吳忠孝，林玲菊，蘇 剛，陳友忠

（浙江意博高科技術(shù)有限公司，浙江 杭州 311100）

0 引言

隨著我國(guó)智慧城市建設(shè)進(jìn)入爆發(fā)式增長(zhǎng)階段，各個(gè)城市都在開展新型智慧城市頂層設(shè)計(jì)。從項(xiàng)目落地性、成果實(shí)用性、技術(shù)轉(zhuǎn)化生產(chǎn)力角度來看，智慧燈桿逐漸成為城市信息化基礎(chǔ)設(shè)施的重要部分，是目前乃至未來數(shù)字化、智慧化城市建設(shè)的典型切入點(diǎn)。傳統(tǒng)路燈改造提高城市能源利用率，而基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧燈桿建設(shè)利用感知設(shè)備捕獲更多城市道路空間信息，是智慧城市上層智能應(yīng)用的重要信息來源。

智慧燈桿建設(shè)面臨的主要問題是，在將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息化手段引入智慧燈桿建設(shè)之后，不僅要對(duì)智慧燈桿掛載的所有設(shè)備進(jìn)行集中管理和控制，也需要支持和兼容多行業(yè)多用途設(shè)備的通信和傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)高效便捷的設(shè)備對(duì)接、數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，還必須考慮基礎(chǔ)感知數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、運(yùn)維數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)管理，故亟需構(gòu)建一套滿足智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施管理的平臺(tái)。

1 城市基礎(chǔ)設(shè)施感知信息采集和應(yīng)用系統(tǒng)

基于路燈物聯(lián)網(wǎng)的城市基礎(chǔ)設(shè)施感知信息采集和應(yīng)用系統(tǒng)由三部分組成，即基于多功能桿的多元傳感終端、物聯(lián)通信網(wǎng)、云服務(wù)管理平臺(tái)。基于智慧燈桿的城市基礎(chǔ)設(shè)施感知平臺(tái)是其承上啟下的核心，可支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議適配，實(shí)現(xiàn)各種傳感器數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、管理、統(tǒng)計(jì)分析等功能，并提供開放式的接口，為未來更多的傳感終端的應(yīng)用接入提供預(yù)留方案。對(duì)于智慧城市的各類頂層應(yīng)用，一方面依托城市基礎(chǔ)設(shè)施感知平臺(tái)進(jìn)行管理，另一方面又作為平臺(tái)的數(shù)據(jù)資源補(bǔ)充，使平臺(tái)數(shù)據(jù)更加豐富，并可提供給授權(quán)的用戶使用。如圖1所示為城市基礎(chǔ)設(shè)施感知信息采集和應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖1 城市基礎(chǔ)設(shè)施感知信息采集和應(yīng)用系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFigure 1 Network topology of city-level street light IoT and urban infrastructure perception collection and application system

感知層：部署終端基礎(chǔ)硬件傳感設(shè)備，遵循統(tǒng)一的部署接入標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行智能化控制信息的接收和傳遞。

網(wǎng)絡(luò)層：本地網(wǎng)絡(luò)包括ZigBee、6LoWPAN、RS232和RS485等；廣域網(wǎng)絡(luò)包括4G/5G、NBIoT、Cat1、RJ45和光纖等。本地設(shè)備可以通過本地網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，再通過廣域網(wǎng)連接到云平臺(tái)層。

云平臺(tái)層：通過多模態(tài)融合、數(shù)字孿生技術(shù)及分布式大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的時(shí)空數(shù)據(jù)，形成中臺(tái)一張圖，為應(yīng)用及擴(kuò)展提供支撐。

應(yīng)用層：基于平臺(tái)層數(shù)據(jù)融合的開放式垂直行業(yè)應(yīng)用。

2 基于智慧燈桿的城市基礎(chǔ)設(shè)施感知平臺(tái)框架設(shè)計(jì)

基于智慧燈桿的城市基礎(chǔ)設(shè)施感知平臺(tái)由物聯(lián)網(wǎng)層、業(yè)務(wù)后臺(tái)及數(shù)據(jù)中心組成，整體框架設(shè)計(jì)原則如下：

第一，業(yè)務(wù)后臺(tái)進(jìn)行了業(yè)務(wù)隔離設(shè)計(jì)，方便一套系統(tǒng)支撐不同的業(yè)務(wù)類型和便于定制化擴(kuò)展。

第二，前后端分離，通過服務(wù)接入層進(jìn)行路由適配轉(zhuǎn)發(fā)。

第三，天然的分庫分表、消息解耦和分布式緩存設(shè)計(jì)，支持彈性擴(kuò)容，以滿足平臺(tái)大數(shù)據(jù)高并發(fā)場(chǎng)景。

按以上原則，將平臺(tái)分為4個(gè)層次：物聯(lián)網(wǎng)層（數(shù)據(jù)監(jiān)聽、協(xié)議解析、設(shè)備管理）、業(yè)務(wù)后臺(tái)、數(shù)據(jù)中心及應(yīng)用層。如圖2所示為基于智慧燈桿的城市基礎(chǔ)設(shè)施感知平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)。

圖2 基于智慧燈桿的城市基礎(chǔ)設(shè)施感知平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)Figure 2 Framework structure of urban infrastructure perception platform based on smart light poles

2.1 物聯(lián)網(wǎng)層

物聯(lián)網(wǎng)層為設(shè)備提供安全可靠的通信連接能力，向下連接海量設(shè)備，支撐設(shè)備數(shù)據(jù)采集上云，主要提供了設(shè)備接入、設(shè)備管理、規(guī)則引擎等能力。具體框架如圖3所示。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)層框架圖Figure 3 IoT layer framework diagram

2.1.1 物聯(lián)網(wǎng)層架構(gòu)

（1）設(shè)備接入

物聯(lián)層支持海量終端設(shè)備直接接入，通過網(wǎng)關(guān)接入以及通過第三方平臺(tái)API（Application Programming Interface）接入，支持多網(wǎng)絡(luò)接入、多協(xié)議接入、系列化Agent接入，也提供了更豐富完善的設(shè)備管理能力，簡(jiǎn)化海量設(shè)備管理復(fù)雜性，節(jié)省人工操作，提升管理效率。

設(shè)備接入引導(dǎo)：提供蜂窩（2G、3G、4G、5G）、NB-loT、Wi-Fi、光纖等不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入方案，解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下設(shè)備接入管理的痛點(diǎn)。

（2）設(shè)備管理

物聯(lián)網(wǎng)層可提供完整的設(shè)備生命周期管理，支持設(shè)備注冊(cè)、產(chǎn)品定義、數(shù)據(jù)解析、在線調(diào)試、遠(yuǎn)程配置、OTA（Over The Air）升級(jí)、實(shí)時(shí)監(jiān)控、設(shè)備分組、設(shè)備刪除等功能；提供設(shè)備物模型及影子緩存機(jī)制，將設(shè)備與應(yīng)用解耦，為3D數(shù)字孿生提供支撐。

（3）數(shù)據(jù)分析

基于物聯(lián)網(wǎng)資產(chǎn)模型，整合物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)清洗、存儲(chǔ)、分析、可視化功能，支撐整個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施感知平臺(tái)應(yīng)用層開發(fā)。

（4）負(fù)載、壓力測(cè)試技術(shù)

在不同服務(wù)器上安裝不同軟件，如何正確評(píng)估資源（CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)、硬盤空間）是否滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，需要我們對(duì)不同類型的服務(wù)器進(jìn)行負(fù)載、壓力測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整服務(wù)器各項(xiàng)配備資源，最終在保證系統(tǒng)高效運(yùn)行的同時(shí)充分利用資源。

（5）負(fù)載均衡

負(fù)載均衡是高可用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的關(guān)鍵組件，通常用于將工作負(fù)載分布到多個(gè)服務(wù)器來提高網(wǎng)站、應(yīng)用、數(shù)據(jù)庫或其他服務(wù)的性能和可靠性。本平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，通過Nginx使用加權(quán)隨機(jī)法將工作任務(wù)分?jǐn)偟讲渴鸬亩鄠€(gè)處理單元，從而提高并發(fā)處理能力。

2.1.2 設(shè)備接入流程

設(shè)備接入流程如圖4所示。主要包括開發(fā)和上傳協(xié)議包、創(chuàng)建產(chǎn)品信息、添加設(shè)備、創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)組件、創(chuàng)建設(shè)備接入網(wǎng)關(guān)、收發(fā)報(bào)文和調(diào)用協(xié)議包編解碼。

圖4 設(shè)備接入流程圖Figure 4 Device access flow chart

2.1.3 設(shè)備對(duì)接時(shí)序流程

網(wǎng)關(guān)連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)后，將拓?fù)潢P(guān)系同步至云端，代理子設(shè)備進(jìn)行設(shè)備認(rèn)證、消息上傳、指令接收等與物聯(lián)網(wǎng)層的通信。如圖5所示為設(shè)備對(duì)接時(shí)序流程圖。

圖5 設(shè)備接入時(shí)序圖Figure 5 Device access sequence diagram

2.2 業(yè)務(wù)后臺(tái)層

業(yè)務(wù)后臺(tái)通過Web Service標(biāo)準(zhǔn)接口提供服務(wù)。通過Web Service標(biāo)準(zhǔn)（包括HTTP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、XML數(shù)據(jù)封裝、SOAP封包協(xié)議），為系統(tǒng)集成提供了強(qiáng)大的兼容性和可擴(kuò)展性。全鏈路應(yīng)用監(jiān)控為應(yīng)用端提供集鏈路追蹤、應(yīng)用性能和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)控于一體的立體化監(jiān)控系統(tǒng)。

后臺(tái)業(yè)務(wù)是整個(gè)平臺(tái)的系統(tǒng)運(yùn)行中心，涉及到用戶權(quán)限、系統(tǒng)參數(shù)管理、報(bào)警管理、GIS（Geographic Information System）地圖管理、子系統(tǒng)管理、場(chǎng)景關(guān)聯(lián)管理、API接口服務(wù)等。對(duì)后臺(tái)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的封裝，讓前臺(tái)能使用各項(xiàng)服務(wù)而不需要單獨(dú)設(shè)計(jì)通道。業(yè)務(wù)后臺(tái)模塊實(shí)現(xiàn)了后端業(yè)務(wù)資源到前臺(tái)易用能力的轉(zhuǎn)化，業(yè)務(wù)后臺(tái)層框架具體劃分如圖6所示。

圖6 業(yè)務(wù)后臺(tái)層框架圖Figure 6 Framework diagram of business background layer

本感知平臺(tái)采用前后端分離設(shè)計(jì)，前端頁面邏輯和后端微服務(wù)業(yè)務(wù)邏輯獨(dú)立開發(fā)、獨(dú)立部署，通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)前后端集成。前臺(tái)應(yīng)用接入后臺(tái)微服務(wù)的技術(shù)組件是API網(wǎng)關(guān)。API網(wǎng)關(guān)主要包括鑒權(quán)、信息管理、數(shù)據(jù)操作、降級(jí)限流、流量分析、負(fù)載均衡、服務(wù)路由和訪問日志等功能，實(shí)現(xiàn)前后端安全分離、高效的系統(tǒng)集成和精細(xì)的服務(wù)監(jiān)控。

2.3 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心從物聯(lián)網(wǎng)層及業(yè)務(wù)后臺(tái)將數(shù)據(jù)導(dǎo)入，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算、產(chǎn)品化包裝過程，構(gòu)成核心數(shù)據(jù)能力。數(shù)據(jù)中心的具體功能結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)中心功能結(jié)構(gòu)圖Figure 7 Functional structure diagram of data center

2.3.1 技術(shù)架構(gòu)

從數(shù)據(jù)中心的技術(shù)架構(gòu)上分析，其由多個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器、一個(gè)數(shù)據(jù)管理服務(wù)器及一個(gè)MySQL Router組成。如圖8所示為數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

如圖8所示，數(shù)據(jù)中心的最上層是數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)管理服務(wù)器，其實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)多維度查詢、數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)篩選及數(shù)據(jù)第一級(jí)路由管理等，是底層存儲(chǔ)計(jì)算平臺(tái)與上層的數(shù)據(jù)應(yīng)用之間的轉(zhuǎn)發(fā)中心；根據(jù)應(yīng)用端數(shù)據(jù)形態(tài)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到不同數(shù)據(jù)庫，主要由MongoDB、Redis及MySQL三種數(shù)據(jù)庫組成。具體分工如下：

圖8 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFigure 8 Data center network topology

第一，MongoDB用于存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)日志、操作記錄、報(bào)警記錄、電量信息，用戶信息、訂單信息及一些不那么重要的數(shù)據(jù)。

第二，Redis作為內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，將一些隨時(shí)要用到的信息從MySQL及MongoDB數(shù)據(jù)庫中讀取后隨時(shí)供應(yīng)用服務(wù)調(diào)用及修改，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

第三，MySQL作為業(yè)務(wù)庫，存儲(chǔ)一些業(yè)務(wù)關(guān)鍵指標(biāo)和關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的數(shù)據(jù)，為了提高運(yùn)行效率，做了讀寫分離。

2.3.2 數(shù)據(jù)庫涉及技術(shù)

根據(jù)業(yè)務(wù)情況，本平臺(tái)中使用MySQL Router對(duì)MySQL管理，滿足整體業(yè)務(wù)需求，具體實(shí)現(xiàn)功能如下：

（1）負(fù)載均衡處理

MySQL是一主一從的配置，只要將讀請(qǐng)求發(fā)送到配置好的讀端口，請(qǐng)求會(huì)被輪詢發(fā)送到兩個(gè)MySQL服務(wù)器，從而達(dá)到讀負(fù)載均衡的目的。對(duì)于讀寫負(fù)載均衡，則需要配置雙主復(fù)制，然后將兩個(gè)MySQL服務(wù)器都放到read-only下，兩臺(tái)MySQL服務(wù)器形成互為主從的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。雖然叫readonly模式，但這只是指出路由方式為“輪詢”，兩個(gè)服務(wù)器會(huì)以輪詢方式進(jìn)行讀寫，也就實(shí)現(xiàn)了最簡(jiǎn)單的讀寫負(fù)載均衡。

（2）讀寫分離

MySQL在一主一從的配置中，只要將寫請(qǐng)求發(fā)送到寫端口，讀請(qǐng)求讀端口，就可實(shí)現(xiàn)讀寫分離。正常情況下，master接收寫請(qǐng)求，master和slave接收讀請(qǐng)求。如果master宕機(jī)，所有讀寫請(qǐng)求都切換到slave一臺(tái)服務(wù)器上。

（3）數(shù)據(jù)容災(zāi)

本方案中增加了數(shù)據(jù)容災(zāi)功能室，可通過多個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器作為數(shù)據(jù)中心的備份中心，為數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一、安全的備份，與主數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)同步。當(dāng)數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)問題時(shí)，容災(zāi)中心第一時(shí)間進(jìn)行服務(wù)恢復(fù)。因此，災(zāi)備中心建設(shè)與主數(shù)據(jù)中心建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)一致。

（4）分布存儲(chǔ)技術(shù)

城市基礎(chǔ)設(shè)施感知平臺(tái)數(shù)據(jù)分布到大量服務(wù)器集群，可以為大量用戶提供不同服務(wù)，存儲(chǔ)大量的小文件。平臺(tái)采用分布式存儲(chǔ)的方式存儲(chǔ)海量地理信息數(shù)據(jù)，將小文件合并為大的文件。建立兩類文件系統(tǒng)：一是數(shù)據(jù)文件，保存文件數(shù)據(jù)；二是索引文件，保存文件的索引信息。同時(shí)，用冗余存儲(chǔ)的方式保證數(shù)據(jù)的可靠性。

2.4 應(yīng)用層

2.4.1 應(yīng)用層配置結(jié)構(gòu)

應(yīng)用層基于微服務(wù)架構(gòu)、Docker容器技術(shù)及分布式部署技術(shù)，保證平臺(tái)的訪問量及穩(wěn)定性。其訪問大致路徑為：外部請(qǐng)求→負(fù)載均衡→服務(wù)網(wǎng)關(guān)（GateWay）→微服務(wù)→數(shù)據(jù)服務(wù)/消息服務(wù)。服務(wù)網(wǎng)關(guān)和微服務(wù)都會(huì)用到服務(wù)注冊(cè)和發(fā)現(xiàn)來調(diào)用依賴的其他服務(wù)，各服務(wù)集群都能通過配置中心服務(wù)來獲得配置信息。應(yīng)用層的配置結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 應(yīng)用層配置結(jié)構(gòu)圖Figure 9 Application layer configuration structure diagram

2.4.2 應(yīng)用層的主要功能

應(yīng)用層界面主要由子系統(tǒng)頁面、基礎(chǔ)設(shè)置頁面、報(bào)警及派單頁面和電量頁面組成。應(yīng)用層的主要功能如圖10所示。

圖10 應(yīng)用層主要功能圖示Figure 10 Diagram of the main functions of the application layer

（1）基礎(chǔ)管理

基于智慧燈桿的城市基礎(chǔ)設(shè)施感知平臺(tái)上所有的基礎(chǔ)參數(shù)都在此應(yīng)用中統(tǒng)一設(shè)置。在大類上可分為基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置、資產(chǎn)管理、區(qū)域管理及部門單位管理?；A(chǔ)參數(shù)包含前端顯示參數(shù)、地圖參數(shù)、保存參數(shù)、子系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)。資產(chǎn)管理主要是對(duì)管理的所有設(shè)備資產(chǎn)進(jìn)行增刪改查和歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等。區(qū)域管理將所有數(shù)據(jù)及參數(shù)都按項(xiàng)目的區(qū)域級(jí)別來劃分。部門單位管理包含設(shè)備的所屬單位、維修單位及上級(jí)管理機(jī)構(gòu)管理。這些參數(shù)關(guān)系到每個(gè)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，可統(tǒng)籌全局之用。

（2）報(bào)警派單管理

設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及信息反饋的及時(shí)性和報(bào)警派單管理的有效性密切相關(guān)。在本系統(tǒng)平臺(tái)內(nèi)，報(bào)警內(nèi)容統(tǒng)一展示、管理及分發(fā)，對(duì)系統(tǒng)整體運(yùn)行情況有比較全面的了解。同時(shí)，相對(duì)應(yīng)的工單管理也在此模塊處理。

（3）用戶管理

用戶管理是對(duì)平臺(tái)里所有的用戶進(jìn)行增刪改查以及對(duì)用戶的權(quán)限、時(shí)效及范圍進(jìn)行界定。同時(shí)對(duì)用戶關(guān)聯(lián)的登錄設(shè)備及登錄情況進(jìn)行記錄，保證系統(tǒng)的安全性。

（4）電量管理

智慧燈桿上所有設(shè)備都會(huì)做計(jì)量和策略運(yùn)行管理，按年、月、日將每個(gè)設(shè)備的電量記錄下來。并對(duì)設(shè)備的電量情況進(jìn)行分析，提高管理單位的設(shè)備管理效率。

（5）子系統(tǒng)介紹

子系統(tǒng)能夠?qū)⒅腔壅彰飨到y(tǒng)、智慧感知系統(tǒng)、信息發(fā)布系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、一鍵呼叫系統(tǒng)、數(shù)字廣播系統(tǒng)、充電管理系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)及一張圖系統(tǒng)融合在一起，從原來的靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹腔蹌?dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，為智慧城市建設(shè)提供全方位、全時(shí)空且具有交互功能的信息源。

第一，智慧照明:支持遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)（包括電流、電壓、功率、功率因數(shù)等電氣參數(shù)及開關(guān)狀態(tài)、亮度等數(shù)據(jù)）、自動(dòng)告警管理、節(jié)能管理（基于時(shí)間/地點(diǎn)/場(chǎng)合的實(shí)時(shí)與定時(shí)控制、基于光線/事件等的AI控制）、能耗統(tǒng)計(jì)等功能。

第二，視頻監(jiān)控:支持實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)焦轉(zhuǎn)位、圖像記錄、應(yīng)用聯(lián)動(dòng)（抓拍等）、歷史回放等功能。

第三，信息發(fā)布：支持遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、自動(dòng)告警管理、異常告警聯(lián)動(dòng)、發(fā)布管理（內(nèi)容管理、發(fā)布策略管理）、統(tǒng)計(jì)分析等功能。

第四，數(shù)字廣播：支持遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、自動(dòng)告警管理、異常告警聯(lián)動(dòng)、播放管理（音頻管理、播放策略管理）、統(tǒng)計(jì)分析等功能。

第五，一鍵呼叫:支持遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、自動(dòng)告警管理、雙向?qū)χv、報(bào)警聯(lián)動(dòng)（如路燈聯(lián)動(dòng)、視頻聯(lián)動(dòng)、廣播聯(lián)動(dòng)、信息發(fā)布屏聯(lián)動(dòng)、人員聯(lián)動(dòng)等）、異常告警聯(lián)動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析等功能。

第六，WIFI熱點(diǎn)：支持遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、自動(dòng)告警管理、異常告警聯(lián)動(dòng)、廣告管理、人流量分析、統(tǒng)計(jì)分析等功能。

第七，信息查詢屏/環(huán)境監(jiān)測(cè)/積水監(jiān)測(cè)/充電管理/智慧井蓋/智慧垃圾桶/智慧停車/智慧管道：支持遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、自動(dòng)告警管理、異常告警聯(lián)動(dòng)、統(tǒng)計(jì)分析等功能。

如圖11所示為智慧城市信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施綜合展示界面，平臺(tái)管理范圍內(nèi)的子系統(tǒng)設(shè)備的電量、設(shè)備數(shù)量、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)通過圖表等可視化手段進(jìn)行綜合展示，反映出區(qū)域內(nèi)智慧路燈上所有子系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行態(tài)勢(shì)，提供決策支撐。

圖11 綜合展示界面Figure11 Comprehensive display interface

2.4.3 應(yīng)用層涉及的關(guān)鍵技術(shù)

（1）3S技術(shù)

采用圖片引擎技術(shù)快速訪問地圖，采用地理編碼技術(shù)獲取地址匹配服務(wù)，采用網(wǎng)格的定位、三維建模等3S技術(shù)，即遙感（Remote Sensing）、全球定位系統(tǒng)GPS（Global Position System）和地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System）實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶的地理信息數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)的快速響應(yīng)。

（2）負(fù)載均衡

負(fù)載均衡是高可用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的關(guān)鍵組件。本平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)通過Nginx使用加權(quán)隨機(jī)法將工作任務(wù)分?jǐn)偟蕉鄠€(gè)部署的處理單元，從而提高并發(fā)處理能力。

（3）微服務(wù)架構(gòu)

微服務(wù)架構(gòu)能夠?qū)⑿⌒酮?dú)立服務(wù)組成一個(gè)整體應(yīng)用，各個(gè)組成部分之間是松耦合的，復(fù)雜性低，各個(gè)部分可以獨(dú)立部署、修復(fù)bug，引入新特性更容易，能夠獨(dú)立擴(kuò)展，不同技術(shù)棧之間可以使用不同框架、不同版本庫甚至不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)。本系統(tǒng)使用Swoft高性能PHP微服務(wù)框架來完成對(duì)平臺(tái)的微服務(wù)實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

系統(tǒng)安全重點(diǎn)是建立有效的檢測(cè)與監(jiān)控機(jī)制，以保護(hù)系統(tǒng)資源，防止非法訪問和惡意攻擊，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫的安全漏洞，有效抵抗黑客攻擊，保證系統(tǒng)及數(shù)據(jù)安全。

3.1 操作安全設(shè)計(jì)

為了增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性，本平臺(tái)采用了嚴(yán)格的安全管理措施。

第一，身份鑒別：平臺(tái)上定義了4個(gè)級(jí)別的用戶角色——超級(jí)管理員、項(xiàng)目超級(jí)管理員、項(xiàng)目管理員、項(xiàng)目觀察員，每種角色都有自己獨(dú)立的操作權(quán)限和用戶界面。

第二，訪問控制：用戶登錄系統(tǒng)后只能完成權(quán)限允許的操作和查看權(quán)限內(nèi)的數(shù)據(jù)。

第三，操作日志：用戶登錄系統(tǒng)后的所有操作都有日志記錄，并永久保存，以便追溯問題和明確責(zé)任。

第四，通信安全：為了保證通信數(shù)據(jù)的完整性和安全性，在保存和傳輸數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)加密。比如設(shè)備網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器之間使用國(guó)標(biāo)SM2加密算法。前端訪問使用Https、SSL方式訪問，基于TLS、DTLS、DTLS+加密協(xié)議，提供安全的傳輸通道。

第五，設(shè)備安全：使用設(shè)備身份碼安全認(rèn)證機(jī)制，防止設(shè)備非法接入。

3.2 數(shù)據(jù)安全設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)安全對(duì)本平臺(tái)來說尤其重要，因?yàn)橛写罅康臄?shù)據(jù)在廣域網(wǎng)線路上傳輸，存在被非法竊取、篡改風(fēng)險(xiǎn)。本平臺(tái)主要從3個(gè)維度解決數(shù)據(jù)安全問題：

第一，存儲(chǔ)安全:使用分布式存儲(chǔ)技術(shù)，保證存儲(chǔ)可靠性；使用數(shù)據(jù)容災(zāi)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)和定時(shí)備份。

第二，傳輸安全：重要的信息在保存到文件或者數(shù)據(jù)庫前進(jìn)行加密，使用MD5配合DES對(duì)數(shù)據(jù)加密。

第三，存儲(chǔ)容災(zāi)保護(hù)，采用底層存儲(chǔ)備份技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)的本地或異地容災(zāi)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)

對(duì)平臺(tái)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理的網(wǎng)絡(luò)安全域劃分，對(duì)各個(gè)服務(wù)器及虛擬機(jī)之間的訪問需要進(jìn)行身份識(shí)別相互認(rèn)證；配合防火墻、VLAN劃分、入侵防御、防病毒、URL地址過濾等安全措施，進(jìn)行全面的安全防護(hù)，以建立安全、可靠的運(yùn)行環(huán)境。

4 擴(kuò)展接口

第三方接口主要分為用戶登錄權(quán)限接口、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取接口、基礎(chǔ)操作獲取接口及高級(jí)數(shù)據(jù)分析結(jié)果接口，簡(jiǎn)要介紹如下。

4.1 通用接口說明

4.1.1 接口說明

通用參數(shù)：包括token（令牌），放在HTTP的header頭里面；

響應(yīng)參數(shù)：code（錯(cuò)誤代碼，0代表請(qǐng)求正常，非0代表錯(cuò)誤，9000代表token過期，1000代表重新鑒權(quán)登錄），message（信息說明）；

列表接口會(huì)返回列表統(tǒng)計(jì)信息。

所有以POST方法請(qǐng)求的接口參數(shù)都以表單（form-data）進(jìn)行傳參。GET方法請(qǐng)求非特殊說明以query方式傳參。delete方法請(qǐng)求非特殊說明以表單進(jìn)行傳參。

完整請(qǐng)求路徑：ip端口號(hào)/項(xiàng)目路徑/請(qǐng)求地址。

4.1.2 鑒權(quán)接口

請(qǐng)求地址：/app/api/auth；請(qǐng)求方式：post。請(qǐng)求參數(shù)見表1。

表1 鑒權(quán)接口請(qǐng)求參數(shù)Table 1 Authentication interface request parameters

具體響應(yīng)示例如下：

4.1.3 刷新令牌

請(qǐng)求地址：/app/api/auth；請(qǐng)求方法：get。請(qǐng)求參數(shù)見表2所示。

表2 刷新令牌請(qǐng)求參數(shù)Table 2 Refresh token request parameters

具體的響應(yīng)示例如下。但需要注意的是，非特殊注明，調(diào)用其他接口時(shí)，header頭帶上token參數(shù)。

響應(yīng)示例：

4.1.4 模塊類型說明

主要包括：light-智慧路燈、tvideo-交通監(jiān)控、wifi-wifi熱點(diǎn)、charge-充電樁、pvideo-公安監(jiān)控、hydrops-積水監(jiān)測(cè)、led-LED廣告屏、cover-智慧井蓋、pip-智慧管道、sensor-環(huán)境感知、alarm-一鍵呼叫、infosearch-信息查詢、digital-數(shù)字廣播、parking-智慧停車、trash-智能垃圾桶、smartbox-智能路由、pdu-電源控制器、dehumidity-智能除濕、tilt-智能傾斜、ielbox-智能電氣箱。

5 結(jié)語

本文討論了基于智慧燈桿的城市基礎(chǔ)設(shè)施感知平臺(tái)架構(gòu)和主要功能。該平臺(tái)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、短距離Mesh通信技術(shù)、云計(jì)算引入到智慧燈桿建設(shè)中，有力推進(jìn)了智慧城市的發(fā)展和進(jìn)步。道路建設(shè)管理也進(jìn)入到了萬物互聯(lián)的智慧管控時(shí)代：可以利用物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息共享，準(zhǔn)確定位設(shè)備故障報(bào)警位置，實(shí)時(shí)調(diào)控現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行策略，提高運(yùn)維效率，優(yōu)化各類設(shè)備器材的部署，提高資源利用率，減少浪費(fèi)，進(jìn)一步提高管理水平，為建立城市級(jí)別的城市云做了預(yù)研。