基于物模型的智能设施管理平台设计与实现

沙默泉 刘畅 陈龙

（1.中国联通智能城市研究院 北京市 100048 2.航天科工海鹰集团有限公司 北京市 100070）

1 研究背景

物联网是在互联网基础上，融合信息传感设备、射频识别技术（RFID）、全球定位系统（GPS）、激光扫描器等各种技术，通过各种网络接入方式，实现“物-物”之间和“人-物”之间的泛在链接和互联互通。基于此，本文设计了一套基于物模型的智能设施管理平台，实现物联设备采集与接入、物联设备数据管理、物联数据分析与应用、物联设备故障预判和告警工单派等功能，并将网络连接能力、设备接入能力、设备管理能力、设备数据解析转发能力等进行整合、封装、管理，统一对外提供服务。

2 物模型设计

物模型指将物理空间的实体数字化，并在云端构建该实体的数据模型。是物理空间中的实体的数字化表达，对设备在云端的功能描述和定义，包括设备的属性，数据，服务和事件等，构建成为智能设备的物模型，便于用统一的模型语言对智能物联设施进行描述、管理和控制，也有助于智能设施之间的交互通信与理解。

2.1 设备物模型可视化配置

通过物模型，平台可动态进行物模型属性、功能和事件定义。其中属性配置设计支持int 类型、long 长整型、float 单精度浮点型、double 双精度浮点型，可设置最大值和最小值以及单位类型，支持geo 地理位置类型设置等。

2.2 属性功能对应设计

通过物模型定义，平台可实现智能设备功能和属性的对应设计。设备功能主要包括设备运行情况、日志以及数据记录，设备批量导入和批量激活，设备控制功能，提供查看运行状态的能力，可视化告警设置功能和设定告警阈值并查看告警记录等。

2.3 设备建模功能

用户可以根据业务的需要定制设备物模型。针对不同行业、不同类型的终端进行建模和标准化，模型包括设备基本信息和业务信息（包含属性、事件、服务），并提供裸数据到标准模型的编解码转换能力。平台内置常规设备模型模板，支持自定义模板，具备对模型的增、删、改的能力。

综上，本文设计的智能设施管理平台中，所有设备的连接方式全部建立在物模型和协议配置基础上，因此当设备连接方式发生变化时，不会影响设备在平台应用层的数据接入和数据展示，从而保证数据的统一性和规范性。

3 平台设计与实现

3.1 总体设计

3.1.1 整体架构

智能设施管理平台设计遵循稳定可靠、技术先进、可拓展、可复制以及适用性等原则，采用微服务架构设计，实现业务应用、数据应用的轻量化、松耦合、以及前后端分离，提高功能模块重用率，统一数据对接方式，支持平台横向扩容，实现模块化的灵活部署。

在设备接入层，平台支持多种类型物联设备及相关平台的接入，包括传感设备、第三方业务系统、第三方物联网平台等。智能设施管理平台设计了标准的、统一的南向的标准SDK 调用接口，设备接入方按标准接入文档引入SDK 调用即可。该标准SDK 接口能够实现各类终端设备和应用系统的迅速接入，按标准接入后可快速对接到智能设施管理平台完成数据采集，数据存储、数据管理等，智能设施管理平台将接收到的数据按照协议解包存储。

在物联网平台层，平台包括设备接入协议解析、物联设备管理、物联数据管理、物联数据分析、物联数据服务等主要功能，构建一套智能终端与接入网关的汇聚与管理平台、场景应用的中间件平台、轻量级应用的服务赋能平台。

业务应用层，平台同时平台作为开放系统，可以结合智慧城市、智能楼宇、智慧园区等应用场景，开放对接不同企业的感知层楼控设备、智能硬件等，为用户提供统一的场景服务。

3.1.2 技术架构

在平台技术架构采用目前已经经过论证的可靠技术，系统各环节具备故障分析与恢复和容错能力，在安全体系建设、复杂环节解决方案和系统切换等各方面考虑周到、切实可行。

物联网平台作为中间层，向上为业务系统提供数据支撑，向下为底层设备提供统一接入和存储。对于底层设备，只需要使用标准SDK 即可对接到平台的数据接入容器中，平台则会进行协议转换解析，统一流式处理到数据层。对于应用系统，平台则会提供统一的接入接口，以主动推送和被动查询两种形式为其他系统提供支撑，具体形式包括RestfulAPI（面向Web 应用）、MQTT(面向其他IoT平台)、MQ(面向其他中间系统)。

物联网平台中间层降低了底层设备联入系统时的开发复杂度，帮助完成了底层设备推送数据、转换协议、存储数据所需要的开发工作；为应用系统提供了多种多样的查询方式，降低了应用系统的使用成本和开发成本。

3.2 功能设计

3.2.1 设备管理

智能设施管理平台在设备接入基础上，提供了更丰富完备的设备管理能力，简化海量设备管理复杂性，实现对智能设施运行、报警、故障状态的反馈以及全生命周期信息管理。

3.2.1.1 物联设备模型配置

平台支持设备建模功能，用户可在平台内完成设备物模型（属性、事件、服务等）和业务管理模型（组织机构、管理层级等）设备模型的建立和配置。平台支持对单个和批量智能设备进行配置。

3.2.1.2 设备状态监控

平台对接入平台的终端设备进行实时状态监控，设备接入情况、在线/离线状态、故障及告警信息等。

3.2.1.3 设备告警管理告警管理主要通过获取物联设备监测数据值，并将监测数据与业务管理需求所设定的告警阈值对比，判断获取告警信息，并实现信息的推送及管理功能。

3.2.2 连接管理

智能设施管理平台感知连接管理主要实现物联传感层设备接入通道、协议解析、安全保证、实时数据采集、控制等管理。主要包含：设备注册鉴权、接入通道管理、数据采集和设备交互控制管理等功能。

3.2.2.1 设备注册鉴权

为确保物联设备和数据的安全，平台为每一个物联接入设备颁发唯一的设备证书，设备证书与设备是一对一的关系，确保设备的唯一合法性。智能设施管理平台在所有连接点处提供相互身份验证和加密，平台支持基于4A 服务的身份验证。平台提供设备级的授权粒度，帮助用户控制数据的安全性。

3.2.2.2 接入通道管理

平台提出以IoT 联接管理为核心的统一接入标准规则，在各项应用和物联网设备之间搭建高效、稳定、安全的应用平台；同时面向设备，适配多种网络环境和常见传输协议，提供各类硬件终端和厂商设备管理平台的快速接入方案和设备管理能力，提供统一标准的设备接入。平台提供2G/3G/4G/5G、NB-IoT、LoRa、WIFI 等不同网络设备接入方案。提供MQTT、CoAP、HTTP/S 等多种协议的接入实现，满足多种应用场景的使用需求。

3.2.2.3 数据采集

平台完成对感知数据的汇聚、处理、封装等，包括异构感知数据间格式转换和应用业务触发。可提供协议转换、地址映射、数据处理等功能。支持多种接入层MQTT、HTTP 等的通讯汇聚及融合，或其他跨物联网联接管理平台的所有通信量，并提供到智能设施管理平台的无缝实时数据链。

3.2.2.4 设备交互控制

平台支持设备接入过程中上下行双向通信功能，即平台可采集设备业务数据、告警信息；同时平台可数据或指令发到设备，达到平台对设备远程控制的效果。平台提供基于资源信息模型各主体对象的控制操作功能，控制操作可来源于系统的实时控制、也可来源于预定义的控制策略，系统内预置“控制状态机（状态、信号、动作）、反馈控制/反馈调节、单阶/多阶控制”等多种控制逻辑，保障控制操作安全可靠执行。

3.2.3 数据管理

智能设施数据管理功能主要是指对智能物联设备运行中产生实时资源数据进行数据清洗、实时存储、归档计算、解析分析等功能。其最显著的特点是其数据的实时性，通过采用实时数据计算、键值数据存储、实时数据链等技术以满足相关业务在运行中对数据采集、分析和反馈的实时性要求。同时，平台提供数据分发服务，即按路由规则分发至相应的数据接收端，如即时推送事件、服务数据到具体业务客户端、第三方智能设施管理平台等。

3.2.4 应用使能

平台应用使能管理模块通过对智能设施管理业务过程中的各类复杂逻辑及处理进行业务封装，面向物联网应用开发者提供了快速开发、部署以及管理应用的能力，而无需考虑下层基础设施扩展、数据管理和归集、通信协议、通信安全等问题，降低开发成本、缩短开发时间。应用使能管理主要包括规则引擎、业务编排、API 管理等，可为便于用户自主的实现基于业务和规则的设备联动、控制和相关应用的开发。

3.2.5 基础管理

为满足政府部门、终端商、应用开发商/集成商、应用运营商等各类客户使用需要，智能设施管理平台根据需要设计不同基础管理功能，包括用户管理、日志管理、权限管理、安全管理等。

3.3 性能设计

3.3.1 弹性的业务承载能力

平台业务负载均衡可伸缩，可根据实时业务场景，扩大或收缩集群规模，并实时调配整个系统的并发承载压力，实现高并发业务场景系统整体响应时间低于正常响应时间的150%。

3.3.2 稳定的平台运行

平台建设效果最终体现在终端的使用运行效果上，包括数据、网关和系统等运行的稳定性等，具体如表1所示。

表1：智能设施管理平台运行性能

3.4 部署方案

结合平台智能化业务场景要求，平台设计支持私有化部署、Docker 方式部署。

3.4.1 私有化部署

私有化部署适用于比较重视内部数据安全的用户，采用独立的部署模式，功能更灵活，管理模式更成熟，同时数据安全可靠性更高。私有化部署还具有拓展性强的特点，支持用户进行自主二次开发。私有化部署主要通过独立的服务器、数据库和账号体系实现，使得用户获得更高自主权。

3.4.2 Docker 方式部署

Docker 是基于容器的平台，允许高度可移植的工作负载。Docker 容器可以在开发人员的本机上，数据中心的物理或虚拟机上，云服务上或混合环境中运行。客户端-服务器 (C/S) 的架构模式，使用远程API 来管理和创建Docker 容器，使Docker 具有可移植性和轻量级的特性，可以使客户端轻松地完成动态管理的工作负担，并根据业务需求指示，实时扩展或拆除应用程序和服务。

4 结语

综上所属，本文设计并研发的智能设施管理平台，可实现对物联感知设备数据的统一管理和共享开放，可广泛应用于智慧城市及其相关领域，为城市综合管理、智慧交通、智慧社区、智慧园区、智慧生态、数字农业等不同应用系统之间在物联感知层面的协同互通提供标准化数据支撑。平台均遵守微服务架构中的模块设计原则，可通过统一认证模式，在项目实施过程中独立拆分和组合使用，同时在业务功能设计上不拘泥于具体项目的特定需求，而是满足现有智能化应用的泛型功能，并提供模块化的定制方式。平台具有低耦合性、灵活性、高复用性和可按模块分阶段实施的特点及优势。