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*

王 巖，范蘇洪

（中博信息技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)重特大事故數(shù)和死亡人數(shù)呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，可見(jiàn)安全生產(chǎn)形勢(shì)保持了穩(wěn)定好轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì)。然而，事故總量過(guò)高、重特大事故易發(fā)多發(fā)的現(xiàn)實(shí)情況讓人們清醒地認(rèn)識(shí)到，我國(guó)應(yīng)急工作還處于脆弱期、爬坡期和過(guò)坎期。僅2019 年，全國(guó)共發(fā)生各類(lèi)安全事故3 萬(wàn)余起，造成29 519 人死亡[1]。安全事故具有延展性強(qiáng)、破壞性大以及突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)，給國(guó)家和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。因此，如何利用先進(jìn)的技術(shù)手段提升應(yīng)急管理效用，保障生產(chǎn)、生活安全有序運(yùn)行顯得尤為重要。

1 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(guò)程。信息化可通過(guò)固化業(yè)務(wù)流程實(shí)現(xiàn)信息管理，如企業(yè)安全生產(chǎn)臺(tái)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(yùn)用傳感器自動(dòng)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的同步反應(yīng)。例如，利用射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)實(shí)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(chē)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(cè)時(shí)，分配用于識(shí)別其身份的RFID 電子標(biāo)簽，利用手持設(shè)備實(shí)現(xiàn)設(shè)備與系統(tǒng)的交互，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備信息的實(shí)時(shí)獲取與監(jiān)控[2]。近年來(lái)，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(cè)預(yù)警、指揮應(yīng)急救援提供決策支持；運(yùn)用5G 技術(shù)與云終端，可將救援信息通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及時(shí)發(fā)送到救援中心；5G 穿戴設(shè)備可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)救援、設(shè)備檢查等工作[3]。

在萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)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(wú)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。

2 5G 網(wǎng)絡(luò)下物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展機(jī)遇

2.1 5G 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

第五代移動(dòng)通信技術(shù)（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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具備高速度、泛在網(wǎng)、低功耗、低時(shí)延、萬(wàn)物互聯(lián)以及重構(gòu)安全6 大特點(diǎn)[5]，可提供更高的峰值速率、更佳的移動(dòng)性能、毫秒級(jí)時(shí)延和超高密度連接。5G 將帶來(lái)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代進(jìn)入智能互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。

國(guó)際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）定義了5G 的3 大應(yīng)用場(chǎng)景，即eMBB移動(dòng)寬帶增強(qiáng)、mMTC 大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)以及uRLLC 超高可靠超低時(shí)延[5]。5G 網(wǎng)絡(luò)提供的峰值速度可達(dá)10 Gb/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[6]的應(yīng)用。與4G 相比，5G 網(wǎng)絡(luò)另一個(gè)特點(diǎn)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(dá)到每平方千米數(shù)百萬(wàn)個(gè)，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(cè)等以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的場(chǎng)景應(yīng)用提供了更多可能。5G 還可以提供毫秒量級(jí)超低時(shí)延，減少網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備間的時(shí)間偏差，還可應(yīng)用于現(xiàn)有醫(yī)療急救車(chē)5G 改造，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急指揮調(diào)度、無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程急救以及應(yīng)急會(huì)診等。

2.2 5G 網(wǎng)絡(luò)下物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展機(jī)遇

物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)傳感器、RFID 以及全球定位系統(tǒng)等技術(shù)，實(shí)時(shí)采集需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)程，通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)接入實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)，從而達(dá)到對(duì)物品和過(guò)程的智能化感知、識(shí)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(hù)、公共安全、智能城市以及工業(yè)監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域[7]。

4G 時(shí)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(wú)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(wèn)題帶來(lái)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(duì)傳輸速度的需求。第二，5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣的特點(diǎn)有助于解決偏遠(yuǎn)區(qū)域和相對(duì)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(wèn)題。第三，5G 網(wǎng)絡(luò)還可減少各種移動(dòng)終端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互所需的時(shí)間。移動(dòng)終端由現(xiàn)在的控制信號(hào)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘣男畔⒔换ィ沟梦锫?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(wú)線接入技術(shù)和現(xiàn)有無(wú)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。

3 5G-IoT 技術(shù)簡(jiǎn)介

3.1 邊緣計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算平臺(tái)作為海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析平臺(tái)，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(chǔ)數(shù)據(jù)的云計(jì)算模式面臨著延遲、帶寬和能耗等問(wèn)題[8]。目前，較長(zhǎng)的傳輸鏈條很難實(shí)現(xiàn)5G時(shí)延1 ms 的愿景，而采用邊緣計(jì)算技術(shù)則可大大緩解以上問(wèn)題。邊緣計(jì)算利用具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算等功能的終端設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)邊緣處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)本地化處理實(shí)時(shí)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(lái)解決海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入所帶來(lái)的寬帶壓力、終端設(shè)備與云端存儲(chǔ)的壓力以及時(shí)延抖動(dòng)等瓶頸問(wèn)題。

以建筑工程安全管理系統(tǒng)為例，基于邊緣計(jì)算技術(shù)搭建云服務(wù)層、邊緣層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層3 層安全管理架構(gòu)，如圖1 所示。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層采集施工現(xiàn)場(chǎng)人員、設(shè)備、材料以及環(huán)境等因素的數(shù)據(jù)，通過(guò)邊緣層接收、處理以及反饋等操作，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋。云端則負(fù)責(zé)接收各邊緣層上傳的數(shù)據(jù)，用以儲(chǔ)存、深層挖掘和分析[9]。

圖1 邊緣計(jì)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(gè)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(shí)，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高，業(yè)務(wù)無(wú)法串聯(lián)分析。面對(duì)繁雜的工作量，數(shù)據(jù)無(wú)法快速驅(qū)動(dòng)應(yīng)急業(yè)務(wù)的發(fā)展，很難提高應(yīng)急專(zhuān)業(yè)化水平。因此，數(shù)據(jù)處理是平臺(tái)建設(shè)中的一項(xiàng)重要工作。數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)采集（ETL、爬蟲(chóng)等）、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（主數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、分布式數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)以及Hadoop 平臺(tái)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(tái)架構(gòu)如圖2 所示。通過(guò)采集現(xiàn)有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)對(duì)接數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?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(duì)自身原始業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，同時(shí)與各領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接，從而實(shí)現(xiàn)既有底層相對(duì)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范又有上層行業(yè)的個(gè)性需求，通過(guò)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)更新維護(hù)，最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的大數(shù)據(jù)融合處理服務(wù)功能。

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(jī)制，對(duì)信息進(jìn)行加密處理，尤其對(duì)于民生領(lǐng)域數(shù)據(jù)應(yīng)用，更應(yīng)建立專(zhuān)門(mén)的安全保障機(jī)制。5G 網(wǎng)絡(luò)中，不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于安全的需求是不同的[10]。在智慧應(yīng)急平臺(tái)中，數(shù)據(jù)更多來(lái)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(qiáng)等問(wèn)題。基于mMTC 場(chǎng)景，傳統(tǒng)的集中式、基于證書(shū)或預(yù)先共享的密鑰認(rèn)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(diǎn)關(guān)注密鑰保護(hù)、設(shè)備身份認(rèn)證、離線防護(hù)和協(xié)議穿透等方面。例如，采用基于標(biāo)識(shí)的密碼系統(tǒng)（Identity-Based Cryptograph，IBC）安全架構(gòu)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)密算法對(duì)設(shè)備終端進(jìn)行認(rèn)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(guò)程中遭受的惡意使用、大面積控制與攻擊。

4 智慧應(yīng)急平臺(tái)應(yīng)用

過(guò)去我國(guó)“單災(zāi)種”型應(yīng)急管理體系導(dǎo)致部門(mén)之間缺乏有效的聯(lián)動(dòng)與協(xié)調(diào)，資源分散問(wèn)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(chǎng)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[11]。

圖2 數(shù)據(jù)處理平臺(tái)架構(gòu)

智慧應(yīng)急平臺(tái)采用“平戰(zhàn)結(jié)合，以平為主”的設(shè)計(jì)理念。“平”時(shí)能夠滿足各級(jí)部門(mén)的安全管理工作的需要，“戰(zhàn)”時(shí)能夠滿足應(yīng)急值守、應(yīng)急評(píng)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(jí)部門(mén)應(yīng)對(duì)各類(lèi)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(tái)結(jié)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(cè)系統(tǒng)（Remote Sensing，RS）、電視會(huì)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(guò)軟件、硬件相結(jié)合的應(yīng)急保障技術(shù)體系，重點(diǎn)關(guān)注狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警、應(yīng)急調(diào)度以及過(guò)程分析等應(yīng)急環(huán)節(jié)。智慧應(yīng)急平臺(tái)分為感知層、數(shù)據(jù)層、支撐層以及應(yīng)用層4 個(gè)層面，如圖3 所示。

（1）感知層借助傳感器、單片機(jī)、DTU 通信組件、ARM 終端以及攝像頭等硬件設(shè)備，通過(guò)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(duì)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(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集拓?fù)淙鐖D4 所示。尤其對(duì)國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)品、煙花爆竹、金屬非金屬礦山和煤礦等行業(yè)，進(jìn)行安全生產(chǎn)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。此外，聚焦重點(diǎn)行業(yè)的重點(diǎn)工藝、重點(diǎn)人員以及重點(diǎn)設(shè)備，基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集能夠?qū)崿F(xiàn)事故隱患和重大危險(xiǎn)源的預(yù)測(cè)預(yù)警和自查上報(bào)[12]。

（2）數(shù)據(jù)層即系統(tǒng)的資源中心負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、處理平臺(tái)數(shù)據(jù)資源，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一整合。數(shù)據(jù)類(lèi)型主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源、可重用構(gòu)件資源、部門(mén)業(yè)務(wù)系統(tǒng)資源以及其他資源等。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源指各類(lèi)信息資源、基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)處理過(guò)程中產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)，包括知識(shí)信息、模型信息以及空間信息等?？芍赜脴?gòu)件資源是各業(yè)務(wù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)施過(guò)程中使用的可重用支撐工具，可以作為應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)施中重復(fù)利用的服務(wù)資源。這些資源通過(guò)資源目錄進(jìn)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(guò)目錄組織進(jìn)行管理，可實(shí)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(kù)包括危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)、隱患數(shù)據(jù)、風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)、應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急物資、救援隊(duì)伍、避難場(chǎng)所、應(yīng)急專(zhuān)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(tái)之間實(shí)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(wèn)題提供數(shù)據(jù)支撐。

圖3 智慧應(yīng)急平臺(tái)架構(gòu)

圖4 基于5G-IoT 扁平化數(shù)據(jù)采集拓?fù)?/p>

（3）支撐層構(gòu)建在資源服務(wù)層之上，是整個(gè)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(guò)程、領(lǐng)域具體服務(wù)描述、注冊(cè)和管理等。基礎(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(lái)保證體系應(yīng)用正常運(yùn)行的相關(guān)服務(wù)。工具集則為應(yīng)用的前臺(tái)展現(xiàn)、后臺(tái)業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)、服務(wù)封裝以及服務(wù)的安全管理、運(yùn)行管理，提供了功能強(qiáng)大的基礎(chǔ)支持。

（4）應(yīng)用層覆蓋各業(yè)務(wù)要素?cái)?shù)據(jù)主要包括預(yù)測(cè)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(píng)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(jì)分析系統(tǒng)以及智能輔助決策系統(tǒng)等。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，智慧應(yīng)急平臺(tái)還可借助外部應(yīng)急救援設(shè)備與事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行高效互動(dòng)，通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)和智慧應(yīng)急平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與無(wú)人機(jī)、救援車(chē)、指揮中心以及應(yīng)急單兵裝備等聯(lián)動(dòng)[13]，大大提升遠(yuǎn)程救援能力。聯(lián)動(dòng)示意圖如圖5 所示。

圖5 “戰(zhàn)時(shí)”5G-IoT 智慧應(yīng)急平臺(tái)聯(lián)動(dòng)示意

5 結(jié)語(yǔ)

未來(lái)5G 網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧應(yīng)急領(lǐng)域的應(yīng)用仍要從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，結(jié)合日常安全監(jiān)管與應(yīng)急救援兩條主線，建立實(shí)時(shí)反饋、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、智能可靠的智慧應(yīng)急平臺(tái)，從而提升我國(guó)應(yīng)急管理的綜合水平。