GET 和SET 请求方式。应用系统可发起对属性的读取和设置请求。物模型的属性和数据集中的每一个元素对应，用户生成数据集时需要选择各字段分别对应的属性标识符。“服务”用于描述设备可被外部调用的能力或方法，可设置输入参数和输出参数。相对于“属性”，“服务”可通过一条指令实现更复杂的业务逻辑，如执行某项特定的任务。

2.2.2 终端开发方案

平台开发了支持MQTT、LWM2M、TCP 等多种通信协议的标准SDK，开放给终端开发者实现终端快速接入平台，并将SDK 移植到一批主流厂商的LTE、WiFi、NB-IoT 等通信模组中，进一步简化了终端开发者使用SDK 的过程。

基于SDK，平台开发了终端通信开发板，开发板支持“积木式”开发，智能终端开发者可根据需要选择支持Arduino 接口的其他MCU 开发板和专业传感器板，借助广泛的Arduino 接口生态实现处理能力和传感能力的丰富扩展性，并与终端通信开发板组合，实现与平台的敏捷对接[4]。

2.2.3 应用开发方案

智慧城市各类应用的构建长期采用端到端封闭的“烟囱式”构建模式，构建一个应用需要较长的开发周期和成本，且“烟囱式”构建的应用之间也无法互通，数据也分散在各个应用内部，难以实现聚合和分享[5]。

而平台将常见的智慧城市类应用重复开发的部分纳入平台提供的服务中，能够有效提高应用开发的效率。通过云端的平台和终端侧的Agent/SDK的协同，开发者也不用再设计和开发端云之间交互的协议，不用进行繁琐的协议报文编码工作，大幅降低了应用开发难度。

基于平台开发应用后，数据被终端采集后汇聚到平台，形成大数据湖，可实现数据的深度挖掘和价值利用，为智慧城市的运营提供辅助决策支持。同时，各应用之间可基于平台进行高效、安全地联动，为智慧城市管理提供了更智能的技术手段。

2.2.4 开发组件

基于平台的终端、应用开发方案，封装了开发组件，可进一步加快基于平台的开发效率。组件包括通知服务组件、应用集成组件、报表引擎、工作流引擎、地图引擎以及第三方能力集成组件等。

组件将智慧城市应用开发的常用功能以“微件”的方式提供，平台用户通过对这些微件的参数配置和组合，实现简单智慧城市“微应用”在平台的自动生成和运行加载，而不再需要开发者另行编写应用程序和平台对接。

2.2.5 能力网关

平台开发了能力网关，将平台自建能力以及汇聚的多种第三方能力，以Restful API 的形式对外提供服务，智慧城市应用可通过开放的API 调用平台的能力和数据。

能力网关还支持平台用户将能力、服务、数据以API 的形式开放给合作伙伴，供更多的开发者使用，平台开发者间能够互相借力，将能力的复用率最大化。平台还提供防攻击、防重放、请求加密、身份认证、权限管理、流量控制等多重手段保证API安全，降低API 开放风险，并提供便捷的API 监控、报警、分析等工具，降低API 运营、维护成本。

3.2.6 终端安全认证

智慧城市的终端安全认证是智慧城市安全体系的关键一环，平台提供TLS/DTLS 加密通道服务，并研发和提供了高安全等级的多种终端认证服务保证终端的安全认证，包括国密SM9 认证服务和SIM ID 认证服务，SIM ID 认证服务，可基于运营商SIM 卡能力，提供高等级安全认证服务，如图3所示。

图3 终端接入安全认证机制

3 应用案例

3.1 某新区智慧城市信息基础设施平台

1）案例背景。智慧城市系统要求确保PaaS 平台总体构架的完整实施[7]，新区基于平台构建城市超脑运行的底座，通过实现多维感知数据的融合汇聚，形成全域、全时、互联互通的感知体系，有效支撑城市生命线、城市部件、公共安全、生态环境、民生服务等重点领域，实现数字孪生智能新区的基础。

2）实施效果。新区基于平台进行项目建设，可接入水、电、气、热等领域的百万级别规模的感知设备，可汇聚超过100TB 级别规模的感知数据。基于平台进行智慧城市相关的开发，开发周期及成本平均降低约30%。

项目构建了“1+2+N”的智慧城市服务体系，其中“1”为一体化城市感知网络，涵盖光纤网络、蜂窝移动网络、云基础设施、物联网专线等产品；“2”分别对应城市运营管理平台、生态和应用聚合平台，其中城市运营管理平台运用人工智能、3D 可视化等技术构建城市、区县和社区的运营中心，掌控城市和社区运行状况，更好地进行治理；生态和应用聚合平台负责智慧城市应用的汇聚，能够实现一点接入、快速加载、全网服务，能够实现应用之间信息联动分享；“N”是提供智慧社区、智慧园区、特色小镇、产业园区等N 个行业应用，与运营中心协同治理城市。

4 结论

平台构建了智慧城市感知信息中枢，可实现多种能力的汇聚开放；依托物模型，平台实现了智能终端的标准化对接，可提供智慧城市感知层标准化接入服务；平台有效降低了智慧城市应用的开发难度，缩短应用开发时间，降低应用开发、测试和运行整体成本，并增加了系统整合敏捷度等，实现智慧城市应用的聚合与分析，助力数据的沉淀与分析，已在实践中成为智慧城市管理、运营的有力辅助技术工具。