物聯(lián)網(wǎng)感知安全應(yīng)用研究現(xiàn)狀與展望

物聯(lián)網(wǎng)感知安全應(yīng)用研究現(xiàn)狀與展望

0我國應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的必要性近年來，物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，取得了許多著名的研究成果。其中，國際電信聯(lián)盟發(fā)布的《itu互聯(lián)網(wǎng)報告》（2005年）、歐洲信息社會和媒體委員會發(fā)布的《2020年物聯(lián)網(wǎng)：未來之路》和ibm的《智能地球》項目更受關(guān)注。自2009年8月溫家寶總理在無錫提出“感知中國”以來,物聯(lián)網(wǎng)在中國受到全社會極大的關(guān)注?，F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)已被正式列為國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為國家“十二五”重點支持方向,已成為國家新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)和重要經(jīng)濟增長點。多年來預(yù)防安全事故的發(fā)生一直是各國社會、經(jīng)濟和技術(shù)發(fā)展的重點研究對象,中國在“十一五”期間安全生產(chǎn)成績斐然,安全科技為保障安全生產(chǎn),防范重特大事故和遏制事故總量發(fā)揮重要作用,但在提前感知、超前防范、化解風險方面形勢依然嚴峻,煤礦、危險化學品等領(lǐng)域的重、特大安全生產(chǎn)事故仍時有發(fā)生。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提前感知預(yù)警,做到超前防范,就有可能避免事故的發(fā)生,或事故發(fā)生后,及時采取有效的應(yīng)急救援,就可以降低事故的損失。因此,研究物聯(lián)網(wǎng)在公共安全和安全生產(chǎn)中相關(guān)的提前感知、超前防范的技術(shù)方法,拓展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在防范重特大事故、安全監(jiān)管、事故應(yīng)急救援的應(yīng)用是非常必要的,具有重要的現(xiàn)實意義和廣闊的前景。1物理網(wǎng)絡(luò)感知安全應(yīng)用研究1.1山及地面災(zāi)害預(yù)警1)中礦物聯(lián)網(wǎng)科技公司承建的一期示范工程已在夾河煤礦井下實施,通過感知礦山災(zāi)害征兆,實現(xiàn)各種災(zāi)害事故的預(yù)警預(yù)報,實現(xiàn)主動式安全保障。2)上海、山東等地已采用RFID電子標牌實現(xiàn)危險化學品鋼瓶、液化氣瓶等危險品的檢測,其他設(shè)備如電梯設(shè)施檢測、消防安全設(shè)備檢測(如滅火器、報警裝置)也進行應(yīng)用。1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)1)加州大學伯克利分校率先對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在森林火險監(jiān)測中的應(yīng)用進行研究,研制出FireBug系統(tǒng)。美國華盛頓大學的學者,通過在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用移動智能體來查找火源,而且使得該網(wǎng)絡(luò)具有較大的靈活性來完成其他任務(wù)。德國、英國等國家的學者對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在林火監(jiān)測中的應(yīng)用也做了許多研究。國內(nèi)張軍國等人進行了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的研究。通過測量大氣相對濕度和空氣溫度2個參數(shù)來間接反映可燃物含水率的大小,作為預(yù)報和監(jiān)測森林火災(zāi)發(fā)生的依據(jù),設(shè)計了基于CC2430芯片的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件電路。2)無錫市對部分70歲以上獨居老人建設(shè)家庭火災(zāi)智能救助系統(tǒng)示范工程,擬將全市設(shè)有消控室的小區(qū)全部接入城市火災(zāi)報警系統(tǒng),實現(xiàn)消防設(shè)施全天自動監(jiān)控。1.3基于新型超高層建筑的應(yīng)急救援系統(tǒng)2003年,哈工大歐進萍院士的課題組開發(fā)了一種用于海洋平臺和其他土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。針對超高層建筑的動態(tài)測試開發(fā)了一種新型系統(tǒng),并應(yīng)用到深圳地王大廈的環(huán)境噪聲和加速度響應(yīng)測試。張云洲等人為提高緊急情況下災(zāi)難救援系統(tǒng)的可靠性,開發(fā)了大型建筑突發(fā)災(zāi)難應(yīng)急救援系統(tǒng)。研究了建筑物內(nèi)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)覆蓋與自組織、應(yīng)急救援系統(tǒng)與傳統(tǒng)建筑安全系統(tǒng)的融合、低成本快速三維定位技術(shù)、災(zāi)難趨勢預(yù)測模型等技術(shù)。1.4煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)2003年南非Willard公司為礦燈配備RFID標簽,進行礦井管理。國內(nèi)陳榮光等人采用RFID識別技術(shù),開發(fā)了KJ69國內(nèi)第一套礦用人員定位系統(tǒng),解決煤礦對下井員工進行定位監(jiān)測和自動統(tǒng)計考勤問題,已在全國推廣應(yīng)用數(shù)百套。AQ1048—2007行業(yè)標準規(guī)定煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)安裝、使用、維護與管理要求。國家安全監(jiān)管總局安監(jiān)總管(2010)168號文規(guī)定了金屬非金屬地下礦山建設(shè)安全避險“六大系統(tǒng)”的時限要求:大中型地下礦山企業(yè)應(yīng)于2012年6月底前,其他地下礦山企業(yè)應(yīng)于2013年6月底前建設(shè)完善井下人員定位系統(tǒng)。1.5打造立體防入侵系統(tǒng)上海浦東國際機場采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),鋪設(shè)30000多個傳感節(jié)點,建立“電子圍欄”,用多種傳感器進行信息融合,為機場打造一套“三級三維”的立體防入侵系統(tǒng)?？v觀這些研究,大都還處于實驗室、零散應(yīng)用階段,距離廣泛的實際應(yīng)用可能還要較長一段時間。就目前的應(yīng)用來講,感知安全系統(tǒng)依然有很多的問題需解決和完善以達到更好的應(yīng)用。2納米技術(shù)的應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的4個關(guān)鍵性應(yīng)用技術(shù)———標簽事物的RFID技術(shù)、感知事物的傳感器技術(shù)、思考事物的智能技術(shù)、微縮事物的納米技術(shù)。感知和標識技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ),負責采集物理世界中發(fā)生的物理事件和數(shù)據(jù),實現(xiàn)外部世界信息的感知和識別。2.1網(wǎng)絡(luò)拓撲的控制研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),運用多學科知識綜合和交叉,提出在微型化、可靠性和有限能量供給的約束條件下,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、信息感知、時空域控制等關(guān)鍵技術(shù)的解決方案。研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計技術(shù),運用嵌入式系統(tǒng)技術(shù),研制滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用要求的關(guān)鍵節(jié)點設(shè)備。1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù):根據(jù)不同物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的特點,考慮物物通信方式、物體移動性、信息感知頻度和時延性能、是否有基礎(chǔ)設(shè)施支持等多種因素,研究適用的組網(wǎng)模式及其性能。根據(jù)低能耗運行的要求,研究網(wǎng)絡(luò)拓撲的時間控制、空間控制和邏輯控制技術(shù)。2)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鏈路層技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)層技術(shù):根據(jù)復(fù)雜環(huán)境下短距離無線鏈路特性、高密度短報文發(fā)送應(yīng)用特征、網(wǎng)絡(luò)拓撲受控動態(tài)變化的特點,研究能有效利用網(wǎng)絡(luò)容量、降低能耗的MAC層協(xié)議。運用跨層設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)編碼、單跳組播等技術(shù),研究能有效減少轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù),提高網(wǎng)絡(luò)容量和效率的路由協(xié)議。3)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的QOS保障和可靠性技術(shù):研究確保節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)在惡劣環(huán)境下長時間可靠工作,控制節(jié)點感知誤警概率的可靠性技術(shù),有效檢測失效節(jié)點的技術(shù)以及降低節(jié)點失效網(wǎng)絡(luò)影響的容錯技術(shù)。4)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時域和空域控制技術(shù):研究時間同步技術(shù),支持節(jié)點間的對時,抑制時鐘抖動和漂移,滿足實時信息采集的要求;研究定位跟蹤技術(shù),提出低能耗的節(jié)點自定位技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)域內(nèi)的目標定位技術(shù)。5)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知信息有效傳遞技術(shù):運用數(shù)字信號處理技術(shù),研究和提出感知信息壓縮和本地聚合技術(shù),根據(jù)信息類別、重要程度、時空關(guān)聯(lián)等信息標度,有效降低傳送信息的冗余度,減少節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)資源的消耗。6)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點設(shè)計技術(shù):根據(jù)能量供給有限的嵌入式智能系統(tǒng)的要求,選用適用的硬件和軟件平臺,研制關(guān)鍵的節(jié)點設(shè)備及網(wǎng)關(guān)設(shè)備,實現(xiàn)感知功能、計算功能、通信功能和安全功能。2.2網(wǎng)標識和對象標識的區(qū)別識別技術(shù)涵蓋物體識別、位置識別和地理識別,對物理世界的識別是實現(xiàn)全面感知的基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)標識技術(shù)是以二維碼、RFID標識為基礎(chǔ)的,對象標識體系是物聯(lián)網(wǎng)的一個重要技術(shù)點。從應(yīng)用需求的角度,識別技術(shù)首先要解決的是對象的全局標識問題,需要研究物聯(lián)網(wǎng)的標準化物體標識體系,進一步融合及適當兼容現(xiàn)有各種傳感器和標識方法,并支持現(xiàn)有的和未來的識別方案。2.2.1不同的技術(shù)方案1)超高頻RFID系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù):研究900MHz和2.4GHz頻段超高頻RFID系統(tǒng)各種不同的技術(shù)方案,特別是在不增加讀寫器發(fā)射功率的前提下,通過降低啟動標簽的功率門限來增加其工作距離的可行性與設(shè)計技術(shù)。2)超高頻RFID系統(tǒng)安全技術(shù):研究無源RFID系統(tǒng)可靠性技術(shù)和安全機制,提高在有液體和金屬制品干擾條件下的標簽識別的準確率,提供對數(shù)據(jù)的完備保密和抗攻擊能力。2.2.2oid系統(tǒng)原理1)研究光學條碼的增容技術(shù),遠距傳感技術(shù)和高靈敏度檢測技術(shù)。2)研究OID系統(tǒng)原理,包括信息記錄方法、信息讀取方法、信息調(diào)制方法。3)研究OID系統(tǒng)技術(shù),包括信道特性、編碼解碼方式、安全加密技術(shù)、標簽碼數(shù)字圖像處理與識別、方向傳感和空間定位技術(shù)。2.3物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新點:化學生物傳感核心材料的設(shè)計開發(fā)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)在安全監(jiān)控、食品安全和國防科技等領(lǐng)域的應(yīng)用需求,開發(fā)針對化學和生物物質(zhì)的高靈敏度、高選擇性、快速檢測的新型信息傳感材料;綜合運用材料科學、生物技術(shù)、信息技術(shù)、納米科學、界面科學等眾多學科以及光、電、色等各種技術(shù),發(fā)展新型信息傳感器,尤其是模擬生物識別過程的生物傳感器,在靈敏度、選擇性、響應(yīng)速度、方便可靠性、獲取的信息量等方面達到物聯(lián)網(wǎng)所需的較高要求。1)信息傳感核心材料的設(shè)計開發(fā)?；谟袡C半導(dǎo)體材料在光電磁色等方面的響應(yīng)特性,對材料的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,發(fā)展對溫度、酸堿度、重金屬離子、有毒物、爆炸物等具有高靈敏度、高選擇性響應(yīng)的化學傳感材料;通過模擬生物體系的多點識別模式,設(shè)計開發(fā)結(jié)構(gòu)多樣化、生物功能化的生物傳感材料,大幅度提高其檢測的選擇性和專一性。2)可芯片化的高效化學生物傳感器。結(jié)合利用有機半導(dǎo)體材料和多個維度,不同材質(zhì)納米材料的優(yōu)勢特性,完成納米局限空間內(nèi)的多個相關(guān)反應(yīng)的耦聯(lián),實現(xiàn)識別捕獲,信號傳導(dǎo)和級聯(lián)放大等功能的集成,從而獲得可芯片化的高效傳感器。3)化學生物傳感器在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的應(yīng)用。針對物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求,建立實用化的化學生物傳感檢測體系,用于人類重大疾病的早期診斷和便捷治療,深入獲取人類器官、組織、細胞、分子等多層次的生物信息,探測多種環(huán)境污染物、食品毒素和危害人身安全物質(zhì)等多個領(lǐng)域。3分析與思考3.1“兩化融合”戰(zhàn)略下中國物聯(lián)網(wǎng)的未來與歐美日各國在信息化設(shè)施、技術(shù)體系、應(yīng)用經(jīng)驗、制度建設(shè)等方面已有較好基礎(chǔ)不同,中國物聯(lián)網(wǎng)必將選擇一條以引領(lǐng)國際標準制定為核心、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、核心技術(shù)研發(fā)、相關(guān)平臺建設(shè)、應(yīng)用服務(wù)示范同步進行的發(fā)展道路。為此,必須重視前期政府的主導(dǎo)和引導(dǎo)作用。如果不能集中有限資源和技術(shù)優(yōu)勢則可能會陷入重復(fù)建設(shè)、同質(zhì)競爭的被動局面。特別是,由于相關(guān)市場尚處萌芽狀態(tài),單純依靠民間和研究機構(gòu)的力量是很難持續(xù)的。如何建立一種面向國際開放的產(chǎn)學研的研究開發(fā)體制將是重中之重。與美國的“智慧地球”、日本的e-Japan、u-Japan相比,中國物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略可能會在發(fā)展目標、優(yōu)先領(lǐng)域、及具體的實施路徑上呈現(xiàn)較大差異。歐美日所面臨的是在現(xiàn)有業(yè)已良好的ICT基礎(chǔ)上如何進一步提高其智能化水平,并進一步將其從現(xiàn)有局部領(lǐng)域拓展到社會的方方面面,并切實保障實驗成果的商業(yè)化效率。而目前中國的發(fā)展核心則仍將圍繞“兩化融合”戰(zhàn)略的進一步深化和拓展,同時謀求在基礎(chǔ)設(shè)施、行業(yè)應(yīng)用及公共事業(yè)等部分領(lǐng)域的率先突破。由此推斷,在“十二五”期間的前半部分,國家將加大網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及相關(guān)技術(shù)標準制定、示范項目推進、相關(guān)配套制度建設(shè)等方面的工作力度。行業(yè)應(yīng)用方面在智能電網(wǎng)、工業(yè)自動化,公共領(lǐng)域在公共安全、智能社區(qū)、智能交通、環(huán)境監(jiān)測,生活領(lǐng)域在兒童安全保護、食品安全、醫(yī)療服務(wù)等可望有所突破。而大規(guī)模的商業(yè)化項目的啟動以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)性成長至少應(yīng)該在2015年之后。物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)工業(yè)還不在中國,發(fā)展越快,最后越容易給國外準備一個大市場。中國仍非常缺乏帶來社會和經(jīng)濟雙重效益、可迅速推廣的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。在感知安全行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,如何將政府推動需求轉(zhuǎn)換為企業(yè)剛性物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求,是業(yè)界目前須充分重視的問題。3.2物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)重點加強在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、超高頻射頻標簽、光學標簽、信息傳感核心材料等多個方向開展研究的同時,業(yè)界應(yīng)攻克一批核心技術(shù),加強共性技術(shù)研究,推動應(yīng)用創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化,重點加強:(1)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成技術(shù),包括功能集成、網(wǎng)絡(luò)集成、軟硬件操作界面集成及智能控制、系統(tǒng)級軟件或中間件等技術(shù)研發(fā);(2)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用抽象及標準化技術(shù),包括關(guān)鍵技術(shù)協(xié)議與規(guī)范、平臺軟件開發(fā)環(huán)境、開發(fā)工具、核心框架及中間件構(gòu)造等技術(shù)研發(fā);(3)共性支撐技術(shù),包括可編程、系統(tǒng)測試、情境感知、穩(wěn)私保護等共性技術(shù)研發(fā)及現(xiàn)代信息通信、計算機及網(wǎng)絡(luò)、先進微電子、新材料、新能源等基礎(chǔ)支撐技術(shù)的研究與創(chuàng)新應(yīng)用。3.3加強物聯(lián)網(wǎng)感知安全技術(shù)在地質(zhì)綜合整治和礦物聯(lián)網(wǎng)感知安全應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)兼顧國家安全需求和民用市場,在發(fā)展前期,可以滿足國家安全需求為主帶動民用市場的開拓。在公共安全與安全生產(chǎn)領(lǐng)域可以加大多功能低功耗無線探測傳感技術(shù)研究,綜合防治系統(tǒng)設(shè)計超前感知安全物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究,建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)感知安全技術(shù)示范工程:礦山重大災(zāi)害監(jiān)測、危險化學品全過程監(jiān)控、重要設(shè)備設(shè)施監(jiān)控等,也涉及大型油品儲罐區(qū)重大危險源監(jiān)控預(yù)警、化學工業(yè)園區(qū)區(qū)域安全監(jiān)控與事故應(yīng)急救援、危險化學品重大事故監(jiān)控預(yù)警等示范工程建設(shè)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用工程頂層設(shè)計架構(gòu)模型體系之間層次關(guān)系如圖1所示,只有這樣才能保證頂層設(shè)計的作用和效果。3.4物聯(lián)網(wǎng)標準的構(gòu)建業(yè)界需要高度重視物聯(lián)網(wǎng)標準體系建設(shè),加強組織協(xié)調(diào),明確方向、突出重點、統(tǒng)一部署、分步實施,盡快形成較為完善的物聯(lián)網(wǎng)標準體系。物聯(lián)網(wǎng)標準分析見表1,具體來說,可首先分離各行業(yè)的共性技術(shù)特點和應(yīng)用特殊要求,形成相應(yīng)的基礎(chǔ)技術(shù)標準,保證必要的統(tǒng)一。然后依托共性技術(shù)標準,根據(jù)不同行業(yè)成熟度和特點,構(gòu)建各行業(yè)應(yīng)用標準(如公共安全和工業(yè)安全領(lǐng)域),并統(tǒng)一面向公眾的應(yīng)用標準。同時盡早謀劃公共安全、工業(yè)安全行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理中心建設(shè)。3.5物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺建設(shè)針對物聯(lián)網(wǎng)跨領(lǐng)域跨行業(yè)應(yīng)用特征及相關(guān)成果測試與驗證需求,研究物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的驗證理論和方法,通過構(gòu)建行業(yè)間服務(wù)融合的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用驗證系統(tǒng),驗證物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)、自治機理、信息融合與決策、可信軟件設(shè)計和系統(tǒng)優(yōu)化等基礎(chǔ)理論和方法。1)研究內(nèi)容:物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的驗證理論和評估方法;物聯(lián)網(wǎng)實驗測試平臺,面向互動和融合的應(yīng)用驗證系統(tǒng)。2)研究目標:提出面向物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用的理論驗證方法和評估體系,搭建具有開放性、通用性的物聯(lián)網(wǎng)實驗測試平臺,建立行業(yè)間服務(wù)融合的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用驗證系統(tǒng),為其他物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)研究成果的驗證與測試提供支撐。3.6生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)生了