基于5G 網絡的物聯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，我國重特大事故數和死亡人數呈波動下降趨勢，可見安全生產形勢保持了穩定好轉態勢。然而，事故總量過高、重特大事故易發多發的現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 新技術應用現狀

隨著信息化技術的發展，應急領域也正在經歷信息化、數字化以及智慧化的轉變過程。信息化可通過固化業務流程實現信息管理，如企業安全生產臺賬管理、安全生產許可證審批等流程，提高了日常安全管理的規范性和行政審批流程的便捷性。數字化主要是指運用傳感器自動采集實時數據，實現數字孿生的同步反應。例如，利用射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術實現設備數據采集分析。如今物聯網技術已在電梯、壓力容器以及叉車等特種設備的日常監管、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，利用手持設備實現設備與系統的交互，最終實現對生產設備信息的實時獲取與監控[2]。近年來，5G、AI、區塊鏈以及大數據等技術的發展，為應急管理走向智慧應急提供了技術支持。例如，基于大數據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網設備及時發送到救援中心；5G 穿戴設備可實現現場救援、設備檢查等工作[3]。

在萬物互聯時代，物聯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網技術應用提供更大的空間。

2 5G 網絡下物聯網的發展機遇

2.1 5G 技術發展現狀

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 將帶來垂直業務領域的巨大改變，而互聯網的發展也將從移動互聯網時代進入智能互聯網時代。

國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）定義了5G 的3 大應用場景，即eMBB移動寬帶增強、mMTC 大規模物聯網以及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模物聯網設備的接入，其設備連接密度將提升10～100 倍，達到每平方千米數百萬個，滿足當下各行業的需求，也為應急救援、設備監管、事故預測等以傳感和數據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，還可應用于現有醫療急救車5G 改造，實現應急指揮調度、無人機遠程急救以及應急會診等。

2.2 5G 網絡下物聯網發展機遇

物聯網是通過傳感器、RFID 以及全球定位系統等技術，實時采集需要監控、連接、互動的物體或過程，通過各種網絡接入實現萬物互聯，從而達到對物品和過程的智能化感知、識別和管理。物聯網在各行業應用十分廣泛，遍及智能交通、環境保護、公共安全、智能城市以及工業監測等多個領域[7]。

4G 時代物聯網發展的瓶頸主要是現有網絡技術無法滿足物聯網在傳輸速度、覆蓋性和數據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域和相對盲區（如地下、建筑物內和農村環境）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據交互所需的時間。移動終端由現在的控制信號逐漸轉變為多元的信息交互，使得物聯網技術不再桎梏于傳統網絡的限制。第四，5G 網絡是多種新型無線接入技術和現有無線接入技術的集合，除了傳統的蜂窩數據傳輸結構，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據的存儲、分析平臺，是物聯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，集中處理和存儲數據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據存儲、計算等功能的終端設備進行網絡邊緣處理和存儲數據，通過本地化處理實時采集的數據，可就近為用戶提供可靠穩定服務，可用來解決海量物聯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為例，基于邊緣計算技術搭建云服務層、邊緣層和現場設備層3 層安全管理架構，如圖1 所示。通過現場設備層采集施工現場人員、設備、材料以及環境等因素的數據，通過邊緣層接收、處理以及反饋等操作，對現場數據動態變化進行實時反饋。云端則負責接收各邊緣層上傳的數據，用以儲存、深層挖掘和分析[9]。

圖1 邊緣計算框架

3.2 數據處理技術

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據的交互，但各系統之間據標準不統一、數據不共享、更新不及時，導致了數據準確性不高，業務無法串聯分析。面對繁雜的工作量，數據無法快速驅動應急業務的發展，很難提高應急專業化水平。因此，數據處理是平臺建設中的一項重要工作。數據處理主要包括數據采集（ETL、爬蟲等）、數據清洗、數據存儲（主數據倉庫、分布式數據倉庫以及Hadoop 平臺等）、數據交換、數據共享及數據訂制等。數據處理平臺架構如圖2 所示。通過采集現有業務數據、系統對接數據、實時監控數據以及互聯網數據等應急數據信息，建立應急大數據中心（即數據資源池），以數據編碼規范、元數據規范、非結構化數據統一描述規范以及大數據集統一描述規范等一系列規范為標準，對自身原始業務數據進行標準化處理，同時與各領域的行業標準對接，從而實現既有底層相對統一的數據規范又有上層行業的個性需求，通過動態實時更新維護，最終實現應用驅動的大數據融合處理服務功能。

3.3 數據安全技術

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據應用，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，數據更多來源于海量的物聯網設備，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網的需要。系統應重點關注密鑰保護、設備身份認證、離線防護和協議穿透等方面。例如，采用基于標識的密碼系統（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，防止設備數據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動與協調，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 網絡安全高速的數據傳輸有效突破了信息系統之間的通信屏障，解決了不同系統之間、現場和指揮中心之間的數據融合交換，滿足了應急管理業務突發、緊急以及高接入的需求[11]。

圖2 數據處理平臺架構

智慧應急平臺采用“平戰結合，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”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（Geographic Information System，GIS）、全球定位系統（Global Positioning System，GPS）、遙感遙測系統（Remote Sensing，RS）、電視會議系統以及視頻監控系統等，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，重點關注狀態監測、故障預警、應急調度以及過程分析等應急環節。智慧應急平臺分為感知層、數據層、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，通過通用的標準數據接入規范和數據處理方式，對企業生產工藝、生產裝置、設備設施、作業環境、人員行為和管理系統等方面的數據進行采集，數據采集拓撲如圖4 所示。尤其對國家重點監管的危險化學品、煙花爆竹、金屬非金屬礦山和煤礦等行業，進行安全生產狀態的監測。此外，聚焦重點行業的重點工藝、重點人員以及重點設備，基于物聯網的數據實時采集能夠實現事故隱患和重大危險源的預測預警和自查上報[12]。

（2）數據層即系統的資源中心負責存儲、處理平臺數據資源，對基礎數據與應用數據進行統一整合。數據類型主要包括基礎數據資源、可重用構件資源、部門業務系統資源以及其他資源等。基礎數據資源指各類信息資源、基礎性數據和業務處理過程中產生的信息數據，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務系統開發實施過程中使用的可重用支撐工具，可以作為應用系統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，可實現資源的發現、查詢、組織以及調用。業務數據庫包括危險源數據、隱患數據、風險數據、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據等。這些數據與數據服務云平臺之間實現數據交換和共享，從而為業務應用層提出的各種問題提供數據支撐。

圖3 智慧應急平臺架構

圖4 基于5G-IoT 扁平化數據采集拓撲

（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、云服務以及數據資源池等，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、后臺業務開發、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）應用層覆蓋各業務要素數據主要包括預測預警系統、培訓演習系統、物資管理系統、預案管理系統、評估分析系統、應急協調系統、災后處理系統、統計分析系統以及智能輔助決策系統等。當事故發生時，智慧應急平臺還可借助外部應急救援設備與事故現場進行高效互動，通過5G 網絡和智慧應急平臺實現與無人機、救援車、指揮中心以及應急單兵裝備等聯動[13]，大大提升遠程救援能力。聯動示意圖如圖5 所示。

圖5 “戰時”5G-IoT 智慧應急平臺聯動示意

5 結語

未來5G 網絡與物聯網技術在智慧應急領域的應用仍要從生產實際出發，結合日常安全監管與應急救援兩條主線，建立實時反饋、數據精準、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。