地方高校石化—物聯互聯化應用研發基地建設

陸 恒

(常州大學 制藥與生命科學學院, 江蘇 常州 213164)

互聯網加物聯網形成“智慧地球”,是當前世界性的熱門課題[1-3]。世界各經濟強國都試圖把物聯網作為重振經濟的法寶[4-5]。美國、歐盟、日本相繼制定物聯網發展戰略計劃,試圖在物聯網的發展上引領世界。我國在物聯網的啟動和發展上與國際相比并不落后,在無線智能傳感器網絡通信技術、微型傳感器、傳感器終端機、移動基站等方面取得重大進展,已擁有從材料、技術、器件、系統到網絡的完整產業鏈。隨著電信網絡，特別是無線網絡的擴展及傳感技術的發展,我國推廣物聯網的條件逐步趨向成熟。國家工信部明確提出要進一步研究建設物聯網、傳感網,加快傳感中心建設,推進信息技術在工業領域的廣泛應用。目前中國已將物聯網明確列入《國家中長期科學技術發展規劃(2006—2020年)》和2050年國家產業路線圖。物聯網技術標準世界競爭態勢已經形成,我國要保持物聯網核心技術優勢,就必須加大投入,打造高水平研發平臺,大力培養專業人才,攻克核心技術難關,保持世界領先水平。

石化行業被國家列為高危行業,化工生產具有易燃易爆、有毒有害、高溫高壓等特點,容易發生爆炸、中毒、泄漏、火災等事故,給生產安全、生命財產和環境保護帶來嚴重影響,對其安全監控尤為重要[6]。另外,在化工院校的教學活動中,很多教學實驗環境都是模擬的,缺乏生產第一線的直觀感受[7-8]。物聯網技術為此提供了更加安全可靠的解決途徑,通過傳感器網絡,各種危險環境可被有效監控,教學中所缺少的現場環節可被彌補,因此可見,面向石化的物聯網技術應用研究在行業應用、教學活動中都具有非常重要的意義[9]。

無論從世界發達國家范圍看,還是從我國著名大學研究情況看,物聯網應用研究正日益受到政府、高校，甚至是企業的重視。我校信息科學與技術學院借助現有的學科專業優勢以及我校在石化行業的深厚淵源,以實驗室的教學實驗儀器智慧系統及物聯網建設為切入點,以服務實驗與科研的實際需要為導向,構建了石化—物聯互聯化應用研發基地,并為蘇南地區的區域經濟建設提供支持。

1 建設基礎

信息科學與技術學院現有計算機科學與技術、自動化、通信工程、電子信息工程、電氣工程5個本科專業,一個計算機應用技術碩士點,一個電子與信息技術省級示范實驗中心,設有普適計算研究院、機器人研究所、仿真與人工智能研究所、計算機技術應用研究所、控制工程技術研究室、電力電子及電氣控制技術研究室、計算機測控技術研究室等專業研究部門。近年來,信息科學與技術學院教師獲得國家教學成果獎1項、獲省級教學成果獎2項,江蘇省多媒體課件競賽獲獎3項、省級優秀軟件獎1項,承擔省部級以上教研項目7項,出版專著與教材20多部；承擔或主要參與了國家自然科學基金2項、“863”子項目1項、省部級科研項目13項,通過省部級鑒定6項,獲專利2項、省部級以上科研獲獎4項；近4年發表核心以上學術論文100多篇。研發平臺已納入教師20人,其中教授4人、博士7人,其中5人次成為江蘇省“青藍工程”和常州“831工程”培養人選。研發平臺所屬電子信息技術省級示范中心面積達2 563 m2、專職實驗教師有25人,“十三五”期間,學校和學院已經投入實驗室建設經費520.6萬元,新增實驗室固定資產600多萬元,已經具備項目實施基本條件。

2 建設目標

石化—物聯互聯化應用研發基地將凝聚和造就一支優勢明顯的研究團隊,搭建一個堅實的科技創新平臺,推動和提高常州市物聯網行業的科技創新水平和競爭能力,推動常州市工業制造業的技術進步和產業發展。通過建設要達到:具有承擔國家、省部級和市級重大科技項目的能力；開展物聯網技術基礎研究和應用技術研究,形成一批具有自主知識產權、國內領先的新產品和新技術。

(1) 中長期目標是建成省內一流、國內有知名度的先進智能物聯網技術實驗室,在應用基礎研究和高水平探索方面有重大突破,產生一批有重大科技成就、能承擔國家重大科技項目的研究團隊,形成一批具有國際水平的創新成果。重點實驗室不但要有開展高新技術研究的能力,還要具備成果轉化的實力,使其真正成為為常州市物聯網產業發展服務的產、學、研基地。

(2) 建設成為常州市的一個新技術平臺,成為常州地區普適計算相關專業本科生和研究生的教學、實習和科研基地,以及產學研相結合、緊跟并趕超時代潮流的研發中心。爭取2～4年內將該實驗室建成常州市普適計算技術中心,普適計算研究領域處于國內領先、國際前沿。

3 建設內容

石化—物聯互聯化應用研發基地主要由5大平臺組成,分別是石油儲運中物聯網RFID應用研究平臺、傳感器技術研究與實驗平臺、化工環保監控網絡關鍵技術研發平臺、感知石油石化信息處理示范中心研發平臺和物聯互聯化中間件系統研究平臺(見圖1),主要側重于嵌入式智能傳感器、智能信息處理、傳感器網絡、嵌入式軟件與算法、普適計算等研究及其在石化行業中的實際應用研究。

圖1 石化—物聯互聯化應用研發基地

3.1 石油儲運中物聯網RFID應用研究平臺

射頻識別技術(radio frequency identification, RFID)作為物聯網發展的排頭兵,RFID成為市場最為關注的技術,其應用將給零售、物流等產業帶來革命性變化[10]。石油在運輸過程中需要實時監測其各種危險參數,通過與物聯網核心技術無線傳感網的有機結合,RFID為油料運輸的信息處理提供了一種更有效率的新模式。本開發平臺擬研究內容:

(1) RFID開環應用技術；

(2) RFID中間件技術；

(3) RFID標準化技術。

3.2 傳感器技術研究與實驗平臺

物聯網是將各種信息傳感設備與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡,是當前中國乃至世界的一個熱門話題,被譽為第3次信息技術革命和產業浪潮。而傳感器產業是今后物聯網發展的關鍵,在經濟危機后社會需要技術創新尋找經濟增長點,傳感器產業正是這種技術創新產業[11]。

我校將聯合傳感器優勢企業與地區,加強合作,搭建平臺,借助其特有的基礎優勢,力爭成為物聯網產業與石油石化行業所必需的傳感器配套研發基地。該平臺包括紅外、光電、霍爾、熱敏、超聲波、壓力、氣敏、圖像等8大門類,涵蓋傳感器材料、產品、應用等多個領域。

3.3 化工環保監控網絡關鍵技術研發平臺

常州市有著良好的化工產業基礎,化工企業總數占整個江蘇省的近1/4。2017年全市化工行業有156家銷售收入超億元的企業。隨著我市化工產業的發展,目前已進入了資源消耗和環境污染的高峰期。污染事故和污染信訪頻發,污染事故損失巨大,90%的污染事故是由化工造成的,已嚴重影響人民群眾的正常生產生活、健康安全和社會安定,因此該研究平臺建設意義重大。

化工行業與化工環保中的應用研究主要包含以下幾個方面:有毒有害、易燃易爆氣體泄漏無線傳感網監控；以化工產品生產中常見的液化石油氣、氨、氯及硫化氫、二氧化硫、二氧化氮等有害有毒、易燃易爆氣體為監控對象,研究相應的傳感器節點及組網技術；儲罐健康監控,研究儲罐安全運行狀況,實時監控儲罐體的腐蝕、裂紋等健康狀態,包括超聲波、聲發射等無線傳感器節點網絡。DCS、PLC、IPC儀器儀表和空氣壓縮機等過程控制設備故障監控；化工禁區人員監控；生產環境監控；化工廢水排放與城市水域無線傳感監測。

研發平臺將針對物聯網關鍵技術無線傳感器網絡開展研究與應用,本項目擬主要研究無線傳感網組網模式與拓撲控制、媒體訪問控制和鏈路控制,以及路由、數據轉發及跨層設計、QoS保障和可靠性設計、網絡安全模型、能量工程等。

除此之外,研發平臺也將對無線傳感網絡信號特征分析與識別關鍵技術開展研究。無線傳感網絡首先通過傳感器獲取外界信息,一般外界信息的表達包括有1維或2維的信號形式。原始信號通常并不能描述事件的本質,通過信號特征分析與識別才能獲得外界的特征狀態,其目的是使網絡決策智能化。其關鍵技術主要包括無線傳感網絡中的模式識別技術、高精度無線傳感器網絡節點定位、多傳感器數據融合等。

3.4 感知石油石化信息處理示范中心研發平臺

石油石化行業屬于高危行業,基于該行業的特點,隨著行業的發展,物聯網技術也開始在該領域應用。學校依托與石油石化行業的緊密聯系,針對熱點應用建設感知石油石化示范網絡平臺。通過該平臺在石油石化各個環節為科研與教學提供便利手段,獲得更大的效果。

物聯網的核心是傳感識別和海量信息處理[12]。智能信息處理是計算機科學中的前沿交叉學科,是應用導向的綜合性學科,其目標是處理海量和復雜信息,研究新的、先進的理論和技術[13]。研究具有認知機理的智能信息處理理論與方法、探索認知的機制、建立可實現的計算模型并發展應用。智能信息處理研究涵蓋基礎研究、應用基礎研究、關鍵技術研究與應用研究等多個層次,它不僅有很高的理論研究價值,而且對于國家信息產業的發展乃至整個社會經濟建設和發展都具有極為重要的意義。

3.5 物聯互聯化中間件系統研究平臺

普適計算被稱為下一代計算模式,是無所不在的,以人為中心的計算模式,是未來計算的發展方向[14]。在這種模式里,計算機將不再是一種技術, 它是生活的一部分,比如計算機集成在家具、電器及人的衣服等物品里面,雖然人不能明顯感覺到計算機,但這些隱藏的計算機與人及環境里的資源形成無縫的網絡系統。普適計算的模式不僅可以應用到智能家居等與人民生活密切相關的領域,而且還可以應用滲透到社會經濟生活的各個方面,如工業、農業和商業等領域。

目前已有眾多的國際組織和學者在進行這方面的研究,并取得了不少進展。 目前世界各個主要的發達國家研究機構或大學都投入相當大的人力和物力進行這方面的研究,政府層面也給予較大的支持。例如美國、歐洲、日本等國家或組織,特別是韓國與日本的u-Korea和u-Japan計劃、 歐洲的eEurope計劃和第七框架計劃,都將普適計算列為重要的組成部分。在我國,也有清華大學的“智能教室”項目及浙江大學的“智能社區與車輛”項目等在進行普適計算方面的研究。

本研發平臺以中間件研究為主要內容,通過中間件研究,不僅僅實現物聯互聯化,還可實現應用程序之間的互操作。中間件是基于分布式處理的軟件,特別強調了網絡通信功能,能夠進行數據采集、設備管理、能量管理、QoS支持等。

4 建設成效