基于物聯網和云計算中心的北斗衛星人員安全定位系統

楊 奎

（河南省地礦信息中心，河南鄭州450007）

·安全與管理工程·

基于物聯網和云計算中心的北斗衛星人員安全定位系統

楊 奎*

（河南省地礦信息中心，河南鄭州450007）

為了解決地質探礦野外人員與車輛安全問題，在大數據大系統的背景下，結合單位實際與未來網絡技術發展規劃，提出了基于物聯網和云計算中心的北斗衛星人員安全定位系統框架。該框架通過物聯網技術，在云計算中心中綜合集成地理、地質、交通、遙感、環境、氣象等物聯網信息數據進行數據處理，為戶外工作者提供基于北斗定位與短報文使用的實時位置安全、工作管理、地理環境、行業信息等應用信息，從而提高地質探礦野外工作人員與車輛的安全保障。

物聯網；云計算中心；北斗定位；安全

1 系統背景與介紹

1.1 系統政策背景

2014年8月5日，第二地質礦產調查院位于青海省都蘭縣布洛溝金礦預查項目部發生2名地質技術人員野外失聯20h事件。事件發生后，局各級領導非常重視，指示該院抓緊時間啟動應急預案，全力搜尋失聯人員。

經過此次事件，河南省地礦局認為應急需為野外地質一線工作人員配備定位與報警裝置，用來有力保障一線職工的生命財產安全。本文結合《中國地調局關于開展安全生產保障北斗衛星終端配備工作的通知》等相關文件精神，依靠我局現有信息化技術，提出了為解決河南省地礦局高險艱地區野外地質探礦人員與車輛安全北斗衛星人員定位應用解決方案。

1.2 大數據時代

隨著科技的不斷進步,在物聯網、云計算、移動互聯網等發展的推動下,數據發生了“大爆炸”。大數據是持續不斷產生的,除了人工編制數據、遙感數據、網站點擊流數據(clickstream data)等之外,近年來物聯網、移動互聯網的應用也為信息世界新增了無數個實時產生數據的來源[1],主要包含RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器、終端、傳感器網絡等產生的數據,使用這些數據可實現智能化的識別、定位、跟蹤、監控、管理和多層次多角度的統計分析等,從而實現“智慧交通”、“智慧城市”、“智慧電網”、“智慧醫療”甚至“智慧地質”等應用,應該說物聯網帶動了大數據的發展[2]。在2013年5月,國土資源部地質信息技術重點實驗室開始采用實驗室基金形式初步開展大數據的相關研究(中國地質調查局發展研究中心)。互聯網、云計算、物聯網、大數據正在改變著當代人的生活方式、工作方法、思緒習慣,也改變著地質調查工作的開展。

2 國內外物聯網研究及國內外云計算及地質信息化研究

2.1 國外物聯網研究

2008年,IBM公司提出了“智慧地球”發展戰略,受到美國政府的高度重視。“智慧地球”旨在把IT前沿技術應用到各行各業之中,把傳感器嵌入和裝置到全球的電網、鐵路、公路、橋梁、建筑、供水系統等各種物體中,并通過互聯形成物聯網[3],然后通過超級計算機和云計算技術,對海量的數據和信息進行分析與處理,將“物聯網”整合起來,實施智能化的控制與管理,從而達到全球的“智慧”狀態,最終實現“互聯網+物聯網=智慧地球”[4]。物聯網概念一經提出,由于其具有全面感知、可靠傳送、智能處理等特點,得到美國、日本、英國、法國、澳大利亞、德國、韓國等發達國家認同,并積極投入研究與試驗[5]。在傳感器產業、RFID產業、通信產業、標準化、數據存儲、數據處理、智能分析及預警等多個方面取得了顯著進步與成果,大部分技術趨于成熟或基本成熟,相關產品已經應用到智能交通、物流、軍事、災害防治、汽車、機器人、農畜牧業、醫療等方面[6]。美國、英國等發達國家早已開始使用具有物聯網特性的地質測量、礦山開采監測、地震監測、地質災害監測等設備,并已逐步向規?；?、產業化發展[7]。

2.2 國內物聯網研究

中國科學院早在1999年就啟動了傳感網研究[8],在無線智能傳感器網絡通信技術、微型傳感器、傳感器端機、移動基站等方面我國都已取得重大進展。國務院、發改委等制定了推進發展物聯網的一系列政策與規劃,下發《國家傳感網創新示范區(國家傳感信息中心)建設綱要》通過解決物聯網的架構與關鍵技術,我國已初步將物聯網技術應用到電信、電力、農業、物流、交通、海洋、石油、地質災害、建筑、教育、公共安防等監測與管理中,起到了巨大作用和社會效益。

2.3 國內云計算及地質信息化研究

幾十年來,中國地質調查局積累了地質圖、礦產地、自然重砂、同位素等11大類100多個國家地質空間數據庫,數據總量超過120TB,為相關實驗研究打下了堅實的數據基礎。中國地質調查局李超齡研究員團隊等開展的“中國地質調查信息網格”等對地質數據的集成與共享有了很大進展。國土資源“一張圖”的目標是實現土地、地質、礦產等已有信息資料的集成與共享[9],旨在盤活異構、多源的國土資源數據,提高數據利用率、減少重復投入,挖掘數據潛力,使其發揮應有的作用。從2008年開始以清華大學、中國科學大學、曙光公司、并行計算中心等開展相關研究,采用Web服務(Web-Services)、P2P(Peer-to-Peer,點對點傳輸)、MPI(Message Passing Interface,消息傳遞編程接口)等技術實現云計算,并在高性能計算、天氣、制造、教育等多個領域進行了應用研究、測試與示范[10]。2010年,中國地質調查局發展研究中心也啟動了云計算的跟蹤與相關研究,并設立了配套項目,開始了云計算在地質調查領域中的適用性研究與探索。

3 河南省地礦局基于物聯網和云計算中心的北斗衛星人員安全定位系統

3.1 系統簡介

地質勘查工作的特點是流動性大、工作區分散且多為人煙稀少、環境惡劣的深山與野外。隨著地勘行業的發展，河南省地礦局業務量在逐年上升，隨之而來的野外一線人員及車輛越來越多，這些都為野外車輛人員安全生產工作提出了新的要求。

基于北斗的地質云，綜合集成地理、地質、交通、遙感、環境、氣象等信息數據，為戶外工作著提供位置安全、工作管理、地理環境、行業信息等應用服務。圖1給出了基于物聯網和云計算的地質工作人員安全的概念模型,它初步表達了設備采集數據和加工的數據被傳送到數據中心,再由云計算平臺對數據進行管理、處理、計算、發布等業務操作,客戶再通過應用接口訪問各種數據資源、計算資源等。其邏輯拓撲圖見圖2。

圖1 基于物聯網和云計算的地質工作人員安全的概念模型

圖2 基于物聯網及云計算中心的北斗衛星人員安全定位應用邏輯拓撲圖

基于物聯網和云計算的地質信息化體系框架(自底向上為地質物聯網、地質大數據中心、地質云計算平臺、應用等粗粒度的層次),提出了一套從數據生成到組織、存儲、查詢、分析、服務完整的框架性體系結構,為構建“智慧地質”提供參考。以物聯網作為人員車輛安全數據采集的觸角,通過北斗單兵或車載等設備在野外采集第一手資料,而這些設備數據均可以通過移動互聯網、衛星、網絡等與數據中心進行實時、分時或離線通訊;通過網絡進行信息傳輸,將通過各種方式采集或人為加工的數據統一存儲到地質數據中心(逐步形成大數據中心,可以是分布式的,也可以是集中式的),數據包括屬性數據和空間數據,以及其他數據,數據格式可以有結構化數據也可以有非結構化數據;基于云計算搭建的地質云計算平臺,采用虛擬化等系列核心技術,實現數據云存儲、地質云計算,專用網絡中建立地質私有云、Internet上建立地質公有云,并提供相應的云服務(不同粒度的數據服務、計算服務等),以進資費管理等;用戶可以通過普通瀏覽器、客戶端應用程序、平板電腦、手機等各類終端訪問云端資源。

地質云計算平臺與地質物聯網可以通過數據中心間接通信,也可以直接通信,如通過云計算服務可以直接讀取某個野外設備數據、通過手機可以直接訪問野外某個觀測設備的實時或分析數據(如人員車輛運動軌跡、人員車輛實時視頻等),還可以訪問其他地質資料(如人員體檢報告、人員心率血壓、車輛實時狀況、胎壓等)。

數據中心采用集中式和/或分布式進行管理,對于大數據處理而言,一般采用Hadoop的MapReduce進行大數據存儲、處理、分析[15]。MapReduce是一個簡易的軟件框架,基于其編寫的應用程序能夠運行在成千上萬個商用機器組成的大型集群上,并以一種可靠容錯的方式并行處理TB級別(甚至更高級別)的數據集。MapReduce的計算節點和存儲節點通常放在一起,這種配置允許框架在那些已存好數據的節點上高效地調試任務和執行,因不用在網絡上傳輸海量數據,使得整個集群的網絡帶寬被高效利用,能夠將數據處理速度科學提升。

3.2 終端設計

地質勘查工作的特點是流動性大、工作區分散且多為人煙稀少、環境惡劣的深山與野外。隨著地勘行業的發展，河南省地礦局業務量在逐年上升，隨之而來的野外一線人員及車輛越來越多，這些都為野外車輛人員安全生產工作提出了新的要求。

系統基于GPS、GPRS的衛星定位技術，運用GPS管理系統軟件，在各個人員和車輛上加裝通訊模塊，建立野外車輛安全平臺來實現野外車輛的實時調度、野外追蹤、應急呼救等功能，保障作業車輛人員安全。其示意圖見圖3。

圖3 野外人員車輛安全系統網絡示意圖

該系統所能實現的功能為：人員動態追蹤、人員身體狀況評測、人員歷史軌跡、人員接收工作指令、超安全區域報警、自然災害與天氣預警、車輛實時拍照（普通拍照、定時拍照、連續拍照、開車門拍照）、車輛安全報警（車輛定位跟蹤、定時刷新、車輛跟蹤、定位信息顯示）、車輛信息查詢（靜態數據查詢、動態數據查詢）、應急救援。

各個終端的實時GPS數據會通過GPRS上傳到監控中心，而監控中心所讀取的數據會上傳至總控中心，由總控中心下達控制命令，總控中心和監控中心進行數據交換后生成業務層所需要的實時數據再由業務層表現出來。

3.3 云計算服務端設計

地質云計算平臺是由地學計算云CGSCC(China Geological Survey Compute Cloud)和地學存儲云CGSSC(China Geological Survey Storage Cloud)2個云組成。CGSSC是隱藏在CGSCC后面的云,包括集中式、分布式部署的各類多元、異構、海量的多個地學數據庫,并且可以通過虛擬化使得提取地學數據的組件只知存儲云接口而不知數據來自何處;CGSCC中部署了各類云計算服務器,主要采用SOA服務器作為云計算的主服務器,它以Web服務等作為基本組件。多元、異構的空間數據基于OGC的WFS、WMS、WCS等標準在GIS服務器上進行交換、融合,空間計算組件亦部署在GIS服務器上,且由它完成空間計算;而其他數據服務則部署在其他SOA服務器中。各類不同角色的用戶僅使用與云端交互的終端程序,并不需要知道地學云的存在。

河南省地礦局基于物聯網和云計算中心的北斗衛星人員安全定位系統可借鑒中國地質調查局安全保障系統，與B/S架構為主線建立其應用平臺系統，其地質云服務平臺功能設計主要為：地圖瀏覽、位置監控、歷史軌跡、指揮調度、工作組、北斗交互、系統管理、通知新聞、出隊審批、安全檢查、野外環境分析、基地安全、年度考核、信息匯總、知識庫、裝備管理、法律規章、信息維護、權限管理、月報季報、學習交流、數據統計。

4 結論

利用物聯網探測器的傳感數據，在云計算平臺中調取地理、地質、交通、遙感、環境、氣象等實時信息數據，經過數據處理與數據分析，綜合基于北斗的野外人員或車輛探測信息，可以準確確定野外地質探礦工作人員及車輛的地理位置、行動軌跡，為戶外工作者提供位置安全、工作管理、地理環境、行業信息等相應應用服務。通過基于物聯網和云計算中心的北斗衛星人員安全定位系統建設，提高了野外地質職工的安全保障水平，同時為大數據時代地質工作的質量、效率、安全以及生活保障都提供了信息化發展方向。

[1]李國杰,程學旗.大數據研究:未來科技及經濟社會發展的重大戰略領域——大數據的研究現狀與科學思考[J].中國科學院院刊,2013,27(6):647-657.

[2]鄔賀銓.大數據時代的機遇與挑戰[J].求是雜志,2013（4）:47-49.

[3]賈俊芳,張日權.基于分布式的大數據集聚類分析[J].計算機工程與應用,2008.

[4]賈曉豐.基于物聯網的大數據量實時信息交換策略研究[J].電子政務,2011（4）:16-20.

[5]閆成印.物聯網帶動大數據發展[J].互聯網研究,2012.

[6]趙鵬大.數據時代需重視數字地質研究[EB/OL].2013.

[7]李欽徑.地質調查擁抱“大數字”時代[EB/OL].

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[9]張愛民.國土資源一張圖數據管理及服務平臺的設計與研究[J].現代測繪,2010,33(4):41-42.

[10]陳康,鄭緯民.云計算:系統實例與研究現狀[J].軟件學報, 2009,20(5):1337-1348.

Beidou Satellite Positioning System for Personnel Security Based on the Internet of Things and Cloud Computing

YANG Kui
(The Geology and Mineral Resources Centre of Henan Province, Zhengzhou Henan 450007,China)

In order to solve the geological prospecting field personnel and vehicle safety issues,in a large system with large data in the context of the combined unit actual and future network development planning,put forward the Beidou satellite positioning system for personnel security framework for computing center and cloud based on Internet of things.The framework uses the technology of the Internet of things,in a cloud computing center integrated geographical,geological,remote sensing,traffic,environment, meteorological and other objects to data processing of network information data,for outdoor workers Beidou positioning and short message using the real-time position of safety,work management, geographical environment,industry information application based on information,thereby to improve the security of geological exploration field work personnel and vehicles.

IOT；Big-data center；Beidou；Safety

TD82.2

A

1004-5716(2015)12-0167-04

2014-12-22

2014-12-24

楊奎（1984-），男（漢族），河南安陽人，工程師，現從事地礦信息化建設技術工作。