淺析公共安全監測物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

　　引言

　　隨著(zhù)對物聯(lián)網(wǎng)的概念、內涵、技術(shù)、應用研究的不斷深入，在環(huán)境、電力、物流、公共安全等領(lǐng)域和行業(yè)都涌現出眾多物聯(lián)網(wǎng)應用的典型案例。其中，公共安全領(lǐng)域作為物聯(lián)網(wǎng)應用的重點(diǎn)領(lǐng)域，具有與其它物聯(lián)網(wǎng)應用不同的特點(diǎn)和特殊的地位，有必要將公共安全領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)應用（以下簡(jiǎn)稱(chēng)安全物聯(lián)網(wǎng)）作為一個(gè)獨立的概念進(jìn)行深入研究。

　　1 安全物聯(lián)網(wǎng)的背景及其內涵

　　當前，中國正處于工業(yè)化、城鎮化快速發(fā)展時(shí)期，各種傳統的和非傳統的、自然的和社會(huì )的風(fēng)險及矛盾交織并存，公共安全和應急管理工作面臨的形勢更加嚴峻。主要有以下三個(gè)方面的問(wèn)題：1）自然災害處于多發(fā)頻發(fā)期，近年來(lái)，極端氣候事件頻發(fā)，中強地震呈活躍態(tài)勢，自然災害及其衍生、次生災害的突發(fā)性和危害性進(jìn)一步加重加大；2）安全生產(chǎn)形勢嚴峻，我國安全生產(chǎn)基礎薄弱，一些地方和企業(yè)責任不落實(shí)、監管不到位，生產(chǎn)安全事故總量居高不下，重特大事故時(shí)有發(fā)生，預防事故發(fā)生和實(shí)施有效救援的任務(wù)繁重而艱巨；3）社會(huì )安全面臨新的挑戰，我國改革發(fā)展進(jìn)入關(guān)鍵階段，各種利益關(guān)系錯綜復雜，維護社會(huì )穩定的任務(wù)艱巨。

　　面對頻發(fā)的造成大量人員傷亡和財產(chǎn)損失的公共安全事故，亟需構建公共安全監測物聯(lián)網(wǎng)來(lái)感知公共安全隱患，以及解決突發(fā)事件發(fā)生后各部門(mén)之間如何互聯(lián)互通等問(wèn)題。

　　公共安全監測物聯(lián)網(wǎng)是針對公共安全監測領(lǐng)域覆蓋范圍廣、監測指標多、連續性要求高、所處環(huán)境不適合人工監測、感知的信息內容與人民群眾的生活密切相關(guān)等特點(diǎn)，應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)尤其是傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，構建的一個(gè)由感知層、網(wǎng)絡(luò )層、應用層共同構成的信息系統工程。對公共安全的監測主要包含保障各類(lèi)生產(chǎn)場(chǎng)景安全的監測、對生產(chǎn)者安全的監測、對特定物品安全的監測、對人員密集場(chǎng)所監控、對重要設備設施監控以及事故應急處理時(shí)對場(chǎng)景、人員、物品的信息搜集等。

　　2 安全物聯(lián)網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的地位

　　公共安全是國家安全和社會(huì )穩定的基石。為有效抵御各類(lèi)人為或自然災害的威脅，中國將加強公共安全保障措施作為政府工作的重點(diǎn)。公共安全監測物聯(lián)網(wǎng)為解決我國面臨的公共安全問(wèn)題提供了一種新的思路，符合我國促進(jìn)科技創(chuàng )新、走創(chuàng )新型國家發(fā)展道路的戰略要求。

　　建立完善的公共安全監測物聯(lián)網(wǎng)將為我國現在面臨的橋梁隧道坍塌、危險物泄漏等安全問(wèn)題提供切實(shí)有效的預防機制，全國范圍內的公共安全監測物聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)更使得重大安全事件得以及時(shí)、有力、透明的解決。因此公共安全監測物聯(lián)網(wǎng)作為與日常生活聯(lián)系最密切、國家和人民最關(guān)注的公共安全領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)應用，應該得到整個(gè)社會(huì )的重視和優(yōu)先發(fā)展，堅持“政府主導、企業(yè)參與、社會(huì )支持、群眾受益”的方針，通過(guò)公共安全監測物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展來(lái)帶動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)在技術(shù)、應用、產(chǎn)業(yè)、標準方面的進(jìn)步，使整個(gè)社會(huì )切身感受到公共安全監測物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的公共安全隱患可靠預防和突發(fā)事件應急處理的優(yōu)勢，加強人們對物聯(lián)網(wǎng)價(jià)值的認知程度。

　　3 安全物聯(lián)網(wǎng)的體系結構及關(guān)鍵技術(shù)

　　圖1描述了公共安全監測物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )架構，它的整體架構與物聯(lián)網(wǎng)的整體架構相似，由感知層、網(wǎng)絡(luò )層、應用層三部分組成。但由于公共安全監測物聯(lián)網(wǎng)應用場(chǎng)景的特殊性，它具有一些其它物聯(lián)網(wǎng)應用不具備的技術(shù)特點(diǎn)，總結如下：

　　1） 在感知層，被感知信息的類(lèi)型多樣，實(shí)時(shí)性要求高，大多數信息的感知（如橋梁建筑物的安全狀況，危險物品的監測等）要求精度高且很難通過(guò)人工手段檢測。由于安全隱患的信息類(lèi)型不確定性很高，在人員密集場(chǎng)所或高危生產(chǎn)場(chǎng)所應長(cháng)時(shí)間部署大量不同類(lèi)型的傳感器，對感知層的組網(wǎng)策略、能源管理、傳輸效率、QoS、傳感器的編碼、地址、頻率與電磁干擾等問(wèn)題提出了更高的要求，這些問(wèn)題也是公共安全監測物聯(lián)網(wǎng)能否成熟應用的關(guān)鍵。

　　2） 在網(wǎng)絡(luò )層，由于公共安全監測物聯(lián)網(wǎng)感知到的信息的涉及國家重點(diǎn)行業(yè)以及群眾的日常生活，這些信息一旦泄漏或不正當使用都有可能危及國家安全、社會(huì )穩定以及人民群眾的隱私；因此，公共安全監測物聯(lián)網(wǎng)的信息內容有必要通過(guò)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )或者對3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )采取安全防范措施后進(jìn)行傳輸，保證信息的安全性、真實(shí)性和完整性。

　　3） 在應用層，針對海量的數據信息和安全隱患可能帶來(lái)的嚴重危害，需要建立專(zhuān)有的不同級別的公共安全物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺。服務(wù)平臺不僅應具有強大的信息處理及融合能力，還須具有安全隱患的識別以及預警能力，同時(shí)當突發(fā)公共安全事故時(shí)，及時(shí)聯(lián)動(dòng)相關(guān)的職能部門(mén)進(jìn)行應急處理，爭取將損失和影響減到最小。另外，將不同級別的公共安全物聯(lián)網(wǎng)平臺互聯(lián)有利于根據安全事故的危害程度最大限度的調配資源，便于公共安全事件的及時(shí)、有效、透明解決。

　　圖1 公共安全監測物聯(lián)網(wǎng)架構

　　針對公共安全監測物聯(lián)網(wǎng)體系結構的特點(diǎn)，其涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要有：

　　a 針對公共安全監測領(lǐng)域的專(zhuān)用傳感器的研發(fā)，包括增加傳感器的監測信息類(lèi)型、提高監測精度、減小體積、抗破壞、增強感知信息的抗干擾能力和保密能力等。

　　b 大規模傳感器節點(diǎn)的自組織網(wǎng)絡(luò )、協(xié)作感知技術(shù)、安全接入技術(shù)等感知層網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。

　　c 大規模傳感器節點(diǎn)的編碼、地址、頻率分配與電磁干擾等問(wèn)題。

　　d 網(wǎng)絡(luò )層公共安全監測專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )的結構、通信協(xié)議、異構的網(wǎng)絡(luò )接入技術(shù)及網(wǎng)絡(luò )安全技術(shù)等。

　　e 應用層主要涉及海量信息的智能處理、分析、綜合技術(shù)以及統一的公共安全監測物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺的架構等技術(shù)。

　　圖2描述了公共安全監測物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺的總體結構，系統平臺將接收到的海量信息處理分析后由相應的服務(wù)模塊進(jìn)行處理，服務(wù)平臺可以根據不同的公共安全監測應用添加不同的服務(wù)模塊。公共安全事件應急處理部門(mén)聯(lián)動(dòng)系統負責當突發(fā)安全事件發(fā)生時(shí)及時(shí)調動(dòng)資源進(jìn)行應急管理，以減少損失和影響。

　　圖2 公共安全監測物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺的總體結構

　　4 安全物聯(lián)網(wǎng)的應用現狀

　　在國內外，公共安全監測物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)存在眾多應用案例，在公共安全領(lǐng)域發(fā)揮了明顯的作用，例如：

　　美國Material Technologies公司開(kāi)發(fā)了一套裂縫診斷傳感器系統，已經(jīng)在賓夕法尼亞州檢查了三座橋梁以及馬薩諸塞州一座橋梁的裂縫，其傳感器能夠檢測以每分鐘幾個(gè)分子的速度擴大的裂縫，從而提前幾年發(fā)現可能對安全構成危害的裂縫。此外，早期診斷意味著(zhù)道路修補人員執行的修補更為經(jīng)濟，因為當裂縫還小的時(shí)候，修補起來(lái)更加容易。

　　在韓國，為了保護市民的生命和財產(chǎn)，遏制犯罪、恐怖襲擊、火災，開(kāi)始在城市內安全隱患區域安裝感應系統，為保障市民安全，建立安全的城市做出很多嘗試，如圖3所示。

　　圖3 公共安全物聯(lián)網(wǎng)在城市安全方面的應用

　　目前國內全長(cháng)約2.66公里的玄武湖隧道是我國最大的城市淺埋明挖湖底隧道，其中湖底段長(cháng)約1.66公里。由于地質(zhì)條件、應力條件、環(huán)境影響復雜，隧道很可能受溫度、荷載、地下水等因素影響，產(chǎn)生不均勻的沉降、橫向開(kāi)裂、滲水等問(wèn)題。

　　南京大學(xué)光電傳感工程監測中心將特殊的連續分布式光纖“植入”混凝土層中。從施工開(kāi)始，直至通車(chē)運行至今，這些光纖一直對隧道“健康”進(jìn)行著(zhù)實(shí)時(shí)監測。