物联网与应急指挥通信

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物联网(Internet of Things)是一种将各种有线和无线网络与互联网融合，综合应用海量的传感器节点、智能终端等设备和相关技术，通过将所有物品与网络的连接，实现物与物、人与人之间互联互通，从而方便地进行识别、管理和控制的网络。

物联网代表了未来计算与通信技术发展的方向，被认为是继计算机、Internet之后，信息产业领域的第三次发展浪潮。最初，物联网是指基于Internet利用射频标签RFID(Radio Frequency Identification)技术、电子产品编码EPC(Electronic Product Code)标准在全球范围内实现的一种网络化物品实时信息共享系统。后来，物联网逐渐演化成为一种融合了传统网络、传感器、自组织无线通信网络、普适计算等的信息通信ICT(Information and Communications Technology)技术，并正在形成一种新的信息产业，其应用领域也从最初的智能物流和环境监测逐步渗透到智能交通管理、智能电网、公共安全、应急指挥、智能家居、工业监测、智能医疗等现实生活和社会生产中的各个角落。

随着物联网在社会生活中的不断应用，物联网技术也推动着突发公共事件应急指挥的发展变革。将物联网技术应用于应急指挥系统，至少可以在应急资源调配、应急信息感知与传输、应急通信等应急指挥的关键环节发挥其他技术所无法替代的重要作用。

(一)RFID技术在应急资源调配中的应用

应急资源调配是应急指挥系统中关键的一环，关系到整个突发事件处理的成败。大规模的突发公共事件除了具有突发性、不确定性、衍生性等特征外，还具有受灾面积大、应急物资需求量大、应急需求点多等特征，这些特点决定了大规模突发事件应急资源调配的复杂性远远超出一般意义上的资源调度，不仅需要考虑单供应点到多需求点的调度，还需要考虑多供应点到多需求点的调度，并应在不同的应急阶段考虑调度不同种类的应急物资，这些需求都超出了传统物流技术的能力范围。随着物联网技术的发展，应急指挥的资源调配的方式和形式也发生深刻变化。

RFID技术是一项利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递，达到识别目的的物联网技术，通常由电子标签和阅读器组成，阅读器与电子标签可按约定的通信协议互传信息。基于RFID的智能物流系统广泛地应用于现代物流行业，并带来了显著的效益。一方面，基于RFID的智能物流系统实现了对货物的识别和跟踪，大大提高了物流管理系统的信息化和自动化程度;另一方面，使用基于RFID的智能物流系统提高了仓库的作业能力，简化了物流流程，实现了对物流各环节信息的实时监控与跟踪，在降低了成本的同时还提高了效率。应急资源调配从本质上讲也属于物流的范畴，在应急资源调配中引入基于RFID的智能物流系统同样可以起到提高执行效率、减少调配时间和降低物流成本的效果。基于RFID的智能物流系统关键技术和典型系统如下：

1.条码及RFID卡技术

在物流行业，条码及RFID卡主要用来标识与管理各种物质资源，可以直接引入应急资源调配管理系统。其中，条码是将特定的几何图形按照一定的编码规则组合起来的符号，可分为一维条码和二维条码。一维条码按照应用分为商品条码和物流条码。商品条码包括EAN码和UPC码，物流条码包括128码、ITF码、39码等。二维条码是将特定的几何图形按一定的规律在平面进行排列组合可分为行排式二维条码和矩阵式二维条码，相比一维条码，二维条码在信息量以及安全性上都有较大的提高，条码技术的出现对于物品的识别起到了功不可没的作用，但同时也存在一定的局限性：(1)条码采用了可视传播的技术，用户必须在可视距离内将扫描仪对准条码才有效;(2)如果条码被撕裂、污损或脱落，就无法扫描;(3)没有真正实现“一物一码”，管理不到位;(4)没有分类和属性信息。因此，条码技术虽然适用于物流领域，但是不能透明地跟踪物品和贯穿整个物流过程。RFID卡即前文提到的电子标签，与条码类似，RFID卡也是标签信息的载体，只是需要使用专门的RFID读卡器利用无线频率信号读取。但与条码技术相比较，RFID卡在信息容量、单次读取数量、读取距离、反复读写能力、读写方便性和环境适应性等方面都大大优于条码，更能够满足复杂情况下对资源调配的高效性需求。目前RFID的产品很多，从分类上讲，可选择的成熟产品有主动式和被动式RFID卡，低频、中频和高频RFID卡等多种类型。

2.EPC技术

EPC(Electronic Product Code，电子产品码)是由EPCglobal定义并积极推广的产品标识系统，其目标是提高物流供应链管理水平和降低成本而发展起来的物联网技术。EPC可以实现对所有实体对象(包括物资、集装箱、包裹等)的唯一有效标识和统一的信息交换格式，从而构建起物流系统中的“互联网地址系统”。从本质上讲，EPC技术是基于互联网技术和RFID技术而发展起来的复杂、全面而综合的物联网系统。采用EPC之后，所有的设备或产品可以在任何地点可以由任何人读取其标识信息。在应急资源调配领域应用EPC系统，不仅可以解决物资的识别与管理问题，还可以有效地解决在跨地区甚至跨国物资调配中的物资统一标识与信息交换问题。

3.物资可视化系统

物资可视化系统最初是美军在海湾战争期间提出的，其思路是通过对物资的智能识别和在运物资的实时精确定位，解决物资的追踪和管理问题。根据美国国防部及其供应商的报告，美国已经完成了以RFID技术为基础的“联合资产可视化系统”(Joint Total Asset Visibility，JTAV)在全球的部署，通过该系统，美军指挥部可以在40多个国家的400多个地点实时读取在运物资的RFID信息，并可以通过卫星实时定位运输物资的船只，最终实现对后勤物资的有效追踪和高效管理。物资可视化系统实际上提供了针对物资的集识别、定位和管理于一体的一整套解决方案，将物资可视化系统应用于应急资源调配，可以较准确地定位物资的位置、保证应急物资能够按件、及时地送到事件发生地，避免重复供应和浪费，提高应急物资供应的效率和精度，并可以辅助相关部门进行应急决策，准确把握突发事件应急救援的进展态势。

(二)无线传感器网络在应急信息感知与传输中的应用

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由部署在监测区域内的大量传感器节点组成，能够协作地感知、采集和处理感知对象的信息并通过无线通信方式发送给观察者的一个多跳的、自组织的物联网系统。不同于普通网络，无线传感器网络技术成功地解决了节点在野外和恶劣条件下无人值守工作的三个有限(电源能量有限、通信能力有限、计算和存储能力有限)的情境下大规模动态自组织成网的难题。也就是说，低成本的传感器节点可以在电池供电的状况下，大量随机散布于监测区域，不需人的干预自组织成网，并自动将采集到的信息通过多跳传输给观察者。无人干预下的自组组网、信息感知与无线传输是无线传感器网络的核心特点，利用这些特点，无线传感器网络可以在任何时间、任何地点部署于可能没有公共通信网络覆盖的、对人身健康存在危害的或者人无法到达的突发事件发生地，并实时感知和传送布设现场的各个方面的信息。无线传感器网络对于应急指挥的重要意义体现在通过对突发事件现场相关信息的全面而实时的采集与传输，可以达到事前预警和事后信息支撑的作用。典型的应用场景如下：

1.无线传感器网络在煤矿安全信息感知中的应用

目前我国的煤矿生产主要采用井工开采的方式，开采环境极其复杂和恶劣，安全事故频发。目前已经出现了许多基于无线传感器网络的煤矿安全信息感知系统，如基于无线传感器网络的矿井气体和坍塌检测系统、基于无线传感器网络的煤矿瓦斯监测系统、基于无线传感器网络的煤矿安全综合监控系统等，这些系统在实际生产中发挥了十分明显的效果。与其他感知与通信技术相比，无线传感器网络主要解决了以下几个问题：(1)实现了对瓦斯、透水、火灾、顶板坍塌等常见事故因素的实时精确感知;(2)解决了坑道环境下的节点定位问题;(3)解决了井下巷道内线状网形态下的节点间通信和路由问题。这些问题的解决对于提升煤矿安全监控能力和水平有着重大的现实意义。

2.无线传感器网络在自然灾害信息感知中的应用

自然灾害预警是无线传感器网络的经典应用之一，也是研究最为深入的无线传感器网络领域之一，无线传感器网络实现了对于具有自然灾害隐患区域的全方位、多角度、全天候、无人值守的实时监控和预警。在国外，2004年麻省理工学院的科研人员使用无线传感器网络技术在洪都拉斯北部阿关河流域部署了一套洪灾安全预警系统，该系统在阿关河不同的位置放置了雨量、气温和水压三种传感器节点，通过节点配置的通信半径可达25km的通信模块以自组组网的方式进行通信，由该系统获取的信息，结合洪灾预报的经验模型，可以为阿关河流域提供洪灾预警功能。在国内，为解决太湖蓝藻水华不定期爆发所造成的供水危机，中国科学院的研究人员2011年在太湖部署了一套基于无线传感器网络技术的太湖水质与蓝藻监测系统。该系统通过在蓝藻频发区域建立多个实时采样传感器节点，采集并实时监测对藻类生长影响显著的常规指标，然后将采样数据通过多跳的无线采样网络上报到监控中心，最后在监控中心进行数据融合、分析和发布。除此之外，将无线传感器网络用于工业区的环境监测，还可以起到对于重大污染事件的预警和违法排污行为的取证等。

3.无线传感器网络在突发事件应急医疗中的应用

远程医疗监护是指对监护对象的健康状况和生理医学信息进行感知，并将感知信息通过通信网络传送到远端的监护中心进行分析，并给出诊断意见的一种技术手段。远程医疗在突发事件应急管理中的应用主要体现在两个方面：一方面是用于赈灾救护。在突发事件现场，由于受地理环境和医疗条件的限制，受灾伤员很难得到及时的救治，基于无线传感器网络技术的远程医疗监护系统能够在事发现场将受灾伤员的现场状况和生命体征参数远程发往医疗服务中心和各级医护人员并提供反向辅助救治和指导的手段，可以大大降低伤残率和死亡率。另一方面是用于个人健康监护与管理。个人健康突发事件也可看作是突发事件的一种，虽然其造成的危害远不及公共突发事件和自然灾害，但是对当事者的影响却是巨大的。面向个人健康监护的远程医疗技术不仅能够在患者病情突发恶化或者使用者的身体状况遭遇危机时报警，还可以发现疾病的早期症状，达到预警目的。医护人员则可以在远端的监护中心观察状况并提供实时的诊断和建议，从而极大地方便了广大病患者和弱势群体。

除了上述无线传感器网络在应急指挥领域的三种典型应用之外，无线传感器网络在安全救援、大型建筑物健康状况预警、工业危险区域安全信息采集、工业毒气排放监测等领域也具有广泛的应用。

(三)移动自组织通信网络技术在应急通信中的应用

移动自组织通信网络，即MANET(Mobile Ad Hoc Network)，是一种无需基础设施支持、自主组网、自动配置的对等式网络，网络中的移动终端不仅具备通信功能，还具备中继功能和路由功能，通过多跳传输的方式，远距离通信可以经过中间节点的转发来完成，而整个网络也能够根据实际情况自适应地形成任意的网络拓扑。另外，移动自组织网络可以独立工作，也可以接入Internet或蜂窝无线网络，从而大大扩展了网络的传输范围。与常规的通信系统相比，自组织通信网络的特点是无线自组织、无需固定中心、动态拓扑和多跳通信，具有组网灵活、抗毁能力强、可快速组网等优势。在常规通信设施失效的情况下，采用移动自组织网络可以确保通信网络的自动、快速部署，确保视频等高带宽数据(含话音)的业务需求，并能与灵活的卫星回传链路相结合。使用移动自组织网络，工作人员可以在任意地点、任意时间、不依赖任何现有基础设施进行通信，从而在突发事件现场实现大范围通信网络的快速部署。将本地自组织通信网络与远程指挥相结合，保证了救援工作的顺利进行，因此其巨大的政治、经济和社会价值是必然的，必将有助于大幅度提高我国在抢险抗灾方面的指挥能力和工作效率。

在产业化方面，目前国内市场上也出现了许多基于自组织网络技术的通信产品，如用于应急指挥的应急多方即时语音系统、用于边疆和偏远地区等无移动信号覆盖区域的Ad Hoc系统以及基于OFDM和自组织网络的WiMesh系统等。但总的来讲，我国在移动自组织网络方面的研究还处于理论阶段，成熟的产品较少，并且由于移动自组织网络的应用主要局限于小范围，难以促进产业链各环节的参与和开发商投入积极研发的热情，庞大的行业和广阔的应用需求还没有被激发出来，这使得该产业的发展受到一定程度的抑制，有待进一步的改善。