基于物聯(lián)網(wǎng)和云計算中心的北斗衛(wèi)星人員安全定位系統(tǒng)

楊 奎

（河南省地礦信息中心，河南鄭州450007）

·安全與管理工程·

基于物聯(lián)網(wǎng)和云計算中心的北斗衛(wèi)星人員安全定位系統(tǒng)

楊 奎*

（河南省地礦信息中心，河南鄭州450007）

為了解決地質(zhì)探礦野外人員與車輛安全問題，在大數(shù)據(jù)大系統(tǒng)的背景下，結(jié)合單位實際與未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)和云計算中心的北斗衛(wèi)星人員安全定位系統(tǒng)框架。該框架通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在云計算中心中綜合集成地理、地質(zhì)、交通、遙感、環(huán)境、氣象等物聯(lián)網(wǎng)信息數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，為戶外工作者提供基于北斗定位與短報文使用的實時位置安全、工作管理、地理環(huán)境、行業(yè)信息等應用信息，從而提高地質(zhì)探礦野外工作人員與車輛的安全保障。

物聯(lián)網(wǎng)；云計算中心；北斗定位；安全

1 系統(tǒng)背景與介紹

1.1 系統(tǒng)政策背景

2014年8月5日，第二地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院位于青海省都蘭縣布洛溝金礦預查項目部發(fā)生2名地質(zhì)技術(shù)人員野外失聯(lián)20h事件。事件發(fā)生后，局各級領(lǐng)導非常重視，指示該院抓緊時間啟動應急預案，全力搜尋失聯(lián)人員。

經(jīng)過此次事件，河南省地礦局認為應急需為野外地質(zhì)一線工作人員配備定位與報警裝置，用來有力保障一線職工的生命財產(chǎn)安全。本文結(jié)合《中國地調(diào)局關(guān)于開展安全生產(chǎn)保障北斗衛(wèi)星終端配備工作的通知》等相關(guān)文件精神，依靠我局現(xiàn)有信息化技術(shù)，提出了為解決河南省地礦局高險艱地區(qū)野外地質(zhì)探礦人員與車輛安全北斗衛(wèi)星人員定位應用解決方案。

1.2 大數(shù)據(jù)時代

隨著科技的不斷進步,在物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等發(fā)展的推動下,數(shù)據(jù)發(fā)生了“大爆炸”。大數(shù)據(jù)是持續(xù)不斷產(chǎn)生的,除了人工編制數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、網(wǎng)站點擊流數(shù)據(jù)(clickstream data)等之外,近年來物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)的應用也為信息世界新增了無數(shù)個實時產(chǎn)生數(shù)據(jù)的來源[1],主要包含RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器、終端、傳感器網(wǎng)絡(luò)等產(chǎn)生的數(shù)據(jù),使用這些數(shù)據(jù)可實現(xiàn)智能化的識別、定位、跟蹤、監(jiān)控、管理和多層次多角度的統(tǒng)計分析等,從而實現(xiàn)“智慧交通”、“智慧城市”、“智慧電網(wǎng)”、“智慧醫(yī)療”甚至“智慧地質(zhì)”等應用,應該說物聯(lián)網(wǎng)帶動了大數(shù)據(jù)的發(fā)展[2]。在2013年5月,國土資源部地質(zhì)信息技術(shù)重點實驗室開始采用實驗室基金形式初步開展大數(shù)據(jù)的相關(guān)研究(中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心)?；ヂ?lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)正在改變著當代人的生活方式、工作方法、思緒習慣,也改變著地質(zhì)調(diào)查工作的開展。

2 國內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)研究及國內(nèi)外云計算及地質(zhì)信息化研究

2.1 國外物聯(lián)網(wǎng)研究

2008年,IBM公司提出了“智慧地球”發(fā)展戰(zhàn)略,受到美國政府的高度重視?！爸腔鄣厍颉敝荚诎袸T前沿技術(shù)應用到各行各業(yè)之中,把傳感器嵌入和裝置到全球的電網(wǎng)、鐵路、公路、橋梁、建筑、供水系統(tǒng)等各種物體中,并通過互聯(lián)形成物聯(lián)網(wǎng)[3],然后通過超級計算機和云計算技術(shù),對海量的數(shù)據(jù)和信息進行分析與處理,將“物聯(lián)網(wǎng)”整合起來,實施智能化的控制與管理,從而達到全球的“智慧”狀態(tài),最終實現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)=智慧地球”[4]。物聯(lián)網(wǎng)概念一經(jīng)提出,由于其具有全面感知、可靠傳送、智能處理等特點,得到美國、日本、英國、法國、澳大利亞、德國、韓國等發(fā)達國家認同,并積極投入研究與試驗[5]。在傳感器產(chǎn)業(yè)、RFID產(chǎn)業(yè)、通信產(chǎn)業(yè)、標準化、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、智能分析及預警等多個方面取得了顯著進步與成果,大部分技術(shù)趨于成熟或基本成熟,相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)應用到智能交通、物流、軍事、災害防治、汽車、機器人、農(nóng)畜牧業(yè)、醫(yī)療等方面[6]。美國、英國等發(fā)達國家早已開始使用具有物聯(lián)網(wǎng)特性的地質(zhì)測量、礦山開采監(jiān)測、地震監(jiān)測、地質(zhì)災害監(jiān)測等設(shè)備,并已逐步向規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化發(fā)展[7]。

2.2 國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)研究

中國科學院早在1999年就啟動了傳感網(wǎng)研究[8],在無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器端機、移動基站等方面我國都已取得重大進展。國務院、發(fā)改委等制定了推進發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的一系列政策與規(guī)劃,下發(fā)《國家傳感網(wǎng)創(chuàng)新示范區(qū)(國家傳感信息中心)建設(shè)綱要》通過解決物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù),我國已初步將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用到電信、電力、農(nóng)業(yè)、物流、交通、海洋、石油、地質(zhì)災害、建筑、教育、公共安防等監(jiān)測與管理中,起到了巨大作用和社會效益。

2.3 國內(nèi)云計算及地質(zhì)信息化研究

幾十年來,中國地質(zhì)調(diào)查局積累了地質(zhì)圖、礦產(chǎn)地、自然重砂、同位素等11大類100多個國家地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)總量超過120TB,為相關(guān)實驗研究打下了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。中國地質(zhì)調(diào)查局李超齡研究員團隊等開展的“中國地質(zhì)調(diào)查信息網(wǎng)格”等對地質(zhì)數(shù)據(jù)的集成與共享有了很大進展。國土資源“一張圖”的目標是實現(xiàn)土地、地質(zhì)、礦產(chǎn)等已有信息資料的集成與共享[9],旨在盤活異構(gòu)、多源的國土資源數(shù)據(jù),提高數(shù)據(jù)利用率、減少重復投入,挖掘數(shù)據(jù)潛力,使其發(fā)揮應有的作用。從2008年開始以清華大學、中國科學大學、曙光公司、并行計算中心等開展相關(guān)研究,采用Web服務(Web-Services)、P2P(Peer-to-Peer,點對點傳輸)、MPI(Message Passing Interface,消息傳遞編程接口)等技術(shù)實現(xiàn)云計算,并在高性能計算、天氣、制造、教育等多個領(lǐng)域進行了應用研究、測試與示范[10]。2010年,中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心也啟動了云計算的跟蹤與相關(guān)研究,并設(shè)立了配套項目,開始了云計算在地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域中的適用性研究與探索。

3 河南省地礦局基于物聯(lián)網(wǎng)和云計算中心的北斗衛(wèi)星人員安全定位系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)簡介

地質(zhì)勘查工作的特點是流動性大、工作區(qū)分散且多為人煙稀少、環(huán)境惡劣的深山與野外。隨著地勘行業(yè)的發(fā)展，河南省地礦局業(yè)務量在逐年上升，隨之而來的野外一線人員及車輛越來越多，這些都為野外車輛人員安全生產(chǎn)工作提出了新的要求。

基于北斗的地質(zhì)云，綜合集成地理、地質(zhì)、交通、遙感、環(huán)境、氣象等信息數(shù)據(jù)，為戶外工作著提供位置安全、工作管理、地理環(huán)境、行業(yè)信息等應用服務。圖1給出了基于物聯(lián)網(wǎng)和云計算的地質(zhì)工作人員安全的概念模型,它初步表達了設(shè)備采集數(shù)據(jù)和加工的數(shù)據(jù)被傳送到數(shù)據(jù)中心,再由云計算平臺對數(shù)據(jù)進行管理、處理、計算、發(fā)布等業(yè)務操作,客戶再通過應用接口訪問各種數(shù)據(jù)資源、計算資源等。其邏輯拓撲圖見圖2。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)和云計算的地質(zhì)工作人員安全的概念模型

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)及云計算中心的北斗衛(wèi)星人員安全定位應用邏輯拓撲圖

基于物聯(lián)網(wǎng)和云計算的地質(zhì)信息化體系框架(自底向上為地質(zhì)物聯(lián)網(wǎng)、地質(zhì)大數(shù)據(jù)中心、地質(zhì)云計算平臺、應用等粗粒度的層次),提出了一套從數(shù)據(jù)生成到組織、存儲、查詢、分析、服務完整的框架性體系結(jié)構(gòu),為構(gòu)建“智慧地質(zhì)”提供參考。以物聯(lián)網(wǎng)作為人員車輛安全數(shù)據(jù)采集的觸角,通過北斗單兵或車載等設(shè)備在野外采集第一手資料,而這些設(shè)備數(shù)據(jù)均可以通過移動互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星、網(wǎng)絡(luò)等與數(shù)據(jù)中心進行實時、分時或離線通訊;通過網(wǎng)絡(luò)進行信息傳輸,將通過各種方式采集或人為加工的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲到地質(zhì)數(shù)據(jù)中心(逐步形成大數(shù)據(jù)中心,可以是分布式的,也可以是集中式的),數(shù)據(jù)包括屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù),以及其他數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)格式可以有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)也可以有非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù);基于云計算搭建的地質(zhì)云計算平臺,采用虛擬化等系列核心技術(shù),實現(xiàn)數(shù)據(jù)云存儲、地質(zhì)云計算,專用網(wǎng)絡(luò)中建立地質(zhì)私有云、Internet上建立地質(zhì)公有云,并提供相應的云服務(不同粒度的數(shù)據(jù)服務、計算服務等),以進資費管理等;用戶可以通過普通瀏覽器、客戶端應用程序、平板電腦、手機等各類終端訪問云端資源。

地質(zhì)云計算平臺與地質(zhì)物聯(lián)網(wǎng)可以通過數(shù)據(jù)中心間接通信,也可以直接通信,如通過云計算服務可以直接讀取某個野外設(shè)備數(shù)據(jù)、通過手機可以直接訪問野外某個觀測設(shè)備的實時或分析數(shù)據(jù)(如人員車輛運動軌跡、人員車輛實時視頻等),還可以訪問其他地質(zhì)資料(如人員體檢報告、人員心率血壓、車輛實時狀況、胎壓等)。

數(shù)據(jù)中心采用集中式和/或分布式進行管理,對于大數(shù)據(jù)處理而言,一般采用Hadoop的MapReduce進行大數(shù)據(jù)存儲、處理、分析[15]。MapReduce是一個簡易的軟件框架,基于其編寫的應用程序能夠運行在成千上萬個商用機器組成的大型集群上,并以一種可靠容錯的方式并行處理TB級別(甚至更高級別)的數(shù)據(jù)集。MapReduce的計算節(jié)點和存儲節(jié)點通常放在一起,這種配置允許框架在那些已存好數(shù)據(jù)的節(jié)點上高效地調(diào)試任務和執(zhí)行,因不用在網(wǎng)絡(luò)上傳輸海量數(shù)據(jù),使得整個集群的網(wǎng)絡(luò)帶寬被高效利用,能夠?qū)?shù)據(jù)處理速度科學提升。

3.2 終端設(shè)計

地質(zhì)勘查工作的特點是流動性大、工作區(qū)分散且多為人煙稀少、環(huán)境惡劣的深山與野外。隨著地勘行業(yè)的發(fā)展，河南省地礦局業(yè)務量在逐年上升，隨之而來的野外一線人員及車輛越來越多，這些都為野外車輛人員安全生產(chǎn)工作提出了新的要求。

系統(tǒng)基于GPS、GPRS的衛(wèi)星定位技術(shù)，運用GPS管理系統(tǒng)軟件，在各個人員和車輛上加裝通訊模塊，建立野外車輛安全平臺來實現(xiàn)野外車輛的實時調(diào)度、野外追蹤、應急呼救等功能，保障作業(yè)車輛人員安全。其示意圖見圖3。

圖3 野外人員車輛安全系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

該系統(tǒng)所能實現(xiàn)的功能為：人員動態(tài)追蹤、人員身體狀況評測、人員歷史軌跡、人員接收工作指令、超安全區(qū)域報警、自然災害與天氣預警、車輛實時拍照（普通拍照、定時拍照、連續(xù)拍照、開車門拍照）、車輛安全報警（車輛定位跟蹤、定時刷新、車輛跟蹤、定位信息顯示）、車輛信息查詢（靜態(tài)數(shù)據(jù)查詢、動態(tài)數(shù)據(jù)查詢）、應急救援。

各個終端的實時GPS數(shù)據(jù)會通過GPRS上傳到監(jiān)控中心，而監(jiān)控中心所讀取的數(shù)據(jù)會上傳至總控中心，由總控中心下達控制命令，總控中心和監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)交換后生成業(yè)務層所需要的實時數(shù)據(jù)再由業(yè)務層表現(xiàn)出來。

3.3 云計算服務端設(shè)計

地質(zhì)云計算平臺是由地學計算云CGSCC(China Geological Survey Compute Cloud)和地學存儲云CGSSC(China Geological Survey Storage Cloud)2個云組成。CGSSC是隱藏在CGSCC后面的云,包括集中式、分布式部署的各類多元、異構(gòu)、海量的多個地學數(shù)據(jù)庫,并且可以通過虛擬化使得提取地學數(shù)據(jù)的組件只知存儲云接口而不知數(shù)據(jù)來自何處;CGSCC中部署了各類云計算服務器,主要采用SOA服務器作為云計算的主服務器,它以Web服務等作為基本組件。多元、異構(gòu)的空間數(shù)據(jù)基于OGC的WFS、WMS、WCS等標準在GIS服務器上進行交換、融合,空間計算組件亦部署在GIS服務器上,且由它完成空間計算;而其他數(shù)據(jù)服務則部署在其他SOA服務器中。各類不同角色的用戶僅使用與云端交互的終端程序,并不需要知道地學云的存在。

河南省地礦局基于物聯(lián)網(wǎng)和云計算中心的北斗衛(wèi)星人員安全定位系統(tǒng)可借鑒中國地質(zhì)調(diào)查局安全保障系統(tǒng)，與B/S架構(gòu)為主線建立其應用平臺系統(tǒng)，其地質(zhì)云服務平臺功能設(shè)計主要為：地圖瀏覽、位置監(jiān)控、歷史軌跡、指揮調(diào)度、工作組、北斗交互、系統(tǒng)管理、通知新聞、出隊審批、安全檢查、野外環(huán)境分析、基地安全、年度考核、信息匯總、知識庫、裝備管理、法律規(guī)章、信息維護、權(quán)限管理、月報季報、學習交流、數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

4 結(jié)論

利用物聯(lián)網(wǎng)探測器的傳感數(shù)據(jù)，在云計算平臺中調(diào)取地理、地質(zhì)、交通、遙感、環(huán)境、氣象等實時信息數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)分析，綜合基于北斗的野外人員或車輛探測信息，可以準確確定野外地質(zhì)探礦工作人員及車輛的地理位置、行動軌跡，為戶外工作者提供位置安全、工作管理、地理環(huán)境、行業(yè)信息等相應應用服務。通過基于物聯(lián)網(wǎng)和云計算中心的北斗衛(wèi)星人員安全定位系統(tǒng)建設(shè)，提高了野外地質(zhì)職工的安全保障水平，同時為大數(shù)據(jù)時代地質(zhì)工作的質(zhì)量、效率、安全以及生活保障都提供了信息化發(fā)展方向。

[1]李國杰,程學旗.大數(shù)據(jù)研究:未來科技及經(jīng)濟社會發(fā)展的重大戰(zhàn)略領(lǐng)域——大數(shù)據(jù)的研究現(xiàn)狀與科學思考[J].中國科學院院刊,2013,27(6):647-657.

[2]鄔賀銓.大數(shù)據(jù)時代的機遇與挑戰(zhàn)[J].求是雜志,2013（4）:47-49.

[3]賈俊芳,張日權(quán).基于分布式的大數(shù)據(jù)集聚類分析[J].計算機工程與應用,2008.

[4]賈曉豐.基于物聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)量實時信息交換策略研究[J].電子政務,2011（4）:16-20.

[5]閆成印.物聯(lián)網(wǎng)帶動大數(shù)據(jù)發(fā)展[J].互聯(lián)網(wǎng)研究,2012.

[6]趙鵬大.數(shù)據(jù)時代需重視數(shù)字地質(zhì)研究[EB/OL].2013.

[7]李欽徑.地質(zhì)調(diào)查擁抱“大數(shù)字”時代[EB/OL].

[8]國土資源部.全國國土資源“一張圖”及其核查數(shù)據(jù)庫建設(shè)總體方案(征求意見稿)[R].國土資源部,2009：2-4.

[9]張愛民.國土資源一張圖數(shù)據(jù)管理及服務平臺的設(shè)計與研究[J].現(xiàn)代測繪,2010,33(4):41-42.

[10]陳康,鄭緯民.云計算:系統(tǒng)實例與研究現(xiàn)狀[J].軟件學報, 2009,20(5):1337-1348.

Beidou Satellite Positioning System for Personnel Security Based on the Internet of Things and Cloud Computing

YANG Kui
(The Geology and Mineral Resources Centre of Henan Province, Zhengzhou Henan 450007,China)

In order to solve the geological prospecting field personnel and vehicle safety issues,in a large system with large data in the context of the combined unit actual and future network development planning,put forward the Beidou satellite positioning system for personnel security framework for computing center and cloud based on Internet of things.The framework uses the technology of the Internet of things,in a cloud computing center integrated geographical,geological,remote sensing,traffic,environment, meteorological and other objects to data processing of network information data,for outdoor workers Beidou positioning and short message using the real-time position of safety,work management, geographical environment,industry information application based on information,thereby to improve the security of geological exploration field work personnel and vehicles.

IOT；Big-data center；Beidou；Safety

TD82.2

A

1004-5716(2015)12-0167-04

2014-12-22

2014-12-24

楊奎（1984-），男（漢族），河南安陽人，工程師，現(xiàn)從事地礦信息化建設(shè)技術(shù)工作。