基于5G 網絡的物聯(lián)網技術在智慧應急中的應用*

王 巖，范蘇洪

（中博信息技術研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

近年來，我國重特大事故數(shù)和死亡人數(shù)呈波動下降趨勢，可見安全生產形勢保持了穩(wěn)定好轉態(tài)勢。然而，事故總量過高、重特大事故易發(fā)多發(fā)的現(xiàn)實情況讓人們清醒地認識到，我國應急工作還處于脆弱期、爬坡期和過坎期。僅2019 年，全國共發(fā)生各類安全事故3 萬余起，造成29 519 人死亡[1]。安全事故具有延展性強、破壞性大以及突發(fā)性強等特點，給國家和人民群眾的生命財產安全帶來了嚴重威脅。因此，如何利用先進的技術手段提升應急管理效用，保障生產、生活安全有序運行顯得尤為重要。

1 新技術應用現(xiàn)狀

隨著信息化技術的發(fā)展，應急領域也正在經歷信息化、數(shù)字化以及智慧化的轉變過程。信息化可通過固化業(yè)務流程實現(xiàn)信息管理，如企業(yè)安全生產臺賬管理、安全生產許可證審批等流程，提高了日常安全管理的規(guī)范性和行政審批流程的便捷性。數(shù)字化主要是指運用傳感器自動采集實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)字孿生的同步反應。例如，利用射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)采集分析。如今物聯(lián)網技術已在電梯、壓力容器以及叉車等特種設備的日常監(jiān)管、應急救援中被廣泛應用。特種設備檢測時，分配用于識別其身份的RFID 電子標簽，利用手持設備實現(xiàn)設備與系統(tǒng)的交互，最終實現(xiàn)對生產設備信息的實時獲取與監(jiān)控[2]。近年來，5G、AI、區(qū)塊鏈以及大數(shù)據(jù)等技術的發(fā)展，為應急管理走向智慧應急提供了技術支持。例如，基于大數(shù)據(jù)可為安全事故預測預警、指揮應急救援提供決策支持；運用5G 技術與云終端，可將救援信息通過物聯(lián)網設備及時發(fā)送到救援中心；5G 穿戴設備可實現(xiàn)現(xiàn)場救援、設備檢查等工作[3]。

在萬物互聯(lián)時代，物聯(lián)網技術將被更廣泛地應用于生產生活，而5G 高速、安全的無線傳輸方式也將為物聯(lián)網技術應用提供更大的空間。

2 5G 網絡下物聯(lián)網的發(fā)展機遇

2.1 5G 技術發(fā)展現(xiàn)狀

第五代移動通信技術（5th Generation Mobile Networks，5G）是繼4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系統(tǒng)之后的延伸[4]。與4G 相比，5G 作為一種全新的網絡架構，具備高速度、泛在網、低功耗、低時延、萬物互聯(lián)以及重構安全6 大特點[5]，可提供更高的峰值速率、更佳的移動性能、毫秒級時延和超高密度連接。5G 將帶來垂直業(yè)務領域的巨大改變，而互聯(lián)網的發(fā)展也將從移動互聯(lián)網時代進入智能互聯(lián)網時代。

國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）定義了5G 的3 大應用場景，即eMBB移動寬帶增強、mMTC 大規(guī)模物聯(lián)網以及uRLLC 超高可靠超低時延[5]。5G 網絡提供的峰值速度可達10 Gb/s，網絡傳輸速度比4G 快10～100 倍。這意味著5G 網絡將提供更高寬帶、更高流量的服務，如VR 安全教育培訓、AR 頭戴式應急救援顯示器[6]的應用。與4G 相比，5G 網絡另一個特點就是大規(guī)模物聯(lián)網設備的接入，其設備連接密度將提升10～100 倍，達到每平方千米數(shù)百萬個，滿足當下各行業(yè)的需求，也為應急救援、設備監(jiān)管、事故預測等以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標的場景應用提供了更多可能。5G 還可以提供毫秒量級超低時延，減少網絡與設備間的時間偏差，還可應用于現(xiàn)有醫(yī)療急救車5G 改造，實現(xiàn)應急指揮調度、無人機遠程急救以及應急會診等。

2.2 5G 網絡下物聯(lián)網發(fā)展機遇

物聯(lián)網是通過傳感器、RFID 以及全球定位系統(tǒng)等技術，實時采集需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，通過各種網絡接入實現(xiàn)萬物互聯(lián)，從而達到對物品和過程的智能化感知、識別和管理。物聯(lián)網在各行業(yè)應用十分廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護、公共安全、智能城市以及工業(yè)監(jiān)測等多個領域[7]。

4G 時代物聯(lián)網發(fā)展的瓶頸主要是現(xiàn)有網絡技術無法滿足物聯(lián)網在傳輸速度、覆蓋性和數(shù)據(jù)傳輸方式等方面的需求，而5G 網絡將為解決這些問題帶來新的思路。第一，5G傳輸速率是4G的百倍以上，可滿足物聯(lián)網對傳輸速度的需求。第二，5G 網絡覆蓋廣的特點有助于解決偏遠區(qū)域和相對盲區(qū)（如地下、建筑物內和農村環(huán)境）的設備網絡覆蓋問題。第三，5G 網絡還可減少各種移動終端進行網絡數(shù)據(jù)交互所需的時間。移動終端由現(xiàn)在的控制信號逐漸轉變?yōu)槎嘣男畔⒔换ィ沟梦锫?lián)網技術不再桎梏于傳統(tǒng)網絡的限制。第四，5G 網絡是多種新型無線接入技術和現(xiàn)有無線接入技術的集合，除了傳統(tǒng)的蜂窩數(shù)據(jù)傳輸結構，還為終端通信提供了多元化的傳輸方式。

3 5G-IoT 技術簡介

3.1 邊緣計算技術

云計算平臺作為海量數(shù)據(jù)的存儲、分析平臺，是物聯(lián)網應用層的重要組成部分。但是，由于云服務器和終端設備物理位置之間的距離限制，集中處理和存儲數(shù)據(jù)的云計算模式面臨著延遲、帶寬和能耗等問題[8]。目前，較長的傳輸鏈條很難實現(xiàn)5G時延1 ms 的愿景，而采用邊緣計算技術則可大大緩解以上問題。邊緣計算利用具備數(shù)據(jù)存儲、計算等功能的終端設備進行網絡邊緣處理和存儲數(shù)據(jù)，通過本地化處理實時采集的數(shù)據(jù)，可就近為用戶提供可靠穩(wěn)定服務，可用來解決海量物聯(lián)網設備接入所帶來的寬帶壓力、終端設備與云端存儲的壓力以及時延抖動等瓶頸問題。

以建筑工程安全管理系統(tǒng)為例，基于邊緣計算技術搭建云服務層、邊緣層和現(xiàn)場設備層3 層安全管理架構，如圖1 所示。通過現(xiàn)場設備層采集施工現(xiàn)場人員、設備、材料以及環(huán)境等因素的數(shù)據(jù)，通過邊緣層接收、處理以及反饋等操作，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)動態(tài)變化進行實時反饋。云端則負責接收各邊緣層上傳的數(shù)據(jù)，用以儲存、深層挖掘和分析[9]。

圖1 邊緣計算框架

3.2 數(shù)據(jù)處理技術

應急管理工作涉及安全生產、消防、交通、氣象以及民政等多個領域數(shù)據(jù)的交互，但各系統(tǒng)之間據(jù)標準不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)不共享、更新不及時，導致了數(shù)據(jù)準確性不高，業(yè)務無法串聯(lián)分析。面對繁雜的工作量，數(shù)據(jù)無法快速驅動應急業(yè)務的發(fā)展，很難提高應急專業(yè)化水平。因此，數(shù)據(jù)處理是平臺建設中的一項重要工作。數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)采集（ETL、爬蟲等）、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)存儲（主數(shù)據(jù)倉庫、分布式數(shù)據(jù)倉庫以及Hadoop 平臺等）、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)共享及數(shù)據(jù)訂制等。數(shù)據(jù)處理平臺架構如圖2 所示。通過采集現(xiàn)有業(yè)務數(shù)據(jù)、系統(tǒng)對接數(shù)據(jù)、實時監(jiān)控數(shù)據(jù)以及互聯(lián)網數(shù)據(jù)等應急數(shù)據(jù)信息，建立應急大數(shù)據(jù)中心（即數(shù)據(jù)資源池），以數(shù)據(jù)編碼規(guī)范、元數(shù)據(jù)規(guī)范、非結構化數(shù)據(jù)統(tǒng)一描述規(guī)范以及大數(shù)據(jù)集統(tǒng)一描述規(guī)范等一系列規(guī)范為標準，對自身原始業(yè)務數(shù)據(jù)進行標準化處理，同時與各領域的行業(yè)標準對接，從而實現(xiàn)既有底層相對統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范又有上層行業(yè)的個性需求，通過動態(tài)實時更新維護，最終實現(xiàn)應用驅動的大數(shù)據(jù)融合處理服務功能。

3.3 數(shù)據(jù)安全技術

安全是5G 技術應用的首要條件。網絡建設之初，應充分考慮加入安全機制，對信息進行加密處理，尤其對于民生領域數(shù)據(jù)應用，更應建立專門的安全保障機制。5G 網絡中，不同的應用場景對于安全的需求是不同的[10]。在智慧應急平臺中，數(shù)據(jù)更多來源于海量的物聯(lián)網設備，一旦遭受攻擊，將面臨被攻擊范圍廣、危害傳播強等問題。基于mMTC 場景，傳統(tǒng)的集中式、基于證書或預先共享的密鑰認證體系已經不能滿足物聯(lián)網的需要。系統(tǒng)應重點關注密鑰保護、設備身份認證、離線防護和協(xié)議穿透等方面。例如，采用基于標識的密碼系統(tǒng)（Identity-Based Cryptograph，IBC）安全架構，結合標準的國密算法對設備終端進行認證，并提供端到端加密、傳輸全程加密、可信傳輸與安全通道，防止設備數(shù)據(jù)在傳輸過程中遭受的惡意使用、大面積控制與攻擊。

4 智慧應急平臺應用

過去我國“單災種”型應急管理體系導致部門之間缺乏有效的聯(lián)動與協(xié)調，資源分散問題突出，制約了政府應急管理的整體能力與綜合效果。而5G 網絡安全高速的數(shù)據(jù)傳輸有效突破了信息系統(tǒng)之間的通信屏障，解決了不同系統(tǒng)之間、現(xiàn)場和指揮中心之間的數(shù)據(jù)融合交換，滿足了應急管理業(yè)務突發(fā)、緊急以及高接入的需求[11]。

圖2 數(shù)據(jù)處理平臺架構

智慧應急平臺采用“平戰(zhàn)結合，以平為主”的設計理念。“平”時能夠滿足各級部門的安全管理工作的需要，“戰(zhàn)”時能夠滿足應急值守、應急評估、應急決策和應急指揮等應急工作的需要，提高各級部門應對各類突發(fā)事故的應急響應能力和應急救援科學決策水平。平臺結合地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、遙感遙測系統(tǒng)（Remote Sensing，RS）、電視會議系統(tǒng)以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，多元整合應急資源信息，通過軟件、硬件相結合的應急保障技術體系，重點關注狀態(tài)監(jiān)測、故障預警、應急調度以及過程分析等應急環(huán)節(jié)。智慧應急平臺分為感知層、數(shù)據(jù)層、支撐層以及應用層4 個層面，如圖3 所示。

（1）感知層借助傳感器、單片機、DTU 通信組件、ARM 終端以及攝像頭等硬件設備，通過通用的標準數(shù)據(jù)接入規(guī)范和數(shù)據(jù)處理方式，對企業(yè)生產工藝、生產裝置、設備設施、作業(yè)環(huán)境、人員行為和管理系統(tǒng)等方面的數(shù)據(jù)進行采集，數(shù)據(jù)采集拓撲如圖4 所示。尤其對國家重點監(jiān)管的危險化學品、煙花爆竹、金屬非金屬礦山和煤礦等行業(yè)，進行安全生產狀態(tài)的監(jiān)測。此外，聚焦重點行業(yè)的重點工藝、重點人員以及重點設備，基于物聯(lián)網的數(shù)據(jù)實時采集能夠實現(xiàn)事故隱患和重大危險源的預測預警和自查上報[12]。

（2）數(shù)據(jù)層即系統(tǒng)的資源中心負責存儲、處理平臺數(shù)據(jù)資源，對基礎數(shù)據(jù)與應用數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一整合。數(shù)據(jù)類型主要包括基礎數(shù)據(jù)資源、可重用構件資源、部門業(yè)務系統(tǒng)資源以及其他資源等。基礎數(shù)據(jù)資源指各類信息資源、基礎性數(shù)據(jù)和業(yè)務處理過程中產生的信息數(shù)據(jù)，包括知識信息、模型信息以及空間信息等。可重用構件資源是各業(yè)務系統(tǒng)開發(fā)實施過程中使用的可重用支撐工具，可以作為應用系統(tǒng)實施中重復利用的服務資源。這些資源通過資源目錄進行組織，涵蓋信息資源目錄、用戶目錄、服務目錄以及應用目錄等。通過目錄組織進行管理，可實現(xiàn)資源的發(fā)現(xiàn)、查詢、組織以及調用。業(yè)務數(shù)據(jù)庫包括危險源數(shù)據(jù)、隱患數(shù)據(jù)、風險數(shù)據(jù)、應急預案、應急物資、救援隊伍、避難場所、應急專家以及網絡輿情數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)服務云平臺之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和共享，從而為業(yè)務應用層提出的各種問題提供數(shù)據(jù)支撐。

圖3 智慧應急平臺架構

圖4 基于5G-IoT 扁平化數(shù)據(jù)采集拓撲

（3）支撐層構建在資源服務層之上，是整個體系架構的基礎，包括領域框架服務、基礎服務以及工具集。領域框架服務包括建模與管理、領域業(yè)務過程、領域具體服務描述、注冊和管理等。基礎服務是體系架構的重要支撐基礎，如連通服務、流程服務、GIS 服務、安全服務、適配器、云服務以及數(shù)據(jù)資源池等，用來保證體系應用正常運行的相關服務。工具集則為應用的前臺展現(xiàn)、后臺業(yè)務開發(fā)、服務封裝以及服務的安全管理、運行管理，提供了功能強大的基礎支持。

（4）應用層覆蓋各業(yè)務要素數(shù)據(jù)主要包括預測預警系統(tǒng)、培訓演習系統(tǒng)、物資管理系統(tǒng)、預案管理系統(tǒng)、評估分析系統(tǒng)、應急協(xié)調系統(tǒng)、災后處理系統(tǒng)、統(tǒng)計分析系統(tǒng)以及智能輔助決策系統(tǒng)等。當事故發(fā)生時，智慧應急平臺還可借助外部應急救援設備與事故現(xiàn)場進行高效互動，通過5G 網絡和智慧應急平臺實現(xiàn)與無人機、救援車、指揮中心以及應急單兵裝備等聯(lián)動[13]，大大提升遠程救援能力。聯(lián)動示意圖如圖5 所示。

圖5 “戰(zhàn)時”5G-IoT 智慧應急平臺聯(lián)動示意

5 結語

未來5G 網絡與物聯(lián)網技術在智慧應急領域的應用仍要從生產實際出發(fā)，結合日常安全監(jiān)管與應急救援兩條主線，建立實時反饋、數(shù)據(jù)精準、智能可靠的智慧應急平臺，從而提升我國應急管理的綜合水平。