智慧城市離不開的四層數據“架構”

作者：CHANDRASHEKHAR DESHPANDE

譯者：張新慧

原文地址： What are the 4 layers of data “architecture” needed for smart cities?

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智慧城市中的智慧水資源/能源/交通/建筑管理等均是通過一個中央系統建立起來的。遍布城市的傳感器網通過感測物理環境中的活動將數據饋送到該集中式系統或中央控制中心。在控制中心，數據被處理和存儲為有意義的信息。這一信息由城市政府各部門共享，為各部門協調和科學決策提供數據依據。

聽起來很簡單，對吧？但操作起來絕非易事。

建設可持續、高效能的智慧城市面臨的最大挑戰便是將不同設備、技術和現存通信技術設施整合為一個有機整體。

智能城市的信息通信技術（ICT）架構有4層：傳感層、通信層、數據層和服務層。

第一層：傳感層

傳感層擁有遍布城市各個角落的IoT節點，負責收集物理環境下各類活動的數據。一個IoT節點由傳感器、微芯片、電源供應和網絡組成，根據運行條件分為兩類：

• 限制性節點：在低功率環境下運行，處理能力和數據傳送速率較弱。
• 非限制性節點：能量功耗、處理速度和數據傳送速率均無運行限制

節點根據運行環境和條件可自由切換于限制性和非限制性之間。舉個例子：一個近距離傳感器節點放在小型辦公樓停車場里，則為限制性；放在大型停車場里，則為非限制性。

IoT節點通過傳感器感應周圍環境，將數據經數據層送往數據中心。數據交換時，非限制性節點以可擴展標示語言 (XML)格式發送數據，該格式由于傳輸數據解析復雜耗時，不適用于限制性節點。除此之外，XML的文本性質也不適用于CPU受限的節點。

為解決這一問題，萬維網聯盟(W3C)發布了高效XML交換(EXI)格式，由此一來，限制性檢點就可以通過使用XML兼容的開放數據格式來實現本地支持和信息產出。

EXI有兩種編碼方式：

• 模式未知編碼：XML數據直接編碼，然后由EXI處理器解碼，無需提前知曉被編碼數據；
• 模式已知編碼：編碼/解碼開始前，XML模式共享給兩個EXI處理器。共享的模式允許EXI處理器為XML標簽發放數字標識符，在此編碼基礎上構建EXI語法。

模式已知的EXI處理器可實現任何限制性IoT節點的無縫整合，由此一來限制性IoT節點不僅可讀取EXO格式，還可切換為多功能IoT節點。

第二層：通信層

每個智能城市系統都有10億個IoT節點，分布在整個城。提供128位地址的IPv6幫助實現了這一點。

但IPv6（給IoT節點分配地址）不適用于受限設備，所以采用6LoWPAN（低功率個人局域網）。

IPv6和6LoWPAN的無縫切換離不開連接在6LoWPAN網絡上的橋接路由器。橋接路由器將某個節點的IPv6數據包轉換為6LoWPAN，反之亦然。

由于大量的IoT節點分布在一個城市，因此建立需要一種可靠的通信技術，覆蓋廣闊的地理區域并且可以處理大量的數據流量。單一的通信技術無法兼顧限制性和非限制性節點，于是對于非限制性節點使用WiFi，光纖、以太網、寬頻電力線等傳統的LAN、MAN和WAN通信技術，以及UMTS和LTE等移動通信技術。這些技術可靠度高，傳輸速率快、延遲時間短。

另外，限制性節點的傳輸速率小于每秒1兆比特(1 mbit/sec)，用于限制性節點更可靠的通信技術是IEEE 802.11低功率，藍牙低功耗，IEEE 802.15.4，藍牙，PLC，RFID和NFC。

第三層：數據層

數據層相當于智慧城市的“智慧層”了。只要城市數據井然有序，即使是特大智慧城市也能高效、有效運行。要實現這一點，下列條目的數據庫要分開維護：

• 所有IoT節點
• 所有控制節點的部門（比如控制水資源管理節點的部門）
• 向各部門傳送部門對應的信息

數據層的根基是借助不同數據模型來處理數據的數據服務器。數據模型包括：

• 預測模型：屬于數據挖掘技術，分析過去和當下的數據，從而預測未來；
• 描述模型：描述現實世界的動態及其影響因素之間的關系；
• 決策模型：在決策因素和可能的結果之間建立聯系，預測決策的后果。

這些預測幫助市政府以數據為依據，推出前瞻性的決策。

數據層也包括企業資源規劃(ERP)系統——主要控制市政府各部門之間的數據流。

第四層：服務層

服務層相當于跨部門指揮中心。水資源管理、電力供應、污染控制、交通運輸等部門通過建立在這一層的網絡門戶/移動應用來共享信息。服務層不僅支持政府部門間的信息共享，還將部分重要信息公之于眾，使得非政府實體也可以提高自身的服務質量，建設更好的智慧城市。

為維持發展，很多城市每天為各種問題搞得焦頭爛額，最終才發現最完美的解決方案在于擁抱技術。巴塞羅那、特拉維夫、阿姆斯特丹、首爾和斯德哥爾摩的智慧城市項目可謂是擁抱技術的成功典范。