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智慧城市物联网的复制
市政部署中的资产
Alexander Nelson , Member, IEEE, Greg Toth, Member, IEEE, Dennis Linders, Cuong Nguyen, and Sokwoo Rhee
最近将物联网(IoT)技术集成到智慧城市建设中的努力已经通过在多个城市的概念部署证明是成功的。促进这些技术的额外部署、标准化和最佳实践的传播至关重要。为此，本文试图在一组物联网硬件、软件和无线无线电组件中建立一个结构，该结构能够灵活地处理多个用例，并易于复制到新的部署中。 此外，该结构旨在以标准为基础，并使用网络安全的最佳实践来维护安全和隐私。 该结构由三个不同领域的子项目开发、部署和测试，以及一个由市政府提供的现场测试平台，在8个月的时间内从8个物理位置收集了超过1.6亿个不同的传感器记录。此外，该结构被复制到一个单独的区域，以证明可复制性。 本文确定了在技术和组织上采用和复制物联网的常见障碍，并列举了在这些项目中克服这些障碍的方法。
关键词-环境感应，物联网，复制，智慧城市。
- 介绍
物联网技术在公共空间中的应用领域已经成为一个重要的、非常有影响力的研究领域。智慧城市是在城市环境中使用传感和数据收集的概念，并融合了许多物联网技术。许多城市、社区和市政府都将智能城市技术视为电子化管理的下一个发展方向，使其能够与公众进行新的互动，或减少现有政策的开销。 市政府也在努力利用信息和通信技术的进步，但具体实施智慧城市
2018年10月26日收到稿件;修订后的2019年1月29日和2019年3月5日;2019年4月5日。出版日期2019年4月17日;当前版本的日期是2019年7月31日。这份出版物的部分内容和研究成果是在NIST合作协议#70NANB16H276的支持下完成的。(相关作者:亚历山大·纳尔逊)
A. Nelson 就职于位于美国阿肯色州费耶特维尔市的阿肯色大学计算机科学与计算机工程系(电子邮件:ahnelson@uark.edu)。
G. Toth 就职于美国弗吉尼亚州泰森斯角的物联网开发实验室(电子邮件:g.toth@ieee.org)。
D. Linders 就职于马里兰州蒙哥马利县办公室，美国马里兰州20850(电子邮件:dennis.linders@montgomerycountymd.gov)。
C. Nguyen and S. Rhee 就职于美国工作美国商务部，国家标准与技术研究所，盖瑟斯堡，MD 20899(电子邮件:cuong.nguyen@nist.gov;sokwoo.rhee@nist.gov)。
数字对象标识符 10.1109/JIOT.2019.2911010
由于缺乏普遍接受的最佳做法和广泛部署的基于标准的解决方案，以及长期采购和预算所需的正当程序，技术往往会受到影响。
由于物联网解决方案试图解决的问题的复杂性和多样性，物联网解决方案的市场和技术领域高度分散。 市政府之间缺乏对优先事项的共识加剧了系统的分裂。 这种碎片化是我们只看到物联网和智能城市部署的增量增长，而不是市场一直渴望的指数增长的根本原因之一。
为了缓解物联网和智慧城市市场的碎片化问题，有必要从市场和技术角度创造融合的势头。只有相关利益相关者之间的自愿合作和协作，才能最好地实现趋同的势头。为了鼓励城市、社区、公司、学术机构和非营利组织——美国国家标准与技术研究所(NIST)之间的合作与协调商务部，已经参与了两个项目来促进利益相关者之间的合作。[1] NIST的智能城市融合努力始于“智能美国挑战计划”，该计划由科学技术政策办公室(OSTP)的总统创新奖学金计划支持，于2013年年底在[2]、[3]举办。这一努力成为了NIST全球城市团队挑战赛(GCTC)[4]的起源，旨在加速市场驱动的共识。 由于GCTC将为城市/社区和技术提供商提供一个平台，让他们合作并展示智能城市和物联网项目的可复制性、可扩展性和可持续性，因此预计将加快这一进程。 GCTC的目标是确定在利益相关者之间可以共享的最佳实践，而不是陷入“白费力气做重复工作”的恶性循环。
为了实现这一目标,加快技术驱动的共识,NIST曾启用了物联网智能城市框架[5],它应用的概念关键的技术组件的互操作性(PPI)知名物联网和智能城技术来分析和理解互操作性最可能的路径。这些工作与NISTs技术策略是一致的，它涉及到使用系统工程原理(NISTs网络物理系统框架[6])来工作
美国政府工作不受美国保护版权.
自底向上，从设备级性能描述到系统性能。
PPI的分析使智能城市能够在不同的实例和位置之间复制它们的技术。系统的复制对于降低引入新技术的间接成本非常重要。 这种复制必须发生在几个层次上:地理上分布的城市之间、同一城市内的组织之间、甚至同一组织内的逻辑部门之间。 基于云的基础设施和代码容器化可以促进这种行为，但是物联网和网络物理系统天生就有物理足迹，这带来了复杂性。例如，市政当局可能与供应商有独家协议，某些地区可能没有特定的硬件，或者硬件可能在以后的城市可以执行相同的实现之前就过时了。这些示例演示了如何引入迭代之间的硬件异构性，即使意图是执行相同的任务。异构部署会产生额外的复杂性，并可能对系统[7]的性能产生负面影响。从历史上看，摩尔定律保证了硬件会很快过时，甚至云提供商也有针对相同类型的云实例[8]的异构硬件。
- 目的
我们的项目试图回答一个关键问题:如何使智能城市的解决方案从一个城市复制到另一个城市变得更容易、更有效? 我们决定进行必要的研究，以回答这个问题在现实世界的安装。 这个决定的主要目的很简单。充满生机的城市和社区的复杂性和混乱是不可能在学术实验室的受控环境中复制的。因此，在我们看来，城市本身必须成为试验智能城市技术的实验室。
此外，除了在现实世界中构建之外，还有一些必要的条件可以用于超出单个组织范围的可复制性。首先，这种技术必须在安全和隐私方面达到高标准。许多市政操作可能是安全的关键，而引入额外的无线传感和执行节点可以为攻击者提供额外的目标向量。 类似地，隐私成为了无处不在的感知中一个更加令人畏惧的问题。个人可识别信息(PII)或其他敏感信息可以作为感知范式的结果在无意中被收集。例如，高分辨率的交通摄像头网络可以实时捕捉人脸图像、车牌号码和一个人的居住地。在整个系统的构思、创建和迭代过程中(而不是事后)考虑隐私和安全影响是非常重要的，以防止可能造成伤害并破坏公众对市政系统信任的违规行为。
其次，要使物联网架构能够跨越逻辑边界进行复制，它必须能够灵活地适应计算环境。政府机构将有不同的合同、供应商、供应商和组织规则
图1. .描述了基于IAR的迭代学习过程，用于驱动可复制的智能城市技术的设计和实现。
防止采用现有系统的副本。为了促进这些环境差异，体系结构应该(在可能的情况下，并在隐私和安全验证的前提下)采用以下三个约定:1)与供应商和技术无关;2)可在云、现场或混合部署中实现;和3)利用开源软件。
前两个公约允许该体系结构符合政府组织中现有的ICT协议和政策。使用开放源码软件的优点在于，软件可以跨实例相同，可以自由采用，而且由于源代码可以更新，所以不太容易过时。然而，开放源码开发人员很少精通当前的隐私和安全实践，因此应该对开放源码软件进行验证和信任，或者隔离和防火墙以防止未经授权的访问。
最后，应该通过一组基于标准、安全和可复制的技术来管理数据交换。某些过时的数据交换协议可能需要基于遗留软件，但这些协议应该在进入点上连接到安全可靠的协议。应用模块化(如Docker和Kubernetes)和微服务促进了供应商/供应商的不可知论，因为虚拟机结构抽象了硬件和操作系统的潜在差异。数据应该以适当和描述性的格式进行管理。此外，为了在初始部署后扩展或修改技术和供应商，这些数据应该随时可供收回或删除。
- 方法以及应用
该项目的实际实施基于创新行动研究(IAR)组织[9]开发的“边做边学”方法。我们将IAR的方法应用于上面讨论的智能城市架构问题。我们的四步流程——从IAR和Kaplan的研究方法[10]中获得灵感——是协作和迭代的(见图1)。首先观察当地的实施情况，并向同行和行业合作伙伴学习。这些过程的结果将用于确定哪些障碍(如果有的话)阻碍了成功的实现。
团队下一步的开发技术和资产，从采用标准到阐明克服这些障碍的共同指导原则。接下来，团队验证和改进
表 I
复制分类的障碍
技术和资产的基础上的经验，在实践和得出的教训。 最后，小组以传播阶段结束，重点是:1)传播调查结果;2)合作改进;3)促进在其他司法管辖区的复制。重要的是，这个过程不仅关注技术挑战和解决方案，还关注制度、政治和业务方面的考虑，这些考虑是有效的和可复制的智能城市实现的基础。我们对本文方法的实现已经应用到智慧城市所面临的几个挑战中。我们在项目中发现的主要挑战之一是在任何多维的、真实的组织中复制硬件解决方案的固有困难。创造在实验室或试点测试环境中工作良好的物联网技术仍然主要是一个手工过程。执行手动流程的工程师和技术人员通常与开发和部署团队密切合作。他们的主要职责是在一项技术离开试验阶段并准备好集成到现有的实际基础设施时修复技术问题。
然而，在发现这些修复方面仍存在重大挑战。这些挑战被确定和研究:1)作为作者实施可复制的智能城市试点项目的一部分，2)通过与更广泛的智能城市社区和同行的讨论。在本节中，我们将确定作为该项目一部分的复制的四个“障碍”。在表I中，四个障碍中的每一个都按照考虑因素的类型和受影响的组织单元进行了分类。
障碍1(物联网解决方案与用例的匹配): 第一个障碍涉及大多数组织会问的第一个问题，“为什么我们要在我们的组织中使用物联网?” 在很多情况下，这个问题可以通过物联网解决方案来回答，它可以提高性能和现有技术的使用。 物联网被有效部署的用例比比皆是:1)减少现有服务的开销，2)向用户提供更好的服务。无论如何，许多市政组织出于几个原因，对实施类似的解决方案犹豫不决。 我们在这里列举几个。
- 这项技术是存在的，但是市政当局不知道这项技术。
- 技术已经存在，但还不成熟。
- 技术是存在的，但投资回报却不明确。
- 技术已经存在，但与现有基础设施的接口还不完善。
- 技术是存在的，但尚不清楚是否存在适合当地的环境和环境或如何适当地调整。
这五个问题中的任何一个，如果没有正确地回答，都可能使项目脱轨。然而，这些问题的答案通常可以在已经完成类似工作的同行组织中找到。虽然我们的项目侧重于寻找这些问题的答案，但是可复制的体系结构可以提供一个基础，在此基础上，未来的实现可以推断出合理的估计。
障碍2[NIH综合症]:经常遇到的第二个障碍是组织对内部未开发系统固有的不信任倾向，即所谓的NIH综合症[11]。不幸的是，这种综合症被认为是IT和研发结构[11]性能下降的原因。根据团队的经验，出现这种情况的主要原因有两个。首先，有一种趋势是既关注短期又关注维护现有的基础设施。其次，人们担心外部解决方案会限制对数据的访问或违反现有的数据隐私结构。
NIH综合症的负面影响可能是巨大的，因为关键的利益相关者往往只根据他们过去的经验和知识做出决定。例如，更新的、开源的物联网解决方案为推广智能城市提供了一个非常有前途的途径。此外，这些解决方案通常必须集成到高度复杂的现有IT基础设施中，这些基础设施可能包含本地解决方案和供应商解决方案的组合、不同的计算环境、工具、语言、协议和数据格式，这些都是由长期(但有时是过时的)IT治理过程控制的。这种开源的物联网解决方案往往缺乏服务水平协议和其他可靠性和可持续性的保证，而将这种解决方案注入到这样的环境中，将大大增加集成的挑战。这大大限制了将一个成功的智能城市解决方案从一个司法管辖区复制到另一个司法管辖区。因此，遵循NIH范式的传统IT组织不使用开源解决方案。
智能城市的实施面临进一步的集成挑战，因为所选择的物联网解决方案不仅需要与辖区的IT基础设施集成，还需要与每个辖区独特的政策、组织结构、地形、天气、边界/规模和战略目标集成。
障碍3(跨组织间和组织内边界的通信和协作):当组织试图部署和集成物联网解决方案时，会遇到第三个障碍。出现这种障碍主要有两个原因。首先，在组织之间甚至组织内部的部门之间讨论技术方法是令人担忧的。其次，人们普遍不知道其他人已经做了什么或打算做什么。结果，组织经常不知道重复和错误，这些错误可能已经在其他地方解决了。
障碍4(网络安全意识和理解):第四个障碍涉及网络安全的作用。当新技术处于试验阶段时，往往倾向于关注功能和上市时间，而将健康的
图. 2. 描述物研究所开发的物联网系统之一。这张图展示了一个公共安全相关的系统，它可以探测到老年人生活设施对消防或救护车的需求，并自动将消防车从附近的志愿者部门调来。
安全性放在最后。这种趋势可能导致不安全的组件被连接到任务关键型企业环境。这种情况很容易给该环境带来新的网络安全风险，
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