基于物聯(lián)網(wǎng)的公共安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

 引言

　　隨著對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的概念、內(nèi)涵、技術(shù)、應(yīng)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(xiàn)出眾多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的典型案例。其中，公共安全領(lǐng)域作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域，具有與其它物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(yīng)用（以下簡(jiǎn)稱安全物聯(lián)網(wǎng)）作為一個(gè)獨(dú)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(nèi)涵

　　當(dāng)前，中國(guó)正處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速發(fā)展時(shí)期，各種傳統(tǒng)的和非傳統(tǒng)的、自然的和社會(huì)的風(fēng)險(xiǎn)及矛盾交織并存，公共安全和應(yīng)急管理工作面臨的形勢(shì)更加嚴(yán)峻。主要有以下三個(gè)方面的問(wèn)題：1）自然災(zāi)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(qiáng)地震呈活躍態(tài)勢(shì)，自然災(zāi)害及其衍生、次生災(zāi)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(shì)嚴(yán)峻，我國(guó)安全生產(chǎn)基礎(chǔ)薄弱，一些地方和企業(yè)責(zé)任不落實(shí)、監(jiān)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(yù)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(zhàn)，我國(guó)改革發(fā)展進(jìn)入關(guān)鍵階段，各種利益關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定的任務(wù)艱巨。

　　面對(duì)頻發(fā)的造成大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的公共安全事故，亟需構(gòu)建公共安全監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)是針對(duì)公共安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域覆蓋范圍廣、監(jiān)測(cè)指標(biāo)多、連續(xù)性要求高、所處環(huán)境不適合人工監(jiān)測(cè)、感知的信息內(nèi)容與人民群眾的生活密切相關(guān)等特點(diǎn)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)尤其是傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建的一個(gè)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層共同構(gòu)成的信息系統(tǒng)工程。對(duì)公共安全的監(jiān)測(cè)主要包含保障各類生產(chǎn)場(chǎng)景安全的監(jiān)測(cè)、對(duì)生產(chǎn)者安全的監(jiān)測(cè)、對(duì)特定物品安全的監(jiān)測(cè)、對(duì)人員密集場(chǎng)所監(jiān)控、對(duì)重要設(shè)備設(shè)施監(jiān)控以及事故應(yīng)急處理時(shí)對(duì)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(guó)家安全和社會(huì)穩(wěn)定的基石。為有效抵御各類人為或自然災(zāi)害的威脅，中國(guó)將加強(qiáng)公共安全保障措施作為政府工作的重點(diǎn)。公共安全監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)為解決我國(guó)面臨的公共安全問(wèn)題提供了一種新的思路，符合我國(guó)促進(jìn)科技創(chuàng)新、走創(chuàng)新型國(guó)家發(fā)展道路的戰(zhàn)略要求。

　　建立完善的公共安全監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)將為我國(guó)現(xiàn)在面臨的橋梁隧道坍塌、危險(xiǎn)物泄漏等安全問(wèn)題提供切實(shí)有效的預(yù)防機(jī)制，全國(guó)范圍內(nèi)的公共安全監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)作為與日常生活聯(lián)系最密切、國(guó)家和人民最關(guān)注的公共安全領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，應(yīng)該得到整個(gè)社會(huì)的重視和優(yōu)先發(fā)展，堅(jiān)持“政府主導(dǎo)、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(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展來(lái)帶動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)在技術(shù)、應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)、標(biāo)準(zhǔn)方面的進(jìn)步，使整個(gè)社會(huì)切身感受到公共安全監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的公共安全隱患可靠預(yù)防和突發(fā)事件應(yīng)急處理的優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)人們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)價(jià)值的認(rèn)知程度。

　　3 安全物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

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

　　1） 在感知層，被感知信息的類型多樣，實(shí)時(shí)性要求高，大多數(shù)信息的感知（如橋梁建筑物的安全狀況，危險(xiǎn)物品的監(jiān)測(cè)等）要求精度高且很難通過(guò)人工手段檢測(cè)。由于安全隱患的信息類型不確定性很高，在人員密集場(chǎng)所或高危生產(chǎn)場(chǎng)所應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間部署大量不同類型的傳感器，對(duì)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(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)能否成熟應(yīng)用的關(guān)鍵。

　　2） 在網(wǎng)絡(luò)層，由于公共安全監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)感知到的信息的涉及國(guó)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(dāng)使用都有可能危及國(guó)家安全、社會(huì)穩(wěn)定以及人民群眾的隱私；因此，公共安全監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)的信息內(nèi)容有必要通過(guò)專用網(wǎng)絡(luò)或者對(duì)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(yīng)用層，針對(duì)海量的數(shù)據(jù)信息和安全隱患可能帶來(lái)的嚴(yán)重危害，需要建立專有的不同級(jí)別的公共安全物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)。服務(wù)平臺(tái)不僅應(yīng)具有強(qiáng)大的信息處理及融合能力，還須具有安全隱患的識(shí)別以及預(yù)警能力，同時(shí)當(dāng)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(yīng)急處理，爭(zhēng)取將損失和影響減到最小。另外，將不同級(jí)別的公共安全物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)互聯(lián)有利于根據(jù)安全事故的危害程度最大限度的調(diào)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(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

　　針對(duì)公共安全監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要有：

　　a 針對(duì)公共安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的專用傳感器的研發(fā)，包括增加傳感器的監(jiān)測(cè)信息類型、提高監(jiān)測(cè)精度、減小體積、抗破壞、增強(qiáng)感知信息的抗干擾能力和保密能力等。

　　b 大規(guī)模傳感器節(jié)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(guī)模傳感器節(jié)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(jiān)測(cè)專用網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)等。

　　e 應(yīng)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(tǒng)一的公共安全監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的架構(gòu)等技術(shù)。

　　圖2描述了公共安全監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)平臺(tái)將接收到的海量信息處理分析后由相應(yīng)的服務(wù)模塊進(jìn)行處理，服務(wù)平臺(tái)可以根據(jù)不同的公共安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用添加不同的服務(wù)模塊。公共安全事件應(yīng)急處理部門(mén)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)當(dāng)突發(fā)安全事件發(fā)生時(shí)及時(shí)調(diào)動(dòng)資源進(jìn)行應(yīng)急管理，以減少損失和影響。

　　圖2 公共安全監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)

　　4 安全物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　在國(guó)內(nèi)外，公共安全監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)存在眾多應(yīng)用案例，在公共安全領(lǐng)域發(fā)揮了明顯的作用，例如：

　　美國(guó)Material Technologies公司開(kāi)發(fā)了一套裂縫診斷傳感器系統(tǒng)，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(cè)以每分鐘幾個(gè)分子的速度擴(kuò)大的裂縫，從而提前幾年發(fā)現(xiàn)可能對(duì)安全構(gòu)成危害的裂縫。此外，早期診斷意味著道路修補(bǔ)人員執(zhí)行的修補(bǔ)更為經(jīng)濟(jì)，因?yàn)楫?dāng)裂縫還小的時(shí)候，修補(bǔ)起來(lái)更加容易。

　　在韓國(guó)，為了保護(hù)市民的生命和財(cái)產(chǎn)，遏制犯罪、恐怖襲擊、火災(zāi)，開(kāi)始在城市內(nèi)安全隱患區(qū)域安裝感應(yīng)系統(tǒng)，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(yīng)用

　　目前國(guó)內(nèi)全長(zhǎng)約2.66公里的玄武湖隧道是我國(guó)最大的城市淺埋明挖湖底隧道，其中湖底段長(zhǎng)約1.66公里。由于地質(zhì)條件、應(yīng)力條件、環(huán)境影響復(fù)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(jiān)測(cè)中心將特殊的連續(xù)分布式光纖“植入”混凝土層中。從施工開(kāi)始，直至通車運(yùn)行至今，這些光纖一直對(duì)隧道“健康”進(jìn)行著實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。