基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化管理平臺(tái)研究

李 過(guò)，閆 亮，徐雁云

（中建電子信息技術(shù)有限公司，西安 710061）

如今，我國(guó)城鎮(zhèn)化的發(fā)展進(jìn)程逐漸加快，智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)在自動(dòng)化運(yùn)行管理中凸顯出很多問(wèn)題，各種潛在的安全隱患越來(lái)越多[1]。 建立和完善智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化管理平臺(tái)和應(yīng)急處置機(jī)制，對(duì)突發(fā)事件的預(yù)防和應(yīng)急處理已經(jīng)成為智慧城市管理的首要任務(wù)之一[2]。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為智慧城區(qū)的運(yùn)行管理工作提供有效的途徑，利用智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化管理平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與人工結(jié)合的管理模式，有效提高智慧城區(qū)日常保障和處置突發(fā)事件的能力，以最大的程度降低突發(fā)事件帶來(lái)的損害，保障智慧城區(qū)的有序性，促進(jìn)了智慧城區(qū)經(jīng)濟(jì)全面、協(xié)調(diào)及可持續(xù)發(fā)展[3]。

在國(guó)內(nèi)的研究中，文獻(xiàn)[4]針對(duì)目前我國(guó)鐵路物流園區(qū)智能化程度低、物流效率低、物流資源不能有效整合的現(xiàn)狀，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出一種鐵路物流園區(qū)的信息化建設(shè)方法， 在建設(shè)需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)鐵路物流園區(qū)的信息化建設(shè)。 將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與物流管理、追溯技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式、 物流信息共享技術(shù)等技術(shù)相結(jié)合，對(duì)鐵路物流信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的分析。 文獻(xiàn)[5]在Docker 技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了城市消防安全管理平臺(tái)設(shè)計(jì)，根據(jù)構(gòu)成城市消防安全管理的三大要素，遠(yuǎn)程采集了城市消防安全物聯(lián)網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析了城市消防安全管理轄區(qū)內(nèi)的火災(zāi)隱患，科學(xué)地評(píng)估消防轄區(qū)內(nèi)存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合數(shù)據(jù)容災(zāi)管理辦法實(shí)現(xiàn)了城市消防安全管理平臺(tái)的安全保證。

基于以上研究背景，本文利用數(shù)字孿生技術(shù)設(shè)計(jì)了智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化管理平臺(tái)，從而提高平臺(tái)的服務(wù)質(zhì)量。

1 智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化管理平臺(tái)

1.1 智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化管理平臺(tái)架構(gòu)

智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化管理平臺(tái)是一個(gè)連接應(yīng)用服務(wù)器和感知層設(shè)備的中間件[6]，不僅是應(yīng)用支持平臺(tái)也是智能管理平臺(tái)，其整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化管理平臺(tái)架構(gòu)Fig.1 Architecture of IoT automation management platform in smart city

在平臺(tái)的數(shù)據(jù)層中，介紹了智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化管理平臺(tái)使用的3 種數(shù)據(jù)庫(kù)類型，分別為關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、緩存數(shù)據(jù)庫(kù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。 根據(jù)平臺(tái)中服務(wù)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)、緩存數(shù)據(jù)庫(kù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)平臺(tái)中的服務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)[7]，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)擔(dān)任主要存儲(chǔ)任務(wù)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和緩存數(shù)據(jù)庫(kù)擔(dān)任輔助存儲(chǔ)任務(wù)，提高了平臺(tái)中服務(wù)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)速度。

業(yè)務(wù)層是智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化管理平臺(tái)的核心，支撐了整個(gè)平臺(tái)的邏輯功能。 業(yè)務(wù)層主要?jiǎng)澐譃? 個(gè)主要模塊，分別為物聯(lián)網(wǎng)生命周期、自動(dòng)化管理以及告警管理模塊。 3 個(gè)模塊之間存在相互聯(lián)系的關(guān)系，對(duì)于智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備，利用設(shè)備影子，緩存終端設(shè)備最新上傳的數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序的指令，打破了由于網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定導(dǎo)致無(wú)法獲取物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備信息的難題。

展示層介紹了平臺(tái)所支持的部署終端。 由于智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化管理平臺(tái)具有比較強(qiáng)的遷移性[8]，能夠運(yùn)行在APP 客戶端、信息通訊傳輸服務(wù)器以及其他的可視化平臺(tái)。

訪問(wèn)層主要介紹了用戶訪問(wèn)智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化管理平臺(tái)的途徑。 用戶可以通過(guò)手機(jī)終端、PC 端及其他的終端查看平臺(tái)中的服務(wù)信息。

1.2 信息通訊傳輸服務(wù)器

在智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)中，信息通訊網(wǎng)絡(luò)是保證物聯(lián)網(wǎng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)條件[9]，設(shè)計(jì)信息通訊傳輸服務(wù)器，可以保證智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化管理平臺(tái)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，圖2 顯示了智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)信息通訊傳輸服務(wù)器工作原理。 智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化管理平臺(tái)中的服務(wù)信息在通訊傳輸中，執(zhí)行不同功能的傳感器都是根據(jù)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，比如智慧城區(qū)的水位傳感器，就是利用無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)將城區(qū)內(nèi)的水位信息傳輸給遠(yuǎn)程終端；而針對(duì)智慧城區(qū)的井蓋監(jiān)測(cè)，由于分布在城區(qū)內(nèi)的井蓋數(shù)量比較多[10]，很多井蓋都呈現(xiàn)出集中分布的特點(diǎn)，因此，利用中繼傳輸基站的信息傳輸特點(diǎn)，在井蓋周圍建立一組監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)， 實(shí)現(xiàn)井蓋信息的傳輸；所有經(jīng)過(guò)信息通訊傳輸服務(wù)器傳輸?shù)闹腔鄢菂^(qū)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，都要經(jīng)過(guò)防火墻過(guò)濾，才能儲(chǔ)存在自動(dòng)化管理平臺(tái)中；但是如果是智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化管理平臺(tái)發(fā)送指令給服務(wù)器，也可以采用相同的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋，此外，平臺(tái)中的服務(wù)數(shù)據(jù)還可以通過(guò)政府專網(wǎng)為其他部門的信息管理服務(wù)。

圖2 信息通訊傳輸服務(wù)器工作原理Fig.2 Working principle of information communication transmission server

1.3 基于數(shù)字孿生技術(shù)設(shè)定智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)信息的期望輸出

對(duì)于智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)而言，網(wǎng)絡(luò)時(shí)滯性和丟包率是影響物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)信息在自動(dòng)化管理過(guò)程中的主要因素[11]，因此，在平臺(tái)軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，先基于數(shù)字孿生技術(shù)， 構(gòu)建智慧城區(qū)物聯(lián)的動(dòng)態(tài)性方程，得到物聯(lián)網(wǎng)響應(yīng)系數(shù)向量，設(shè)定智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)信息的期望輸出。 充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)字孿生數(shù)據(jù)[12]，構(gòu)建智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)的動(dòng)態(tài)性方程，表示為

式中：sj表示一個(gè)正整數(shù)；kp表示物聯(lián)網(wǎng)時(shí)滯性的上限值；cm表示智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)的響應(yīng)系數(shù)矩陣；βo表示物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)在傳輸中的時(shí)滯性指標(biāo)。

由于智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到很多因素的影響，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)響應(yīng)系數(shù)矩陣呈現(xiàn)出有時(shí)滯性和無(wú)時(shí)滯性2 種情況，表示為

式中：mo表示智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部工作負(fù)載；jo表示物聯(lián)網(wǎng)外部工作負(fù)載；go表示mo與jo的最大值；xo表示物聯(lián)網(wǎng)響應(yīng)系數(shù)矩陣的最大時(shí)滯性值；ωl表示物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采樣周期；dh表示物聯(lián)網(wǎng)響應(yīng)系數(shù)矩陣的時(shí)滯性類型；｛yj｝k表示第k 個(gè)采樣周期內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)響應(yīng)系數(shù)向量。

利用數(shù)字孿生技術(shù)，計(jì)算出智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)連續(xù)丟包數(shù)與最大時(shí)滯性值之間的映射關(guān)系[13]，公式為

式中：my表示物聯(lián)網(wǎng)的連續(xù)丟包數(shù)量；hj表示物聯(lián)網(wǎng)信息在虛擬空間中完成映射的期望輸出；st表示物聯(lián)網(wǎng)信息的期望輸出值；φ 表示映射時(shí)刻。

根據(jù)智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)連續(xù)丟包數(shù)與最大時(shí)滯性值之間的映射關(guān)系，得到智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)信息的期望輸出，即：

式中：mkp表示對(duì)物聯(lián)網(wǎng)信息的約束。

以上利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建了智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)的動(dòng)態(tài)性方程，智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)連續(xù)丟包數(shù)與最大時(shí)滯性值之間的映射關(guān)系，設(shè)定智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)信息的期望輸出。

1.4 智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)信息質(zhì)量管理算法

根據(jù)智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)信息的期望輸出，對(duì)智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)信息進(jìn)行布局，即：

式中：mj表示物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)信息的分布函數(shù)；pj表示物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)信息分布閾值；x（）表示物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)信息的分層狀態(tài)；R*表示物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)的初始值；λy表示物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)信息的均衡函數(shù)；kh表示影響物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)信息質(zhì)量的噪聲因素。

如果將智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)的殘差定義為ω0，那么在智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)中，服務(wù)信息之間的貢獻(xiàn)率相關(guān)性為

式中：lj表示物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的空間估計(jì)值；ηh表示物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)信息質(zhì)量的聚類中心。

利用智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)信息之間的貢獻(xiàn)率相關(guān)性[14]，從智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)體系中提取出服務(wù)信息的統(tǒng)計(jì)性特征，即：

式中：σp表示服務(wù)信息的屬性特征；mkl表示服務(wù)信息波動(dòng)的約束條件；sl表示影響服務(wù)信息質(zhì)量的不確定性變量；τp表示服務(wù)信息的動(dòng)態(tài)變化性。

由于智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)信息在自動(dòng)化管理中具有一定的隨機(jī)性[15]，將其表示為μ*，那么利用式（9）可以實(shí)現(xiàn)智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)信息質(zhì)量的自動(dòng)化管理，即：

式中：de表示智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)信息質(zhì)量管理的約束函數(shù)；Rt表示服務(wù)信息的質(zhì)量系數(shù)。

綜上所述，利用數(shù)字孿生技術(shù)設(shè)定了智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)信息的期望輸出，結(jié)合智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)信息質(zhì)量管理算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)。

2 平臺(tái)性能的測(cè)試與分析

2.1 測(cè)試環(huán)境

完成了基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化管理平臺(tái)的硬件和軟件設(shè)計(jì)之后，需要先部署實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境，測(cè)試環(huán)境會(huì)影響平臺(tái)測(cè)試結(jié)果的有效性，文中的自動(dòng)化管理平臺(tái)在測(cè)試過(guò)程中的環(huán)境如下：

操作系統(tǒng)：為了保證平臺(tái)測(cè)試的操作系統(tǒng)版本在WindowsXP 以上，本文選擇Windows10 操作系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

內(nèi)存：對(duì)于測(cè)試環(huán)境內(nèi)存的要求為＞4 GB，硬盤的內(nèi)存必須在1 GB 以上。

瀏覽器：Chrome 瀏覽器和IE 瀏覽器是平臺(tái)測(cè)試的主要瀏覽器， 由于Chrome 瀏覽器的適用性比較廣，因此本文選擇Chrome 瀏覽器。

CPU：文中自動(dòng)化管理平臺(tái)對(duì)CPU 的版本要求比較高，本文選擇i5-4768U 2.5 GHz 版本的CPU。

2.2 測(cè)試方案

在測(cè)試基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化管理平臺(tái)時(shí)，分2 個(gè)階段進(jìn)行測(cè)試，第一階段為平臺(tái)的功能測(cè)試，本文主要以登錄功能和操作功能為測(cè)試對(duì)象，驗(yàn)證文中平臺(tái)能否滿足用戶的功能需求。 在性能測(cè)試中，主要利用丟包率和時(shí)滯效應(yīng)2 個(gè)指標(biāo)測(cè)試平臺(tái)的性能，2 個(gè)指標(biāo)計(jì)算公式為

式中：ξp表示平臺(tái)丟包時(shí)執(zhí)行器的值；qr為智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)中服務(wù)信息的魯棒性；lo表示智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)的連續(xù)丟包數(shù)。

2.3 功能測(cè)試

功能測(cè)試中，需要保證平臺(tái)的后臺(tái)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行， 用戶登錄功能測(cè)試結(jié)果如表1 所示。 表1的結(jié)果顯示，平臺(tái)的登錄功能正常，可以滿足用戶的要求。

表1 用戶登錄測(cè)試用例Tab.1 User login test case

用戶的操作功能測(cè)試結(jié)果如表2 所示。 表2 的結(jié)果顯示，用戶在基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化管理平臺(tái)上的操作功能滿足用戶要求。

表2 用戶的操作功能測(cè)試用例Tab.2 User operation function test cases

2.4 性能測(cè)試

在平臺(tái)的性能測(cè)試中，以執(zhí)行次數(shù)為自變量，測(cè)試了平臺(tái)在運(yùn)行過(guò)程中的丟包率和時(shí)滯效應(yīng)，結(jié)果如圖3 所示。 從圖3 的結(jié)果可以看出，隨著用戶執(zhí)行平臺(tái)次數(shù)的增加，自動(dòng)化管理平臺(tái)的丟包率和時(shí)滯效應(yīng)都呈現(xiàn)出升高的趨勢(shì)， 在丟包率測(cè)試中，文中平臺(tái)始終控制在20%以內(nèi)，雖然時(shí)滯效應(yīng)曲線比丟包率曲線的波動(dòng)范圍大，但是平臺(tái)的時(shí)滯效應(yīng)始終在2.0 s 以內(nèi)，說(shuō)明基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化管理平臺(tái)在性能測(cè)試中，也可以滿足用戶的要求。

圖3 平臺(tái)性能測(cè)試結(jié)果Fig.3 Platform performance test results

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化管理平臺(tái)研究，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該平臺(tái)的功能和性能都可以滿足用戶的要求。 但是本文的研究還存在很多不足，在今后的研究中，希望可以將告警功能引入到平臺(tái)中，保證智慧城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的質(zhì)量。