隨著計算機、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運而生，并被各國納入新一輪信息技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略中。近年來，中國的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)及技術(shù)應(yīng)用也得到了迅猛發(fā)展，特別是在城市管理領(lǐng)域。供水、排水、燃?xì)狻�熱力、電力和交通是城市生命線重要的基礎(chǔ)設(shè)施和有機組成部分，生命線系統(tǒng)是否安全運行直接影響城市功能是否正常運轉(zhuǎn)，它們是維持城市生活和生產(chǎn)的保障。當(dāng)前，人們迫切需要應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對城市運行體征實時監(jiān)控，以提高城市生命線的管理水平和預(yù)防預(yù)測及處置能力，進(jìn)而保障城市的安全平穩(wěn)運行。
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城市生命線是指城市供水、排水、燃?xì)狻�熱力、電力和交通等基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，這些系統(tǒng)是維持現(xiàn)代城市生產(chǎn)、生活的基礎(chǔ)。隨著城市居民對生活條件、文化與信息需求的不斷提高，以及城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,社會城市生命線系統(tǒng)的安全性與依賴性越來越強。實時監(jiān)測城市生命線生命體征的健康狀況，對保障城市安全平穩(wěn)運行、保證城市居民正常生產(chǎn)生活、支撐領(lǐng)導(dǎo)決策都起著非常關(guān)鍵的作用。北京作為國際化大都市，要想成為和諧宜居的世界城市，需要滿足中央對首都工作的基本要求，做好四個服務(wù)工作。而做好四個服務(wù)工作，核心是堅持高標(biāo)準(zhǔn)的要求，利用現(xiàn)代信息和通信技術(shù)（特別是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)），不斷提高城市管理工作能力和水平，這就要求實時監(jiān)測城市生命線的生命體征，獲得各項有效數(shù)據(jù)和指標(biāo)，在應(yīng)對突發(fā)事件時，能夠提供基礎(chǔ)運行數(shù)據(jù)和高峰運行數(shù)據(jù)，從而為領(lǐng)導(dǎo)決策提供基礎(chǔ)參考。
2009年以來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用在國內(nèi)外引起廣泛關(guān)注，北京市各級領(lǐng)導(dǎo)對此高度重視，專程對本市物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)研，聽取有關(guān)情況匯報，并做出重要批示：北京發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)要優(yōu)先從城市安全運行、應(yīng)急管理做起。為落實市領(lǐng)導(dǎo)批示精神，市發(fā)改委會同市應(yīng)急辦、市經(jīng)信委等部門，起草了《關(guān)于加快推進(jìn)本市物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和示范應(yīng)用有關(guān)事項的意見》并上報市政府。市政府領(lǐng)導(dǎo)批示：物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展問題由經(jīng)信委研究，應(yīng)急辦牽頭，首先在城市應(yīng)急和城市生命線管理中應(yīng)用。按照市領(lǐng)導(dǎo)批示和要求，全市政務(wù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用建設(shè)以城市安全運行和應(yīng)急管理為突破口開展，并帶動全市物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
按照要求，北京市城市安全運行和應(yīng)急管理物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將按照1 1 N框架開展。這里，個1是指市應(yīng)急指揮平臺，第二個1是指市物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支撐平臺，N是指各部門（區(qū)縣）應(yīng)急物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。市應(yīng)急指揮平臺通過市物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支撐平臺，匯聚接入各部門（區(qū)縣）應(yīng)急物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的管理信息，對全市城市安全運行和應(yīng)急進(jìn)行全過程常態(tài)化管理，實現(xiàn)管得住、上得來，看得見、能整合。
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城市生命線管理的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用，可以作為生命線應(yīng)用工程的技術(shù)研究和應(yīng)用總結(jié)。政府部門要積極推進(jìn)城市生命線管理領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，以城市生命線中供水、排水、燃?xì)�、熱力、電力和交通等城市生命線系統(tǒng)開展示范應(yīng)用，將上述復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化，通過傳輸網(wǎng)，綜合利用信息化技術(shù)，建立有效獲取、分類存儲、自動處理和智能識別的城市生命線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫；建立高度智能化的直接用于城市生命線運行管理、應(yīng)急支撐和領(lǐng)導(dǎo)決策的信息共享和交換平臺，進(jìn)而為實時掌握上述資源的計劃、調(diào)度、存量需求等運行信息提供便利；經(jīng)分析和綜合展現(xiàn)，為各級管理者及時準(zhǔn)確掌握城市生命線整體運行情況提供有效服務(wù)；為相關(guān)單位提供城市生命線突發(fā)事件的預(yù)警信息，提高安全運行管理水平。
本書通過對城市生命線管理的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用的總結(jié)提煉，從分析城市生命線管理現(xiàn)狀和主要問題出發(fā)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)及其關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展情況，以城市生命線實時監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范為研究背景，探究了物聯(lián)數(shù)據(jù)專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)選型和設(shè)計、多傳感器數(shù)據(jù)融合方法、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中間件架構(gòu)與組件等物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備管理、網(wǎng)絡(luò)傳輸、應(yīng)用支撐、算法研究等方面的關(guān)鍵技術(shù)，并將這些技術(shù)研究成果應(yīng)用到液化氣監(jiān)測監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范系統(tǒng)建設(shè)中進(jìn)行示范應(yīng)用。筆者在城市生命線管理領(lǐng)域中總結(jié)提煉出一套行之有效的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，這對于城市生命線實時監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程的建設(shè)實施具有實際指導(dǎo)意義，并可為其實施建設(shè)提供一套穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸專網(wǎng)，提供一個高效實用的多傳感器數(shù)據(jù)融合算法，提供一組普適便捷的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中間件架構(gòu)、組件和算法。本書在城市生命線管理領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義。
3�毖芯績�(nèi)容
（1）物聯(lián)數(shù)據(jù)專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)選型與設(shè)計研究。面向城市生命線管理的需求，宜根據(jù)傳感設(shè)備分布特點，通過比較3G技術(shù)(WCDMA、CDMA 2000、TD-SCDMA、WMAN)、B3G技術(shù)(FDD-LTE、TD-LTE、LTE-A、IEEE 802��16m)，以及Wi-Fi Mesh、McWiLL等通信技術(shù)，基于TD-LTE技術(shù)進(jìn)行專網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。本書重點研究了核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、網(wǎng)絡(luò)性能設(shè)計、接入網(wǎng)的詳細(xì)設(shè)計，以及網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)。EPC核心網(wǎng)設(shè)計為全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)，力求使設(shè)計具有安全可靠、支撐路由優(yōu)化和本地輸出、高效的空口和系統(tǒng)能力、動態(tài)資源分配、自適應(yīng)重傳等特點。網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)性能設(shè)計基于Okumura-Hata模型，按照不同地域進(jìn)行優(yōu)化和定制研究；依托該設(shè)計方案建設(shè)的接入網(wǎng)絡(luò)，利用波束賦形技術(shù)、同頻組網(wǎng)和異頻組網(wǎng)相結(jié)合的技術(shù)，可提高上下行鏈路的性能，同時，上下行信道具有互逆性，此互逆性解決了對感知層所獲得數(shù)據(jù)的中長距離傳輸問題；該設(shè)計還可提供一個全覆蓋、便捷、方便的接入網(wǎng)絡(luò)，能夠滿足北京市各級政府對城市安全運行和應(yīng)急管理的應(yīng)用需求。
（2）多傳感器數(shù)據(jù)融合方法研究。本書以城市生命線管理中的液化氣監(jiān)測系統(tǒng)傳感設(shè)備為研究對象，圍繞多傳感器數(shù)據(jù)融合問題展開討論，通過對加權(quán)平均、卡爾曼濾波、貝葉斯估計、統(tǒng)計決策理論、證據(jù)推理、模糊推理等多傳感器數(shù)據(jù)融合算法進(jìn)行分析，結(jié)合液化氣監(jiān)測系統(tǒng)多傳感器應(yīng)用特點和控制結(jié)構(gòu)，選擇加權(quán)平均數(shù)據(jù)融合算法作為液化氣監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合算法進(jìn)行設(shè)計。此外，本書以液化氣監(jiān)測傳感數(shù)據(jù)為對象，研究并設(shè)計了一套數(shù)據(jù)融合算法，并將該算法應(yīng)用到液化氣監(jiān)測管理系統(tǒng)中，以液化氣監(jiān)測現(xiàn)場的二氧化碳濃度傳感器為實驗對象驗證算法的可用性和適用性。
（3）物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中間件架構(gòu)及其數(shù)據(jù)處理層算法研究。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中間件是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的關(guān)鍵軟件部件，是銜接相關(guān)硬件設(shè)備和業(yè)務(wù)應(yīng)用的橋梁。面向城市生命線管理領(lǐng)域需求的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中間件主要存在屏蔽異構(gòu)性、實現(xiàn)互操作和信息預(yù)處理等方面的問題。本書重點研究普遍適用于城市生命線監(jiān)測系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中間件架構(gòu)，該架構(gòu)可實現(xiàn)各種標(biāo)簽和傳感器等感知元件同應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，具有統(tǒng)一的傳感信息接入標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)�傳感信息進(jìn)行身份認(rèn)證和安全傳輸。同時，本書基于液化石油氣監(jiān)測系統(tǒng)實時采集溫度、濕度、氣體濃度、監(jiān)控影像等海量的信息數(shù)據(jù)特點，綜合各種方法的利弊，并針對當(dāng)前液化石油氣監(jiān)控的應(yīng)用特點，在旋轉(zhuǎn)門壓縮算法(SDT算法)的基礎(chǔ)上，提出了一種應(yīng)用中間件數(shù)據(jù)處理層改進(jìn)的有損數(shù)據(jù)壓縮方法(ISDT算法)，該方法可用于提高數(shù)據(jù)的壓縮率和性能，此外筆者還進(jìn)行了仿真實驗及實際系統(tǒng)中的應(yīng)用預(yù)研。
（4）液化氣監(jiān)測監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范。該系統(tǒng)是對城市生命線實時監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程的示范預(yù)研。本書從液化石油氣監(jiān)測存在的問題出發(fā)，以需求為導(dǎo)向，從系統(tǒng)總體架構(gòu)、軟件架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、數(shù)據(jù)流程、終端和接口、系統(tǒng)安全等方面進(jìn)行了應(yīng)用示范系統(tǒng)的設(shè)計研究。應(yīng)用示范系統(tǒng)建設(shè)成果是對面向城市生命線管理領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)選型設(shè)計、多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中間件架構(gòu)，以及改進(jìn)的有損數(shù)據(jù)壓縮方法(ISDT算法)等的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究成果的驗證，為進(jìn)一步推廣提供重要的經(jīng)驗。