廣域融合物聯(lián)網(wǎng)下的智慧城市建設(shè)分析

蔡芙蓉

（航天科工廣信智能技術(shù)有限公司）

1 引言

在疫情沖擊和我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)化內(nèi)需提升的背景下，智慧城市建設(shè)投資體量大幅增加，人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等科學(xué)技術(shù)手段在信息領(lǐng)域不斷進(jìn)步創(chuàng)新，加速了智慧城市建設(shè)的進(jìn)程。同時(shí)，智慧城市建設(shè)具有的數(shù)字經(jīng)濟(jì)特征使智能企業(yè)需要考慮使用創(chuàng)新技術(shù)產(chǎn)品對(duì)新應(yīng)用場(chǎng)景及新使用模式進(jìn)行構(gòu)建。

2 智慧城市建設(shè)技術(shù)

從廣義上講，智慧城市的別稱是智慧社會(huì)，可涵蓋廣闊范圍。智慧社會(huì)擁有多個(gè)行業(yè)及多個(gè)領(lǐng)域，包含個(gè)人、企業(yè)以及政府。社會(huì)應(yīng)用除了購(gòu)物消費(fèi)和家居生活外，還有教育醫(yī)療與公共安全等。從狹義上講，智慧城市即城市管理，是指政府職能有關(guān)領(lǐng)域，除公共安全和民生服務(wù)外，還有應(yīng)急管理和市政設(shè)施[1]。

在智慧城市頂層設(shè)計(jì)中，首先是場(chǎng)景層，其范圍除智慧生活、社區(qū)及醫(yī)療外，還有智慧園區(qū)、物流及工廠等。其次是數(shù)據(jù)層，其范圍除數(shù)據(jù)融合服務(wù)、城市服務(wù)平臺(tái)和城市大數(shù)據(jù)中心外，還有城市綜合指揮中心和城市公共計(jì)算及存儲(chǔ)服務(wù)中心等。最后是硬件層，可分為云、網(wǎng)、端三方面。云包括了邊緣計(jì)算、云邊協(xié)同以及云網(wǎng)協(xié)同。網(wǎng)包括了超高速光纖網(wǎng)、物聯(lián)專網(wǎng)以及5G無(wú)線寬帶。端包括了智能基礎(chǔ)設(shè)施與傳感節(jié)點(diǎn)以及智能終端。

智慧城市建設(shè)技術(shù)要求通過(guò)以移動(dòng)技術(shù)為代表的物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)全面感知、泛在互聯(lián)、普適計(jì)算與融合應(yīng)用。其中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合了射頻識(shí)別技術(shù)、激光掃描技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)以及紅外傳感技術(shù)等多種復(fù)雜技術(shù)，是一種復(fù)合型多功能智能化的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在智慧城市建設(shè)中有效運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可進(jìn)一步提高城市的整體服務(wù)水平。

3 廣域融合物聯(lián)網(wǎng)性能優(yōu)勢(shì)

為研究廣域融合物聯(lián)網(wǎng)性能優(yōu)勢(shì)，需先理解“廣域”和“融合”，就“廣域”而言，一方面，廣域指的是產(chǎn)業(yè)鏈的所有單位主體，除了投資方和咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院外，還有建設(shè)單位以及運(yùn)維單位。另一方面，廣域?yàn)槲锢韺用娴膹V域，是指智慧城市建設(shè)覆蓋的范圍很廣、體量很大、接入設(shè)備數(shù)量很多。對(duì)“融合”來(lái)說(shuō)，包括系統(tǒng)平臺(tái)融合與業(yè)務(wù)場(chǎng)景融合。

廣域融合是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力，在廣域融合物聯(lián)網(wǎng)中，覆蓋范圍、距離及對(duì)象均在逐漸增加，可融合運(yùn)用兩個(gè)系統(tǒng)，并非系統(tǒng)集成。無(wú)線通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中占據(jù)核心地位，維度可分為速率與距離。假如通信速率很快，有效距離很短。假如通信速率較慢，有效距離較長(zhǎng)[2]。

3.1 廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的抗干擾性、可靠性、安全性

選取WF-Iot、NB-Iot、ZigBee、LoRa、BlueTooth、Wi-Fi、移動(dòng)通信進(jìn)行比較。首先，在抗干擾能力方面進(jìn)行比較。就干擾而言，WF-IoT、NB-IoT、LoRa、BlueTooth、移動(dòng)通信技術(shù)不存在干擾，ZigBee存在干擾，Wi-Fi具有嚴(yán)重干擾。就抗干擾技術(shù)來(lái)說(shuō)，WF-IoT包括FDMA、FHSS、DTDMA、CSMA；NBIoT包括FDMA、TDMA；ZigBee為CSMA；LoRa包括FDMA、TDMA；BlueTooth為T(mén)DMA；Wi-Fi為CSMA；移 動(dòng) 通 信 包括FDMA、TDMA、CDMA、OFDMA。

其次，在通信可靠性方面進(jìn)行比較。WF-IoT可靠性超過(guò)99%、NB-IoT可靠性超過(guò)98%、ZigBee允許丟包、LoRa可靠性超過(guò)95%、BiueTooth可人工干預(yù)、Wi-Fi允許丟包、移動(dòng)通信可靠性超過(guò)98%。

最后，在數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)安全方面進(jìn)行比較。就發(fā)射而言，空中加密的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)包括WF-IoT、NBIoT、LoRa、移動(dòng)通信，不存在發(fā)射情況的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)包括ZigBee、BlueTooth、Wi-Fi。就接收而言，WFIoT、NB-IoT、ZigBee、LoRa、Wi-Fi、移動(dòng)通信均為終端鑒權(quán)，BlueTooth不存在接收情況。

通過(guò)比較，能夠發(fā)現(xiàn)廣域融合物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)除了傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率快以及抗干擾水平高外，還具有很高的通信可靠性以及網(wǎng)絡(luò)安全性。

3.2 廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在無(wú)線通信方面的優(yōu)勢(shì)

選取NB-IoT、LoRa、WF-IoT進(jìn)行比較，在技術(shù)屬性方面，NB-IoT源自國(guó)外，中國(guó)引領(lǐng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；LoRa源自國(guó)外，正在形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；WF-IoT源自國(guó)內(nèi)，充分自主可控。

在網(wǎng)絡(luò)類型方面，NB-IoT為授權(quán)網(wǎng)，運(yùn)營(yíng)商收費(fèi)；LoRa為非授權(quán)網(wǎng)，免費(fèi)；WF-IoT為非授權(quán)網(wǎng)，免費(fèi)。

在協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)方面，NB-IoT為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，LoRa為L(zhǎng)oRaWAN協(xié)議，WF-IoT為ALL協(xié)議。

在工作頻率方面，NB-IoT為B5頻段及B8頻段，即850MHz，900MHz；LoRa為470MHz至510MHz；WF-IoT為780MHz，2.45GHz。

在通信頻率方面，NB-IoT不超過(guò)40Kbit/s；LoRa為0.3Mbit/s至50Mbit/s；WF-IoT為250Kbit/s至2Mbit/s。

在通信距離方面，NB-IoT為終端至基站，達(dá)到15km；LoRa為終端至基站，城區(qū)是2km，郊區(qū)是20km；WF-IoT包括終端至終端和終端至基站，終端至終端的通信距離是80m到300m，終端至基站的通信距離超過(guò)20km。

在通信方式方面，NB-IoT及LoRa是點(diǎn)播，WFIoT包括點(diǎn)播、組播以及廣播。

在并發(fā)信道方面，NB-IoT為12個(gè)，LoRa為8個(gè)，WF-IoT超過(guò)3000個(gè)。

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞矫?，NB-IoT及LoRa是星形拓?fù)?，WF-IoT則是網(wǎng)格拓?fù)洹?/p>

在網(wǎng)絡(luò)容量方面，NB-IoT及LoRa是每個(gè)基站六萬(wàn)，WF-IoT則是每個(gè)子網(wǎng)六萬(wàn)。

在功耗等級(jí)方面，NB-IoT屬于低功耗，LoRa和WF-IoT屬于超低功耗。

在應(yīng)用場(chǎng)景方面，NB-Iot及LoRa均可運(yùn)用在小數(shù)據(jù)量和時(shí)延不夠敏感的需要場(chǎng)景，WF-IoT能夠運(yùn)用到大數(shù)據(jù)量和時(shí)延敏感需求場(chǎng)景中。

在比較廣域物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線通信性能后，能夠發(fā)現(xiàn)廣域融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有完全自主可控特點(diǎn)，其優(yōu)勢(shì)除了通信速率很高和并發(fā)信道較多外，還有終端至終端的通信距離很長(zhǎng)。由于智慧城市具有使用大數(shù)據(jù)量和時(shí)延敏感需要，廣域融合物聯(lián)網(wǎng)擁有很高的適用性。

4 將廣域融合物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用至智慧城市建設(shè)工作

4.1 廣域聯(lián)合物聯(lián)網(wǎng)在照明系統(tǒng)中的應(yīng)用

對(duì)城市物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，廣域融合物聯(lián)網(wǎng)照明系統(tǒng)的運(yùn)用表明照明技術(shù)得到升級(jí)，其升級(jí)過(guò)程如下。

1）照明節(jié)能階段

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選用節(jié)能燈具，就節(jié)能來(lái)說(shuō)，LED擁有顯著優(yōu)勢(shì)。

2）健康照明階段

LED特點(diǎn)除光源小巧與容易控制外，還有可以調(diào)節(jié)，功能除光健康與光保健外，還有光治療。

3）超越照明階段

此階段的燈具從它控升級(jí)到AI自控，完成由智能照明至智慧照明的升級(jí)，不僅能夠控制照明系統(tǒng)，而且能和其他系統(tǒng)完成互動(dòng)控制操作。

在廣域融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，其核心為國(guó)產(chǎn)WFIoT芯片和系列模組，唐芯系列芯片可以輕易達(dá)到融合運(yùn)用目的，功能除了開(kāi)關(guān)控制功能、色溫連續(xù)調(diào)節(jié)功能和狀態(tài)檢測(cè)功能外，還有亮度連續(xù)調(diào)節(jié)功能以及電壓電流計(jì)量功能。

使用廣域融合物聯(lián)網(wǎng)下的照明系統(tǒng)同樣可滿足照明產(chǎn)業(yè)升級(jí)需求。對(duì)LED產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，在增量發(fā)展之后，急需在廣域融合層面完成轉(zhuǎn)型升級(jí)和突破[3]。

就廣域融合物聯(lián)網(wǎng)的照明系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，此系統(tǒng)無(wú)論在經(jīng)濟(jì)意義與社會(huì)意義方面，都具有短期與長(zhǎng)期優(yōu)勢(shì)。

①照明系統(tǒng)除普遍運(yùn)用至城市和園區(qū)外，還廣泛使用在建筑中，不必再次搭建物聯(lián)網(wǎng)。

②在城市更新和已有建筑改造中實(shí)現(xiàn)無(wú)縫升級(jí)目標(biāo)，在新建建筑設(shè)計(jì)工作和新建建筑安裝工作中，無(wú)需改變方式。

③廣域融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和其余照明控制技術(shù)相比，在控制效果一致時(shí)，此技術(shù)擁有更低的造價(jià)。

④廣域融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有更加廣闊的控制范圍與更快的控制速度，能夠在終端上達(dá)到融合運(yùn)用目的。

⑤廣域融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在芯片模組及照明一體化結(jié)合方面表現(xiàn)很好，具備AI智慧照明功能。

⑥廣域融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，不僅能夠保障數(shù)據(jù)安全，還具有開(kāi)放平臺(tái)。

4.2 廣域聯(lián)合物聯(lián)網(wǎng)在建筑電氣系統(tǒng)的應(yīng)用

對(duì)建筑電氣技術(shù)來(lái)說(shuō)，廣域融合是其主要發(fā)展趨勢(shì)，廣域融合范圍除了一次二次融合、硬件軟件融合及有線無(wú)線融合外，還有單點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)融合、軟件平臺(tái)融合及平臺(tái)AI融合。

對(duì)建筑電氣系統(tǒng)廣域融合來(lái)說(shuō)，其發(fā)展過(guò)程包括以下階段：首先是廣域融合1.0階段，在模擬技術(shù)和硬線連接基礎(chǔ)上融合；其次是廣域融合2.0階段，在總線技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行廣域融合；最后是廣域融合3.0階段，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行廣域融合[4]。

舉例說(shuō)明，在電梯增加電動(dòng)車禁入系統(tǒng)中，各方案如下：首先是傳統(tǒng)方案，利用增加物理隔斷方式達(dá)到物理阻擋電動(dòng)車目的，此方案擁有許多弊端；其次是智能方案，利用增加光幕方式達(dá)到識(shí)別電動(dòng)車目的，與門(mén)禁控制和電梯集控系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，此方案效果較差；最后是智慧方案，利用AI攝像頭軟件達(dá)到準(zhǔn)確識(shí)別電動(dòng)車和使用人員數(shù)據(jù)目的，對(duì)通道應(yīng)急處理流程進(jìn)行控制，可監(jiān)視電梯能否在正常狀態(tài)下運(yùn)行。

在廣域融合組網(wǎng)拓?fù)渲校髯泳W(wǎng)組成除物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)及物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)外，還有協(xié)議集成器與控制器等。各子網(wǎng)在網(wǎng)關(guān)作用下，利用有線和無(wú)線再次連接。

對(duì)廣域融合運(yùn)用來(lái)說(shuō)，廣域融合會(huì)運(yùn)用WF-IoT節(jié)點(diǎn)，讓異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)輕易完成融合與集成工作，使系統(tǒng)復(fù)雜程度有所下降。任意節(jié)點(diǎn)均有一定幾率為中心，達(dá)到萬(wàn)物直接互聯(lián)目的。廣域融合使系統(tǒng)變得更加可靠，假如某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，不會(huì)影響系統(tǒng)其他區(qū)域。廣域融合讓事件響應(yīng)效率有所提升，使系統(tǒng)運(yùn)用范圍得到拓展。

5 結(jié)語(yǔ)

在“十四五”規(guī)劃綱要中，要求將智慧城市建設(shè)使用數(shù)字化形式推動(dòng)城市發(fā)展以及治理模式的創(chuàng)新，使智慧城市運(yùn)行效率以及宜居程度得到全方位提升，智慧城市建設(shè)工作將迎來(lái)全新篇章。對(duì)智慧城市建設(shè)來(lái)說(shuō)，廣域融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可發(fā)揮關(guān)鍵作用，但是此技術(shù)的推廣應(yīng)用還有很大進(jìn)步空間，不僅需要設(shè)計(jì)院配合，還需要工程商及廠家合作，以達(dá)到產(chǎn)業(yè)鏈廣域融合目的，更加深入推進(jìn)智慧城市發(fā)展建設(shè)。