1、智慧城市统一感知中心研究1 城市感知中心的整体架构城市传感网要赋予城市灵敏、高效、泛在的感知能力，需要建立覆盖城市的信息采集、信息交换和信息服务的感知系统，构筑感知网，建设数据采集与汇聚软硬件体系，传感网信息采集与交换平台，制定物联网信息交换标准。智慧城市统一感知中心总体架构如图 1 所示。1.1 覆盖城市区域的传感器网络建设城市传感网，满足智慧交通、智慧环保、智慧城管、智慧公安、智慧物流、智慧旅游等城市功能的需求，覆盖公共室外区域、公共室内区域和私领域，监测公共区域的环境，感知人、车的活动。1.2 数据采集与汇聚体系城市传感网数据采集与汇聚体系，支持不同厂商、不同用途的传感器。传感器数据的采
2、集和输出接口千差万别，需要研制高效率和低成本的传感器网关设备，实现感知数据向数据中心的汇聚。1.3 物联网信息采集与交换平台建立统一的物联网信息采集与交换平台，支持感知信息的应用系统间共享服务，为应用系统内部和应用系统之间的信息融合和协同运作，提供数据支撑。1.4 数据采集与交换标准在海量异构数据的采集与交换中，标准发挥很重要的作用。通过汇聚异构、多维、海量、多时相和多观测模型的信息，实现各种通信标准的互联互通，以及不同数据格式的转换，利于对数据实现分类管理。2 感知中心的关键技术智慧城市统一感知中心主要有信息获取层、信息传递层、信息服务标准层和应用服务层构成，每一层都有相应的关键技术支撑中心
3、的运行和维护。2.1 信息获取层信息获取层对应城市物联网的感知层，物联网的皮肤和五官即识别物体，采集信息。首先通过传感器、数码相机等设备采集外部物理世界的数据，然后通过工业现场总线、蓝牙、红外等传输技术传输数据。感知层所需要的关键技术包括检测技术、短距离无线通信技术等。城市传感网的信息获取层可以分为专用感知、视频感知、ETC 感知、手机感知等。（1）专用感知传感器技术。传感技术同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱。按仿生学观点，传感器就是“感觉器官 ”。微型无线传感技术以及以此组成的传感网是物联网感知层的重要技术手段。射频识别技术（RFID）。属于物联网的信息采集层技术。在国内，
4、RFID 已经在身份证件、电子收费系统和物流管理等领域有了广泛的应用。虽然 RFID 技术市场应用成熟，且标签成本低廉，但 RFID 一般不具备数据采集功能，多用来进行物品的身份甄别和属性的存储，且在金属和液体环境下应用受限。微机电系统（MEMS）。微机电系统（MicroElectroMechanicalSystems，简称MEMS）是指利用大规模集成电路制造工艺，经过微米级加工，得到的集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。MEMS 技术近几年的飞速发展，为传感器节点的智能化、小型化、功率的不断降低制造了成熟的条件，目前已经在全球形成百亿美元规模
5、的庞大市场。近年更是出现了集成度更高的纳米机电系统（Nano-ElectromechanicalSystem，简称 NEMS）。具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适合大批量生产等特点。MEMS 技术属于物联网的信息采集层技术。全球定位系统 GPS。GPS（GlobalPositioningSystem）是具有“海、陆、空” 全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS 由空间星座、地面控制和用户设备等三部分构成。GPS 测量技术能够快速、高效、准确地提供点、线、面要素的精确三维坐标以及其他相关信息，具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，广泛应用于军事、民用交通(船
6、舶、飞机、汽车等导航、大地测量、摄影测量、野外考察探险、土地利用调查、精确农业以及日常生活(人员跟踪、休闲娱乐) 等不同领域。 GPS 作为移动感知技术，是物联网延伸到移动物体采集移动物体信息的重要技术，也是物流智能化、可视化和智能交通的重要技术。（2）视频感知智能视觉物联网它是未来物联网中重要组成部分，对视觉感知范围内的人、车或其他物件等目标赋以“身份”标签，并识别目标的实际“身份” 。利用网络化特点对大范围中的目标标签进行关联，有效地分析目标标签物体的实时状态，感知各类异常事件，就异常事件的发生向相关受体提出自动警示。其典型应用包括面向公共安全的物联网“三网合一” 人脸识别系统平台（针对“
7、人”类型的视觉标签），其中“三网合一”融合电信网、互联网、电视网，它支持移动终端、固定终端、视频终端的视觉或图像设备，实现反恐身份识别、电子商务、身份管理。在智能交通领域的应用（针对“车”类型的视觉标签），包括车辆规章管理等。未来发展的更高境界是智能视觉物联网综合应用系统平台。（3）ETC 感知与车联网智能交通系统是利用现代信息技术为核心，利用先进的通讯、计算机、自动控制、传感器技术，实现对交通的实时控制与指挥管理。交通信息采集被认为是 ITS 的关键子系统，是发展 ITS 的基础，交通智能化的前提。无论是交通控制还是交通违章管理系统，都涉及交通动态信息的采集，交通动态信息采集也就成为交通智能
8、化的首要任务。（4）手机感知基于便携式移动终端的虚拟地理环境协同感知兼有传统CSCW（ComputerSupportCooperativeWork ）和 MobileGIS 的优点，不仅使群组协同方式有了更多、更灵活的选择，同时也使得各用户对虚拟地理环境的认知跳出了第一人称（firstperson）视点的局限，在移动性的基础上，为用户提供了多样化感知和适应技术，使得协作更加自然、流畅，实现人人都是传感器，人人都是信息机。因此，基于便携式移动终端的虚拟地理环境和社会性对协同感知与服务提出了更高的要求。（5）其它城市感知中心的信息获取层除上述方式外，也存在专业部门或机构的车载机动信息获取手段，如各
9、类执法车，以下描述三类执法车得数据采集方法。路政执法车的数据采集摄像及图像采集系统：车顶配置摄像机，具有防水和红外夜视和被变焦功能，在无光的条件下可以观察景物，实现抓拍。对检测现场实时监控，检测全过程连续录像及存储、备份（预留专用接口、端子）。车载云台摄像机：云台控制可 360 度无限位旋转，仰视角度无盲点，通过同轴电缆将采集的模拟视频信号输入到无线编码器上。流动执法车的数据采集摄像设备采集视频信号传给笔记本电脑和车牌识别主机。当车辆经过激光测速仪时，测速仪判断是否超速，若超速，则控制摄像机进行违章证据捕捉。另一路信号有车牌识别主机进行车牌识别功能，随后将结果传输给执法软件系统，系统记录信息，
10、并与数据库中的车牌进行对比。土地监察执法车的数据采集由 PDA（含 CDMA 无线上网模块），高精度 GPS 移动站，实地可查软件组成实地核查系统，能以土地利用现状数据、地图、遥感影像数据作为地图数据，实现地类图斑或宗地信息的快速采集、显示及发送。由车载工业控制机，车载信息服务软件实现对土地利用现状数据，基本农田保护数据，土地利用规划数据，遥感影像数据等数据的采集。点击查看原图2.2 信息传递层（见图 2）信息获取层获取的信息，首先要进入数据网络。传感器的数据传输通道千差万别，但是在大规模应用条件下，都会通过网关设备，将专用通道上的数据送入公共数据网（IP 网）的数据存贮服务器。比较重要的网关
11、设备有无线传感网的网关即 WSN 网关，由于通信技术、芯片技术的进步，很多的传感器直接通过 WiFi 或者 3G 网络，也可以快速将数据回传。若要实现不同感知网络的协议接入和解析，按照应用的场景既可以是某种特定的协议，也可以是某几种协议的组合，甚至可以通过外插模块实现多协议的扩展，达到融合接入的能力，这一点在公共服务应用领域尤为重要。2.3 信息服务标准层在物联网背景下，边缘操作的设备正在从嵌入式系统演变为物理网络，网络使得物体综合了计算过程和认知过程。认知装置、嵌入式计算机和网络，可以通过反馈回路监视和控制物理过程，反过来，物理过程也影响着计算和认知过程。这种物理计算和认知装置的集合（无线传
12、感器网络、移动电话、嵌入式系统、嵌入式计算机、微型机器人等），为网络提供了新的设计机遇和挑战，也需要一些新的研究以解决数据和信号处理技术问题。虚拟世界和支持 Web 驱动的物体的典型特征是具有设备模型异质性、通信和认知能力，这种异质性带来了不同的执行模型：同步的、异步的、实时的和非实时的，也带了同步和异步两种通信模式，以及实时处理的调度方法。2.4 应用服务层应用服务层提供标准化的接口为智慧城市的各类应用提供服务。可以接受任何安装有协议驱动程序的设备发送的数据。在网络应用层支持的协议包括BACnetI/P、Modbus（ASCII、RTU 、TCP、UDP ）、OPCDA、1-wire、SNM
13、P、SQL、HTTP、POP3、NMEA0183 、MBus、DNP3、OpenV、网络摄像、vmsta（虚拟内存统计），底层则支持众多硬件供应商开发和使用的专有协议。甚至支持虚拟数据源，可用于生成基准数据或测试。另外，依据规则添加新的协议。3 城市感知中心的核心3.1 物联网网关传感器信息交换与共享平台主要包括协议转换和控制模块、协议适配模块。协议转换和控制层。这一层的模块提供从感知网络到电信网络的协议转换，将协议适配层上传的标准格式的数据统一封装，将广域接入层下发的数据解包成标准格式数据；同时内建管理协议，实现与管理平台的协议对接，实现管理协议的解析并转换为感知层协议可以识别的信号和控制指
14、令。位置信息融合模块，可以对多源的位置信息执行校准，也执行泛在信息与全息信息的融合，位置信息输出模块输出统一的位置信息。协议适配层。定义标准的感知层接入标准接口，保证不同的感知层协议能够通过适配层变成格式统一的数据和信令。位置信息提取模块可以提取感知信息中的位置信息。3.2 信息交换与共享平台城市感知中心收集的感知数据，必须通过数据处理和交换，以服务形式，提供给智慧城市的应用服务。管理系统用户分为管理员和普通用户，管理员可以进行用户管理以及其他模块的管理，普通用户只能拥有比管理员更小的权限。点击查看原图信息交换与共享平台的功能模块结构图如 3 所示。其主要功能包括，观察列表：快速准确评估系统的
15、状态，可以查看点设备详细信息。图形视图：通过上传背景图片，可以通过图片来关联点设备，显示点设备信息。警报器：显示用户的操作，记录用户从登录系统到退出系统的所有操作情况。报告：可以生成数据点的相关报，生成报告后，可以导出数据，导出事件，导出用户注释等。事件处理器：显示新建的事件，包括点事件、定时事件、组件事件、数据源事件、发布者事件、系统事件和审计事件。数据源：在这里可以先选择协议，再建数据源，保存之后可以建数据点。3.3 物联网控制台智慧城市统一感知中心必须配置基于统一服务的城市物联网控制台，是城市运行状况的信息汇聚点，中心控制台可以全景式显示城市系统运行状况，可视化图形和增强现实技术在信息空
16、间中，完整的实时重现城市的活动。可以与城市应急指挥中心按照需求对接，相互支撑，确保城市的健康、安全、平稳的运行。借助移动互联网能够，城市感知中心可以授权手机、平板电脑，成为分级分区域的移动控制台接入点。点击查看原图4 城市感知中心的运维科学规范的智慧城市传感网运行维护体系（见图 4）是信息化建设健康发展的保障。运行维护平台建设主要包括设备资产管理、运行环境管理、安全管理、网络管理、应用系统管理和数据中心管理等六部分内容。4.1 设备资产管理系统主要包括硬件设备与感知设备日常维护；设备迁移、添加、更改；硬件性能测试；故障诊断及排除等。4.2 运行环境管理系统运行环境管理为全市传感网信息化工程所涉
17、及到的重要机房内的动力、空调、防雷、消防、监控、门禁等环境管理系统进行规范管理保障系统运行的高可靠性。4.3 安全管理系统为在系统网络上建立比较完整的安全防护体系，为业务应用系统提供安全可靠的网络运维环境；实现多级的安全访问控制功能；实现对重要信息的传输加密保护；建立安全监测监控系统；建立系统网络全方位的病毒防范体系。4.4 网络管理系统实时监控网络中发生的各式各样事件，根据需要定制监控的对象和内容，当出现预定义的故障或超出性能阈值时，将按照管理员指定的处理方式自动报警或动作处理，通过与帮助台联动，实现故障处理的规范化。4.5 数据中心管理系统数据中心管理系统包括设备管理、资产管理、配置管理、
18、变化管理、容量管理、备份管理、应急管理、安全管理、数据交换管理等。可以了解包括目标服务器部署环境中的警报提示和历史数据等，对系统的运行状况进行各种统计分析。4.6 应用系统的运行与维护主要包括日常基本维护和专项高级维护，其中日常基本维护是指实时监控应用系统服务和进程的运行状态，对关键进程占用系统资源的情况进行管理；实时监控关键服务的响应时间，当服务响应时间不正常时予以排查处理。专项高级服务则配合应用系统建设工作，完成应用程序的 bug 修改和功能拓展；针对应用程序特点，完成网络、数据库、主机内核参数、存储设备的调整和优化，提高应用系统性能。5 小结城市统一感知中心作为连接城市运行中枢的感知系统，在智慧城市建设中，具有基础性地位的作用，现有的城市感知体系设备如公安、环保等部门的感知系统，也可纳入到统一感知中心来，充分利旧，提高资源利用效率。
