物联网技术在地震救灾中的应用*

杨秋格，高峰，吴鹏

(1.防灾科技学院，河北三河065201;2.中国地震局工程力学研究所，黑龙江哈尔滨150080)

大地震发生后，可能会引起滑坡、泥石流、崩塌、水灾、火灾、毒气污染、细菌污染、放射性污染、交通堵塞、地面破坏等次生灾害。为了降低地震及次生灾害的损害程度，国内外科研人员主要从地震监测、预警、现场救灾等方面展开研究。如果能在地震重点监测区及地震现场(统称为地震监测区)搭建起一个物物相连的网络用来提供实时、有效的数据，就可以满足该区域的监测、预警和救灾部署需求，有效地减轻地震灾害和维护灾区社会稳定[1]。

“物物相连的互联网”就是物联网[2]。物联网是基于计算进程与物理进程深度融合的新计算模式，是计算、通信、控制与物理等多学科的交叉与融合。其功能特征是全面感知信息、可靠传递信息和智能处理信息，以实现对物体实施智能化的控制与管理[3]。自从2009年IBM论坛上公布了名为“智慧的地球”的最新策略，物联网概念转而以智能服务为特征，并提出:把传感器设备安装到电网、铁路、桥梁、隧道、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且普遍连接形成网络[4]。可以认为物联网引入了各种各样的传感器，在已有互联网的基础上构成了一个庞大的“传感器网”。通过物联网，人能够感知物，标识物。据此，地震监测区用于监测、预警和救灾部署的物联网被赋予了新的含义:构造一个用于地震救灾的物联网，该网络通过将监测区的各种传感器、手持设备、短距离通信设备、安防设备、智能交通设施、射频识别设备、便携式电脑等信息感知设备，按照约定的协议进行连接，使得各设备与网络(包括互联网、电信网、广播电视网、电网等)及存储集控系统互联，能够进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。在该网络中，人、物都有一个唯一的标识。

目前，我国已经建立起比较完善的城市安防系统[5]、智能交通系统[6]，同时用于监测和防止地震后发生次生灾害的各种设备也在逐渐铺开，比较典型的有用于三峡大坝、核电站等关键区域的地震监测系统，高铁地震预警系统，用于防止地震后煤气泄漏的煤气地震自动阀门[7]等，但是目前各个系统都是独立运作，在灾害发生后不能进行联合控制、统一部署。本文主要针对以上问题对物联网技术在灾害监测、预警及救灾方面的应用进行探讨、研究。

1 地震救灾的物联网体系结构

地震救灾工作涉及到地震监测区的监测、预警和救灾部署等方面。地震监测区内需对滑坡、泥石流等地质灾害进行勘察和监测，圈定危险区，作出预警;由于地震力的作用会造成地表变形和裂缝的增加，进一步加剧滑坡、泥石流的形成，所以在预警发出后，应该选择地下岩石裂缝、滑坡体上钻孔等进行地下和地表地质结构动态监测，利用裂缝计、水平形变网、倾斜仪、电阻应变片等进行滑坡和滑坡体上建筑物的变形监测，以掌握滑坡稳定程度和发展趋势，及时预报滑坡和泥石流活动情况，提取异常，预报地震。对于基础设施，应主要针对大坝、核电站、信息中枢、军事基地，及生产、储存、使用毒气、细菌、放射性物质等的特殊部门采取实时监测，并提供防范次生灾害发生的措施。

救灾部署工作主要包括地震现场的救援、实时监测、地震灾害损失评估等。其中地震现场救援涉及人员搜救，财产的保护，现场人员的管理，救援物资的运输、发放，地震现场调查，地震现场震情分析等内容;地震现场监测对余震、滑坡、泥石流、关键基础设施安全性、生存环境等进行密切监测，并预报其活动情况;地震灾害损失评估涉及到灾情信息收集、汇总和分析，地震现场建筑物安全鉴定和地震现场工作总结等。

面对地震监测区如此复杂的情况，如能利用物联网技术作为监测、预警和救灾部署工作的信息载体，将对信息快速、准确的汇总起到积极作用。利用信息融合技术进行智能处理，可以提供准确、有效的决策依据，有利于快速开展地震救灾工作。

图1 地震救灾物联网体系框架图

地震救灾的物联网体系结构如图1所示，分为三层[3，8]:①是感知层，利用物理设备来识别物体、采集信息。感知层主要包括:无线传感器网络子系统、近距离通信设备、地震监测区城市安防视频采集器、地震监测区城市智能交通视频采集器、射频识别设备等。②是网络层，利用网络相关协议实现数据在网络传输中的可靠性和实时性的网络技术，即物联网的神经中枢和大脑信息传递和处理。网络层主要包括:监测区通讯线路、监测区有限专网、低速和中高速短距离传输技术、卫星通讯技术、网络通讯技术(包括:有线网络、GPRS、3G、红外、蓝牙等)，传感器中间件技术、物联网自组网技术和信息协同处理技术。③是应用层，即物联网与行业专业技术的深度融合，与行业需求结合，实现行业智能化。应用层主要包括公共中间件、服务支持平台、信息开放平台、数据储存平台、监测区监测、监测区灾情信息汇总、监测区灾情信息分析、监测区人员、物资、设备信息汇总和管理等。除此之外，在网络的构造过程中还会涉及到网络安全、QoS管理、网络管理、标识解析等公共技术。

2 地震救灾的物联网络

基于地震监测区复杂的外部环境，构建网络时主要采用无线方式，所以无线传感器网络(wireless sensor networks，WSNs)是地震救灾物联网的重要组成部分。无线传感器网络是传感器技术、计算机嵌入式技术、现代网络技术及无线通信技术、分布式信息处理技术等交叉融合而孕育出的一种新的信息获取和处理模式[9]。

一个无线传感器网络由大量的有传感、计算和通讯能力的传感器节点组成，这些传感器节点被部署到一个特定的区域里，它们之间通过自组网技术形成无线网络进行协作。一个传感器网络用于探测物理事件或者现象，收集和处理相应的数据，并且最终把这些信息传输给用户。每个传感器节点有能力感知其周围的特定事物，进行简单的数据处理，以及与其它的节点进行通讯[10]。传感器节点的位置既可事先安排好，也可随机部署在一些人类无法到达的地区。由于传感器节点配置有一个处理器，当一个传感器节点需要传输数据时不是直接传输原始数据，而是传输经处理器处理后的有效数据给其他节点，最后传输到服务器端，这样可以大大提高整个网络的运行效率，避免服务器瘫痪。

在地震监测区布置大批量、多类型的无线传感器节点，无线传感器集成了传统传感器、数据处理单元和无线通信模块，各种类型的传感器以自组网方式构成网络。由于无线传感器组网过程中不关心节点所收集数据的类型，只要无线通信模块兼容，就可以根据需要灵活组网。地震发生时借助网络中分布的多种类型传感器获取地震监测区的振动、速度、加速度、压力、地震波、应力、应变、视频、语音、倾斜度、温度、湿度等信息，并可以将采集到的数据通过网络进行传输，大大提高了地震监测区数据采集的速度和灵活性。

WSNs与传统传感器网络相比，在节点外形、使用形式、通信方法、网络结构等方面存在诸多差异，其最突出的特点是能用在如地震现场等外部环境极端恶劣，甚至是人员无法接近的地方，两者的比较结果见表1。

表1 WSNs与传统传感器网络的比较

2.1 无线传感器节点构成

无线传感器节点包括了传统的传感器单元、A/D转换单元、能量单元、微控制器单元、存储单元以及无线单元。A/D单元负责把传感器单元的模拟信号转换为数字信号后传递给微控制器单元，能量单元负责为节点中其他单元供电，微控制器单元负责链路管理和控制，执行基带通信协议和相关的处理过程，并将采集的数据经过处理后缓存到存储器中等待发送。无线单元负责数据的无线收发，主要包括射频和基带两部分，前者提供数据通信的空中接口，后者主要提供链路的物理信道和数据分组。

2.2 无线传感器节点能量供给研究

无线传感器模块不仅需要在硬件设计上增强传感器的性能，同时需要降低能耗，电源供给可以采用电池供电、太阳能供电和无线充电等形式。采用电池供电缺点:由于电池的能量有限，而且节点可能工作在不易到达的区域，电池不便经常更换。采用太阳能供电特点:布设方便、工作性能可靠，这样能保证可充电电池在不同状态下都可以为无线传感器网络节点提供尽可能长的工作时间，但地震过后经常会出现不同程度的恶劣天气，此时便不适合用太阳能供电。所以，在救灾部署工作中探索使用无线供电技术解决地震现场传感器的供电问题。

无线充电，是利用一种特殊设备在不依赖电线的情况下直接对电子设备充电，是一种安全方便的技术，无需任何物理上的连接，可以将电能近距离、无接触地传输给负载。无线充电技术有三种形式，除了目前已经广为人知的电波辐射式[11]和电磁感应式[12]，还有最近几年才被提出的世界前沿课题——磁耦合谐振式。该技术思路最早是由美国麻省理工学院(MIT)Marin Soljacic教授在美国AIP工业物理论坛上提出，并于2007年6月，通过实验进行了验证，相隔2.16 m隔空将一只60 W灯泡点亮。该技术依靠一组强力耦合共振器，只有两个振动频率相同的物体之间才能够实现能量的无线传输[13]。

与感应式无线充电技术相比，磁耦合谐振式无线充电技术具有较远的传输距离、较高的能量传输效率——所消耗的电能只有传统电磁感应供电技术的百万分之一、穿透性强等优点，由于只有两个振动频率相同的物体才有可能受到影响，所以不必担心其对人体及周围物体产生危害。

2.3 无线传感器网络汇聚节点SINK

WSNs系统中，节点数目巨大、种类繁多，在地震监测区会由不同的工作人员根据需要进行散布和管理，同时节点又受到通信距离、体积和电源供给等因素的限制，所以将整个网络系统按照种类、监测目的等又划分为不同的SINK节点组，每一个SINK节点组由数量不一的无线节点和一个SINK节点构成，SINK节点主要负责接收、处理来自本子系统内无线节点的数据。无线传感器节点通过多跳中继方式，将数据传送到SINK节点，各个SINK节点之间也可以相互通信，并最终借助长距离传输将整个区域内的数据送到服务器(图2)。

图2 多跳中继方式的WSNs

2.4 无线传感器网络自组网技术

由于无线传感器节点、感知对象和用户等都具有移动的特性，网络中新节点的加入以及外界恶劣环境的干扰等都会导致无线传感器网络拓扑结构的变化，这些都要求无线传感器网络具有很强的动态性。无线传感器节点数量众多导致无法预先定义网络结构，这就需要传感器节点具有较强的自组织能力，对动态变化的网络进行实时重构，以便WSNs保持畅通。自组织算法是无线传感器网络的核心技术之一，通过自组织算法自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，也有利于节省节点的能量以延长网络的生存期[14]。

在地震监测区，WSNs由一些功耗低、体积小的传感器节点，以无线通讯方式自组成一个网络，这些分散的节点能够协作地实施监测、感知和采集各种环境对象的信息，通过自组网转发监测数据。

3 通过物联网实现地震救灾调度平台与社会公共平台的对接

本模块主要用于实现地震监测区异构网络的互联互通。当灾害发生后，可以在地震监测区通过物联网启动地震监测区指挥平台与城市安防视频采集系统、智能交通视频采集系统、防灾设施等的其他异构网络的接口，在拥有控制权限的情况下，快速取得这些设备的使用权。该功能可以将整个地震监测区尽收眼底，做到对关键设备的迅速控制，实现快速、准确了解灾情、控制灾情的目的。

4 地震救灾数据采集分析软件

地震救灾数据采集分析软件主要对各个SINK节点传送过来的数据进行接收、实时显示、处理和分析，并可以根据需要进行多源信息分析。采用了物联网技术后，一方面，可以实现远程的数据采集，更能适应某些人员不方便到达地区的数据采集，因此使数据采集的地点和时间更加灵活;另一方面，可以实现多点数据的同时采集，通过组建局域网的方式，实现对某个区域的多点采集，使数据采集面更大。而从长远来考虑，可以通过把数据采集仪器和其他的仪器、设备、系统、资源库等进行连接，更好地为灾害监测、灾害预警服务。在该大型系统中，可以实现灾害数据备份、数据的收集、转发和处理等功能。这样就基本实现了基于物联网技术的数据采集分析系统。

按照软件的功能设计，本部分主要涉及到以下功能模块。SINK通讯程序模块:负责对传感器网络等子系统的SINK节点数据进行收集;数据库模块:负责存储SINK通讯模块收集到的数据和处理后的数据;数据查询模块:根据用户需求，从数据库中提取相应的数据;数据分析处理模块:根据用户需要，对某些数据进行处理;用户界面:该系统的人机交互界面，用户可以通过该界面控制系统运行、提取系统信息等;多源数据融合模块:通过该模块对数据进行融合，为决策提供科学依据;网络模块:该模块设计多种形式的网络传输接口，给用户提供整合数据的可能。此时，可以通过组建网络，把数据汇集到监控中心，监控中心可以提供海量存储，而且可以拥有强大的服务器、高性能的数据处理能力以及安全的数据存储功能。这些功能是单机仪器无法比拟的，该模式是物联网技术在地震行业的具体应用，也为地震行业和其他各领域进行交流合作提供更大的空间。按照功能分类和各模块之间的关系，图3给出了各模块之间的信息流向关系。

图3 地震救灾数据采集分析软件模块关系图

5 地震救灾的多源信息融合技术

多源信息融合又称多传感器信息融合(Multi-Sensor Information Fusion)，是对多种信息的获取、表示及其内在联系进行综合处理和优化的技术。多源信息融合技术从多信息的视角进行综合处理，得到各种信息的内在联系、规律和正确有用的成分，最终实现信息的优化[15－16]。单一传感器只能获得环境或被测对象的部分信息段，而多传感器信息经过融合后能够完善地、准确地反映环境的特征。

在地震监测区，为了准确判断监测区的复杂情况，经常需要设置多个同类型或者不同种类的传感器，利用信息融合技术以完成所需要的决策和评估任务。其中融合是一种形式框架，可以融合来自不同来源、不同模式、不同媒质、不同时间地点、不同表现形式的信息，最终实现对感知对象更为精确的表述。根据地震监测区的特性，可以设计一个多源信息融合技术的模型，通过把地震监测区内振动、加速度、压力、视频、音频、电能等多方面的传感器子系统收集到的信息进行汇总，融合所掌握的知识、信息，进行多次科学的假设、推理、并得出结论，为监测区的指挥人员提供决策支撑，最终指挥地震救灾行动，具体如图4所示。

图4 地震救灾多源信息融合技术示意图

6 基于物联网技术的地震救灾智能化控制中心

在根据物联网技术的层次结构对地震监测区的应用需求进行分析和整理后，我们提出了WSNs、传感器节点、传感器汇聚节点SINK、传感器自组网技术、与社会公共平台的对接、数据采集分析软件、多源数据融合等关键技术;在此基础上，可以结合地震监测区的实际应用，构建一个“基于物联网技术的地震救灾智能化控制中心”的概念。该智能控制中心核心为一台服务器，该服务器通过地震监测区专网(光纤、网线、WIFI、红外、蓝牙、GPRS)等，接收通过SINK汇聚节点接收分布于地震监测区各个角落的传感器网络、射频分系统、短距离通讯网络、音视频网络以及公共信息发布平台采集到的数据，并将数据存储在该服务器上，在该系统上的分析软件会进行高速、智能化分析，并根据分析情况作出相应的指挥决策。同时为了提高效率，指挥中心的多用户可以通过服务器上的网络接口登录到服务器上进行协同工作，最终实现对地震监测区的指挥、监测(图5)。

图5 物联网技术在地震救灾应用中的示意图

7 结论

本文研究的基于物联网技术，把地震救灾的大量便携式监测设备、救援物资以及工作人员进行互联，构造出基于物联网的地震救灾网络。首先基于WSNs的数据采集分析系统对地震监测区进行监测，接着构造出地震救灾的控制中心，最终利用多源信息融合技术实现为地震救灾决策和指挥提供科学、高效的信息。其中涉及到的关键技术有传感器节点能源供应问题(太阳能、电磁波、嵌入式微纳发(蓄)电研究和开发)、基于传感、监测设备的嵌入式微控制技术、WSNs构架、自组网、路由/网关、数据协同处理以及信息安全、网络传输和数据存储问题(异构网络互联互通性)、智能分析处理技术(多源信息融合)等关键技术，使得物联网的发展空间扩大到如地震救灾等诸多场所。

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