基于5G網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧應(yīng)急中的應(yīng)用

01新技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)急領(lǐng)域也正在經(jīng)歷信息化、數(shù)字化以及智慧化的轉(zhuǎn)變過程。信息化可通過固化業(yè)務(wù)流程實現(xiàn)信息管理，如企業(yè)安全生產(chǎn)臺賬管理、安全生產(chǎn)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(yīng)。例如，利用射頻識別（RadioFrequencyIdentification，RFID）技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集分析。如今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已在電梯、壓力容器以及叉車等特種設(shè)備的日常監(jiān)管、應(yīng)急救援中被廣泛應(yīng)用。特種設(shè)備檢測時，分配用于識別其身份的RFID電子標(biāo)簽，利用手持設(shè)備實現(xiàn)設(shè)備與系統(tǒng)的交互，最終實現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備信息的實時獲取與監(jiān)控。近年來，5G、AI、區(qū)塊鏈以及大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，為應(yīng)急管理走向智慧應(yīng)急提供了技術(shù)支持。例如，基于大數(shù)據(jù)可為安全事故預(yù)測預(yù)警、指揮應(yīng)急救援提供決策支持；運用5G技術(shù)與云終端，可將救援信息通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及時發(fā)送到救援中心；5G穿戴設(shè)備可實現(xiàn)現(xiàn)場救援、設(shè)備檢查等工作。在萬物互聯(lián)時代，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將被更廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)生活，而5G高速、安全的無線傳輸方式也將為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用提供更大的空間。025G網(wǎng)絡(luò)下物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展機遇2.15G技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀第五代移動通信技術(shù)（5thGenerationMobileNetworks，5G）是繼4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系統(tǒng)之后的延伸。與4G相比，5G作為一種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具備高速度、泛在網(wǎng)、低功耗、低時延、萬物互聯(lián)以及重構(gòu)安全6大特點，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(wù)領(lǐng)域的巨大改變，而互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也將從移動互聯(lián)網(wǎng)時代進入智能互聯(lián)網(wǎng)時代。國際電信聯(lián)盟（InternationalTelecommunicationUnion，ITU）定義了5G的3大應(yīng)用場景，即eMBB移動寬帶增強、mMTC大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)以及uRLLC超高可靠超低時延。5G網(wǎng)絡(luò)提供的峰值速度可達10Gb/s，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度比4G快10～100倍。這意味著5G網(wǎng)絡(luò)將提供更高寬帶、更高流量的服務(wù)，如VR安全教育培訓(xùn)、AR頭戴式應(yīng)急救援顯示器的應(yīng)用。與4G相比，5G網(wǎng)絡(luò)另一個特點就是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入，其設(shè)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(dāng)下各行業(yè)的需求，也為應(yīng)急救援、設(shè)備監(jiān)管、事故預(yù)測等以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的場景應(yīng)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(wǎng)絡(luò)與設(shè)備間的時間偏差，還可應(yīng)用于現(xiàn)有醫(yī)療急救車5G改造，實現(xiàn)應(yīng)急指揮調(diào)度、無人機遠程急救以及應(yīng)急會診等。2.25G網(wǎng)絡(luò)下物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展機遇物聯(lián)網(wǎng)是通過傳感器、RFID以及全球定位系統(tǒng)等技術(shù)，實時采集需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，通過各種網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)在各行業(yè)應(yīng)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(lǐng)域。4G時代物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的瓶頸主要是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無法滿足物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)對傳輸速度的需求。第二，5G網(wǎng)絡(luò)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(nèi)和農(nóng)村環(huán)境）的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題。第三，5G網(wǎng)絡(luò)還可減少各種移動終端進行網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)變?yōu)槎嘣男畔⒔换?，使得物?lián)網(wǎng)技術(shù)不再桎梏于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的限制。第四，5G網(wǎng)絡(luò)是多種新型無線接入技術(shù)和現(xiàn)有無線接入技術(shù)的集合，除了傳統(tǒng)的蜂窩數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，還為終端通信提供了多元化的傳輸方式。035G-IoT技術(shù)簡介3.1邊緣計算技術(shù)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(wǎng)應(yīng)用層的重要組成部分。但是，由于云服務(wù)器和終端設(shè)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。目前，較長的傳輸鏈條很難實現(xiàn)5G時延1ms的愿景，而采用邊緣計算技術(shù)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(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)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(wù)，可用來解決海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入所帶來的寬帶壓力、終端設(shè)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(shù)搭建云服務(wù)層、邊緣層和現(xiàn)場設(shè)備層3層安全管理架構(gòu)，如圖1所示。通過現(xiàn)場設(shè)備層采集施工現(xiàn)場人員、設(shè)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(zé)接收各邊緣層上傳的數(shù)據(jù)，用以儲存、深層挖掘和分析。圖1邊緣計算框架3.2數(shù)據(jù)處理技術(shù)應(yīng)急管理工作涉及安全生產(chǎn)、消防、交通、氣象以及民政等多個領(lǐng)域數(shù)據(jù)的交互，但各系統(tǒng)之間據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)不共享、更新不及時，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高，業(yè)務(wù)無法串聯(lián)分析。面對繁雜的工作量，數(shù)據(jù)無法快速驅(qū)動應(yīng)急業(yè)務(wù)的發(fā)展，很難提高應(yīng)急專業(yè)化水平。因此，數(shù)據(jù)處理是平臺建設(shè)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(gòu)如圖2所示。通過采集現(xiàn)有業(yè)務(wù)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(wǎng)數(shù)據(jù)等應(yīng)急數(shù)據(jù)信息，建立應(yīng)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(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)，對自身原始業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，同時與各領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用驅(qū)動的大數(shù)據(jù)融合處理服務(wù)功能。圖2數(shù)據(jù)處理平臺架構(gòu)3.3數(shù)據(jù)安全技術(shù)安全是5G技術(shù)應(yīng)用的首要條件。網(wǎng)絡(luò)建設(shè)之初，應(yīng)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(lǐng)域數(shù)據(jù)應(yīng)用，更應(yīng)建立專門的安全保障機制。5G網(wǎng)絡(luò)中，不同的應(yīng)用場景對于安全的需求是不同的。在智慧應(yīng)急平臺中，數(shù)據(jù)更多來源于海量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，一旦遭受攻擊，將面臨被攻擊范圍廣、危害傳播強等問題?；趍MTC場景，傳統(tǒng)的集中式、基于證書或預(yù)先共享的密鑰認證體系已經(jīng)不能滿足物聯(lián)網(wǎng)的需要。系統(tǒng)應(yīng)重點關(guān)注密鑰保護、設(shè)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(biāo)識的密碼系統(tǒng)（Identity-BasedCryptograph，IBC）安全架構(gòu)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的國密算法對設(shè)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(shè)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。04智慧應(yīng)急平臺應(yīng)用過去我國“單災(zāi)種”型應(yīng)急管理體系導(dǎo)致部門之間缺乏有效的聯(lián)動與協(xié)調(diào)，資源分散問題突出，制約了政府應(yīng)急管理的整體能力與綜合效果。而5G網(wǎng)絡(luò)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(yīng)急管理業(yè)務(wù)突發(fā)、緊急以及高接入的需求。智慧應(yīng)急平臺采用“平戰(zhàn)結(jié)合，以平為主”的設(shè)計理念?！捌健睍r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(yīng)急值守、應(yīng)急評估、應(yīng)急決策和應(yīng)急指揮等應(yīng)急工作的需要，提高各級部門應(yīng)對各類突發(fā)事故的應(yīng)急響應(yīng)能力和應(yīng)急救援科學(xué)決策水平。平臺結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem，GIS）、全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem，GPS）、遙感遙測系統(tǒng)（RemoteSensing，RS）、電視會議系統(tǒng)以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，多元整合應(yīng)急資源信息，通過軟件、硬件相結(jié)合的應(yīng)急保障技術(shù)體系，重點關(guān)注狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)警、應(yīng)急調(diào)度以及過程分析等應(yīng)急環(huán)節(jié)。智慧應(yīng)急平臺分為感知層、數(shù)據(jù)層、支撐層以及應(yīng)用層4個層面，如圖3所示。圖3智慧應(yīng)急平臺架構(gòu)（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(shè)備，通過通用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接入規(guī)范和數(shù)據(jù)處理方式，對企業(yè)生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)裝置、設(shè)備設(shè)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(xué)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(chǎn)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(shè)備，基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)實時采集能夠?qū)崿F(xiàn)事故隱患和重大危險源的預(yù)測預(yù)警和自查上報。圖4基于5G-IoT扁平化數(shù)據(jù)采集拓撲（2）數(shù)據(jù)層即系統(tǒng)的資源中心負責(zé)存儲、處理平臺數(shù)據(jù)資源，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與應(yīng)用數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一整合。數(shù)據(jù)類型主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源、可重用構(gòu)件資源、部門業(yè)務(wù)系統(tǒng)資源以及其他資源等?；A(chǔ)數(shù)據(jù)資源指各類信息資源、基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)處理過程中產(chǎn)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(gòu)件資源是各業(yè)務(wù)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(yīng)用系統(tǒng)實施中重復(fù)利用的服務(wù)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(wù)目錄以及應(yīng)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(diào)用。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫包括危險源數(shù)據(jù)、隱患數(shù)據(jù)、風(fēng)險數(shù)據(jù)、應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急物資、救援隊伍、避難場所、應(yīng)急專家以及網(wǎng)絡(luò)輿情數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)服務(wù)云平臺之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和共享，從而為業(yè)務(wù)應(yīng)用層提出的各種問題提供數(shù)據(jù)支撐。（3）支撐層構(gòu)建在資源服務(wù)層之上，是整個體系架構(gòu)的基礎(chǔ)，包括領(lǐng)域框架服務(wù)、基礎(chǔ)服務(wù)以及工具集。領(lǐng)域框架服務(wù)包括建模與管理、領(lǐng)域業(yè)務(wù)過程、領(lǐng)域具體服務(wù)描述、注冊和管理等?；A(chǔ)服務(wù)是體系架構(gòu)的重要支撐基礎(chǔ)，如連通服務(wù)、流程服務(wù)、GIS服務(wù)、安全服務(wù)、適配器、云服務(wù)以及數(shù)據(jù)資源池等，用來保證體系應(yīng)用正常運行的相關(guān)服務(wù)。工具集則為應(yīng)用的前臺展現(xiàn)、后臺業(yè)務(wù)開發(fā)、服務(wù)封裝以及服務(wù)的安全管理、運行管理，提供了功能強大的基礎(chǔ)支持。（4）應(yīng)用層覆蓋各業(yè)務(wù)要素數(shù)據(jù)主要包括預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)、培訓(xùn)演習(xí)系統(tǒng)、物資管理系統(tǒng)、預(yù)案管理系統(tǒng)、評估分析系統(tǒng)、應(yīng)急協(xié)調(diào)系統(tǒng)、災(zāi)后處理系統(tǒng)、統(tǒng)計分析系統(tǒng)以及智能輔助決策