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专网物联网在应急领域的创新应用

时间:2019-07-09
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物联网在应急领域的创新应用

物联网在应急领域的创新应用

孙鹏飞1,于洋2,王英南2,朴勇2

(1.哈尔滨工业大学通信技术研究所,哈尔滨150080;

2.海能达通讯有限公司,广东深圳518057)

【摘要】近年来,随着物联网的发展和普及,以行业用户为中心,物联网需求所产生的私有物联网(P-IoT)技术逐渐发展。首先,简要介绍了P-IoT的技术体系和关键性能。在此基础上,分析了P-IoT在应急领域三种典型场景下的创新应用。最后,开展了未来物联网的创新应用方向。外表。

[关键词]物理网络;私人物联网;紧急通讯;无线ad hoc网络

Doi: 10.3969/j.issn.1006-1010.2019.03.003

中图分类号:TN929.5文献代码:A

文章编号:1006-1010(2019)03-0012-06

引文格式:孙鹏飞,于洋,王英南,等。物联网在应急领域的创新应用[J]。移动通信,2019,43(3): 12-17。

1简介

在2018年,物联网(IoT)产业发展得非常好。无论是国外的亚马逊,谷歌,微软,还是国内的阿里集团,腾讯,百度,各大IT巨头都已经铺开了物联网,重重而持续的行动。根据IDC的数据,2019年全球物联网支出将达到7,450亿美元,并在2019年至2022年间保持两位数的年增长率,并在2022年保持超过1万亿美元[1]。主流物联网技术如NB-IoT [2](窄带物联网),LoRa [3],Sigfox [4]等正在不断发展,专注于行业用户的物联网安全性和可靠性。由QoS(服务质量)等特殊要求产生的P-IoT(私有物联网)技术已悄然出现并落在公共安全,司法,紧急,工业和商业等多个垂直领域。申请[5]。

另一方面,中国去年成立了应急管理部门。在新的重大应急体系下,无论是安全监管,消防,森林防御,抗震救灾,抗旱防灾,防灾救灾,都与国家和人民的生命财产安全密切相关[ 6]。目前,应急行业的用户能够通过整合多种传感方法来聚合和分析物联网等传感数据,以支持应急领域的监测和预警,评估和监督等各种服务的开发。随着技术的不断发展,行业用户面临的问题变得越来越复杂和复杂。物联网可靠性和实时性的特殊要求不能依靠主流物联网技术来完美解决所有问题。因此,满足应急行业用户需求的P-IoT技术需要解决行业的难点。本文将重点介绍P-IoT技术在应急领域的典型创新应用。

2 P-IoT概述

P-IoT技术是基于专用网络移动通信的VHF(甚高频)和UHF(超高频)许可频谱。它具有低功率,适用于高,中,低速多种数据传输功能。物联网技术。 P-IoT是专用数字集群通信系统的增值服务。它在满足用户语音需求的基础上,为用户在物联网中的扩展应用提供解决方案。

件下传输,数据可靠性得到充分保证[7]。

其次,P-IoT技术为关键业务用户提供了高时间的QoS。 P-IoT技术专用网络的特性决定了它不像公共网络物联网技术那样关注网络的公平性。重点介绍如何将关键数据设置为高优先级服务级别,并提供专用的服务通道保护。这些措施受到保护,延迟时间可达100毫秒,确保了应急现场监测和预警应用中关键数据传输的及时性。

P-IoT再一次保证了行业用户对网络的高安全性要求。由于专用网络基础设施是私有的,因此与公共网络物联网(如NB-IoT)相比,P-IoT具有自然的物理隔离特性。同时,通过空口加密,链路加密,端到端加密等多种加密方式,P-IoT可以为私有网络用户实现物联网数据不同安全级别的差异化需求。

此外,P-IoT在衡量物联网技术优势和劣势的关键指标(如覆盖范围,终端能耗和系统容量)方面也具有很强的竞争力。 P-IoT在自主控制,平滑扩展,业务兼容性和标准国际化方面也具有一定的优势[5]。

3 P-IoT在紧急区域的创新应用

针对紧急情况下物联网的三种典型应用场景,下面将分别分析各类场景的特点,并比较各种物联网技术的适用性和场景特征。在此基础上,本文重点分析了P-IoT技术在各种场景下的创新应用和实际实施。

3.1石化场景应用

石油化工场景中的物联网应用通常具有以下特征:

(1)大部分位于市区,无线电磁环境复杂,系统可靠性高;

(2)物联网监测点数量多,分布相对集中;

(3)对于特殊监测和预警信息,如消防设施状态报警,易燃气体报警等关键数据,有必要确保业务的及时性;

(4)行业用户可以承受的建设和运营成本低;

(5)语音通信和物联网管理是双重需求。

在石油化工场景中,例如使用免许可频段的LoRa系统,它容易受到复杂的无线电磁环境干扰,并且系统可靠性低[8]。对于公共网络属性NB-IoT,网络规划将更多地关注网络数据吞吐量和覆盖范围之间的折衷[9]。因此,即使原始公共网络覆盖在现场,当面对如此大规模的物联网应用时,通常需要优化和升级原始网络,并且还存在大的投资成本。另一点不容忽视的是,NB-IoT收取每个节点的月费,这不太适合这种点密集型场景,而且其运营成本太高。

在可靠性方面,P-IoT部署在专用许可频段,日常工作几乎不受非恶意无线电磁干扰,系统可靠性高。在定制网络构建方面,专用网络的一个特殊特征是专用网络是专门构建的。因此,可以根据应急行业用户的实际点要求进行网络部署。在建设成本方面,P-IoT系统具有与专用数字集群系统相当的覆盖能力。其基站可与专用数字集群系统基站共存,节省大量建设成本,并满足行业用户对语音通信的需求。需要进行集群调度。在运营和维护成本方面,专用网络一次性收取网络建设和服务费用。没有每月月度订阅费,后续的网络运营和维护成本很低。

目前,中国的安全监管数据主要依靠人工检查和人工报告。数据实时性差,科技手段普及率低。发现事故时,造成了大量人员和财产损失[10]。与其他安全监管行业相比,石化行业还具有易燃,易爆,易毒,高温,高压,易腐蚀等特点。许多化学材料的可燃性,反应性和毒性决定了化学品的生产。更不安全的因素,危险越大,危害越大,对化学工厂安全生产的有效监督始终是一个大问题。

图1显示了P-IoT在石化行业的应用实例。利用P-IoT技术,可以对石化企业关键监测点的温度,压力,液位进行实时数据采集(如作为主要的危险源储存设施)和工厂中的可燃气体。当检测到温度超标,气体泄漏或火焰等事故时,关键业务数据的P-IoT传输的低延迟特性可以确保报警信息可以在第一时间报告给工厂控制室。此外,在日常监督中,P-IoT定位系统可用于实时监控工厂中的人员和设备,提高检查效率。

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广东省湛江东兴炼油化工厂,中石化北海炼化厂等石化企业纷纷推出P-IoT智能监管系统。实践证明,P-IoT系统极大地提高了企业的监管效率,有效遏制了严重的大型安全生产事故的发生,也为企业减轻负担,提高效率提供了新的途径。

3.2森林防火和控制场景应用

在这种情况下,一般环境困难,设施相对简单,检查和监测人力相对不足。许多事故,如森林火灾,无法及时发现和处理,需要无人值守的物联网手段来实现智能远程操作。监督。森林防火和防护现场下的物联网应用一般具有以下特点:

(1)远程,工程安装简单方便,对操作和维护成本敏感;

(2)地理区域宽,接入点分布稀疏,系统需要具有广域覆盖能力;

(3)涉及多个管理团队之间的日常指挥和调度,对语音通信和集群调度功能有着严格的要求。

在网络覆盖方面,LoRa覆盖范围相对较小,因此LoRa需要更多的基站,更高的系统构建成本和更低的可维护性。 NB-IoT公共网络的特征决定了它考虑了有利可图的业务的最佳覆盖范围和集成网络构建的最低成本。因此,很难实现对这种远程无人区域的覆盖,更不用说应用了。 P-IoT采用大面积系统,覆盖同一区域需要的基站较少,网络建设成本低,日常操作和维护方便,符合无林广域覆盖的应用要求。现场。另外,P-IoT基站可以与专用数字集群基站共存,既节省了大量的基础设施建设成本,又满足了用户对物联网,语音通信的多种需求,和集群调度。

在终端功耗方面,P-IoT技术比其他技术更节能。通过轻量级协议栈设计,睡眠模式设计和自适应链路技术等各种方法,P-IoT终端的功耗处于较低水平,大大降低了系统中频繁更换电池造成的人为操作和维护成本。操作。

目前中国的森林防御措施包括:(1)宣传教育; (2)森林护林员进入森林区域的常规常规预防; (3)森林防卫总部统一部署的关键时期和关键区域人工检查和管理野火源; (4)建立消防救援队伍。根据大量一线实际情况反馈,有限范围的森林保护人员难以覆盖大范围的森林资源,进行广泛的检查覆盖。大多数森林地区的道路状况都很差,而且护林员需要很长时间才能到达每个了望塔。人工检查监测的传统森林防御措施无法满足智能林业检查的需要,无论是检查覆盖还是警示的及时性。

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如图2所示,部署前端传感终端获取各种相关数据,传感数据通过P-IoT基站传回前端指挥中心,然后传输到后端指挥中心。通过互联网。利用P-IoT系统,可以进行林业光照监测,温湿度监测,土壤监测,气象水文监测,病虫害监测,野生动植物监测,人员定位监测,刺刀监测和古木树监测,实现森林资源管理。森林防火,天然林保护,风沙防治和森林病虫害防治的智能化,信息化和自动化,大大提高了监督效率,节省了劳动力成本。在林业中建立P-IoT基站以实现广域覆盖,同时也可以部署无人值守的自组织网络设备。自组织网络设备支持太阳能供电,可以安装在杆式或壁挂式中,可以用作专用网络的备用或扩展网络。林业监测平台汇总分析P-IoT收集的大量感官数据,为指挥官提供灾情全景信息,协助指挥官判断决策,确保及时疏散人员,有效控制灾情情况。

到目前为止,P-IoT智能林业系统已在青海省祁连山建成。根据客户需求,该系统监测了30多个林业指标。同时,该系统还配备了宽带ad hoc网络设备,为视频数据提供回程链路。

3.3地质灾害救援情景应用

地质灾害救援情景是指由地震,泥石流和山体滑坡等地质环境灾害引起的极端情景。在这种情况下,通信基础设施经常被破坏甚至被破坏,原始通信网络面临长期风险。物联网在地质灾害救援情景中的应用一般具有以下特点:

(1)灾难具有很强的破坏性,要求系统具有极强的抗损坏能力;

件差,系统需要具有较强的环境适应性;

(3)第一次需要临时快速联网和恢复通信;

(4)需要现场融合命令和发送语音,视频,短消息和物联网数据。

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当现场网络由于灾难而发生故障时,P-IoT系统由于其强大的无敌性而仍然可以保证网络可用性。如图3所示,在灾难现场,P-IoT和无线ad hoc网络设备可用于将现场环境监测数据,救援人员监测管理数据和物质监测管理数据传输到现场指挥中心。诸如公共网络和卫星之类的各种链路将数据发送到后方指挥中心。 P-IoT对风速,液位,有毒气体浓度等指标的监测可以确保指挥官充分掌握当前的灾情,同时有助于分析灾害的未来趋势并为其提供数据援助指挥官的判断和决策。 件下为救援人员提供自己的生命安全保护措施。一旦P-IoT系统检测到生命体征数据的异常警报信息,系统就将警报信息发送给救援人员并发出疏散命令。结合人员定位信息,指挥官还可以收集其他救援力量进行支援和救援。 P-IoT监视和管理通信设备,车辆,医疗设备和其他材料,帮助指挥官了解救援物资的当前使用情况,并为指挥官进行后续合理的资源分配提供依据。

此外,便携式宽窄带自组织网络设备可以实现紧急现场临时通信和指挥调度网络的快速建立。宽带窄带自组织网络设备支持独立供电,不依赖于现场基础设施,便携式设计确保人员可以将设备带入救援现场,并可以通过一个按钮进行联网。便携式现场指挥中心在满足现场通信网络快速恢复后,可实现现场多媒体视频调度,确保黄金救援期间现场救援工作有序开展。灾难过后。救援人员和资料的位置信息,环境的实时监控信息,以及实时视频信息都可以在三个屏幕上显示,使指挥员能够实时控制人力和物资的分配,动态和动态地调度资源。对现场数据的分析还可以帮助指挥官预先判断二次灾害,提前制定相关计划。便携式现场指挥中心支持从现场到后方指挥中心传输语音,视频和物联网数据,形成前后连接指令,便于及时了解灾情和协调救援力量。

P-IoT宽带窄带自组织网络融合应急解决方案已被多次使用。例如,在2017年的九寨沟地震中,整个地震区的通信基础设施完全瘫痪。救援队现场只部署了三个窄带自组织网络设备,实现了地震区的网络覆盖,并首次恢复了现场通信。 2018年9月,由于台风天气引发洪水,当地救援部门采用了P-IoT宽窄带自组织网络集成应急解决方案,确保了实时语音,视频和物联网数据的多媒体调度。完成了救灾任务。

4未来创新应用讨论

万物互联是物联网的定义和物联网应用的终极本质。然而,目前,更成熟的物联网应用仍然集中在单一的物联网解决方案中,并且在监控点和系统之间的链接处理之间仍然缺乏信息共享。实现真正意义上的业务的巨大整合是未来物联网应用的发展趋势。

以智能城市为例,大多数现有解决方案都对城市基础设施(如井盖和路灯)进行物联网的智能监控。与传统的人工调查方法相比,虽然这种方案大大提高了监督效率,但在搜索丢失的井盖时,仍然采用单一定位方法搜索井盖,精度不高,难度大。大。事实上,井盖出现的位置通常也被街灯包围。在路灯开始时,市政部门为每个路灯执行了一个唯一的编号,使用它进行位置标记更为准确。在上述情况下人孔盖的定位利用了路灯的监测点数据。虽然看似简单,但它解释了信息共享和系统之间联系的含义。物联网数据不再局限于使用相同类型的数据,而是更深入的集成和流派数据的全面应用。

以智能建筑为例,在室内火灾监测预警系统中,烟雾探测器在检测到烟雾时会立即发出警报声,并打开周围的喷雾灭火,报警和事故位置信息将报告给大楼的物联网监控。平台。上述现有的智能建筑解决方案可以满足工业和商业客户对火灾监测和预警的基本需求。然而,一旦火势迅速,它就没有得到有效控制,甚至恶化。此时,及时,合理,智能的资源调度和部门联动极为重要。首先,消防部门的综合平台应能通过P-IoT自动从探测器获取报警信息,并显示建筑物的位置,楼层数,人数,是否有易燃易爆危险品,和建筑物周围的水鹤。位置,水和水的储存和其他相关信息。智能灭火物联网系统可以通过大数据分析进行火情分析,并提供有关消防车辆类型和数量,消防员数量,水鹤数量和数量的信息的建议,并且可以合理地根据当时的交通状况。规划活动的最佳路线。将智能建筑的物联网监控点数据与智能防火中的资源管理物联网数据相结合,智能交通中的路况数据,形成了更加完善的物联网解决方案。

物联网的主要应用是监控每个关键点的状态,并在此基础上执行相关的应用程序。目前,物联网的各个子系统是相互隔离的,系统之间的联系主要是通过手工实现的,因此时效性和资源整合性较差。因此,在已建立的物联网感知网络的基础上,只有深层次的网络间数据共享和服务集成才能实现,物联网的杀手级应用将首次亮相,导致整个行业的爆炸式增长。

5结论

在互联网蓬勃发展的同时,以P-IoT为代表的物联网技术也处于发展的初期,并迅速实现了应用。本文在简要介绍P-IoT技术系统和关键性能的基础上,重点介绍了物联网在应急领域三种典型场景中的应用,并证明了P-IoT技术在应急领域的先进性。实用性和有效性。最后,讨论了物联网的未来创新。建议深度数据共享和业务集成将成为物联网杀手级应用的未来发展方向,为未来物联网的创新和应用提供参考。

最初发表于《移动通信》第3期,2019年

Doi: 10.3969/j.issn.1006-1010.2019.03.003

中图分类号:TN929.5文献代码:A

文章编号:1006-1010(2019)03-0012-06

引文格式:孙鹏飞,于洋,王英南,等。物联网在应急领域的创新应用[J]。移动通信,2019,43(3): 12-17。

关于作者

孙鹏飞(orcid.org/0000-0002-7092-4108):副教授,毕业于哈尔滨工业大学,现任哈尔滨工业大学通信技术教师,兼任哈尔滨海能达科技有限公司总经理,有限公司开发通信技术研究,产品开发和相关标准。

于洋(orcid.org/0000-0002-1026-9797):高级工程师,博士毕业于哈尔滨工业大学,现为海能达通信有限公司工作,主要从事标准规划与制定,专用网络通信和自组织网络技术。研究和其他工作。

王英南:高级工程师,毕业于哈尔滨工业大学,现任海能达通信股份有限公司技术总监,主要从事标准规划与修订,民用网络通信和物联网技术研究。

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