基于物聯網的地質資料庫房智能管理系統的設計與實現

張 茜，于瑞洋

(1. 國家地理信息系統工程技術研究中心，湖北 武漢 430074；2.中國地質調查局發展研究中心，北京 100037)

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基于物聯網的地質資料庫房智能管理系統的設計與實現

張 茜1,2，于瑞洋2

(1. 國家地理信息系統工程技術研究中心，湖北 武漢 430074；2.中國地質調查局發展研究中心，北京 100037)

隨著信息化時代的發展，以萬物互聯為基本理念的互聯網智能成為當今社會發展的一個重要趨勢。本文分析了物聯網在地質資料智能管理方面的應用研究，進而構建了基于物聯網的地質資料庫房智能管理系統的總體架構。通過3年項目實施，全國地質資料館基本上實現了基于以上架構的地質資料智能庫房，具有以下功能：①地質資料實體的實時跟蹤和精準管理；②庫房保管環境的智能監測及預警；③庫房設施自動巡檢及報修；④庫房管理的可視化支持及高效決策。本文介紹的架構及實現的功能，為地質資料庫房的智能化管理實踐提供了一種參考。

智能庫房；精準管理；監測預報；巡檢報修；可視化決策

2008年IBM首次提出“智慧地球”，2009年IBM發布了《智慧地球贏在中國》計劃書，正式揭開了“智慧地球”中國科技戰略的序幕。智慧地球的目標是讓世界的運轉更加智能化，涉及個人、企業、組織、政府、自然和社會之間的互動，而它們之間的任何互動都將是提高性能、效率和生產力的機會[1]。可以說，萬物互聯的智能化管理是智慧地球的核心和關鍵，也是未來信息化發展的方向與目標。“物-物互聯”的設想最早可追溯到1995年，比爾·蓋茨在《未來之路》一書中提出了電子別針與家庭電子服務設施的聯通。2005年國際電信聯盟(ITU)正式提出了物聯網概念。按照國際電信聯盟的定義，物聯網主要解決物品與物品(Thing to Thing，T2T)，人與物品(Human to Thing，H2T)，人與人(Human to Human，H2H)之間的互連。

地質資料庫房是保管地質資料的集中場所，依據《地質資料管理條例》，保證地質資料的完整和安全是地質資料庫房管理的核心和重點。地質資料庫房管理工作包括地質資料整理入庫(上架)、檢查、修復、盤點、調檔等利用與保護的日常性管理工作和庫房“十防”巡檢與維護地質資料環境的管理類工作。地質資料庫房管理工作繁雜而多變，體現在載體類型雜、管理內容多、數據類型繁、數據規模大、工作頭緒多、質量要求高、影響因素雜、知識需求廣等八個方面。隨著地質資料數量持續增加，尤其是地質資料數據的海量增加及國家對資料信息安全保密的高度重視，各級地質資料館藏機構以人工為主的傳統庫房管理模式面臨工作量大、業務繁雜分散、工作效率低，資料庫房缺乏實時有效安全監管等問題將日益突出。

近年來，檔案界開展了面向智慧城市檔案信息化的研究，提出智慧檔案館是檔案信息化的高級階段和未來發展趨勢。智慧檔案館離不開數字檔案館，數字檔案館建設帶來了檔案信息管理革命，但是數字檔案館的發展受制于傳統檔案館的館藏資源及管理方式等問題，智慧檔案館是數字檔案館和檔案實體管理智慧化的綜合體[2]。檔案實體管理智慧化離不開檔案實體和庫房管理的智能化。為此，國內外檔案部門在檔案實體庫房管理智能化方面開展了大量的探索性研究。

1 基于物聯網地質資料庫房智能管理體系架構

1.1 物聯網簡述

物聯網是指通過各種信息傳感設備，如傳感器、電子標簽(RFID又稱無線射頻識別)技術、全球定位系統、紅外感應器、激光掃描器、氣體感應器等各種裝置與技術，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種需要的信息，與互聯網結合形成的一個巨大網絡。其目的是實現物與物、物與人，所有的物品與網絡的連接，方便識別、管理和控制。從技術架構上來看，物聯網可以分為感知層、網絡層、應用層三個層次。其中，感知層由各種傳感器(包括二氧化碳濃度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、二維碼標簽、RFID 標簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端)以及傳感器網關構成。感知層用于感知設備采集信息、識別物體的來源，它是物聯網的基礎，是連接物質世界和虛擬世界的紐帶。網絡層(又叫傳輸層)負責傳遞和處理感知層獲取的信息。應用層是物聯網和用戶(包括人、組織和其他系統)的接口，它與行業需求結合，實現物聯網的智能應用。

1.2 物聯網在地質資料庫房智能管理的應用研究

地質資料具有檔案價值和現實價值的雙重屬性，從地質資料檔案性出發對近幾年來的物聯網在檔案智能管理應用進行了研究，物聯網在檔案智能管理主要體現在以下三個方面。一是物聯網的關鍵技術RFID在實體安全智能管理應用。美國聯邦政府、日本的瑞穗銀行、馬來西亞Sure-Reach檔案管理公司、澳大利亞Magellan Technology公司應用RFID技術管理重要的檔案文件。紹興市檔案館是RFID技術成功運用于實體檔案安全管理的具有代表性的檔案館。整個智能化管理貫穿了檔案入庫、跟蹤、查詢、調檔、清查、統計的全過程，實現了高效盤庫、錯位查找、自動門禁、檔案實物定位跟蹤、各類數據匯總統計等功能[3]。二是物聯網在檔案和環境監控一體化智能管理應用。謝璽(2016)從理論上開展了物聯網技術對檔案庫房管理的影響分析[4]。賀冰花(2016)基于物聯網技術對檔案存儲環境監測進行分析和設計，設想基于物聯網可實現自動分析處理監測數據、報警和預警、實時查詢監測數據，主動生成統計報表等功能及實現路徑[5]。三是物聯網感知數據發布和遠程監控應用研究。孫亞麗(2016)通過研究NI公司LabVIEW DataSockcet和JSP網頁編程兩種技術，構建了一種基于B/S架構的物聯網感知數據發布和遠程監控系統[6]。

地質資料是地質工作所形成的檔案資料，它是地質工作服務社會的主要載體，從它產生起就具有更強的現實價值。因此，地質資料在組織、保管與服務等方面與檔案管理有很大差別。一是地質資料實體按照地質調查項目成果進行組織管理與利用，即每檔地質資料是一項地質工作成果；二是每檔地質資料歷史價值和現實價值的體現離不開地質資料信息資源的完整性和可用性，信息和載體的不可分離性就決定了地質資料實體安全管理是保證地質資料服務社會的基礎和保障；三是地質資料實體遵循檔案的紙電雙軌制，但與檔案相比，地質資料實體管理具有自身特點，紙質地質資料尤其是地質圖件的內容表達與可持續利用受地質資料的紙張類型、印刷方式及所處的保管環境影響很大；地質資料數據海量增加、文件組織層級多等復雜性和不可控性所帶來的數據安全風險使地質資料數據備份采用了檔案級光盤、藍光光盤、磁帶、硬盤異質備份和本地、同城、異城異地備份機制，具有獨特性和復雜性。

可見，物聯網在檔案實體安全管理、環境智能監控一體化管理和數據發布和遠程監控應用對地質資料庫房智能管理具有可借鑒性和應用意義。由于地質資料組織、保管和服務的檔案和現實的雙重特點，基于物聯網的地質資料智能庫房建設應結合實際進行規劃和設計。

1.3 基于物聯網地質資料智能管理總體架構

基于物聯網技術特點和工作原理，結合地質資料庫房業務發展和內在需求，可以形成一個集地質資料信息、庫房環境、基礎設施設備智能化、一體化管理和地質資料庫房管理高效預測的地質資料智能管理體系，最終實現館藏資料、基礎設備設施和管理人員的相互聯通，建成集人防、技防和物防為一體的全方位、全天候、立體的安全管理平臺，通過實時監控、遠程控制和系統聯動,實現資料庫房管理人員、地質資料實體和庫房設施設備之間隨時隨地的對話和控制，使地質資料保管工作從被動、分散、人工管理模式向主動、集中、智能管理模式轉變，實現地質資料庫房管理的流程化、信息化、智能化，保障地質資料實體的完整、安全和有序。該管理體系應具有庫房組織多維度、立體化、實時監管、智能運行、萬物相聯、實時通訊、遠程控制、智能決策，地質資料數據格式內容多樣化和提取、重組智能化等特點。

從物聯網技術在地質資料庫房智能管理應用出發，物理網總體架構從底層到頂層分別為地質資料庫房基礎設施設備層、感知層、數據層、網絡層、應用層等五層(圖1)。其中，地質資料庫房基礎設備層包括紙質地質資料實體、備份載體實體、庫房溫濕度空調、密集架、視頻監控探頭、門禁等設備；感知層包括RFID標簽及識別設備、溫濕度傳感器、遠程控制器、紅外傳感器等感知設備；數據層包括地質資料實體數據、地質資料出入庫數據、溫濕度數據、密集架排架數據、視頻數據、人員出入庫數據和各種設備運行數據。網絡層是將管理人員、地質資料實體、庫房設施設備進行通訊的網絡層。應用層主要包括地質資料實體精準管理、庫房環境智能監測預警、設施設備自動巡檢報修、庫房可視支持高效決策四個方面。

圖1 地質資料庫房智能管理總體架構圖

1.4 基于物聯網地質資料智能管理系統技術架構

基于物聯網地質資料智能管理系統的技術架構可分為感知技術、網絡技術、應用技術和安全管理技術四個層次。其中，感知技術中RFID技術應用于地質資料實體的實時跟蹤管理，人臉識別技術應用于出入庫人員實時管理；視頻影像技術、傳感器技術應用于庫房環境的實時監控預警管理；嵌入式技術應用于設施設備自動巡檢報修管理；網絡技術包括TCP/IP技術、移動通訊技術、串口融合技術、網絡計算、抗干擾技術。應用技術主要包括集成技術、數據融合技術、虛擬現實技術、標準化技術和數據管理技術；安全與管理技術包括信息安全技術和系統綜合管理技術。四個技術層相互關聯支撐地質資料智能管理系統穩定高效運行。

圖2 地質資料庫房智能管理技術架構圖

2 基于物聯網地質資料庫房智能管理系統功能與應用

2.1 基于物聯網地質資料智能管理功能模塊

基于物聯網的地質資料庫房智能管理系統是基于Delphi平臺、SQL Server數據庫以及網絡環境，采用客戶端/服務器(C/S)模式，具備地質資料管理、庫房管理、庫房人員和信息服務決策智能管理等十個方面的管理功能。該系統包括地質資料實體管理子系統、溫濕度管理子系統、視頻監控子系統、排架管理子系統、安全巡檢子系統、出入庫管理子系統、權限管理子系統、預警子系統、三維子系統和信息發布子系統等十個子系統。其中地質資料實體管理子系統包括地質資料數據加工、入庫核查、調檔、出庫、銷毀等功能，溫濕度管理子系統包括溫濕度記錄、統計分析等功能，視頻監控子系統包括視頻圖像管理和視頻設備管理功能；排架管理子系統包括密集架管理、層架標簽制作功能，出入庫管理子系統包括門禁卡記錄、使用記錄功能，權限管理子系統包括人員維護功能；預警子系統包括庫房預警統計、預警通知、通知人維護等功能，信息發布子系統包括查詢統計和展示宣傳；三維子系統包括虛擬庫房管理和虛擬檔案管理功能(圖3)。

2.2 基于物聯網地質資料智能管理系統應用

基于物聯網的地質資料庫房智能管理系統的十個子系統功能縱向延伸，橫向聯動，在地質資料實體管理、庫房環境監測預警、設施設備巡檢報修和庫房高效決策等方面得到了應用，取得了良好的效果。

一是基于電子標簽技術實現了紙質地質資料實體從入庫、調檔、盤點、出庫、銷毀全流程實時精準智能管理。該系統在完成目錄數據導入的基礎上，完成實體核對和數據的采集，經館員工作站清點后入庫上架，系統實時更新入庫資料，入庫單留存備查。資料調檔時可按檔、按盒、按件提供借閱服務，系統自動顯示模糊破損信息，以便在借閱資料過程中做好資料的保護工作。資料調檔單在自動打印時，系統聯動智能密集架，遠程打開借閱資料所在的密集架位置，工作人員能夠快速準確地調取資料。資料調檔和歸檔時，須經過館員工作站識別，未經館員工作站識別安全門將發出警報，經過允許的資料方可出庫。地質資料盤點是保證地質資料安全性和齊全性的一項重要工作，電子標簽應用大大提高了資料盤點的效率。地質資料出庫是一項非常謹慎的工作，地質資料的核對和登記是一項極其重要的工作。只要在系統里輸入出庫資料檔號，便自動關聯資料實體相關信息，工作人員進行核對后，填寫出庫原因后方可執行出庫。出庫后的資料數據自動進入資料管理歷史數據庫。

圖3 地質資料庫房智能管理系統功能架構圖

二是基于傳感器技術實現了對庫房溫濕度等環境實時智能監測預警。該系統在地質資料庫房部署溫濕度采集器，設置溫濕度預警參數，當庫房溫濕度出現異常時，系統自動預警，系統自動調取報修界面，向工作人員提供相關維護人員的聯系方式，使異常得到及時發現和處理。

三是基于嵌入式技術實現對設施設備自動巡檢報修跟蹤管理。該系統可自動監測庫房設備運行狀態，設備出現故障時，系統自動登記異常，并主動提供故障描述及維護人員的聯系方式，便于及時排除故障。

四是基于虛擬現實技術實現地質資料庫房可視化技術支持高效決策管理。系統可以直觀地顯示庫房溫濕度設備、視頻設備等設備、煙感、消防管道等基礎設施設備點位，及相關設備運行狀態和監測到環境狀態；同時可以直觀地查詢資料實體相關數據，查看庫房資料在庫情況。

3 總結與展望

綜上所述，物聯網在地質資料庫房智能管理的成功應用實現了地質資料實體全流程智能安全管理和地質資料保管環境的實時遠程監控的一體化管理，全面提高了地質資料服務社會的能力，為全國各級地質資料館藏機構的地質資料庫房管理提供了一種思路和方法。但是，基于物聯網的地質資料庫房智能管理系統對基礎設施設備和感知設備具有較強的依賴性向地質資料智能庫房管理建設提出了“因地制宜”的要求。基于物聯網地質資料庫房智能管理應用將會產生海量的數據，如何高效地利用這些數據對地質資料庫房管理進行科學預測，更好地支持智能決策是下今后重點思考與研究的問題。

[1] 李德仁，龔健雅，邵振峰. 從數字地球到智慧地球[J]. 武漢大學學報：信息科學版，2010，7(2)：127-132.

[2] 檀竹茂. 智慧城市背景下檔案管理范式的轉換——以青島市智慧檔案館為例[J]. 檔案，2014(3)：15-17.

[3] 嚴青云.RFID技術：檔案實體安全管理的探索與實踐——紹興市檔案館應用實例[J].浙江檔案，2011(11)：40-41.

[4] 謝璽. 物聯網技術對檔案庫房管理的影響分析[J]. 中國管理信息化，2016，31(6)：191.

[5] 賀冰花. 基于物聯網技術的檔案存儲環境監測[J]. 山西科技，2016,31(1)：106-108.

[6] 孫亞麗，張念. 物聯網感知數據的發布和遠程監控[J]. 工業控制計算機，2016.29(2):20-21.

The architecture and implementation of intelligent management system for a geological archives warehouse based on Internet of Things

ZHANG Qian1,2, YU Rui-yang2

(1.National Engineering Research Center for Geographic Information System, Wuhan 430074， China; 2.Development and Research Center, China Geological Survey, Beijing 100037,China)

The intelligent internet application around the concept of “Internet of Everything” has become one of the latest trends in this information age. This article studied application of Internet of Things (IoT)) for intelligent management of geological archives and then introduced the architecture of intelligent management system for a geological archives. Through 3 years construction, the National Geological Archives of China (NGAC)has basically implemented the intelligent geological archives warehouse with several highlighted challenges and critical technologies:① real-time tracking and precise management of geological files; ② smart warehouse environmental monitoring and early warning of the storage; ③ automatic facilities inspection in the warehouse and reporting mechanism for necessary maintenance requirements; ④ visualization of warehouse management for efficient decision-making. The proposed architecture and the related implementation provided the best practice for constructing anintelligent management system of a geological data warehouse.

intelligent geological archives warehouse; precise management of geologicalfiles; monitoring and early warning; facilities inspection and maintenance report; visible decision-making.

2016-08-09

中國地質調查局地質礦產調查評價專項“地質資料資源匯聚與管理”計劃項目所屬子項目“館藏地質資料管理與維護”資助(編號：1212011120432)

張茜(1981-)，女，山西襄垣人，博士，副研究員，主要研究方向為地質資料信息化管理研究。E-mail:zqian@mail.cgs.gov.cn。

G270.7

A

1004-4051(2016)11-083-05