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通过新的和现有的 IoT 技术构建互联城市

从大规模地连接人、服务和基础架构的挑战中学到的经验

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当 IoT 技术在整个大都市遍地开花,互联城市也应运而生。在提到互联城市时,您想到的可能是智慧城市计划中经常出现的一些大型城市,比如伦敦、纽约、芝加哥、里约热内卢或阿姆斯特丹。但是,小乡镇也能从人、服务和基础架构的连接中受益。在本文中,我将探讨互联城市和开发城市级 IoT 解决方案所涉及的一些挑战。

全球许多城市和乡镇都依靠 IoT 来解决城市问题(比如交通拥堵),并提高居民的安全性和生活质量。安装在整个城市、车辆和建筑中的智能传感器,以及城市内生活或工作的人们使用的应用程序和设备,它们生成的数据被用在这些互联城市中。IoT 数据被用于指导决策,比如如何设计公共空间,如何最充分地利用资源,如何更有效、高效地提供公共服务和设施。

IoT 在互联城市中的应用

在都市规模上应用 IoT 技术解决的一些关键问题包括:

  • 能源管理
  • 环境安全
  • 废物管理
  • 交通运输:停车、交通和公共运输
  • 应急管理和执法
  • 居民参与

能源管理

用于解决互联城市中的能源管理问题的 IoT 技术包括:智能电网技术、智能计量技术和智能街道照明平台。

智能电网(和智能电网技术)通过对从安装在整个电网中的传感器收集的数据应用预测分析,让容量与需求匹配,从而更高效地输送电力。监控电网的智能传感器通常通过网络技术连接到邻域网 (NAN) 或低功率广域网 (LPWAN),这些网络技术包括 SigFox、LoRa、NB-IoT 或 LTE-M 等。

这些传感器包含温度传感器和相量测量设备 (PMU),负责测量电信号的电流、电压和频率。这些传感器用于监控接入电网的可再生能源发电机(比如太阳能面板或风轮机)的效率,并确定将发电机放在何处来最大化生成的能源。提供商还使用来自发电机、输电线、电缆、变压器和变电站上的传感器的数据来检测故障,并确定应安排维护的时间。

安装在家里和智能建筑中的智能电表(和智能计量技术),有助于远程监控能源使用情况和远程控制供电,这节省了人工读取电表数据和进行切换的成本。集成到智能电表设备中的传感器组件包括霍尔传感器、加速计、震动传感器、各向异性磁电阻 (AMR) 传感器,以及 PMU。这些传感器将监控能源使用情况和效率,监控智能电表设备本身的状况,并检测是否有任何设备被篡改。这些传感器生成的数据经过聚合,通过室内显示设备、可视化仪表板以及集成到移动或 Web 应用程序中的报告仪表板呈现出来,让用户能实时监控能源使用情况。这些仪表板和应用程序使用户能跟踪成本和使用模式,识别能源消耗最多的活动和设备,并改变他们的行为来响应这些数据分析。

与内置了执行器组件(如充当远程开关的继电器)的智能设备相结合,智能电表能帮助管理负载。例如,水池水泵或 HVAC(加热、通风和空调)系统等高能耗设备会自动切换为在非高峰时段运行,帮助预防停电和限制用电,并通过非高峰期电价为用户节省费用。类似的程序也正推广到了其他计量设施,比如水和天然气。例如,巴塞罗那市采用了智能水表。借助这些智能水表,该城市能应用数据挖掘和分析功能,并使用智能仪表设备所生成的传感器数据的实时可视化和报告工具,更高效地通知用户,从而更高效地使用水,最终为居民节省成本。

在公共领域,高能效的、基于 LED 的智能街灯(比如 Cisco 的 Smart+Connected LightingPhilips connected-lightingSilver Spring 的街灯和传感器),已试验或安装到从巴塞罗拉(西班牙)到阿德莱德(澳大利亚)的全球数百个城市和乡镇。全球使用的街灯超过 3 亿盏。这些智能 LED 街灯节省了大量的能源,这不仅是因为 LED 相对于传统街灯的功耗更低,还因为街灯可以集中控制,可以根据附近是否有人或车来调节灯的亮度。这些调节的实现方式包括,分析来自近距离传感器和运动检测传感器的数据,比如被动式红外传感器 (PIR)、超声波传感器或微波 (Doppler) 传感器,或者使用来自摄像机的实况视频流,应用计算机视觉算法来检测是否有车辆或行人。居民也可以选择利用内置于他们的手机或互联汽车中的 GPS 跟踪器提供位置数据。

智能照明平台通常提供了主干网来连接整个互联城市的其他传感器,该网络通常实现为无线传感器网络 (WSN)。

环境安全

环境传感器用于监控公用水道、公园和绿地,传感器数据可用于识别需要清理或保护的区域。这些环境传感器还用于跟踪整个城市的各个位置的周围环境条件,比如温度、湿度、降雨和最明显的空气质量

环境传感器通常采用的扩大部署方式是,添加更多的传感器组件来扩展无线传感器网络(WSN,由智能电网或街道照明平台提供)中的智能传感器源节点功能。在典型的 WSN 中,智能传感器节点是低功耗的基于微控制器的设备,这些设备由电池或太阳能电池供电,通过一个使用 6LoWPAN 和 IEEE 802.15.4 或 RF 网络标准的网状网络进行连接。在网状拓扑结构中,传感器节点相互连接,并全部通过该网络参与数据传输,这使得网络范围得到扩展,同时还提高了网络的可靠性和自我修复能力。

在城市环境中,无线传感器网络容易受到干扰,比如下雨和尘雾等天气条件引发的干扰,以及来自建筑和水的反射表面的信号干扰,这种干扰是由信号采用多条路径时的多径衰减引起的。网状网络拓扑结构提供的冗余路径使网络能够智能地针对这些问题来路由流量,从而适应环境条件。另外,可以采用信道跳跃技术,使环境(和其他)传感器数据能向上游传播到云服务,从而实现这些数据的处理、存储和分析。

空气质量传感器有助于解决许多城市面临的车辆或工业排放所导致的空气污染问题。通过安装在车辆上的 CO2 传感器,可以直接监控车辆排放。通过网状网络和网关设备,将从与无线传感器网络节点相连的空气质量传感器中收集的数据传输到云服务,以便分析该数据。可以分批次对该数据进行分析,以提供历史报告和洞察,也可以使用 IoT 平台提供的流分析服务来实时分析数据(可以通过一个演示了解如何使用 Apache EdgeNet、IBM Watson IoT Platform 和 IBM Streaming Analytic 服务在 IoT 解决方案中实现流分析)。这些服务使得用户可以通过实时分析传感器数据来预测空气质量事故,从而发布早期预警,使人们能避免前往污染最严重的区域,这有助于改善在受影响区域生活或工作的居民们的健康和幸福。还可以通过对空气质量数据和排放数据的结合分析来调整交通线路,从而预防城市这些区域的排放物的不断累积。

废物管理

管理废物是使用传感器数据降低成本并提高互联城市效率的另一个领域。可以对传感器进行改造,使其成为现有废物处理流程中的一部分。例如,互联城市可以向垃圾桶添加基于蜂窝网络的智能传感器,以便安排垃圾车仅在垃圾桶需要清空时才收集垃圾,或者可以使用街道上的传感器或对摄像头信息流运行计算机视觉算法,识别垃圾越堆越多的区域和应该安装更多垃圾桶的区域。

芝加哥,通过监控哪里的垃圾越堆越多,并集成天气数据和空建筑物的位置,使数据分析能帮助预测老鼠会在哪里筑巢,让相关机构能提前在这些区域放置诱饵。这一措施减少了鼠患,与以前在接到投诉后再放诱饵的方法相比,该措施节省了 20% 的成本。

在新开发的互联城市中,比如韩国松岛市,能通过完全消除垃圾的人工收集,更高效地处理废物。松岛要求居民通过编码的 RFID 智慧标签来标记不同类型的垃圾,并将读取器内置于自动化气动垃圾处理系统中,使得无需人工收集或辅助分类就能将每种类型的废物运走单独处理,根据标签中编码的数据对垃圾进行掩埋、回收或焚烧(作为燃料)。

交通运输

通过分析来自包括道路传感器、路旁视频摄像头和可变限速标志在内的道路报告系统的数据,互联城市改善了通勤者的体验。应用 IoT 技术来解决交通运输问题,涉及到将从传感器获取的数据加载到分析服务中,以生成可操作的洞察,这些洞察直接用于触发与自适应交通信号灯等智能设备相连的执行器,或者间接应用于指导政策决策和简化流程。在松岛,这个解决方案涉及到监控来自车上的 GPS 跟踪器和 RFID 标签的地理位置数据,分析缓慢的车流以检测事故或拥堵情况,然后直接实时调节交通信号灯来控制车流和减少延迟。

全球许多城市已采用了自适应交通信号灯,比如悉尼、新泽西和多伦多。也可以利用对交通和道路传感器数据的历史分析来调节限速和通行费,从而控制更长期的车流。除了用于疏导事故周围车辆之外,传感器还会报告道路和桥梁的状况,以便在需要时安排维修。

可以使用来自传感器和摄像头的道路报告数据来管理街面停车。例如,可以通过显示可用停车场的智能停车移动应用程序发布数据,将通勤者直接引导到最近的可用停车场,并管理停车费的支付,让停车尽可能顺利。

还可以通过利用来自智能售票系统的使用数据,以及安装在车上的传感器和 GPS 跟踪器的路线计时,自适应地改善公共交通运输。这个 IoT 解决方案可以向等车的通勤者提供服务可用性和延迟的实时报告。从更长远来看,它也可以调节时间表,以便更准确地反映记录的计时,还可以利用分析来预测一天的不同时段对不同服务的需求,并调节计时或引入更多服务来提高效率。

应急管理和执法

来自传感器网络的数据提供了城市中发生的事件的实时可视性,使执法机构和应急响应人员能制定更好的决策。这种情景感知可用于每日预测、规划和假设分析,在出现危机时还能帮助快速响应事故。例如,可以在普通情况下使用监控交通的道路传感器,引导拥堵点周围的执法车辆。或者,在像发洪水这样的紧急情况下,同样的传感器数据可以表明哪些道路受限制或无法通行(交通量比平常低),还可以用于确定优先疏散哪些区域,应在事后清理和修理哪些道路。

接入智能照明和智能电网基础架构中的城市级传感器网络,通常包含摄像头用来监控停车位可用性,或用来检测是否有人以便调节照明水平。执法结构也可以使用这些摄像头进行监控,对原始摄像头信息提要应用视频搜索和分析工具。对于来自摄像头和传感器的这些数据,以及来自社交网络的内容等其他来源,可以使用机器学习和人工智能技术进行分析,以便预测何时可能发生犯罪行为。

居民参与

互联城市的许多好处,都源于利用从传感器收集的数据和其他检测数据,应用认知计算来生成洞察。但是,城市是以人为本的,所以从传感器收集的数据必须以来自居民的输入作为补充。移动和 Web 应用程序为居民提供了与当地政府互动的机会,他们可以提出请求,提供反馈,或者报告公共设施和基础架构的故障 - 以一种称为群智感知的众包形式。去标识化数据和非机密性数据(比如通过众包不断获得的空气质量观察数据)可以视为公共资产,并作为公开数据发布。对居民贡献的数据和传感器生成的数据都采用标准数据结构也很重要,这样做可以确保个人和企业仍然可以使用该数据提取价值。

开发互联城市时面临的挑战和学到的经验

开发互联城市所涉及的许多挑战都不是单纯的技术挑战。开发互联城市涉及到建立合作,开发战略和业务模式,并咨询社区,完成这些之后才能推广任何技术。在现有互联城市项目发现的一些挑战包括:

  • 协作、策略和融资
  • 选择一个平台
  • 通信
  • 安全性和隐私

协作、策略和融资

大规模 IoT 解决方案需要一个领导人物发起项目,推动干系人之间的协作和沟通。

建立互联城市涉及到从许多干系人那里收集输入,以及从包括私营和公共部门在内的不同来源收集数据。但是,只有消除沟通阻碍,促进跨部门干系人之间的数据共享,才能实现这种级别的合作。这个过程涉及开发一种治理结构并制定一个城市计划,以便所有干系人能够齐心协力地实现同一个目标。

从像阿姆斯特丹这样的互联城市学到的一条经验是,任命一位协调者(即一位 CTO)至关重要;大规模 IoT 解决方案需要一位领导人物来发起项目,促进干系人之间的协作和沟通。另外,互联城市计划要取得成功,需要培养一种包容性、参与性文化,鼓励所有居民积极参与到决策制定过程中。

在团队制定决策并设定优先级时,他们需要确定最初采用人员驱动方法还是效率驱动方法。此过程涉及到平衡最大化效率和成本节省的需求与来自所有地区的居民的需求。在大型城市,得益于规模经济以及速度和效率改善所带来的节省,团队引入 IoT 技术后的投资回报可能很高。但是,对于小型城市和乡镇,对必要的基础架构和技术的投资可能要花许多年才能回本,尤其是在通过智能技术改造现有城市比开发全新项目更昂贵时。

现有互联城市计划通常采用的一种方法是,首先开展专注于提供直接成本节省的应用领域的试验,比如引入智能照明或智能电网技术。然后,团队可以迭代地应用所学到的经验和实现的节省,指导并资助解决其他需求的后续试验。

选择一个平台

理解数据是互联城市取得成功的关键。确保您的 IoT 平台支持实时和历史数据分析。

在我的 IoT 平台指南中,我讨论了采用 IoT 平台的好处并列出了通用的平台,包括 IBM Watson IoT、AWS IoT 和 Microsoft Azure IoT。特定于智慧城市的 IoT 平台包括:


团队在开发此规模的可靠 IoT 解决方案时,IoT 平台中的可扩展性和灾备能力是要考虑的重要特性。理解数据是互联城市取得成功的关键。确保您的 IoT 平台支持实时和历史数据分析,因为互联城市中采用的许多自适应技术(比如自适应交通信号灯或智能照明)需要实时分析。另外,考虑支持对非结构化数据源(包括来自摄像头的视频提要或来自居民反馈和请求的文本)和来自部署在城市中的许多类型传感器的结构化数据进行结合分析的平台。

通信

网络架构的设计,以及对要采用的标准数据格式和网络协议的决定,也会影响 IoT 解决方案的有效性。

通信基础架构(包括电缆、蜂窝塔、小型蜂窝网络接入点和无线接入点)使包括智能传感器和执行器在内的设备能够与网关进行通信,网关能与提供分析、规则和存储功能的云应用程序和服务进行通信,从而处理传感器生成的大量数据。只要将传感器部署到城市中并开始生成数据,通信基础架构就有可能成为限制因素,所以作为向互联城市过渡的一部分,通常需要升级此基础架构。应该监控网络、网关设备和服务上的负载,以便在部署更多设备时,能扩展基础架构来满足网络带宽和性能需求。网络架构的设计,以及对要采用的标准数据格式和网络协议的决定,也会影响 IoT 解决方案的有效性。

安全性和隐私

您应该采用实现了安全最佳实践的设备和 IoT 平台。

互联城市的安全挑战包括保持针对网络攻击(包括针对性攻击)的灾备能力,确保遵守法规框架,并保持居民隐私数据的机密性和完整性。

保持互联城市系统的灾备能力的最大挑战之一是,保护智能设备和传感器本身。面对如此多的各不相同的设备,存在许多潜在的漏洞。设备通常包含能触发实际行为的执行器(如果出错,可能导致危及生命的后果)。相关示例包括允许远程控制交通信号灯的自适应交通灯(可能引起交通事故)、能被打开或关闭的 HVAC 系统,以及能远程断开一些场所的电源的智能电表。因此,互联城市必须在设计之初就将安全作为优先考虑事项。

您应该采用实现了安全最佳实践的设备和 IoT 平台:IoT 平台提供了各种服务,比如针对设备、用户和服务的身份验证和访问控制服务,以及确保机密性的加密和保护数据完整性的数据签名。设备管理也是一个必要的安全相关 IoT 平台特性,而且应支持自动化、无线更新,以便部署的设备能在发现漏洞时及时更新,并“全体”打上补丁,而且它们能在设备到达使用寿命时退役。但是,您应该假设设备会受到损害并开发策略和制定漏洞管理计划,确保即使设备受到损害,您也能限制单个设备可能受到的损坏程度。这些战略包括保护网络架构和云服务,并对设备采用故障安全设计。

最后,您应该不断测试系统的安全性,并应用活动日志、异常检测、监控和分析(包括视频和非结构化内容分析)来检测物理安全事故。开发关于如何公开和管理漏洞的战略,并与安全情报供应商和执法机构展开合作,以便快速适当处理安全事故。

互联城市未来如何发展?

随着智慧城市日趋成熟,它们必须快速扩展和演化来满足不断变化的居民需求。成熟的智慧城市面临的持续挑战包括集成、顺应未来和评估影响。

全球超过一半的人口生活在城市区域。随着城市区域的扩大,以及更多城市采用 IoT,互联城市可能扩展到互联地区及更大区域。互联城市可能最终吸纳更大 IoT 范围内的数据和服务,比如智慧教育和医疗保健。

用于实现互联城市的技术需要不断升级,至少应该能够及时获得最新的安全补丁和性能增强。另外,随着城市的发展,互联城市可能希望利用不断推出的任何新技术和业务流程,例如使用空中无人机运送零售快递。

随着我们的生活方式和文化的不断演变,居民与 IoT 设备交互的方式,以及他们对互联城市中的行为的预期,也会不可避免地随时间发生改变。互联城市实现需要更改,以反映这些新需求。

在这整个过程中,旧式基础架构和技术需要维护、现代化,并通过重构或重新实现进行扩展。要使不断扩展和维护解决方案成为可能,一定程度地顺应未来必不可少。例如,城市必须关注行业最佳实践,比如采用开放标准和微服务方法为互联城市平台设计架构,并使用松散耦合的服务以及与技术无关的抽象 API。然后,可以独立和渐进地升级服务。另外,在设计 IoT 解决方案时必须考虑灵活性和可扩展性。但是,IoT 在以极快的节奏发展,所以最好通过居民需求来推动它,而不是尝试预测太远的将来的需求。

互联城市计划还必须准备使用从智能传感器收集的历史数据,证明它们如何通过应用 IoT 技术,有效地逐步解决它们计划解决的问题。这涉及到不断量化成本和时间节省,描述并评估与提高可维护性、减少交通拥堵、改善应急响应速度、加强居民参与等相关的 KPI。证明解决方案有效通常是获得社区的持续投资和支持的前提条件。IoT 平台提供了能帮助实现此过程的分析服务和可视化工具。

实现互联城市是一场持久战。互联城市的好处可能无法立刻看到,而且最初的升级可能是增量式的。但是,从更长远来看,通过对城市场景应用 IoT 所带来的效率和成本节省,使城市能扩展其市政基础架构并持续发展,同时提供显著的经济效益。


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