第2章 城市“数据大脑”的感知系统——物联网安全

2.1 智慧城市的物联网应用及发展

城镇化发展的步伐一直跟随着现代科技的步伐，为越来越多的居民带来方便的城市生活。在整个人类历史的发展过程中，不只是人口激增给城市生活带来了变化，在人口密集的城镇中，各类城市事务的复杂度和非居民事务的产生对城市带来了更多的挑战和机遇。以往的城市管理者凭借多年的基层实践经验对城市发展做出预判，通过各类实际调研活动来掌握城市运转的健康度和城市运转的实际情况。然而，城市的不断发展已经让经验变得不再可靠，让各类陈旧的调研手段不再全面，在这样的变化中，采用新技术，部署新设备已经是解决各类城市问题的新手段、新方法。

人类对自然界认识的步伐，从来就没有停止。早期模拟技术的充分利用，让人类对大自然有了更深一度的感知，利用工业革命的爆炸式发展和电气时代的科技进步，从模拟跨越到数字时代，从感知自然界的模拟信号维度上升到人类自己创造的数字信号时代，自然和科技的距离将通过繁星密布的传感器技术以光速飞奔到云端，在云端为城市管理者、城市居民提供更精准的实时数据，从而以此为依据做出更有利于城市发展的决策，安排出更便捷和舒适的出行计划和生活规划，在医疗、教育、环境卫生中发挥出以往传统方法无法达到的效果。不难看出，一个城市的发展会经历不同的阶段和环节，智慧城市的建设将是这一发展过程中值得深入和充分实践的阶段，也是城市管理者越来越重视的一个阶段，智慧城市的落地和运营已经成为城市发展的名片。

在智慧城市的发展浪潮中，肯定不会缺少物联网的身影，在智慧城市的基础设施建设中少不了物联网技术的广泛应用，物理空间的数字化，物与物的通信，城市管理的无限延伸都依托于传感器的部署、传感网的构建和物联网应用的发展。全球许多城市都依靠物联网技术来解决城市问题（比如交通拥堵），提高居民的安全性（比如视频监控）和生活质量。物联网与智慧城市相融合的发展步伐已经无法阻挡，物联网的发展也推动着智慧城市向生活更加便捷、居住环境更加绿色、城市管理效率更加高效的方向稳步前行。

2.1.1 城市能源管理

城市能源的供给关系一直是城市稳定发展的最重要关系之一，城市运行少不了能源部门的支持，能源部门通过利用物联网技术构建智能电网系统，从而让整个城市的能源分配更加合理和高效。智能电网通过从安装在整个电网中的传感器收集数据进行用电量的预测分析，让发电容量与用电需求相匹配，从而实现更高效地输送电力。

在智能电网中，使用较为广泛的传感器是智能温度传感器和相量测量设备PMU（Power Management Unit，电源管理单元），其中PMU主要负责测量电信号的电流、电压和频率，这些测量指标直接影响着智能电网的生产安全，可以用于监控接入智能电网的可再生能源发电机（比如太阳能面板或风轮机）的效率，并确定将发电机放在何处才能生成最大化的能源。智能电网服务商还可以使用来自发电机、输电线、电缆、变压器和变电站上的传感器的数据来检测故障，并确定应安排维护的时间。

智能电网的运用不只是在电网运营者方面，在电网的终端方面也可以依赖智能电表让用户了解自己的能源使用情况，进而实现远程控制供电的需求。智能电表的普及节省了人工读取电表数据和进行切换的成本。智能电表集成了各类传感器组件，这些组件包括：霍尔传感器、加速计、震动传感器、各向异性磁电阻（AMR）传感器，以及PMU。利用以上类型的传感器，智能电表能够监控能源使用情况和效率，监控智能电表设备本身的状况，并检测自身产生的数据是否被篡改。这些传感器生成的数据经过聚合与分析，通过室内显示设备、可视化仪表板以及集成到移动或Web应用程序中的仪表板呈现出来，让用户能实时监控能源使用情况。这些仪表板和应用程序的使用能够让智能电网服务商跟踪成本并研究客户使用模式，识别能源消耗最多的活动和设备，从而改变智能电网服务商的行为来响应这些数据分析。

如果与内置了执行器组件（如充当远程开关的继电器）的智能设备相结合，智能电表还能帮助管理负载。例如，水池水泵或HVAC（加热、通风和空调）系统等高能耗设备会自动切换在非高峰时段运行，帮助预防停电和限制用电，并通过非高峰期电价为用户节省费用。类似的程序也可以推广到其他的计量设施，比如水和天然气。巴塞罗那市就采用了智能水表实现数据的挖掘和分析利用，使用智能仪表设备所产生的传感数据进行实时可视化监测，利用智能报告工具高效地通知用户相关使用情况，从而高效管理使用水资源，也为居民节省成本。

其次物联网技术也被用来控制城市照明系统，目前全球使用的街灯超过3亿盏，使用智能LED街灯可节省大量的能源，这不仅是因为LED相对于传统街灯的功耗更低，更因为这些智能化的街灯可以实现集中控制，可以根据附近是否有人或车来智能地调节灯的亮度。这些智能化街灯被植入了环境感知传感器，可通过分析来自距离传感器和运动检测传感器的数据，比如被动式红外传感器（PIR）、超声波传感器或微波（Doppler）传感器，或者使用来自摄像机的实况视频流，应用计算机视觉算法来检测是否有车辆或行人经过，并自动实现灯光的调节。居民也可以选择利用内置于他们手机或互联汽车中的GPS跟踪器来提供位置数据，进而通过对路段人流量和车流量的统计来智能化地调节该路段的照明情况。

2.1.2 居住环境安全

不论是城市的管理者还是城市中的居民都非常关注居住环境安全，环境安全的各类指标通过物联网技术可以进行精准采集。当然，这类环境安全指标数据也要通过环境传感器来捕获，环境传感器可用于监控公用水道、公园和绿地，传感器数据可用于识别需要清理或保护的区域。这些环境传感器还可用于跟踪整个城市各个位置的周边环境条件，比如，温度、湿度、降雨和空气质量等。

环境安全的检测少不了大量环境传感器的扩大部署和大范围传感网络的搭建，环境传感器的部署通过添加更多的传感器组件来扩展WSN（Wireless Sensor Networks，无线传感器网络）中的智能传感器源节点功能。在典型的WSN中，智能传感器节点是基于微控制器的低功耗设备，这些设备由电池或太阳能电池供电，通过使用6LoWPAN和IEEE802.15.4或RF网络标准的网络进行连接。在网状拓扑结构中，传感器节点相互连接，并全部通过该网络参与数据传输，这使得网络范围得到扩展，同时还提高了网络的可靠性和自我修复能力。然而传感器网络常常容易受到各类环境噪声的干扰，例如下雨和尘雾等天气条件引发的干扰，以及来自建筑和水的反射表面的信号干扰，这种干扰是由信号采用多条路径时的多径衰减引起的。网状网络拓扑结构提供的冗余路径使网络能够智能地针对这些问题来路由流量，从而适应环境条件。另外，也可以采用信道跳跃技术，使环境传感器数据能够传递到云端，从而实现这些数据的处理、存储和分析。

空气质量传感器有助于解决许多城市面临的车辆或工业排放所导致的空气污染问题。通过安装在车辆上的二氧化碳传感器，可以直接监控车辆排放。通过传感网和网关设备，将无线传感器网络节点中收集的数据传输到云端，以便分析这些环境数据。智慧城市管理者也可以分批次对环境数据进行分析，以提供历史报告和洞察，也可以使用IoT（Internet of Things，物联网）平台提供的流分析服务来实时分析数据。这些服务使得用户可以通过实时分析传感器数据来预测空气质量事故，从而发布空气污染预警，使人们能够避免前往污染最严重的区域，这有助于改善在受影响区域生活或工作的居民们的健康情况。还可以通过对空气质量数据和工业排放数据的结合分析来调整交通线路，从而预防在城市特殊区域的排放物的不断累积。

2.1.3 城市生活、工业废弃物管理

城市生活中垃圾和废弃物的产生是在所难免的，如果不对这些生活和工业废弃物进行有效的管理，后果将会非常严重，城市环境会遭到破坏，城市居民的健康水平也会大大降低。城市管理者使用物联网技术可有效地降低废物管理和处置成本，提高城市废弃物的管理效率。

在智慧城市废物管理中，城市管理者可以向垃圾桶添加基于蜂窝网络的智能传感器，以便安排垃圾转运车仅在垃圾桶需要清空时才收集垃圾，或者可以使用街道上的传感器或对摄像头视频内容运行计算机视觉算法识别，识别垃圾越堆越多的区域并在监控过程中发现应该安装更多垃圾桶的区域。

在一些人口密度很大的国际大都市中，城市管理者通过监控哪里的垃圾越堆越多，并在此基础上集成天气数据和空建筑物的位置信息，通过数据分析手段帮助预测老鼠的行为轨迹，预测其筑巢的位置，从而让相关机构能提前在这类区域放置诱饵并有效控制老鼠数量。通过这一措施有效遏制了鼠患的发生和恶化，与以往在接到投诉后再放诱饵的方法相比，这类智能分析后的措施节省了将近20%的成本。

2.1.4 城市交通管理

城市居民的出行是除居民健康、教育、卫生以外最受到关注或者说可以直接影响城市居民幸福感的因素，在这一领域运用物联网技术可以解决很多困扰城市管理者的问题。

城市管理者通过分析来自包括道路传感器、路旁视频摄像头和可变限速标志在内的道路报告系统的数据，合理调配城市的交通资源，从而改善居民出行的体验。应用IoT技术来解决城市交通问题，这一过程涉及从传感器获取数据、数据加载到云端服务，最后生成可执行的命令，这些命令直接用于触发自适应交通信号灯等智能设备相连的执行器，或者间接应用于指导制定相关决策从而在市政交通的规划过程中简化分析流程，更高效地执行决策。

智慧交通的应用已经从车辆延伸到路面，在路面上的各类公共基础也加入到物联网的大军中，其中全球许多城市已采用了自适应交通信号灯，比如，杭州、悉尼、新泽西和多伦多。智能交通灯的运用，不但可以适时调整车辆通行时间，也可以利用对交通和道路传感器数据的历史分析来调节限速和通行费。在城市运营方面，除了用于疏导事故周围车辆之外，传感器还会报告道路和桥梁的状况，以便在需要时安排维修。

城市交通的安全稳定运营不只需要考虑车辆和行人的行进状态，也需要考虑车辆的停放问题。停车场资源的充分利用也是城市交通需要解决的一大问题。在城市路面上，城市管理者可以使用来自传感器和摄像头的道路报告数据来管理街面停车。例如，可以通过显示可用停车场的智能停车移动应用程序发布数据，将车辆直接引导到最近的可用停车场，并管理停车费的支付，让停车尽可能顺利。

城市公共交通为居民带来方便的同时，也会因为运力不足和城市人口数量的原因造成车辆和车站的拥挤，从而引发公共安全事故。为有效避免此类问题的发生，可以通过利用智能售票系统的使用数据，以及安装在车上的传感器和GPS跟踪器的路线计时，自适应地改善公共交通运输。通过城市公共交通物联网解决方案可以向等车的市民提供公共交通服务可用性和延迟的实时报告。从更长远来看，它也可以调节时间表，以便更准确地反映记录的计时，还可以利用分析来预测一天的不同时段对不同服务的需求，并调节计时或引入更多服务来提高效率。

2.1.5 城市应急与执法管理

警方在城市应急与执法管理中扮演着主导者的角色，警方往往在信息资源收集和科技应用方面有着巨大的优势，然而在这一优势下，也会出现信息种类繁杂，信息量过大而无法及时处理的问题。在城市内，通过在高密度的安防产品中部署和集成计算机视觉算法，从而为警方和执法者提供城市中发生事件的实时可视化，使执法机构和应急响应人员能制定更好的决策。这种情景感知可用于每日预测、规划和假设分析，在出现危机时还能帮助执法者快速响应事故。或者在发生自然灾害的紧急情况下，这类传感器数据可以表明哪些道路受限制或无法通行（交通量比平常低），还可以用于确定优先疏散哪些区域，并确定应在事后清理和修理哪些道路。对于来自摄像头和传感器的这些数据，以及来自社交网络的内容等其他来源，可以使用机器学习和人工智能技术进行分析，以便预测何时可能发生犯罪行为。

2.1.6 物联网的发展方向

物联网是智慧城市发展的基础，智慧城市的众多智慧化产物，都源于利用从传感器收集的数据和其他检测数据，通过对数据的分析来获得知识，形成决策。而未来，通过物联网技术，实现城市范围内人、物与服务之间的网络互联，提高城市治理效率及服务的普惠化将成为城市的重要发展方向。随着智慧城市日趋成熟，城市也必将快速扩展和演化来满足不断变化的居民需求。随着城市区域的扩大，以及更多城市应用物联网技术，城市的网络互连将会扩展到更大的区域，最终也会提供更大范围内的数据和服务。

随着我们的生活方式和文化的不断演变，居民与IoT设备交互的方式，也会不可避免地随时间发生改变。智慧城市的建设需要不断变更，从而满足这些新变化。在这整个过程中，旧式基础架构和技术需要维护及变更，或直接重构，以适应现代化发展的需要，并不断的扩展和维护解决方案。例如，城市必须关注和不断借鉴行业中当前最佳的实践经验和案例，以开放标准为基础，设计智慧城市平台，然后再循序渐进地升级服务。另外，在设计物联网解决方案时必须考虑灵活性和可扩展性。但是，物联网在以极快的节奏发展，所以最好通过居民需求来推动它，而不是尝试预测太远的将来的需求。

智慧城市计划还必须从智能传感器收集的历史数据，证明它们如何通过应用物联网技术，逐步解决计划解决的问题。这涉及成本量化、时间节省、描述并评估、可维护性提高、减少交通拥堵指数控制、应急响应速度改善、居民参与率提高等相关的KPI（Key Performance Indicator，关键绩效指标）。证明解决方案有效通常是获得持续投资和支持的前提条件。物联网平台提供了能帮助实现此过程的分析服务和可视化工具。

实现智慧城市是一场持久战。智慧城市的好处可能无法立刻看到，而且最初的升级可能是增量式的。但是，从更长远来看，通过对城市场景应用物联网所带来的效率和成本节省，使城市能扩展其市政基础架构并持续发展，同时提供显著的经济效益。