物联网在智慧城市中的应用与发展

智慧城市是指利用各种信息技术或创新概念，将城市的系统和服务打通、集成，以提升资源运用的效率，优化城市管理和服务，以及改善市民生活质量。智慧城市经常与数字城市、感知城市、无线城市、智能城市、生态城市、低碳城市等区域发展概念相交叉，甚至与电子政务、智能交通、智能电网等行业信息化概念发生混杂。

一、物联网的基本组成

物联网技术不仅仅局限于传统的传感网络，也不仅仅局限在为人们提供服务的单一层面，就目前来说，大部分对物联网技术的研究，都认为物联网技术是一种集传感技术、应用服务等多方面体系为一体的综合性网络技术。物联网的组成，大致可以概括为如下四个部分：物联网终端、传感器、网络与物联网服务。

1物联网终端

物联网终端就是指前面提到的“物”。它上面会装有一种名为传感器的电子元件，并与网络相连接。比如大家拿着的智能手机和平板电脑就是物联网终端的一种。这些终端通常起着两个作用：感测和反馈。

感测指的是搜集终端本身的状态及周边环境的状态并通知系统。这里说的状态包括如灯是开是关、房间的温度和湿度、门口有没有人、机器运行的状态，等等。而终端是利用传感器这种电子元件来实现感测的。

反馈是指接收从系统发来的通知后，显示信息或执行指定的 *** 作。系统会基于从传感器搜集到的数据，经过处理后，进行一些反馈，并通常需要通过物联网终端针对现实世界采取相应的行动。反馈有多种形式，包括可视化、通知，以及控制等。通过“可视化”，用户能够使用电脑和智能手机上的Web浏览器或APP随时查看经物联网服务处理后的信息；通过“推送通知”，系统就能在检测到“物”的异常状态或触发某些指令后，将其通知给终端或信息接收者，以达到提醒和告警的目的；通过“控制”，系统就可以直接控制终端的运转，实现自动化 *** 作，而无需借助人工。

2传感器

在物联网终端中，要想搜集终端和环境的状态，就需要利用一个叫做传感器的电子元件。传感器负责把物理现象用电子信号的形式输出。例如有的传感器可以把温度和湿度作为电子信号输出，还有的传感器能把超声波和红外线等人类难以感知的现象转换成电子信号输出，等等。

通过传感器输出的电子信号，系统就能够获取现实世界中的“物”的状态或周边环境的状态了。人们很少单独利用这些传感器，通常都是将它们置入各种各样的物联网终端里来加以利用的。

3网络

在把终端连接到物联网服务时，网络是不可或缺的。物联网使用的网络大体上分为两种：一种是把终端连接到其他终端的网络，另一种是把终端连接到物联网服务的网络。

无法或不需要直接连接到互联网的终端是存在的，而通过把终端连接到其他终端，如连接到负责收集传感器数据的物联网网关设备，就能通过物联网网关把这些不能连接到互联网的终端再集中连接到互联网了。这种网络连接方式在工业领域应用极广，能够节省成本以及提高连接效率。而针对终端之间的连接，蓝牙、ZigBee、LoRa、WIFI是几种比较有代表性的网络标准。

对于技术人员来说，在网络层之上，物联网体系还会划分出如基础设施层、平台层、应用层等不同层次，但对于普通用户来说，可以统称为物联网服务。物联网服务有两个作用：一是从终端接收数据以及发送数据给物联网终端；二是处理和保存数据。

物联网接收从终端直接发来的数据。终端发来的数据内容包括终端搭载的传感器所采集到的信息，以及用户对终端进行的 *** 作等。

而仅仅采集传感器和终端发来的数据，那只不过是将一堆庞大的数据聚在一起而已，很难直接应用这些数据。为了实现具体的应用服务，就需要从采集到的数据中分析出有价值的信息。因此，只有通过对数据进行分析，才有可能掌握终端的运转情况，找出其中蕴含的趋势，提前检测出今后可能会发生的异常情况。这样才能把整个物联网服务从一个单纯的采集数据的系统升华到一项帮助使用者创造价值的服务。

二、物联网在智慧城市中的应用

物联网在智慧城市发展中的应用关系各方各面，从智慧政务、智慧物流、智慧交通、智能家居及其他应用智能化等方面，均可应用物联网技术，以下对其应用做详细的阐述。

1智慧政务应用

“互联网+政务服务”构建智慧型政府，运用互联网、大数据等现代信息技术，加快推进部门间信息共享和业务协同，简化群众办事环节、提升政府行政效能、畅通政务服务渠道，解决群众“办证多、办事难“等问题。

通过政务云、政务数据交换平台及完善的政务信息资源目录体系，实现跨部门的信息共享与资源整合，建立一体化的政务资源体系。

通过整合政府门户网站、呼叫中心等相关政务服务资源，实现政府、企业和公众随时随地通过互联网、电话、移动终端等多种渠道获取一致与整合的政务服务。

通过资源共享及流程整合，完善政务服务监管渠道，为企业、 社会 其它机构和公众等提供一站式服务，实现足不出户就可以随时随地办理相关业务。

2智慧物流应用

智慧物流是一种以信息技术为支撑，在物流的运输、仓储、包装、装卸搬运、流通加工、配送、信息服务等各个环节实现系统感知。全面分析，及时处理及自我调整功能，实现物流规整智慧、发现智慧、创新智慧和系统智慧的现代综合性物流系统。

多元化的数据采集、感知技术，基于物联网的智慧物流，面对的是形式多样、信息关系异常复杂的各类数据，多元化的数据采集、感知技术，为智慧物流提供了基本的技术支撑。

随着物联网的发展，泛在网络将成为信息通讯网络的基础设施，在于其它网络融合的基础上，提供给智慧物流可靠的数据传输技术，为人们准确的提供各类信息。

3智慧交通应用

紧急救援系统：当紧急情况发生时，车主按动车上安装的紧急按钮，通过无线通信接通客服中心。客服人员能够通过GPS技术精确定位，将救援送达车主。在救援过程中，客服人员不仅能一直与车主进行在线的交流，而且能够实时调度救援资源，最小化车主的生命财产损失。

智能导航系统：现行试用的路线推荐系统能够根据司机需求和实时交通信息，推荐最短路径、时间最优路径，甚至为出租车司机推荐最有可能搭载乘客的路线。

4智能家居系统应用

物联网技术在家居中主要应用于安防方面，借助物联网技术进行实时检测，并通过数据传送，启动安防报警器通知安保人员，这是物联网技术在家庭安全保障上的应用，也是当前由家居智能到智慧城市的一大体现。

另外，物联网技术还能够解决家庭琐事，例如其能够通过数据的读取，直接将家庭电表、燃气表、水表等的数据传送于远程的服务器端，并进行自动结算费用。总之，物联网技术在家居生活中的应用多种多样，是当前实现良好生活品质的关键内容。

1我国城市生命线工程安全运维管理现状
为了保障城市生命线工程安全运行，我国部分城市相关部门采取了一定的监控措施。以上海为例，为了有效减少爆管或是漏水情况，上海浦东威立雅自来水公司在所辖部分区域水管内安装了流量仪；为了确保用电安全，上海电力建立了远程监控预警系统；为确保生命线工程的安全，上海市由国土资源管理部门和轨道交通企业合作建设了全球首个地面沉降监测网络——上海市轨道交通沉降基准网。
由于现有煤气、自来水地下管道、供电和通信线路等部分设施老化，加上违章施工和使用不当及偷盗、人为破坏等问题，造成煤气泄漏燃爆和大口径水管爆裂、通信供电线路中断等事故时有发生。城市生命线工程安全运维管理还存在一些薄弱环节，城市公共安全风险和隐患日益增多，原因主要有：
1）城市生命线工程相关的管理部门众多，运行监测信息获取、公共安全风险和隐患监测等无法在一个平台上统一管理；
2）各部门独立的管理平台系统往往互不相通、自成体系，形成信息孤岛，导致信息和资源无法共享；
3）突发事件应急指挥技术支撑系统的智能分析和辅助决策水平亟需进一步提高。因此，作为智慧城市以及城市公共安全的重要组成部分，城市生命线工程的安全保障要依靠预防加控制，必须采取有效的监控和预警。
2物联网和bim技术在城市建筑安全生命线运维管理中的适用性
从国内外研究现状来看，城市生命线工程的研究主要集中在地震震害分析、风险评估、应急管理等方面。1991年美国麻省理工的Kevin教授首次提出物联网（TheInternetofThings）的概念，是指将利用RFID等传感技术随时随地获取物体的信息，然后通过各种网络与互联网的融合，将信息实时准确地传递出去，最后利用云计算、模糊识别等智能计算技术，对海量数据信息进行分析和处理，从而对物体实施智能化控制。
近年来，国内外陆续开展了物联网在供热、供气和供水等方面的应用研究，并在此基础上将物联网与GIS相结合，提出基于物联网和GIS的基础设施管理系统。目前关于城市生命线工程方面的研究主要存在以下问题：
1）将物联网技术单独应用在某一类生命线工程中，尚无建立统一的运维应急管理框架以及各部门间的协同响应机制；
2）物联网与三维GIS的融合从一定程度上解决了运维阶段发生事故时管道线路的定位问题，在利用三维动态模拟不同管线之间以及管线与建筑物之间的具体关系和影响问题时，必须将设计施工等信息录入模型，需大量的手动输入，造成数据信息丢失严重。
建筑信息模型（BuildingInformationModeling，BIM）的出现不仅可整合城市生命线工程的图形化及非图形化资料，提供虚拟实境模型，并纳入流程的观念，降低规划、设计、施工、运维各阶段转移工程资料的信息遗漏问题。国际标准组织于2006年提出了CGB（CAD-GIS-BIM）架构，并制定相关技术标准以达到整合宏观与微观空间信息，并进行交换与交互 *** 作，提供城市数字化、救灾等相关应用。
事实上，BIM是三维GIS发展的新趋势，是一种应用于工程设计、建造、运行和维护管理的数据化工具，通过参数模型整合各种项目所具有的真实信息，并在项目全生命周期过程中为各方主体提供信息协同、共享和传递，具有可视性、可模拟性等特点。BIM是物联网应用的基础数据模型，而物联网作为互联网的有效延伸，包含并兼容了互联网所有的应用和资源。城市生命线工程运维安全管理以其多领域、多主体、多目标等特征，成为物联网和BIM延伸和应用的最佳平台，是实现智慧城市的重要发展方向，如图1所示。
3基于物联网和BIM的城市建筑安全生命线运维管控平台设计
31设计目标
本系统采用以公共安全科技为核心，以物联网、bim技术为支撑，以建设规划管理、日常运行管理和应急管理流程为主线，软硬件相结合，通过对城市生命线工程的实时动态监控，旨在突发事件应急管理等提供科学决策的技术平台。生命线工程的各个子系统共用基于BIM的生命线工程动态监控数据库，实现统一化管理，最终为城市应急管理提供科学决策基础和依据，技术体系如图1所示。
陈兴海，等•基于物联网和BIM的建筑安全运维管理应用研究本系统按照城市生命线工程建设与运行信息的采集、传输、分析和应用（简称“感、传、知、用”）四个环节展开，以标准规范与运行管理、信息安全为保障，分为感知、网络和应用三个层面，确保各单位相关数据互联互通和资源共享，如图2所示。其中，感知层主要利用射频识别等感知设备，即把传感器分别安装到生命线工程及相邻建筑物的关键部位，实时获取位置距离、力学性能、运行参数等感知信息；网络层主要通过各类相关网络，特别是有线宽带和无线宽带专网的建设和应用，对感知信息进行安全可靠传输；应用层主要是运用云计算、云存储等技术，对获取的物联网信息进行共享整合、智能分析和处理控制，通过有效的运行管理模式，服务城市统一应急管理科学决策。
32系统主要功能
模块根据生命线工程监测预警与应急管理系统的特征和目标，并结合供水、供气管道、电力、通讯线路，桥梁结构监测等类型分析，城市生命线工程安全运维管控平台系统应包括工程信息共享平台、监测数据管理、三维模拟与漫游、健康诊断与安全评估与应急预警管理的五大功能模块。
33技术架构
331工程信息共享平台通过制订相关标准，在设计施工阶段形成BIM的基础上，开展城市生命线工程相关各单位物联网感知设备和管理对象的编码服务，收录生命线工程的基本信息，包括工程名称、地理位置、项目规模、建造日期、主要设备材料信息、参建单位相关资料，以及动态监测测点布置、传感器类型、参数设定等内容。
332监测数据管理系统能够通过传感器实时采集工程结构健康安全数据信息，利用网络将获取的信息传输到BIM数据库中进行位置定位，然后存储在云计算网络服务器中，用户可以实时共享查询所需信息。
333三维模拟与漫游系统可以根据用户的选择范围生成三维浏览图，从不同角度观察生命线工程的空间位置、相互关系等信息，通过改变参数来模拟生命线工程综合网络的变化情况。
334健康诊断与安全评估针对不同生命线工程的特点，当监控系统发现监测数据有异常情况时，通过预先设置的阀值来判断生命线工程的安全运行状况，超过设置的安全设计值将会触发调用服务器中的历史数据进行健康诊断与安全评估，并整合各单位工程的相关业务信息，实现智能分析研判，同时将分析结果存入数据库中。
335应急预警管理根据健康诊断与安全评估系统模块的研判，应急预警管理系统具有制定生命线工程的维护管理方案、启动城市联动防灾应急预案，以及提供城市防灾指挥数据支持等功能。基于物联网和BIM的城市生命线工程安全运维管控平台通过上述五大系统功能模块，全面对工程结构和管线安全运维状况开展在线动态实时监测，系统维护人员和各相关部门可以通过平台提供的客户端查询各个系统功能模块的工作状态和监测对象的实时工共享信息，协同对工程出现的异常状态做出及时科学决策。
随着经济社会的快速发展以及城市化进程的不断推进，城市公共安全风险和隐患逐步增多，作为智慧城市的重要组成部分，基于物联网的城市建筑安全生命线工程运维管理平台在城市管理中的地位也日益凸显，它能发挥不断提高城市安全运行和应急管理能力。通过本文研究，主要得到以下成果：
（1）针对城市生命线工程运维安全管理多领域、多主体、多目标等特征，成为物联网和BIM延伸和应用的最佳平台，是实现智慧城市的重要发展方向；
（2）采用以公共安全科技为核心，以物联网、BIM技术为支撑，以建设规划管理、日常运行管理和应急管理流程为主线，软硬件相结合，通过生命线工程的各个子系统共用基于BIM的生命线工程动态监控数据库，实现统一化管理，最终为城市应急管理提供科学决策基础和依据；
（3）根据生命线工程监测预警与应急管理系统的特征和目标，并结合供水、供气管道、电力、通讯线路，桥梁结构监测等类型分析，提出了城市生命线工程安全运维管控平台系统五大功能模块的技术架构。
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