隨著計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、云計(jì)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(yùn)而生，并被各國(guó)納入新一輪信息技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略中。近年來(lái)，中國(guó)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)�、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(jī)組成部分，生命線系統(tǒng)是否安全運(yùn)行直接影響城市功能是否正常運(yùn)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(duì)城市運(yùn)行體征實(shí)時(shí)監(jiān)控，以提高城市生命線的管理水平和預(yù)防預(yù)測(cè)及處置能力，進(jìn)而保障城市的安全平穩(wěn)運(yùn)行。
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城市生命線是指城市供水、排水、燃?xì)�、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(duì)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(huì)城市生命線系統(tǒng)的安全性與依賴性越來(lái)越強(qiáng)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)城市生命線生命體征的健康狀況，對(duì)保障城市安全平穩(wěn)運(yùn)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(guó)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(duì)首都工作的基本要求，做好四個(gè)服務(wù)工作。而做好四個(gè)服務(wù)工作，核心是堅(jiān)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)城市生命線的生命體征，獲得各項(xiàng)有效數(shù)據(jù)和指標(biāo)，在應(yīng)對(duì)突發(fā)事件時(shí)，能夠提供基礎(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)和高峰運(yùn)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(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外引起廣泛關(guān)注，北京市各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)對(duì)此高度重視，專程對(duì)本市物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)研，聽(tīng)取有關(guān)情況匯報(bào)，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(yùn)行、應(yīng)急管理做起。為落實(shí)市領(lǐng)導(dǎo)批示精神，市發(fā)改委會(huì)同市應(yīng)急辦、市經(jīng)信委等部門(mén)，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(xiàng)的意見(jiàn)》并上報(bào)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(wèn)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(yùn)行和應(yīng)急管理為突破口開(kāi)展，并帶動(dòng)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(yùn)行和應(yīng)急管理物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將按照1 1 N框架開(kāi)展。這里，個(gè)1是指市應(yīng)急指揮平臺(tái)，第二個(gè)1是指市物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支撐平臺(tái)，N是指各部門(mén)（區(qū)縣）應(yīng)急物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。市應(yīng)急指揮平臺(tái)通過(guò)市物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支撐平臺(tái)，匯聚接入各部門(mén)（區(qū)縣）應(yīng)急物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的管理信息，對(duì)全市城市安全運(yùn)行和應(yīng)急進(jìn)行全過(guò)程常態(tài)化管理，實(shí)現(xiàn)管得住、上得來(lái)，看得見(jiàn)、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(mén)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(kāi)展示范應(yīng)用，將上述復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化，通過(guò)傳輸網(wǎng)，綜合利用信息化技術(shù)，建立有效獲取、分類存儲(chǔ)、自動(dòng)處理和智能識(shí)別的城市生命線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)；建立高度智能化的直接用于城市生命線運(yùn)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(tái)，進(jìn)而為實(shí)時(shí)掌握上述資源的計(jì)劃、調(diào)度、存量需求等運(yùn)行信息提供便利；經(jīng)分析和綜合展現(xiàn)，為各級(jí)管理者及時(shí)準(zhǔn)確掌握城市生命線整體運(yùn)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(yùn)行管理水平。
本書(shū)通過(guò)對(duì)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(wèn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jì)、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(cè)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(duì)于城市生命線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程的建設(shè)實(shí)施具有實(shí)際指導(dǎo)意義，并可為其實(shí)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(gè)高效實(shí)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(shū)在城市生命線管理領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
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（1）物聯(lián)數(shù)據(jù)專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)選型與設(shè)計(jì)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(diǎn)，通過(guò)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(jì)。本書(shū)重點(diǎn)研究了核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、網(wǎng)絡(luò)性能設(shè)計(jì)、接入網(wǎng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，以及網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)。EPC核心網(wǎng)設(shè)計(jì)為全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)，力求使設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)資源分配、自適應(yīng)重傳等特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)性能設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)，上下行信道具有互逆性，此互逆性解決了對(duì)感知層所獲得數(shù)據(jù)的中長(zhǎng)距離傳輸問(wèn)題；該設(shè)計(jì)還可提供一個(gè)全覆蓋、便捷、方便的接入網(wǎng)絡(luò)，能夠滿足北京市各級(jí)政府對(duì)城市安全運(yùn)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(shū)以城市生命線管理中的液化氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感設(shè)備為研究對(duì)象，圍繞多傳感器數(shù)據(jù)融合問(wèn)題展開(kāi)討論，通過(guò)對(duì)加權(quán)平均、卡爾曼濾波、貝葉斯估計(jì)、統(tǒng)計(jì)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(cè)系統(tǒng)多傳感器應(yīng)用特點(diǎn)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(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，本書(shū)以液化氣監(jiān)測(cè)傳感數(shù)據(jù)為對(duì)象，研究并設(shè)計(jì)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(cè)管理系統(tǒng)中，以液化氣監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的二氧化碳濃度傳感器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象驗(yàn)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(shí)現(xiàn)互操作和信息預(yù)處理等方面的問(wèn)題。本書(shū)重點(diǎn)研究普遍適用于城市生命線監(jiān)測(cè)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(shí)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(guò)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(shí)，本書(shū)基于液化石油氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(diǎn)，綜合各種方法的利弊，并針對(duì)當(dāng)前液化石油氣監(jiān)控的應(yīng)用特點(diǎn)，在旋轉(zhuǎn)門(mén)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(shí)驗(yàn)及實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用預(yù)研。
（4）液化氣監(jiān)測(cè)監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范。該系統(tǒng)是對(duì)城市生命線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程的示范預(yù)研。本書(shū)從液化石油氣監(jiān)測(cè)存在的問(wèn)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(jì)研究。應(yīng)用示范系統(tǒng)建設(shè)成果是對(duì)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(jì)、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(yàn)證，為進(jìn)一步推廣提供重要的經(jīng)驗(yàn)。