智慧城區(qū)系統(tǒng)集成的分析與應(yīng)用

吳聞婧 / 曲辰飛 / 王東林 (天津市建筑設(shè)計院，天津 300074)

摘要對智慧城區(qū)系統(tǒng)集成的必要性、功能、架構(gòu)和原則進行了介紹。在分析現(xiàn)有智能化集成技術(shù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)智慧城區(qū)系統(tǒng)集成的方式。還強調(diào)了智慧城區(qū)系統(tǒng)集成過程中需要重點關(guān)注的問題，對天津某區(qū)域智慧城區(qū)系統(tǒng)集成方案進行了介紹。

關(guān)鍵詞智慧城區(qū) 集成功能 集成架構(gòu) 集成原則 集成方式

AbstractThe necessities, functions, architectures and principles of system integration in smart city are introduced. Based on the analysis of existing intelligent integration technologies, the ways of smart city system integration are summarized. The problems need to be emphasized are presented, as well as the smart city system integration scheme in Tianjin.

Keywordssmart city, integration function, integration architecture, integration principle, integration way

作者簡介

0引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、新一代移動寬帶網(wǎng)絡(luò)、下一代互聯(lián)網(wǎng)和云計算等信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，信息化在社會發(fā)展中的引領(lǐng)和支撐作用進一步顯現(xiàn)。國內(nèi)外許多國家、城市提出了建設(shè)智慧國家、智慧城市、智慧城區(qū)的發(fā)展戰(zhàn)略。其中包括：2009年美國迪比克市提出將建設(shè)美國第一個智慧城市；新加坡提出2015年建成“智慧國”計劃。截至 2012 年 10 月，國內(nèi)有 220 多個城市提出建設(shè)或正在建設(shè)智慧城市[1]。

智慧城區(qū)是以互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、廣電網(wǎng)、無線寬帶網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)組合為基礎(chǔ)，以智慧技術(shù)高度集成、智慧產(chǎn)業(yè)高端發(fā)展、智慧服務(wù)高效便民為主要特征的城區(qū)發(fā)展新模式[2]。目前，我國的智慧國家、智慧城市、智慧城區(qū)的建設(shè)還處于初級階段。智慧城區(qū)的建設(shè)基本是各種產(chǎn)品和子應(yīng)用平臺的拼湊，各平臺間相互處于信息孤立狀態(tài)，這種無集成的現(xiàn)狀造成了智慧城區(qū)各子平臺間的標準不統(tǒng)一，系統(tǒng)間無法溝通和共享數(shù)據(jù)，存在信息孤島[3]。

智慧城區(qū)的核心理念是智慧、互聯(lián)、協(xié)同，高度集成是智慧城區(qū)發(fā)展的大趨勢，智慧城區(qū)最終應(yīng)能體現(xiàn)一體化的集成管理。通過智慧城市一體化集成，可以提高管理者對全局事件的掌握、控制和處理能力，可以實現(xiàn)各個子平臺、站點間的信息共享，可以使智慧城市中的各種應(yīng)用更加快捷，減少城市運營成本。通過合理的集成結(jié)構(gòu)來構(gòu)建智慧城區(qū)系統(tǒng)集成平臺，將原有各個子平臺進行集成是智慧城區(qū)建設(shè)的關(guān)鍵所在。

1智慧城區(qū)系統(tǒng)集成概述

1.1集成的功能

系統(tǒng)集成是指在一個具體范圍內(nèi)，采用一定的技術(shù)手段，將不同應(yīng)用的子平臺在物理、邏輯和功能方面連接在一起，以實現(xiàn)信息綜合和資源共享。智慧城區(qū)系統(tǒng)集成不是各系統(tǒng)的簡單組合，而是利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)、云計算等技術(shù)實現(xiàn)的一種總體優(yōu)化設(shè)計，把原來相對獨立的資源、功能和信息等集合到一個相互關(guān)聯(lián)、協(xié)調(diào)和統(tǒng)一的系統(tǒng)中，實現(xiàn)信息資源和任務(wù)的共享與全局一體化綜合管理，提高服務(wù)和管理的效率。智慧城區(qū)系統(tǒng)集成后應(yīng)具有以下功能。

1)智慧服務(wù)。通過集成平臺的建設(shè)可以實現(xiàn)多種一站式服務(wù)，提高政府服務(wù)效率，為市民提供更加便利的應(yīng)用。

2)通過智慧城區(qū)系統(tǒng)集成平臺，管理員可以同時監(jiān)控各子應(yīng)用平臺運行狀況的信息，提高管理者對全局事件的掌握能力。位于不同子平臺內(nèi)的信息點和受控點可以建立聯(lián)動關(guān)系，支持智能化的全局管理及全局事件的協(xié)調(diào)處理，提高管理者對全局事件的控制能力。

3)可以對城區(qū)內(nèi)的故障進行綜合處理。當系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生異常時，集成平臺可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的報警等級及時在頁面上以圖像、文字、動畫、聲音等方式進行報警，并且能夠依據(jù)數(shù)據(jù)共享和聯(lián)動原則得出故障事件的影響范圍和對其他子應(yīng)用平臺的影響程度。

4)預(yù)警和應(yīng)急指揮功能。在事件發(fā)生前，政府有能力依據(jù)集成平臺中的數(shù)據(jù)來提供不同級別的預(yù)警，控制事故損失到最小。威脅性事件發(fā)生時，政府能迅速了解事件信息、掌握救災(zāi)資源信息，有效展開救援，合理安排生產(chǎn)恢復(fù)。較為成熟的智慧城區(qū)系統(tǒng)還應(yīng)具有自學(xué)習功能，可以對突發(fā)事件進行分析，生成緊急情況處理方案，綜合管理、調(diào)動各個子應(yīng)用平臺，處理突發(fā)事件。

5)智慧城區(qū)信息集中存儲在中央服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，各子應(yīng)用平臺和各部門、站點間可以通過中央數(shù)據(jù)庫快速進行信息共享、交流，生成綜合信息分析數(shù)據(jù)和統(tǒng)計報表。

6)可以對智慧城區(qū)內(nèi)各種基礎(chǔ)設(shè)施進行集約化建設(shè)，降低智慧城區(qū)建設(shè)成本?？梢猿浞滞诰蛑腔鄢菂^(qū)中各種潛在的信息資源，減少城市資源消耗。

1.2集成的架構(gòu)

智慧城區(qū)系統(tǒng)集成架構(gòu)如圖1所示，包括應(yīng)用層、支撐層、傳輸層與感知層四個部分。其中，應(yīng)用層是目標，是智慧城區(qū)建設(shè)成效的最終體現(xiàn)。智慧城區(qū)應(yīng)用層中通常包含智慧社區(qū)、智慧交通、智慧能源等多個子應(yīng)用平臺，包括高清監(jiān)控、預(yù)測預(yù)警、智能分析、輔助決策、仿真模擬和智能控制等主要應(yīng)用。支撐層是智慧城區(qū)建設(shè)的核心，是集約建設(shè)、共建共享的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。應(yīng)用層與支撐層中包括編碼解碼服務(wù)、公共基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)、公共信息安全服務(wù)等支撐服務(wù)，其中常用的新技術(shù)包括云計算、云存儲和云分析。傳輸層與感知層是智慧城區(qū)業(yè)務(wù)運行、信息交互和信息采集的堅實基礎(chǔ)，也是智慧城區(qū)底層集成的重要組成。

從智慧城區(qū)架構(gòu)中可以看出，智慧城區(qū)中通常都有數(shù)十個系統(tǒng)同時運行，每個系統(tǒng)都對城市的健康高速運轉(zhuǎn)至關(guān)重要。智慧城區(qū)系統(tǒng)集成后可以有效地感知和監(jiān)測城市運行的各個重要方面，通過網(wǎng)絡(luò)及城市內(nèi)各種先進感知工具的連接從而整合成一個大系統(tǒng)，使城市管理者和市民可以更好地進行管理和生活。

1.3集成的原則

智慧城區(qū)系統(tǒng)集成應(yīng)該從需求分析著手，按照實際工程需求開展相關(guān)工作。在保證各種實際需要的前提下，還應(yīng)滿足以下要求。

1) 可靠性與容錯性：可靠性與容錯性是智慧城區(qū)系統(tǒng)集成的基本要求。系統(tǒng)應(yīng)具有對城區(qū)內(nèi)設(shè)備的測量、監(jiān)視和控制的功能，確保整個系統(tǒng)穩(wěn)定地運行；保證當子平臺發(fā)生錯誤時，集成系統(tǒng)平臺仍能正常工作而不致失效。

2) 易維護性：應(yīng)進行標準化和通用化的設(shè)計，保證系統(tǒng)出現(xiàn)故障后能以較短的時間和較小的代價進行維護。

圖1　智慧城區(qū)架構(gòu)

3) 先進性與可擴展性：設(shè)計應(yīng)適度超前，所采用的設(shè)備、軟件應(yīng)成熟、可擴展。

4) 統(tǒng)一性：智慧城區(qū)系統(tǒng)集成的關(guān)鍵在于解決各子平臺間的互聯(lián)互通和互相操作的問題。進行集成的各子應(yīng)用平臺應(yīng)盡可能符合有關(guān)標準，滿足統(tǒng)一性原則。智慧城區(qū)系統(tǒng)集成應(yīng)堅持統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一標準、統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)、統(tǒng)一管理，避免盲目投資和重復(fù)建設(shè)。

5) 便捷性：集成平臺應(yīng)為管理者及用戶提供有效的信息服務(wù)，提供高效、舒適、便利和安全的工作環(huán)境。

2智慧城區(qū)系統(tǒng)集成方式

我國目前對具體集成方式的研究較少，現(xiàn)有的智慧城區(qū)系統(tǒng)集成建設(shè)成功的案例不多，多數(shù)所謂的智慧城區(qū)并沒有建設(shè)智慧城區(qū)系統(tǒng)集成平臺，較常見的做法是將多個子應(yīng)用平臺的管理服務(wù)器統(tǒng)一設(shè)置在監(jiān)控中心，進行集中監(jiān)管，如天津中新生態(tài)城應(yīng)急指揮中心。這種方式在一定程度上可以提高管理者對各種全局事件的掌握能力，但無法實現(xiàn)不同子應(yīng)用平臺間信息點和受控點的聯(lián)動。目前國際上常采用的系統(tǒng)集成方式主要包括以下四種。

1)基于網(wǎng)關(guān)路由器等硬件接口的系統(tǒng)集成

通常采用兼容控制器等設(shè)備將多個廠家的系統(tǒng)或設(shè)備直接連到現(xiàn)場控制總線上，采用網(wǎng)關(guān)路由器將多個工業(yè)總線進行集成。采用這種集成方式的主要特點是通過簡單的硬件I/O觸點來簡單聯(lián)動，因而集成深度不夠，無法實現(xiàn)復(fù)雜控制。這種集成方式適用于現(xiàn)場控制級的集成，不適用于智慧城區(qū)頂層系統(tǒng)的集成。

2)基于 Windows軟件接口的系統(tǒng)集成

這種集成方式是通過使用一些軟件接口，如OPC、ODBC 等實現(xiàn)系統(tǒng)的集成。構(gòu)建支持不同現(xiàn)場設(shè)備通信協(xié)議的服務(wù)器、OPC設(shè)備驅(qū)動程序庫，通過ODBC和動態(tài)IP解析，實現(xiàn)現(xiàn)場總線、局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)間的數(shù)據(jù)交換，解決信息管理域應(yīng)用軟件與實時控制域之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}、應(yīng)用軟件與過程控制設(shè)備間的通信問題及異種數(shù)據(jù)庫間的互聯(lián)問題。

采用這種集成方式簡化了系統(tǒng)集成環(huán)境，系統(tǒng)易于功能擴展，系統(tǒng)更加開放。但需要所有子平臺都提供較高層次的互聯(lián)方法，系統(tǒng)控制的實時性較前一種方法差，集成的實現(xiàn)與平臺的相關(guān)性強。

3)面向Web的集成技術(shù)

面向Web的集成技術(shù)是通過Web服務(wù)器和瀏覽器在整個網(wǎng)絡(luò)上進行信息交換、綜合與共享。與前兩種信息集成技術(shù)相比，Web Service 技術(shù)是一種高層次的信息模型轉(zhuǎn)換技術(shù)，在現(xiàn)有各種異構(gòu)平臺的基礎(chǔ)上構(gòu)筑了一個與平臺、語言和通信協(xié)議無關(guān)的技術(shù)層，通過這個技術(shù)層可以較好地解決跨平臺、不同異構(gòu)系統(tǒng)的集成問題。

為了擴展 Web Service 系統(tǒng)集成的功能，OPC 基金會于2003年7月發(fā)布了一種名為OPC XML DA的新規(guī)范，使得 OPC 應(yīng)用擴展到整個網(wǎng)絡(luò)。不僅簡化了應(yīng)用程序間的互操作性，而且也使 OPC 由基于單一的Windows 操作系統(tǒng)向跨平臺的應(yīng)用邁出了一步。

4)其他方式的集成

隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，新的集成方式開始出現(xiàn)，如面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)和基于云計算的智慧城市數(shù)據(jù)中心等。面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)集成提供了松耦合、可擴展及互操作性強的軟件架構(gòu)思想，使得在此基礎(chǔ)上構(gòu)建新的應(yīng)用程序更加容易，減少了軟件重復(fù)開發(fā)的成本[4]。基于云計算的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，建設(shè)智慧城市云計算數(shù)據(jù)中心具有傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心、單應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)無法比擬的優(yōu)勢，從根本上支撐龐大系統(tǒng)的安全運行。

總體上智慧城區(qū)系統(tǒng)集成應(yīng)采用三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分別為綜合信息互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、智能化專業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場控制總線網(wǎng)絡(luò)?；诰W(wǎng)關(guān)路由器等硬件接口和Windows軟件接口的系統(tǒng)集成是智慧城區(qū)系統(tǒng)集成的常見方式。但隨著NET、Web Service、云計算等技術(shù)的發(fā)展，面向Web的集成技術(shù)、面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)、基于云計算的智慧城市數(shù)據(jù)中心等在智慧城區(qū)系統(tǒng)集成中的作用將會越來越明顯。

3智慧城區(qū)系統(tǒng)集成需要重點關(guān)注的問題

智慧城區(qū)系統(tǒng)集成是一個龐大的、系統(tǒng)化的工程，系統(tǒng)集成過程中應(yīng)重點關(guān)注以下問題。

1)應(yīng)以適用性為前提，不能貪大求全，應(yīng)該以適用為主、留有余地為原則。

2)要按照總體規(guī)劃、優(yōu)先設(shè)計、從上向下、分步實施的方法進行設(shè)計。各個子應(yīng)用平臺的功能和技術(shù)方案必須滿足系統(tǒng)集成的目標和設(shè)計指導(dǎo)，先完成子平臺的集成，只有這樣才能夠達到總體規(guī)劃目標。

3)必須提前建立相應(yīng)的指標體系，明確智慧城區(qū)系統(tǒng)集成的核心、主要問題和階段性需求。在智慧城區(qū)集成建設(shè)過程中，要為智慧城區(qū)進一步發(fā)展及城區(qū)系統(tǒng)與上層智慧城市系統(tǒng)的集成預(yù)留各種接入條件，形成接入標準。

4)系統(tǒng)集成過程中應(yīng)注意各個行業(yè)之間數(shù)據(jù)的開放程度、數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)交互要求，考慮數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的依賴性造成的風險。

5)數(shù)據(jù)庫的集成設(shè)計尤為重要，應(yīng)慎重考慮數(shù)據(jù)的分類、編碼及數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計等問題。

4應(yīng)用案例分析

天津市北辰區(qū)某城區(qū)在智慧城區(qū)規(guī)劃過程中率先考慮了智慧城區(qū)系統(tǒng)集成的問題。該區(qū)域內(nèi)配有學(xué)校、社區(qū)綜合服務(wù)中心、醫(yī)院、老年人活動中心、多級文化中心、商業(yè)服務(wù)中心及其他基礎(chǔ)設(shè)施，是典型的城區(qū)級案例。該區(qū)域智慧城區(qū)指標體系中共有12項一級指標、51項二級指標，涵蓋城市管理、民生服務(wù)、政務(wù)與產(chǎn)業(yè)等多個方面。

綜合考慮區(qū)域內(nèi)智慧城區(qū)集成要求和該區(qū)域建設(shè)現(xiàn)狀，在區(qū)域內(nèi)建立智慧城區(qū)系統(tǒng)二級集成平臺。規(guī)劃過程中首先對智慧城區(qū)級的集成平臺進行規(guī)劃，預(yù)留本平臺與上層智慧城市平臺及下層次級應(yīng)用平臺的接口。隨后對智慧社區(qū)系統(tǒng)集成平臺進行規(guī)劃、建設(shè)及改造，使其滿足與智慧城區(qū)總集成平臺進行集成的條件。最后，進行智慧城區(qū)集成平臺建設(shè)，形成內(nèi)容完善、符合當?shù)匕l(fā)展需要的智慧城區(qū)系統(tǒng)集成平臺，并借助該平臺建設(shè)城區(qū)的管控中心。該城區(qū)系統(tǒng)集成示意圖如圖2所示。

圖2　某城區(qū)系統(tǒng)集成示意圖

5結(jié)束語

智慧城區(qū)系統(tǒng)集成可以提高管理者對城區(qū)全局事件的掌握和處理能力，有利于及時、有效地處理城區(qū)內(nèi)突發(fā)事件和設(shè)備故障，便于對城區(qū)綜合信息進行分析。智慧城區(qū)系統(tǒng)集成涉及內(nèi)容廣泛，集成過程中應(yīng)注意可靠性、易維護性、先進性、統(tǒng)一性、便捷性等原則。

基于網(wǎng)關(guān)路由器等硬件接口和基于Windows軟件接口的系統(tǒng)集成是智慧城區(qū)系統(tǒng)集成的常見方式，面向Web的集成技術(shù)、面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)和基于云計算的智慧城區(qū)數(shù)據(jù)中心等在智慧城區(qū)系統(tǒng)集成中的作用越來越明顯。

智慧城區(qū)系統(tǒng)集成應(yīng)考慮適用性；按照總體規(guī)劃、優(yōu)先設(shè)計、從上向下、分步實施的方法進行設(shè)計；注意數(shù)據(jù)庫的集成建設(shè)；考慮與上層智慧城市集成的形式。

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吳聞婧

工程師，現(xiàn)就職于天津市建筑設(shè)計院綠色智能建筑技術(shù)中心。

曲辰飛

助理工程師，現(xiàn)就職于天津市建筑設(shè)計院綠色智能建筑技術(shù)中心。

王東林

總工程師、教授級高工，現(xiàn)就職于天津市建筑設(shè)計院。擔任的社會職務(wù)有中國勘察設(shè)計協(xié)會建筑電氣工程設(shè)計分會常務(wù)理事，中國建筑節(jié)能協(xié)會建筑電氣與智能化節(jié)能專業(yè)委員會常務(wù)委員等。