借助物联网实现智慧城市：ALMANAC之路

### 通过物联网实现智慧城市：ALMANAC方法 #### 1. 引言 智慧城市倡导未来的环境，在这种环境中，传感器的普及、数据的传递和交换以及信息的整合能够更好地支持日常生活的各个方面。随着这一愿景的成熟，它涵盖了多个应用场景和采用视角，这就需要可扩展、普及、灵活且可复制的基础设施。 采用物联网（IoT）作为智慧城市的推动者具有挑战性。一方面，物联网技术被广泛认为是成功部署智慧城市的关键组成部分，它能够有效应对涉及大量异构设备和子系统通过各种网络互连的场景。另一方面，城市生活涉及人类、企业和行政实体，它们需要通过物联网技术基础设施进行有效合作。 为了在智慧城市场景中成功采用物联网，可通过以下方式实现： 1. 为智慧城市的特定需求量身定制物联网技术平台的合理设计。 2. 让智慧城市的参与者（如公共管理部门、社会社区和公用事业服务）尽早参与。 3. 明确实体之间交换数据的所有权和访问政策。 4. 让公民直接参与。 #### 2. 相关工作 近年来，研究界对于通过创新技术使城市变得更智能的必要性和实用性达成了相当明确的共识。许多研究围绕市场潜力、可能的架构、部署和实际应用路线图展开。然而，智慧城市仍然是一个非常活跃的研究领域，相关解决方案在智慧城市环境中充分展示其潜力仍面临困难。 工业界的大公司（如IBM、HP、BOSCH、西门子和思科）正在寻求智慧城市解决方案，通过连接城市事件和数据，可能利用集成云解决方案使城市变得更智能。 研究界也提出了多种方法来解决智慧城市设计和应用的不同方面。例如，Vilajosana等人提出了基于大数据利用的程序，通过应用编程接口（API）商店概念来推动智慧城市的发展；Bellini等人提出了一个用于数据摄取和智慧城市方面协调的系统。与这些方法相比，ALMANAC框架更侧重于联合智能城市平台（SCP）的实际实施。 目前还有一些研究项目正在研究智慧城市设计和采用的相关方面，如Smart Santander项目提供了城市规模的实验研究设施，Urban Water项目在西班牙阿尔梅里亚安装智能水表以提高水管理效率，Open IoT项目定义了物联网的开源云解决方案，Mobosens美国研究项目为公民提供了收集和共享环境数据的平台。 #### 3. ALMANAC平台 ALMANAC SCP收集、聚合和分析来自为实现智慧城市而部署的资源（如电器、传感器和执行器、智能电表等）的实时数据。选择了三个特定应用进行概念验证实施和评估，即废物管理、供水和公民参与。 ##### 3.1 架构概述 ALMANAC架构可沿功能轴和子系统轴进行描述。平台的子系统从上到下包括： - 基于云的API：作为外部（可能是第三方）应用程序访问ALMANAC平台的服务接入点，主要包括映射到平台功能的REST端点。 - 虚拟化层：协调平台模块以满足云API请求，支持智能城市资源和服务的搜索、查找和寻址。 - 语义表示框架：包含基于本体的更新后的智慧城市模型以及元数据管理框架，用于有效处理智慧城市资源的机器可理解元数据。 - 数据管理框架：处理实时数据的有效存储、处理和融合，并为平台中注册的资源提供目录服务。 - 抽象层：提供对物理资源的技术无关、统一的访问，并将实时和离线元数据映射到共享的标准表示形式。 - 安全框架：跨越所有层，提供服务和实用程序以确保平台模块之间的通信安全，检查访问权限并验证信息披露。 - 网络子系统：支持平台模块之间、不同平台之间以及平台与外部世界之间的有效通信。 ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(云API):::process --> B(虚拟化层):::process B --> C(语义表示框架):::process B --> D(数据管理框架):::process B --> E(抽象层):::process B --> F(安全框架):::process B --> G(网络子系统):::process E --> H(智能城市资源):::process ``` ##### 3.2 数据流 ALMANAC的主要信息源是构成智慧城市神经系统的异构传感网络。传感器捕获城市过程和状态的重要信息，并将其传递到ALMANAC平台。原始数据在传递过程中会经过一系列检查和修改，同时生成相应的元数据。 在SCRAL（智能城市资源抽象层）的上边界，注入平台的数据变得丰富且以共享、标准、统一和机器可理解的格式表示。丰富的数据通过多条并行路径流入平台： 1. 数据被平台存储管理器（SM）捕获，以实现数据的持久化。 2. 部分数据流入数据融合管理器，该管理器应用复杂事件处理操作符对传入数据流进行处理，生成新的数据，并将其路由到SM进行持久化。 3. 元数据信息流向资源目录组件，该组件负责维护当前连接的数据源及其相应元数据的目录。 在ALMANAC平台的最高架构层，丰富的数据和元数