隨著計算機、互聯網、移動通信、云計算、大數據、人工智能等信息技術的發(fā)展，物聯網技術應運而生，并被各國納入新一輪信息技術發(fā)展戰(zhàn)略中。近年來，中國的物聯網相關產業(yè)及技術應用也得到了迅猛發(fā)展，特別是在城市管理領域。供水、排水、燃氣、熱力、電力和交通是城市生命線重要的基礎設施和有機組成部分，生命線系統是否安全運行直接影響城市功能是否正常運轉，它們是維持城市生活和生產的保障。當前，人們迫切需要應用物聯網技術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防預測及處置能力，進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、燃氣、熱力、電力和交通等基礎設施系統，這些系統是維持現代城市生產、生活的基礎。隨著城市居民對生活條件、文化與信息需求的不斷提高，以及城市經濟的快速發(fā)展,社會城市生命線系統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生活、支撐領導決策都起著非常關鍵的作用。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，做好四個服務工作。而做好四個服務工作，核心是堅持高標準的要求，利用現代信息和通信技術（特別是物聯網技術），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，獲得各項有效數據和指標，在應對突發(fā)事件時，能夠提供基礎運行數據和高峰運行數據，從而為領導決策提供基礎參考。
2009年以來，物聯網技術與應用在國內外引起廣泛關注，北京市各級領導對此高度重視，專程對本市物聯網技術應用情況進行調研，聽取有關情況匯報，并做出重要批示：北京發(fā)展物聯網技術與產業(yè)要優(yōu)先從城市安全運行、應急管理做起。為落實市領導批示精神，市發(fā)改委會同市應急辦、市經信委等部門，起草了《關于加快推進本市物聯網產業(yè)發(fā)展和示范應用有關事項的意見》并上報市政府。市政府領導批示：物聯網產業(yè)的發(fā)展問題由經信委研究，應急辦牽頭，首先在城市應急和城市生命線管理中應用。按照市領導批示和要求，全市政務物聯網應用建設以城市安全運行和應急管理為突破口開展，并帶動全市物聯網技術應用和產業(yè)發(fā)展。
按照要求，北京市城市安全運行和應急管理物聯網應用將按照1 1 N框架開展。這里，個1是指市應急指揮平臺，第二個1是指市物聯網應用支撐平臺，N是指各部門（區(qū)縣）應急物聯網應用。市應急指揮平臺通過市物聯網應用支撐平臺，匯聚接入各部門（區(qū)縣）應急物聯網應用的管理信息，對全市城市安全運行和應急進行全過程常態(tài)化管理，實現管得住、上得來，看得見、能整合。
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城市生命線管理的物聯網關鍵技術研究與應用，可以作為生命線應用工程的技術研究和應用總結。政府部門要積極推進城市生命線管理領域的物聯網技術應用，以城市生命線中供水、排水、燃氣、熱力、電力和交通等城市生命線系統開展示范應用，將上述復雜系統進行數字化，通過傳輸網，綜合利用信息化技術，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數據庫；建立高度智能化的直接用于城市生命線運行管理、應急支撐和領導決策的信息共享和交換平臺，進而為實時掌握上述資源的計劃、調度、存量需求等運行信息提供便利；經分析和綜合展現，為各級管理者及時準確掌握城市生命線整體運行情況提供有效服務；為相關單位提供城市生命線突發(fā)事件的預警信息，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網關鍵技術研究與應用的總結提煉，從分析城市生命線管理現狀和主要問題出發(fā)，結合物聯網及其關鍵技術的發(fā)展情況，以城市生命線實時監(jiān)測物聯網應用示范為研究背景，探究了物聯數據專網網絡選型和設計、多傳感器數據融合方法、物聯網應用中間件架構與組件等物聯網感知設備管理、網絡傳輸、應用支撐、算法研究等方面的關鍵技術，并將這些技術研究成果應用到液化氣監(jiān)測監(jiān)控物聯網應用示范系統建設中進行示范應用。筆者在城市生命線管理領域中總結提煉出一套行之有效的物聯網解決方案，這對于城市生命線實時監(jiān)測物聯網應用示范工程的建設實施具有實際指導意義，并可為其實施建設提供一套穩(wěn)定可靠的數據傳輸專網，提供一個高效實用的多傳感器數據融合算法，提供一組普適便捷的物聯網應用中間件架構、組件和算法。本書在城市生命線管理領域具有重要的應用價值和現實意義。
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（1）物聯數據專網網絡選型與設計研究。面向城市生命線管理的需求，宜根據傳感設備分布特點，通過比較3G技術(WCDMA、CDMA 2000、TD-SCDMA、WMAN)、B3G技術(FDD-LTE、TD-LTE、LTE-A、IEEE 802��16m)，以及Wi-Fi Mesh、McWiLL等通信技術，基于TD-LTE技術進行專網的網絡設計。本書重點研究了核心網絡設計、網絡覆蓋、網絡性能設計、接入網的詳細設計，以及網絡安全架構。EPC核心網設計為全IP網絡，力求使設計具有安全可靠、支撐路由優(yōu)化和本地輸出、高效的空口和系統能力、動態(tài)資源分配、自適應重傳等特點。網絡覆蓋和網絡性能設計基于Okumura-Hata模型，按照不同地域進行優(yōu)化和定制研究；依托該設計方案建設的接入網絡，利用波束賦形技術、同頻組網和異頻組網相結合的技術，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據的中長距離傳輸問題；該設計還可提供一個全覆蓋、便捷、方便的接入網絡，能夠滿足北京市各級政府對城市安全運行和應急管理的應用需求。
（2）多傳感器數據融合方法研究。本書以城市生命線管理中的液化氣監(jiān)測系統傳感設備為研究對象，圍繞多傳感器數據融合問題展開討論，通過對加權平均、卡爾曼濾波、貝葉斯估計、統計決策理論、證據推理、模糊推理等多傳感器數據融合算法進行分析，結合液化氣監(jiān)測系統多傳感器應用特點和控制結構，選擇加權平均數據融合算法作為液化氣監(jiān)測系統的數據融合算法進行設計。此外，本書以液化氣監(jiān)測傳感數據為對象，研究并設計了一套數據融合算法，并將該算法應用到液化氣監(jiān)測管理系統中，以液化氣監(jiān)測現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）物聯網應用中間件架構及其數據處理層算法研究。物聯網應用中間件是物聯網應用中的關鍵軟件部件，是銜接相關硬件設備和業(yè)務應用的橋梁。面向城市生命線管理領域需求的物聯網應用中間件主要存在屏蔽異構性、實現互操作和信息預處理等方面的問題。本書重點研究普遍適用于城市生命線監(jiān)測系統中的物聯網應用中間件架構，該架構可實現各種標簽和傳感器等感知元件同應用系統之間的數據傳輸、數據過濾、數據格式轉換，具有統一的傳感信息接入標準，能夠對傳感信息進行身份認證和安全傳輸。同時，本書基于液化石油氣監(jiān)測系統實時采集溫度、濕度、氣體濃度、監(jiān)控影像等海量的信息數據特點，綜合各種方法的利弊，并針對當前液化石油氣監(jiān)控的應用特點，在旋轉門壓縮算法(SDT算法)的基礎上，提出了一種應用中間件數據處理層改進的有損數據壓縮方法(ISDT算法)，該方法可用于提高數據的壓縮率和性能，此外筆者還進行了仿真實驗及實際系統中的應用預研。
（4）液化氣監(jiān)測監(jiān)控物聯網應用示范。該系統是對城市生命線實時監(jiān)測物聯網應用示范工程的示范預研。本書從液化石油氣監(jiān)測存在的問題出發(fā)，以需求為導向，從系統總體架構、軟件架構、網絡架構、數據流程、終端和接口、系統安全等方面進行了應用示范系統的設計研究。應用示范系統建設成果是對面向城市生命線管理領域的物聯網數據專網網絡選型設計、多傳感器數據融合技術研究、物聯網應用中間件架構，以及改進的有損數據壓縮方法(ISDT算法)等的物聯網關鍵技術研究成果的驗證，為進一步推廣提供重要的經驗。