專網物聯網在應急領域的創新應用

孫鵬飛 于洋 王英男 樸巍

【摘? 要】近年來，隨著物聯網的發展與普及，聚焦于行業用戶，針對物聯網需求而產生的專網物聯網（P-IoT）技術逐漸發展起來。首先對P-IoT的技術體制、關鍵性能做簡要介紹，在此基礎上，重點分析了P-IoT在應急領域中三種典型場景下的創新應用，最后對未來物聯網的創新應用方向進行了展望。

【關鍵詞】物聯網;專網物聯網;應急通信;無線自組網

中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）03-0012-06

引用格式：孫鵬飛，于洋，王英男，等. 專網物聯網在應急領域的創新應用[J]. 移動通信， 2019，43（3）： 12-17.

[Abstract]?In recent years， with the development and popularization of Internet of Things （IoT）， the Private Internet of Things （P-IoT）， which focuses on industry users' demands for IoT， is an emerging technology. Firstly， the technical system and key performance of P-IoT are briefly introduced. On above basis， the innovative applications of P-IoT in three typical scenarios in emergency field are analyzed emphatically. Finally， the future direction of IoT innovative applications is prospected.

[Key words]Internet of Things; private Internet of Things; emergency communications; ad hoc networks

1? ?引言

在剛剛過去的2018年，IoT（Internet of Things，物聯網）行業發展態勢非常好。不論是國外的亞馬遜、谷歌、微軟，還是國內的阿里集團、騰訊、百度，各大IT巨頭紛紛布局物聯網，重磅動作連續不斷。據IDC預測：2019年全球IoT支出將達到7 450億美元，并在2019至2022期間保持兩位數的年增長率，在2022年超過1萬億美元大關[1]。主流IoT技術如NB-IoT[2]（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯網）、LoRa[3]、Sigfox[4]等在不斷發展的同時，聚焦于行業用戶對物聯網安全性、可靠性、QoS（Quality of Service，服務質量）等特殊需求而產生的P-IoT（Private-Internet of Things，專網物聯網）技術悄然興起，并在公安、司法、應急、工商業等多個垂直領域落地應用[5]。

另一方面，我國于去年成立了應急管理部。在新的大應急體制下，不論是安監、消防、森防，還是抗震搶險、抗旱防澇、防災救災，無不密切關系著國家和人民群眾的生命財產安全[6]。當前，應急行業用戶通過整合多種感知手段及對物聯網等感知數據加以匯聚分析，以支撐應急領域中的監測預警、評估監管等多種業務的開展。技術不斷演進的同時，行業用戶面臨的問題日趨綜合化、復雜化，其對物聯網可靠性、實時性等特殊需求僅僅依靠主流IoT技術無法完美解決所有問題。因此，需要滿足應急行業用戶物聯網需求的P-IoT技術以解決行業痛點。本文接下來將重點探討P-IoT技術在應急領域中開展的典型創新應用。

2? ?P-IoT概述

P-IoT技術是一種基于專網移動通信VHF（Very High Frequency，甚高頻）和UHF（Ultra High Frequency，特高頻）授權頻譜，具備高、中、低速多種數據傳輸能力的低功耗物聯網技術。P-IoT是專用數字集群通信系統的增值性服務，在滿足用戶語音剛需的基礎上，為用戶在物聯網方面的拓展性應用提供解決方案。

首先，P-IoT可保證行業用戶對網絡的高可靠性需求。P-IoT因其自身專網的特點，可做到網絡自主可控。如在應急領域，當重特大災害發生時，因專網物聯網的專網專用特性，使P-IoT能夠滿足應急用戶搶險救災的實戰需求。同時，P-IoT工作于專用的授權頻段，不易產生相互干擾，關鍵數據在較理想信道條件下傳輸，數據可靠性可得到充分保證[7]。

其次，P-IoT技術可為行業用戶的關鍵業務提供高及時性的QoS保障。P-IoT技術專網的特征決定了它不會像公網物聯網技術一樣側重于網絡的公平性，其更聚焦于如何將關鍵數據設成高優先級業務等級并提供專用的業務信道等保障措施加以保護，時延可達百毫秒級，保證了應急領域監測預警應用對關鍵數據傳輸的及時性要求。

再次，P-IoT可保證行業用戶對網絡的高安全性需求。由于專網基礎設施私有，與NB-IoT等公網物聯網相比，P-IoT具有天然的物理隔離特性。同時通過空口加密、鏈路加密、端到端加密等多種加密方式，P-IoT可實現專網用戶對物聯網數據不同安全等級的差異化需求。

此外，對于衡量物聯網技術優劣的關鍵指標，如覆蓋能力、終端能耗、系統容量等，P-IoT也極具技術競爭力。在自主可控、平滑擴展、業務兼容、標準國際化等方面，P-IoT也具備一定的優勢[5]。

3? ?P-IoT在應急領域的創新應用

針對應急領域中物聯網的三種典型應用場景，以下將分別分析各類場景的特點，并結合場景特點對多種IoT技術的適用性做橫向對比。在此基礎上，重點分析P-IoT技術在各類場景中的創新應用與實際落地情況。

3.1? 石油化工場景應用

石油化工場景下的物聯網應用一般具有以下特點：

（1）多數坐落于城鎮區域，無線電磁環境復雜，需要系統具有較高的可靠性;

（2）物聯網監測點位數量較多，且分布較為集中;

（3）對于特殊監測預警信息，如消防設施狀態告警、可燃氣體告警等關鍵數據，需保證業務的及時性;

（4）行業用戶所能承受的建設與運營成本較低;

（5）存在語音通信與物聯網管理的雙重需求。

在石油化工場景下，如采用非授權頻段的LoRa系統，其易受復雜無線電磁環境干擾，系統可靠性偏低[8]。對于公網屬性的NB-IoT，在網絡規劃時會更多地側重于網絡數據吞吐量和覆蓋范圍之間的折中[9]。因此即使現場原有公網覆蓋，當面對此類集中大規模的物聯網應用時，通常也需要對原網絡進行優化升級，同樣存在較大投入的建網成本。另外不容忽視的一點是：NB-IoT針對每節點收取月租費用，較不適合此類點位密集型場景應用，其運營成本過于高昂。

在可靠性方面，P-IoT部署在專用授權頻段，日常工作幾乎不會受到非惡意攻擊性的無線電磁干擾，系統可靠性較高。在定制化建網方面，專網的一大特點在于專網專建，因此，可根據應急行業用戶的實際點位需求進行網絡部署。在建設成本方面，P-IoT系統具有可媲美專用數字集群系統的覆蓋能力，其基站可與專用數字集群系統基站共址建設，在節約大量建設成本的同時，也滿足了行業用戶對語音通信與集群調度的需求。在運維成本方面，專網一次性收取建網及服務等費用，不存在節點月租費，后續網絡運維成本較低。

目前我國安監數據主要依靠人工巡查、手動上報等方式，數據實時性差，科技化手段普及程度低，當發現事故時往往已造成了大量人員與財產損失[10]。與其他安監行業相比，石油化工行業生產還具有易燃、易爆、易中毒、高溫、高壓、易腐蝕等特點，很多化工物料的易燃性、反應性和毒性，決定了化工生產的不安全因素更多、危險性和危害性更大，對化工廠安全生產的高效監管始終是一大難題。

P-IoT在石油化工行業中的應用示例如圖1所示。借助P-IoT技術，可針對石油化工企業中關鍵監測點（如重大危險源儲存設施）內的溫度、壓力、液位，以及廠區內可燃氣體等進行實時數據采集。當監測到溫度超標、氣體泄漏或出現火焰等事故時，P-IoT傳輸關鍵業務型數據的低延時特性，能夠保障告警信息可第一時間上報至廠區控制室。此外，在日常監管中，應用P-IoT定位系統，能夠對廠區內的人員和設備進行實時監管，提高巡檢效率。

廣東省湛江東興煉化廠、中國石化北海煉化廠等多家石油化工企業已先后引入了P-IoT智慧監管系統。實踐證明：P-IoT系統極大地提高了企業的監管效率，在有效遏制重特大生產安全事故發生的同時，也為企業減負增效提供了新的途徑。

3.2 森林防火管護場景應用

該類場景中一般環境較艱苦，設施較簡陋，巡檢、監控人力相對不足，很多事故如森林大火等，無法及時被發現與處理，亟需無人值守式的物聯網手段以實現智能化遠程監管。森林防火管護場景下的物聯網應用一般具有以下特點：

（1）地處偏遠，需要簡易便捷的工程安裝，對運維成本較敏感;

（2）地域廣袤，接入點分布稀疏，需要系統具備廣域覆蓋能力;

（3）涉及多個管理團隊間的日常指揮調度，對語音通信與集群調度功能存在剛性需求。

在網絡覆蓋上，LoRa覆蓋范圍相對較小，因此LoRa所需基站數量更多，系統的建設成本高，同時可維護性較低。NB-IoT公網的特性決定了其更多地考量盈利業務覆蓋最佳、綜合建網成本最小等目標，因此對此類邊遠的無人區很難實現覆蓋，更遑論應用。P-IoT采用大區制技術體制，覆蓋相同區域所需基站數量少，建網成本低，日常運維便捷，與森防廣域無覆蓋場景的應用需求十分契合。此外，P-IoT基站可與專用數字集群基站共址建設，在節約大量基礎設施建設成本的同時，也滿足了用戶對物聯網、語音通信、集群調度的多重需求。

在終端功耗上，P-IoT技術較其他技術的省電能力更強。通過輕型協議棧設計、休眠模式設計、自適應鏈路技術等多種方式，P-IoT終端的功耗處于較低水平，這極大降低了系統運營中因頻繁更換電池產生的人力運維成本。

我國現階段的森防措施包括：（1）宣傳教育;（2）護林員進入林區巡護為主的日常例行防范;（3）由森防指揮部統一部署的對重點時段、重點區域野外火源進行人工巡查和管理;（4）建立滅火撲救隊等。根據大量一線實際情況反饋，有限的護林員面對大范圍的林區資源進行巡護時，很難做到較大范圍的巡查覆蓋。并且大多數林區的道路條件較差，護林員到達每個瞭望塔需要花費很長時間。以人力巡查監控的傳統森防措施無論是巡查覆蓋范圍，還是告警時效性，都無法滿足智能化的林業監護巡查需求。

如圖2所示，通過部署前端感知終端獲取各類相關數據，并將感知數據通過P-IoT基站回傳至前方指揮中心，再通過互聯網傳輸至后方指揮中心。借助P-IoT系統，可開展林業的光照監測、溫濕度監測、土壤監測、氣象水文監測、蟲情監測、野生動物監測、人員位置監測、卡口監測、古木名樹監測等，實現森林資源管理、森林防火、天然林保護、防風治沙和森林病蟲害防治的智能化、信息化與自動化，大幅提高了監管效率，節省了人力成本。在林業中建設P-IoT基站實現廣域覆蓋的同時，也可部署無人值守的自組網設備。自組網設備支持太陽能供電，可抱桿或壁掛式安裝，可作為專網的備份或延伸網絡。林業監測平臺將P-IoT收集的大量感知數據加以匯總與分析，為指揮員提供災情全景信息，輔助指揮員研判決策，從而保證人員的及時疏散和災情的有效控制。

截至目前，青海省祁連山已建設了P-IoT智慧林業系統。按照客戶需求，該系統對三十余項林業指標進行了監測。同時，該系統還配備了寬帶自組網設備，為視頻數據提供回傳鏈路。

3.3? 地質災害救援場景應用

地質災害救援場景是指因地質環境災害事件導致的、具有事件突發性及破壞性大等特點的極端惡劣場景，如地震、泥石流、山體滑坡等。在該類場景中，通信基礎設施通常遭到破壞甚至損毀，原有通信網絡會面臨長時間的癱瘓風險。地質災害救援場景下的物聯網應用一般具有以下特點：

（1）災害破壞性大，需要系統具備極強的抗毀性;

（2）現場條件惡劣，需要系統具備極強的環境適應性;

（3）對臨時快速組網并在第一時間恢復通信存在剛需;

（4）對語音、視頻、短消息、物聯網數據等現場融合指揮調度存在剛需。

當現場網絡由于災害發生故障時，P-IoT系統因其極強的抗毀性，依然能夠保證網絡可用。如圖3所示，在災害現場，借助P-IoT與無線自組網設備，可將現場環境監測數據、救援人員監測管理數據、物質監測管理數據等回傳至現場指揮中心，同時也可通過公網、衛星等多種鏈路將數據傳輸至后方指揮中心。P-IoT對于風速、液位高度、有毒氣體濃度等指標的監測，可保證指揮員充分掌握現場災情現狀，同時有助于分析災害未來趨勢，為指揮員研判與決策提供數據輔助。P-IoT對于救援人員的呼吸、體溫、脈搏等生命體征數據進行采集與監測，為救援人員在極端惡劣條件下作業提供了自身生命安全的防護措施。一旦P-IoT系統監測到生命體征數據的異常告警信息時，在系統向當事救援人員發送告警信息、下達撤離指令的同時，結合人員定位信息，指揮員也可調集其他救援力量前往支援與營救。P-IoT對于通信設備、車輛、醫療設備等物資進行監測管理，有利于指揮員了解當前救援物資的使用情況，為指揮員開展后續的資源合理配置提供依據。

此外，便攜式寬窄帶自組網設備可實現應急現場臨時通信與指揮調度網絡的快速搭建。寬窄帶自組網設備支持自主供電，不依賴現場基礎設施，便攜式的設計保證了人員可背負設備深入救援現場，一鍵開機即可組網。在滿足現場通信網快速恢復后，手提現場指揮中心可實現現場的多媒體可視化調度，在災害發生后的黃金救援期內保障現場救援工作有條不紊地展開。救援人員和物資的位置信息、環境實時監測信息、現場視頻信息等均可在三屏上全面呈現，使指揮員能夠實時掌控人力與物資分布情況，及時合理地開展資源的動態調度。對現場數據的分析也可輔助指揮員對次生災害進行預判，以提前制定相關預案。手提現場指揮中心支持將現場的語音、視頻、物聯網數據回傳至后方指揮中心，形成前后聯動指揮，便于后方及時了解災情并協調救援力量。

P-IoT寬窄帶自組網融合應急解決方案已多次應用于實戰。例如：在2017年九寨溝地震中，全震區通信基礎設施全部癱瘓，救援隊僅在現場部署了3臺窄帶自組網設備即實現了震區的網絡覆蓋，第一時間恢復了現場的語音通信;2018年9月，廣東惠州由于臺風天氣引起了洪澇災害，當地搶險部門采用了P-IoT寬窄帶自組網融合應急解決方案，保障了現場語音、視頻、物聯網數據的多媒體調度，圓滿地完成了救災任務。

4? ?未來創新應用探討

萬物互聯是物聯網的定義，也是物聯網應用的終極要義。但目前，較為成熟的物聯網應用仍集中在單一的物聯網解決方案，仍缺少監測點位間的信息共享與系統間的聯動處置。實現真正意義上的業務大融合，是未來物聯網應用的演進趨勢。

以智慧城市為例，現有解決方案中大多數均有對井蓋、路燈等城市基礎設施的物聯網智能監管。相比傳統的人工排查方式，此類方案雖然在監管效率上有很大提升，但在尋找丟失井蓋時，仍舊以單一的定位方式對井蓋進行搜尋，精度不高、難度很大。實際上，井蓋出現的位置通常周圍也設有路燈。在路燈設立之初，市政部門即為每個路燈都進行了唯一性編號，用其進行位置標記則更為準確。上述案例對井蓋的定位利用了路燈的監測點位數據，雖然看似簡單，但詮釋了信息共享和系統間聯動的意義，物聯網數據不再是同一種類物品自身數據的有限使用，而是多種類數據的深度融合與綜合應用。

以智能樓宇為例，在室內火情監測預警系統中，煙霧探測器監測到煙霧會立即發出報警音，并開啟周圍噴淋進行滅火，同時將告警及事發位置信息上報至樓宇的物聯網監測平臺。上述現有的智能樓宇解決方案可以滿足工商業客戶對火災監測預警的基本需求。但是一旦火勢迅猛，沒有得到有效控制，甚至進一步惡化，此時及時、合理、智能地資源調度、部門聯動就顯得極為重要。首先，消防部門的綜合平臺應能夠通過P-IoT自動獲得來自探測器的告警信息，同時顯示樓宇的位置、層數、樓內人員數量、是否有易燃易爆危險品、樓宇周圍的水鶴位置、水鶴存水量等相關信息。智慧消防物聯網系統可通過大數據分析進行火情態勢研判，給出對派遣消防車輛的種類與數量、消防員數量、水鶴點位及數量等信息的推薦參考，同時可根據當時交通情況合理規劃前往事發地的最佳路線。將智能樓宇的物聯網監測點位數據和智慧消防中的資源管理物聯網數據、智能交通中的路況數據綜合使用，形成了更為完美的融合物聯網解決方案。

對各關鍵點位進行狀態監測，并在此基礎上開展相關應用，這僅僅是物聯網的初級應用。當前，物聯網各子系統彼此孤立，系統間聯動主要由人工實現，因此時效性與資源整合度均較差。因此，在已建成的各物聯感知網絡的基礎上，只有實現深度的網間數據共享與業務融合，物聯網的殺手級應用才會華麗登場，進而引領整個產業呈爆發式增長。

5? ?結束語

公網物聯網蓬勃發展的同時，以P-IoT為代表的專網物聯網技術也在發軔伊始，并迅速實現落地應用。在對P-IoT技術體制與關鍵性能做簡要介紹的基礎上，本文重點分析了應急領域中三種典型場景下的專網物聯網應用，證明了P-IoT技術在應急領域應用中的先進性、實用性與有效性。最后，對物聯網今后的創新應用展開探討，提出深度網間數據共享與業務融合是未來物聯網殺手級應用可能出現的方向，為今后物聯網的創新應用與發展提供參考。

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