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1、智慧城市神经网络基础平台建设可行性报告目录一、需求分析11.1 国家新型城镇化战略与智慧城市建设11.2 当前智慧城市建设所面临的问题11.3 项目需求分析21.4 项目在中小城市建设和推广的意义31.4.1 示范应用区域选择的考虑31.4.2 项目的意义5二、任务目标6三、实施方案93.1 体系架构93.2 智慧城市神经网络构建113.3 资源管理子系统173.4 进程控制子系统223.5 智慧城市神经元模型353.6 基础应用服务研发373.7 应用示范403.7.1 市政403.7.2 环保493.7.3 安防523.7.4 交通533.7.5 智慧社区整体解决方案543.7.6 智慧街
2、道整体解决方案57四、工作基础604.1 工作基础604.2 队伍状况67广州中国科学院软件应用技术研究所68广东科海信息科技股份有限公司68中科智城软件有限公司69东莞中国科学院云计算产业技术创新与育成中心69中国科学院深圳先进技术研究院70五、任务三71六、经费概算与资源集成方案74七、承担单位法人代表意见76八、有关附件或佐证材料76一、需求分析1.1 国家新型城镇化战略与智慧城市建设智慧城市建设是我国新型城镇化建设的重要内容之一。城镇化进程在给我们带来新机遇的同时，也带来了一系列的挑战：如何合理利用城市的各类资源，提高城市居民的生活质量，并且使城市可持续发展成了亟需解决的问题。信息化是
3、解决城市发展进程中所面临诸多问题的有效手段之一。国家新型城镇化规划明确提出推进智慧城市建设，要求统筹城市发展的物质资源、信息资源和智力资源利用，推动物联网、云计算、大数据等新一代信息技术创新应用，实现与城市经济社会发展深度融合，新型城镇化建设的持续深入将带动智慧城市建设不断推进完善。截止到2015年4月，住建部和科技部对第三批国家智慧城市试点名单的发布后，住建部的智慧城市试点已达290个。智慧城市相关投资总额或达到4万亿元，智慧城市相关领域将成为政府下一轮投资周期的重点。1.2 当前智慧城市建设所面临的问题从国内智慧城市建设情况来看，部分城市在部分领域取得了一定的成绩和效果，但也凸显了很多问题
4、。在这些问题之中，最典型的就是不同领域垂直建设带来的“重复建设和信息孤岛”问题。过去数年来，各地政府在解决这两个问题上已经做了大量的工作,包括技术和体制建设上。典型地如视频共享平台的建设，以及省市区各级大数据主管部门的组建以及数据共享交换平台的建设，这些水平方向上的共享平台建设也收到了不错的效果。随着物联网的爆炸性增长，在智慧城市建设领域涌现出大量的物联网应用。在这些应用的建设中，也出现了物联网基础设施共享共通的迫切需求，如果不及时解决，又将出现新一轮的重复建设和信息孤岛。共享共通的物联网基础设施建设，已经成为智慧城市信息化基础设施中非常重要的部分。另外，在智慧城市的建设中，既有政府的工作，也
5、有市场和社会资本的工作。研究智慧城市建设中政府和市场的分工，探索高效的运营模式，成为一个重要的课题。对于水平方向共享共通基础设施的建设，涉及到政府不同垂直管理部门的协调，如何有效统筹和建设运营；如何避免互联网经济发展中出现的“枝树效应”（税收集中到互联网企业总部所在地，各地贡献大量利润却享受极少税收），保证地方经济的健康良性发展；如何通过PPP（公私合营）等模式，实现项目建设的落地和本地化运营，实现智慧城市的健康长效发展；需要针对我国信息化现状和国情，摸索行之有效的建设模式和商业模式。1.3 项目需求分析在城市的精细化管理中，涌向了大量的物联网应用需求。例如市政设施的智慧化管理（窖井盖监测等）
6、、路灯智能调控、涵洞积水预警、空气质量、环保安全监控、Wifi、微基站等等，所有这些物联网应用都需要解决一些共同的问题，主要包括：供电、载体、数据传输、控制平台。为每一个单独的应用去单独解决这些问题，就会出现“小马拉大车的情况，为每一个应用建设一套基础设施，一方面成本很高，另一方面，带来新一轮的重复建设和信息孤岛问题。因此，建设共享共通的城市级物联传感基础平台是城市社会管理的基本需求。它将成为一个城市的神经网络，为智慧城市中的各种物联网应用提供公共支撑，最终做到智能化地感知城市民情、智慧化地预警城市动态、个性化地满足居民服务需求等。在物联传感基础平台的建设载体选择上，思科、GE、施耐德、GoO
7、gle等国际巨头一致认为最适合的载体是路灯。2015年7月，思科和GE领衔了对智慧路灯公司SenSity的7400万美元投资I,目的就是建设面向全美乃至全球的基于路灯的物联传感网络。SenSitySystems是美国一家智慧路灯厂商，基于它的智慧路灯网络，提出了“Creatingthesmartandconnectedcity,startingwithIighting”的愿景，基于该平台接入各种传感器，并支持第三方智慧城市应用研发。目前全世界的路灯保有量超过40亿，如果将这些自带电源的杆子安上各种传感器、摄像头和无线网络，包括温湿度、光照强度、地震活动、辐射、空气质量、噪音、MAC地址追踪手机
8、以及高分辨率的视频等等，将得到关于城市物联信息的大数据，这些大数据体现了城市的实时状态，基于这些物联网大数据可以有效地对城市进行各种智慧化的管理，发挥巨大的价值。1.4 项目在中小城市建设和推广的意义1.4.1 示范应用区域选择的考虑本项目选择示范应用区域的主要因素包括：1）基础好，需求明确。区域信息化建设已经有一定的基础，对智慧城市建设中的各种物联网应用需求明确。2）区域适中，统筹有力。对于水平方向共享共通基础设施的建设，政府不同垂直部门的高位协调能力和建设落地的统筹能力，是决定示范项目成败的关键因素。为此，项目在选择示范区域的时候更多偏向于首先在规模适中，统筹力度较强的中小城市落地。在摸索
9、出行之有效的建设模式之后，再向其他城市和区域进行推广。基于以上考虑，本STS计划任务选定了东莞松山湖和肇庆市端州东莞松山湖高新技术开发区坐落于“广深港”黄金走廊腹地，地处东莞几何中心，南临香港、深圳，北靠广州，地理位置十分优越。松山湖规划控制面积72平方公里，坐拥8平方公里的淡水湖和14平方公里的生态绿地，是一个在国内具有示范意义、人与自然和谐共存的科技新城。目前松山湖的迎宾大道已经由中科智城公司实施了智慧路灯改造，具有较好的基础条件。同时，松山湖目标成为科技进步和自主创新的重要载体，成为东莞科学发展示范区、产业升级引领区，成为珠三角乃至全中国产业转型的科技中心，松山湖管委会领导能够充分认识到
10、本STS任务的先进性，将会提供极大的支持，因此在松山湖进行示范预计将取得较好的效果。肇庆端州区是我国中小城市的典型代表，2014年城区人口约45万，人均国民年收入9.2万元，刚好处于全国平均水平，具备较强的应用示范代表性。肇庆位于珠三角的边缘，随着高铁、轻轨、高速公路网等基础设施的完善，在不久的将来将与珠三角中心区完全融为一体,国家当前的“新型城镇化，战略，有利于肇庆的产业升级和进一步的城市化。目前端州已经采用了智慧社区智能监控平台进行城市事件和部件的管理，建立了区、街道（镇）、社区三级可视化管理体系，同时大力进行空间地理信息库的建设，同时具备了建设实施本STS计划任务的必要性和可行性。本ST
11、S计划任务建设的智慧城市神经网络基础平台及相关的城市管理、智慧社区、安防等应用。通过建设本平台，将采集示范地的各种城市体征数据，建立城市体征大数据库，基于大数据建立一系列的典型应用，并通过开放数据接口，引入第三方企业或者个人建立创新应用。本STS计划任务将尝试采用PPP建设模式，获取示范地基于路灯的增值服务特许经营权作为主要盈利方式，实践城市大数据的运营模式。通过在示范地的运营服务，形成一个模式清晰、可持续发展的智慧城市应用示范案例，向全国推广，促进“互联网+”战略在全国落地，带动地方传统产业转型升级。1.4.2项目的意义中小城市作为国家新型城镇化战略的发展重点，建设并推广智慧城市神经网络基础
12、平台意义重大。具体表现在三个方面：第一，建设智慧城市神经网络基础平台，将物联网、移动互联、云计算等先进技术应用到城市公共管理和民生服务中，做到智慧化的精细管理，有效解决城市发展中遇到的各种问题，让智慧城市建设落到实处，收到实效。通过应用于智慧城市的物联网感知基础平台技术研究，平台具备了音视频、位置信息、状态信息等的各方面的可视化能力；通过对海量数据实现自动采集及互联共享，使城市的公共管理将不再是空泛的信息化管理模式，而是真正具备智慧化特征。让智慧城市建设落到实处，提高城市管理和服务的效率，让市民感受实效。第二，建设智慧城市神经网络基础平台，通过实践反馈，形成成熟的解决方案，在全国范围内推广。目
13、前，我国许多省市都在大力推进智慧城市的建设，而物联网信息基础设施作为智慧城市的最基本组成单元，其建设优劣极大地影响着智慧城市的建设与发展。各地智慧城市的建设推进有快有慢，从全社会范围来说，每一个地方从头开始进行物联网基础平台的建设摸索,是非常消耗资源的，而且达不到足够好的效果。本STS计划任务以东莞松山湖和肇庆端州作为建设和运营服务试点。通过在建设实践中验证技术平台的可靠性，并通过实践反馈不断改进，形成成熟的技术平台，未来在全国其他城市的智慧城市建设中发挥作用，降低建设成本,提高建设效率。第三，通过在试点示范区域的实践，探索一套智慧城市落地和长期健康运营的建设模式和运营模式，总结经验和教训，未
14、来在更大范围内推广应用Q一方面，智慧城市的建设不是短期的项目建设，要保证应用的成功，需要有可持续的健康的商业模式，支持智慧城市建设成果的长期运营。另一方面，智慧城市的建设也不是单纯的技术问题，涉及到政府内部不同部门的协调，政府和市场的分工协调，如何保证项目的成功落地，需要摸索一套行之有效的建设模式。在中小型统筹力度较强的区域进行试点示范，有助于项目的落地成功，并从中总结归纳符合我国国情和信息化现状的建设模式，以支持未来在更大范围内的推广。另外，智慧城市神经网络基础平台的建设涉及物联网和智慧城市产业链上下游的各个环节：物联网终端、芯片、软件基础平台、生产厂商、工程厂商、EMC公司、系统集成商。通
15、过项目的建设，有助于对智慧产业链条上下游的企业产生辐射拉动作用，带动试点区域地方现代信息服务业发展，促进地方产业转型升级。二、任务目标2.1 科技服务目标本任务将东莞市作为成果应用和推广的第一服务目标。通过将东莞松山湖作为任务示范点，建立良好的示范效应，后续向东莞各镇街及国内其他区域进行推广。同时，任务还选择了肇庆端州区做一期示范区域。近年来，互联网经济蓬勃发展，在带动产业转型升级的同时，也给地方经济带来了一定的困扰。以电子商务为例，各地都将发展电子商务作为重点方向，但由于互联网经济的特点，主要的税收收入都落到互联网企业的注册地，出现了“全国税收支援杭州”的情况。在国际上，英国首先提出了针对在
16、英国运营的国外科技企业征收转移利润税（又称“谷歌税”）的方案；在国内，各地政府也在考虑如何在发展互联网经济的同时，带动地方产业经济发展，解决地方收入和就业的方法。本任务在示范区域探索基于PPP（公私合营）的长期运营模式。通过在各地成立PPP项目公司，将政府和企业通过股份纽带联合起来,结合实践情况，探索行之有效的建设和运营模式，带动地方产业转型升级，解决以下问题：1） 通过政府的参与，将智慧城市神经网络基础平台建设中需要的特许经营权授予到项目公司，项目公司可基于此探索长期有效健康发展的商业模式。2） 智慧城市神经网络基础平台建设涉及到城市建设和管理中的各个部门，如何有效协调，实际落地，是智慧城市
17、在各地建设中出现的典型问题。如何建立高位协调的机制，有效解决此问题，也是本任务建设的目标之一，在东莞松山湖和肇庆端州这样规模适中的项目实践中，尝试摸索和总结符合我国国情的解决办法，以支持未来在国内其他地方的推广应用。3） 通过落地在各地的PPP项目公司，解决地方政府困扰的产业空洞化问题。项目建设和运营的团队、技术、税收都落在当地，并且通过项目对整个产业链条的带动作用，促进产业转型升级，避免互联网经济带来的税收转移的“桂树效应通过在试点区域的摸索，探索地方政府欢迎，对地方产业发展有利的智慧城市建设模式。总结来说，本任务不仅要研发先进的技术框架：智慧城市神经网络基础平台；同时基于技术的支撑，探索智
18、慧城市中非技术问题的解决方案。以中小城市为切入点，针对过去智慧城市建设中遇到的各种问题，摸索行之有效的建设模式和运营模式，切实带动地方经济转型升级和产业发展。形成成熟的模式，支持智慧城市在全国各地的建设和应用推广。2.2 技术目标具体的技术目标包括：1) 研发智慧城市神经网络基础平台软件一套，为第三方提供开放数据和应用交互接口。2) 研发智慧城市神经网络基础平台硬件设施，包括支持PLC.Zigbee.IPV661owpan等主流网络协议的智慧城市网关控制器、节点控制器等硬件装备，能够接入温度、湿度、PM2.5、积水、Wifh广告牌等十余种传感器和控制设备。3) 选择东莞松山湖和肇庆市端州，建立
19、智慧城市神经网络基础平台示范路段，基于该网络研发路侧停车、积水涵洞、路灯WiFi、窖井盖管理等十余项典型应用。4) 制定智慧城市神经网络平台的地方标准和国标草案。2.3 进度计划本任务具体进度计划如下：1） 2015年2016年：在松山湖和端州区选定小范围的试点区域,在该区域内进行智慧路灯改造，并基于路灯灯杆建立Wifi、井盖监测、积水检测、路侧停车、安防报警、智慧社区等应用。2） 2016年2017年：在上年度工作基础之上，在整个松山湖和端州区进行全面推广，进行全城智慧路灯的改造，以及进行城市管理、民生服务应用的建设。通过与当地政府、当地公司建立PPP项目公司，政府一方面会出让一部分的特许经
20、营权，另一方面会每年购买平台的城市管理服务。因此，项目的建设完成仅仅是开始。PPP项目公司会通过面向企业和个人的特许经营权（比如面向公众的Wif）进行盈利，同时政府每年还会购买其提供的城市管理服务费（比如窖井盖的管理）。这种模式就使得智慧城市从“建设”升级为“运营”，该模式与思科公司主导的美国堪萨斯城2和西班牙巴塞罗那3的建设模式相同，属于国内首创，能够为国内其他城市进行智慧城市提供积极参考Q3） 2015年2018年：在建设东莞松山湖和肇庆端州的同时，任务团队还将与各地政府进行智慧城市项目的合作，计划将本任务成果推广到东莞各镇街、广州南沙庆盛、贵州贵安新区、安庆市宜秀区、四川绵阳等，打造中科
21、院进行智慧城市建设和运营的品牌，并带动智慧城市、智慧路灯、LED等、物联网芯片装备制造、云计算等上下游产业发展。基于实际项目经验，制定智慧城市底层基础设施建设和运维的行业标准和国际标准。三、实施方案3.1 体系架构智慧城市神经网络基础平台将基于智慧路灯系统进行创建。智慧2 3 路灯是智慧城市感知层信息采集最适合的载体，因为城市里面围绕着道路，而道路上排列有路灯，采用了智慧路灯控制系统的路灯更是具有了“有电、有杆、有网络、有平台”的特点。因此，整个平台取名为神经网络，就是寓意城市的各个区域被道路分割为各个区域，而每个区域里面都以路灯为中心建立了各种感知传感器，就像一个个大脑神经元。如下图所示是智
22、慧城市神经网络基础平台的体系架构。社区政务管理智慧路灯井盖监测涵洞积水监测市政环保.安防路灯WifiI环境检测.报警点智慧隧道IS路侧停车及充电土覆智能视辘控智慧城市神经网络基础平台应用服务接口层民生服务API/SDK基础应用服务智锻城市神经元模型门户工作流AK务多租户管理其它基础服务资源抽象接口资源路 由管理消息缓 存管理事件订阅/发布管理目理 源管 资录设备注册设备接入管理通信协议环境适配资源管理子系统面向多租户的应用级进程隔淘基于SLA的应用级进程资源调度GC。IJd云资源虚拟化图1智慧城市神经网络基础平台的体系架构整个平台的架构充分参考了传统操作系统的架构，将平台分为内核层和应用服务接
23、口层。内核层中包含资源管理子系统和进程管理子系统。资源管理子系统可以接入基于智慧路灯神经网络的各种物联网设备，包括温湿度传感器、PM2.5传感器、紫外线传感器、积水传感器、烟雾传感器、酸雨传感器、摄像头、CO/C02传感器等，还可以接入各种控制设备，包括Wifi、微基站、广告牌、充电桩等。这些海量的、异构的物联网设备将通过资源管理子系统统一接入，并通过抽象封装提供给上层应用。进程控制子系统将处理云计算级别的计算和存储资源的调度和分配，以及面对多租户环境下，根据不同的SLA动态进行资源调度的策略。应用服务接口层中主要封装了各种基础服务，提供了城市中各个业务领域的智慧城市神经元模型，并通过开放接口
24、提供给上层应用。该神经元模型将采用领域特定语言(DSL)、脚本语言和规则引擎等几种形式封装底层物联网设备的访问，以及应用运行时按需进行资源弹性分配。这使得智慧城市应用的开发、部署和运营将极大的得到简化，从而加快智慧城市建设的步伐。3.2智慧城市神经网络构建智慧路灯控制网络是构件智慧城市神经网络的基础，我们主要研究在智慧城市建设中，面临的众多城市基础设施的智能感知的传输网络共性问题，本STS计划任务拟组建一个“有线PLC+无线自组网+移动通信”相结合的异构网络，同时基于这三种基础的通信网络，后续将可扩展更多的有线无线传感基础网络。研发的异构网络将提供标准的接入通信协议，建立标准的通信管道。基于该
25、基础网络平台式时，只需要根据本通信协议对自己的接入设备稍加修改，即可以方便地接到本网络，并通过异构网络的基础建设将数据传输到云端。例如：用户在路灯控制设备上接入环境传感设备，平台将利用自身已经组建好的通信网络将数据采集到后台，无需再部署PLC通信线路、网关设备和电信网移动通信设备。图2智慧城市神经网络示意图异构网络的研发过程，将主要进行以下部分的研究解决:(1)电力载波组网设计基于本所的智慧路灯项目的电力载波(PLC)通信网络技术基础,搭建选定区域的电力载波通信网络，基于路灯灯杆安装感知节点，并在配电柜处安装电力载波方式的通信网关。根据感知节点的功能和性能要求，对感知节点进行硬件模块化设计。感
26、知节点主要由单片机MCUAC/DC电源部分、电力载波模块、EEPROM存储部分、相关外围接口及复位芯片组成。图3电力载波通信设计(2) Zigbee组网设计Zigbee通信硬件模块研发，设计的硬件模块具有通用性，提供详细的管脚定义及提供转接板案例，并在模块中嵌入自研自组网通信协议软件。使用户可以直接使用本模块或进行简单的转接小板设计即可接入系统。一个Zigbee网络至少由1个Coordinator多个Router和若干个EndDevice构成，其中End当一个Device不是一个网络中必须具备的节点类型。ZigbeeMesh网络拓扑设计如下图所示:图4zigbee组网示意图当网络被Coordi
27、nator创建完成并有Router成功加入后：RoUter获取的地址(ShOrtAddreSS)保持不变，它可作为该节点在网络中的唯一标志；网络组建完成后，Coordinator创建网络的使命已经完成，Coordinator和Router的功能就完全相同，此时的Coordinator可以退出网络；当COOrdinatOr掉电后，R。Uter依然能维持网络运行，因此新的节点仍然能加入该网络，同时网络中的节点之间仍能进行正常通讯；每个Zigbee网络可能需要多个EndDeVice,但该类型的节点在一个网络中非必须。EndDevice采用周期唤醒的的方式，向多对应的父节点查询是否有数据发送给自己，并
28、执行相应的任务。因此EndDevice通常应用于少量数据交互、周期性收发数据和对低功耗有要求的场景。(3) 6Lowpan组网设计6Lowpan(IPv6overLowpowerWPAN)协议是IETF组织于2004年11月成立工作组开始制定的协议，专门针对IPv6协议在IEEE802.15.4上运行提供解决方案，经过这几年的发展，已经形成了一些列的RFC标准，逐渐走向成熟。此外，IETF组织还形成了RoLL和CoRE组织,分别制定6Lowpan之上的路由算法以及应用层标准，形成了标准化体系。6Lowpan无线自组网如图所示。6Lowpan网络图56LoWPan无线组网结构网络中由6Lowpa
29、n网络、IPv6网络构成，通过边缘路由器进行转换和适配。6Lowpan无线网络中通过RPL路由协议自动形成无线Mesh网络。同ZigBee技术一样，6Lowpan技术也采用的是EEE802.15.4规定的物理层和MAC层，不同之处在于6Lowpan技术在网络层上使用IETF规定的IPv6,采用IPv6协议栈，其协议栈参考模型如图所示：图66Lowpan协议栈参考模型在物理层和MAC采用低功耗的IEEE802.15.4标准，实现底层的无线数据收发和链路管理功能。适配层6Lowpan主要针对IPv6网络以太网与IEEE802.15.4物理层的差异性，实现网络的地址转换、数据包分片与重组、帧头压缩与
30、解压缩，实现IPv6帧在最大只有128byte的802.15.4物理层上传输。网络层使用标准的IPv6协议，通过ICMPV6发送消息和控制报文，并通过RPL路由组网算法建立路由，并形成特定的网络拓扑。传输层使用无连接的UDP传输协议，算法开销小。应用层使用专门针对低功耗的无线传感器网络优化的CoAP应用层协议，是一种类似于HTTP的协议，易于实现CoAP-HTTP转换。IPv66Lowan网络中，主要由6Lowpan主机、6Lowan路由器、边缘路由器、IPv6主机/服务器等设备构成，各种设备的运行的协议栈层次不相同，如图所示。6Lowpan能够方便的集成到因特网，如图实现6Lowpan主机与
31、IPv6主机的端到到通信。6LoWPA网络一 IPv6 网络*-图7 IPv66Lowpan网络通信过程IPv6技术在LR-WPAN上的应用具有广阔发展的空间，而将基于6Lowpan的IPv6无线传感器网络的研究与实现LR-WPAN接入互联网也将大大扩展其应用，使得大规模LR-WPAN的实现成为可能。由于6Lowpan技术支持IPv6技术和无线传感器网络间的无缝连接，特别适合应用于嵌入式IPv6这一领域，它使大量电子产品不仅可以在彼此之间组网，还可以通过IPv6协议接入下一代互联网。使人们与周围环境更紧密的结合，实现IPv6协议所倡导的“IPAnywhere”理念。以上通信子网在组建完成后，均
32、拟定各自标准的接入通信协议，建立通信规范，用户设备只要符合规范就可以无缝接入到本平台，享受本异构网络的基础建设、自动组网和基础网关，很方便地在后台获取采集的数据。3.3 资源管理子系统智慧城市中的物联网设备具有海量异构的特点，由于物联网设备及其网关的异构性，智慧城市神经网络基础平台需要适配不同的通信协议，因此，需要研究制定设备接入协议规范，以及对不同协议的适配策略，支持各类设备的无缝接入，将对接入系统的设备根据不同领域应用环境进行实时适配，实现设备进入即使用。这部分研究包括三方面关键技术，分别是异构设备适配，设备资源共享和负载均衡策略。（1）异构设备适配由于物联网设备网关的异构性，智慧城市神经
33、网络基础平台需要适配不同的通信协议，对不同协议的适配策略是本STS计划任务研究的关键技术之一。适配器模式广泛用于中间件的接口适配问题上，适配器可以将一个接口转换成另外一个接口，使得原来由于接口不兼容而不能在一起工作的模块可以一起工作。适配器的实现方式是在中间件定义一个标准接口，用一个类同时继承标准接口和指定设备接口，主要用了重载接口方法的办法实现接口中的定义，也就是这个类适配了标准接口和指定设备接口。若指定设备发生变化，只需修改类适配器，就可以满足接口的实现。智慧城市神经网络基础平台需要为异构协议转换提供一个标准接口，基于这个标准接口可以为不同的硬件网关开发不同的适配器，在适配器中将不同的协议
34、转换统一标准的协议。智慧城市神经网络基础平台需要建立一个适配器的容器，不同的适配器可以插拔的方式装载入容器中，并支持适配器的在线加载。智慧城市神经网络基础平台能够自动搜索网络发现设备，实时配置设备的网络位置，支持设备的动态IP变化，实现物联网设备的自动注册。（2）设备资源共享物联网应用广泛，同一物联网设备可能需要同时支持多个物联网应用。基础平台通过适配器与所有物联网设备网关相连，为物联网应用共享物联网设备资源提供条件。物联网应用可以通过基础平台对物联网设备进行控制，获取设备感知信息；物联网设备产生的事件信息也可以通过基础平台主动上报给物联网应用。然而并非所有物联网应用都需要智慧城市神经网络基础
35、平台连接的所有物联网设备的事件信息，不同的物联网应用有不同的信息需求。这里需要一种资源共享策略，使物联网应用能够在基础平台设备资源池里获取所需设备的事件信息。订阅模式是实现事件共享的常用方式，它定义了一种一对多的依赖关系,让多个订阅者对象同时监听某一个资源对象。这个资源对象在自身状态变化时,会通知所有订阅者对象,使它们能够自动自动更新自己的状态。智慧城市神经网络基础平台需要提供订阅管理功能，使物联网应用能够根据多种方式（如设备网关、网关类型、事件类型等）订阅所属设备的事件信息。如图8所示，物联网设备产生的信息首先汇聚到智慧城市神经网络基础平台，再由智慧城市神经网络基础平台根据订阅策略发布给订阅
36、的上层应用。物联网设备产生的事件信息会在基础平台缓存，没有实时获取订阅信息的物联网应用，也可以按需主动从基础平台获取事件信息。图8.基础平台事务订阅/发布机制（3）负载均衡策略随着物联网技术的发展，物联网应用的规模不断扩大，智慧城市神经网络基础平台需要连接海量的物联网设备，这需要智慧城市神经网络基础平台具有很强的性能扩展型。集群是实现负载的均衡和高可用性的常用技术，通过集群技术可将多台服务器虚拟为一台服务器，并按一定策略使负载在服务器群中尽可能平均地分摊处理以来，以解决性能的可伸缩性问题。负载均衡存在基于应用层和基于IP层的两种负载均衡方式：基于应用层的负载均衡实现方式：通过高速的互联网络连接
37、成一个集群系统，在前端有一个基于应用层的负载调度器，当用户访问请求到达调度器时，请求会提交给作负载均衡调度的应用程序，分析请求，根据各个服务器的负载情况，选出一台服务器，重写请求并向选出的服务器访问，取得结果后，再返回给用户。基于应用层的负载均衡调度器通常只针对某种特定的应用，如目前流行的nginx,它只针对Web应用的HTTP请求；基于IP层的负载均衡方式（如图9所示）：用户通过虚拟IP地址（VirtUaIIPAddreSS）访问服务，访问请求的报文会到达负载调度器，由它进行负载均衡调度，从一组真实服务器选出一个,将报文的目标地址VirtualIPAddress改写成选定服务器的地址,报文的
38、目标端口改写成选定服务器的相应端口，最后将报文发送给选定的服务器。真实服务器的回应报文经过负载调度器时,将报文的源地址和源端口改为VirtualIPAddress和相应的端口,再把报文发给用户。基于IP层的负载均衡调度器可以支持基于TCP/IP的应用，如目前流行的LVS,它可以支持SOCket,适用的应用范围要比nginx广。智慧城市神经网络基础平台的负载主要来自硬件网关，而硬件网关与基础平台连接基本都基于TCP/IP,因此需要选择基于IP层负载均衡服务器，如LVS。图9.基于IP层的负载均衡机制存储 （磁盘 阵列）基于上述的关键技术研究的基础上，开发智慧城市神经网络基础平台的资源管理子系统，
39、实现对物联网设备统一管理的相应功能，包括以下几个功能模块：(1)消息路由模块消息路由器是智慧城市神经网络基础平台的核心组成部分，它将上层应用对硬件节点的控制命令路由到对应的适配器上，再由适配器通过硬件网关对硬件节点进行控制。消息路由器的路由表中保存了基础平台与上层应用的会话信息，以及基础平台与硬件网关之间的连接信息。当基础平台接收到来自上层应用的指令消息后，消息路由器会对当前消息进行解释，读取消息接收者信息，再查询消息路由表，得到目标网关的连接信息，然后通过已经建立后的连接，将信息推送到对应硬件网关。同时，基础平台接收到来自硬件网关的事件信息后，消息路由器会根据订阅表对消息和应用进行匹配，再将
40、消息发布给订阅此消息的上层应用。(2)资源管理模块资源管理是指对智慧城市神经网络基础平台所连接资源的管理，资源管理模块包括应用管理、硬件网关管理、网关类型管理。应用管理：应用管理是对智慧城市神经网络基础平台上层应用信息的管理，应用信息包括应用名称，应用类型，部署地址，端口等。管理员可根据需要添加和维护基础平台需要支撑的应用，只有在资源管理模块注册的上层应用，其对智慧城市神经网络基础平台的请求才会被接受；A硬件网关管理：硬件网关一般可以都有自动注册功能，其信息会在智慧城市神经网络基础平台自动登记，同时管理员也可以通过硬件网关管理模块手工添加和维护硬件网关；网关类型管理：管理员也可以维护网关类型，
41、对硬件网关进行归类。(3)设备监控模块监控管理是指对智慧城市神经网络基础平台所连接硬件网关、上层应用的状况进行监控，检测他们是否正常工作，并接收来自硬件网关的故障报警。它包括在线设备监控，告警管理，自动检测等功能。在线设备监控：管理员可监控在线的硬件网关、硬件节点信息，包括节点UID,上线时间等；A告警管理：管理员可以了解所有硬件设备的运行状况,并实时得到设备的报警信息，同时系统会通过短信，邮件等方式自动提醒管理员；自动检测：在智慧城市神经网络基础平台进行集群部署时，通过监控管理模块还可以检测每台基础平台的运行状态Q智慧城市神经网络基础平台还记录了每段时期各种设备和系统的运行日志，管理员可随时
42、调阅查看。(4)事件订阅模块事件订阅是指上层应用可以根据自己的需要订阅某些硬件网关、硬件节点的产生事件，智慧城市神经网络基础平台汇聚事件信息，根据订阅记录将事件发布给订阅者。事件订阅模块包括网关订阅，节点订阅，类型订阅等功能。管理员可通过节点ID、节点所属网关和节点类型等对硬件节点事件进行订阅，同时上层应用也可以通过接口调用的方式提交订阅请求。3.4 进程控制子系统面向智慧城市“感、传、知、用”的层次要求，为支撑上层大规模智慧城市应用，需要智慧城市神经网络基础平台在充分利用海量ICT资源的前提下，根据不同应用的资源需求弹性动态德提供所需资源。因此，本平台应用级进程控制需要基于进程管理和调度理论
43、，并融合云计算技术的多租户、按需服务等特点，研究多租户应用级进程隔离和基于服务等级协议(SerViCe-LeVeIAgreemenLSLA)的应用级进程调度，以支持上层面向智慧城市应用的开发和运维。(1)面向多租户的应用级进程隔离根据前述调研的分析，本STS计划任务将支持通过虚拟机技术共享各种物理资源的虚拟机隔离和通过共享一个应用实例为多个租户提供服务的应用隔离模式。而从隔离对象来分，应用级进程隔离分为数据隔离、个性化需求隔离和性能隔离。其中，性能隔离可依靠前面所述的基于多租户SLA的进程资源调度实现以下分别介绍对数据和租户个性化需求的进程隔离机制。为了保证不同租户的数据安全性，可采用物理隔离
44、的方式对租户业务数据库加以隔离。此种方式需要建立系统级的中央数据库，用来记录租户的实际业务数据库的信息，并解决租户对数据请求的路由、租户数据切分放置等问题：业务数据库路由：每个租户对应一个物理隔离的业务数据库，用户通过输入租户名，登录系统后会根据中央数据库的租户映射表路由到指定的业务数据库，并且将该用户的SF与数据库的映射组合在一起构成令牌进行记录。当用户再次进行操作时，不需要再查找路由表，直接根据令牌的信息导航到相应的业务数据库；租户业务数据实体主键生成：为了解决业务数据库的单点压力，采用数据库水平切分的方式，将租户的业务数据库拆分为多个数据结构一样的、在物理上独立的数据库，使得业务数据的持
45、久化可以根据算法和策略定位到某一个分片数据库上，解决对集中数据库访问的问题。但是存在多个物理上独立的水平数据库时，不同的数据库可能会生成相同的主键，无法再使用数据库的主键自增功能。因此，数据实体的主键需要通过外部来进行设置。在应用程序中采用UUID的方式能够保证主键值的唯一，但是采用UUID的长字符串作为主键会造成查询、连接等操作的效率低下。因此，本STS计划任务中还是采用数字作为主键，提供一种对各水平切分数据库的主键生成机制。租户容器对各租户建立了主键生成信息表，该表记录了每个租户内最大的主键值。当应用实例进行主键分配时，需要获取中央数据库记录的本租户的最大主键值并返回。但是该方案的单点压力
46、移到了中央数据库中，需要对该分配策略进行一点调整。当应用实例每次申请主键时，不是返回一个值，而是一个设定数值范围，主键值从该数值范围内取即可。如果该范围内的数值还没有分配完，则不用再到中央数据库申请了。同时，主键数值范围还可以进行调整，达到缓解中央数据库的主键分配压力的目的；从面向构件的角度：多租户应用可分为界面构件、业务构件、数据构件等，数据库的隔离不但针对数据构件，还需要针对界面构件、业务构件等，这才能使得整个多租户构件模型状态一致。因此，作为补充，我们还需研究如何将这种能力透明的增加到多租户的其他构件中，使得业务的开发更加专注。面向方面编程技术(ASPeCtOrientedProgram
47、ming,AOP)提供了一种途径，通过将数据库的隔离封装为方面(ASPeCt)构件，形成与之相关的方面库，从而达到支撑多租户能力的透明注入。大规模智慧城市应用因面向的领域不同，需要下层平台支持不同领域应用开发的个性化需求。个性化需求体现在菜单的个性化、国际化显示、流程的个性化、业务逻辑的个性化和数据实体的个性化等方面。而为实现不同应用间的独立运行，需要对不同租户个性化需求实现相应隔离机制。个性化定制能力的两个基础是控制反转技术(InVerSeofControl,IoO和元数据驱动技术(Metadatadriven):控制反转：控制反转是一种减轻模块之间耦合度的方法，利用了面向接口编程的思想，将业务逻辑的编写依赖于接口而不是实现类。这就使得可以利用面向对象语言的多态性，能够在运行时动态注入不同的实现类，从而完成不同的功能。比如对于不同租户个性化业务逻辑的支持，就是通过对不同的租户访问时，动态注入不同的业务处理能力而实现的；元数据驱动：元数据是数据的数据，元数据
