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基于物联网网格技术的烟草物流智慧安防一体化平台的研究

现代化的安防系统建设则是构建立体化社会治安防控体系的重要方面,也是加强社会治安综合治理,创新立体化社会治安防控体系,依法严密防范和惩治各类违法犯罪活动的有效手段。在新时代的安防要求和发展局势下,烟草企业需积极响应进一步做好卷烟物流安防工作,通过现代化安防系统的建设和完善,及时发现并消除企业内部各种危险隐患,有效防止安全事故的发生,确保企业中人、财、物的安全,它既是保证企业正常运行的前提,也是提高企业运行效率的基础, 对企业的效益起着至关重要的作用。

当前的安防系统主要有:环境监控系统、周界入侵报警系统、消防辅助系统、视屏监控智能分析系统、可视对讲系统、一卡通系统、智能出入口系统、车位管理机通行引导系统等等。近年来,企业已尝试将物联网技术与传统安防系统结合起来,对传统的安防技术进行改造,充分利用物联网中的“物物相连”特点,逐步构建起了系统全面的智能安防系统,对于保障公共安全和监控,提升管理和服务水平都具有重要意义。此外,物联网在智能交通、智能环保、智能水务等方便也逐步得到应用,因此,近年来我国已将物联网作为战略性新兴产业重点发展。

物联网技术是由各种技术融合而成的新型技术体系,其在智能安防系统中的应用,主要是从技术方面使智能安防系统具备更全面的识别能力、更低的误判率、更强的信息处理能力、更高的可靠性和更优的防范抵御威胁的能力,让安防系统在监控和防范方面更加智能化。烟草物流安防系统涉及多个部门,安防各个子系统虽然逐件智能化,但系统相对独立,多为信息孤岛,不能有效联动。因此,需要充分实现资源共享,加强安防系统各个子系统之间的信息共享和协作,保障安防系统的有效运行。网格技术是近年来兴起的一种重要信息技术,其根本特征是分布和共享资源,将网格技术与物联网技术进行有效融合,应用于烟草物流智慧安防信息化建设,将能使安防系统从“智能化”迈向“智慧化”。

1 烟草物流安防现状

现有烟草物流安防系统建设有两种模式:一种是传统的人防和物防管理模式,很少有甚至没有现代化系统进行辅助管理,现场若发生安防事故,无法及时发现、响应并处理;一种是在人防和物防模式功能上加入现代信息化技术的延伸和加强,即技防管理模式,它建设部分安防系统,如:视频监控系统、周界入侵报警系统、消防辅助系统等,但各子系统各自独立,不能进行数据信息和系统资源融合,相互之间无法进行联动功能,管理人员需要操作多个不同的平台进行管理,系统需要多个客户端进行显示,后期维护与管理也需要多个平台厂家进行维护,维护效率低,管理正本高,操作使用繁琐。

纵观当前烟草企业大部分安防系统的现状,分析总结发现存在如下几个方面的问题。

  • 系统各自孤立

安防子系统如视频监控系统、周界入侵报警系统、消防辅助系统和一卡通系统等等由各公司分别承建,各自拥有独立平台,不能统一展现、统一控制、操作,不能满足安防整体管理的需要。

  • 缺泛协同应用

各个子系统业务数据不联通,无法协作,统一联动。并且,系统组成模式混杂,模拟、数字到高清等多种监控模式混用很难实现系统融合。

  • 缺乏信息共享

各子系统相对独立,多为信息孤岛,不能有效联动。各子系统平台数据不能进行共享,一个平台无法同时控制前端多厂家设备,不能进行远程监控集中化管理。并且,目前下级部门安防系统大多不能联网管理,大多不能联网管理,各自为政,上级部门不能实时有效地了解各分支机构的安防管理情况和各类紧急事件。

  • 接口不够开放

各子系统很多没有开放二次开发接口,无法与相关应用处理平台对接,从而,无法应用智能分析和数据挖掘等先进技术使传统的被动监控的模式转化为主动监控模式,无法根据自身安防需要设置各种规则,对各种可疑事件和行为进行分析报警,并联动记录行为过程,提高安防应用水平。

综上,要想建立统一的烟草物流智慧安防一体化平台,实现全方位的信息共享,则需要彻底改变以安防系统为中心的设计理念,转变为面向使用者、管理者为中心的设计理念,实现这一转变的关键,则在于最新的物联网技术和网格技术与安防系统的有效结合和应用。

2 物联网网格技术

2.1 物联网技术

物联网是战略性新兴产业的重要组成部分,对加快转变经济发展方式具有重要推动作用,已成为当前世界新一轮经济和科技发展的战略制高点之一,发展物联网对于促进经济发展和社会进步具有重要的现实意义。为抓住机遇,明确方向,突出重点,加快培育和壮大物联网,根据我国《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》和《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》,工业和信息化部制定了《物联网“十二五”发展规划》,使物联网技术近年来得到了迅猛的发展,是继计算机和互联网后信息产业的第三次革命,为全球工业化、城市化进程提供革命性的信息技术和智能技术,具有广泛的应用需求和巨大产业发展的空间。

  • 物联网的定义

物联网是新一代信息技术的重要组成部分,其英文名称是:“Internet of things(IoT)”,顾名思义,就是物联网就是“物物相连”的互联网,是指通过无线射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

物联网是以感知为目的,实现人与人、人与物、物与物全面互连的网络。其特点就是通过各种感知方式来获取物理世界的各种信息,结合互联网、移动通信网等进行信息的传递与交互,再采用智能计算技术对信息进行分析处理,从而提升人们对物质世界的感知能力,实现智能化的决策和控制。

  • 物联网主要技术

通常物联网主要有几个关键性的应用技术:中间件、云计算、数据挖掘、异构网关和多数据处理、LPWAN、电子标签RFID、二维码,下面分别介绍:

中间件:中间件是一种独立的软件架构,可以隔离设备与业务,对设备和数据进行抽象和预处理,向用户提供方便的二次开发能力,使用户可以只关注于业务流的实现,减少应用软件开发时间,降低应用软件开发难度,增强应用软件系统扩展性。在物联网里,因为更多种类数据的存在,使得中间件的价值显得尤其重要。同时专用化的硬件中间件也更方便用户使用。

云计算:云计算是网络计算、分布式系统、网格计算、大数据处理技术的一个通称。以前叫分布式计算、分布式系统,现在泛指大容量数据中心处理技术。包含了分布式计算、分布式存储、数据发布、数据存储等功能。物联网的数据较互联网会有爆炸性的变化,所以一定会有各种物联网云计算系统,会出现非常多的物联网专用云计算系统和技术。

数据挖掘:数据挖掘又称为资料探勘、数据采矿。它是数据库知识发现中的一个步骤。数据挖掘一般是指从大量的数据中通过算法搜索隐藏于其中信息的过程。类似我们从砂子里淘出黄金一样,大量的数据对人类来讲是无用的,所以需要分析出有意义的潜在规律,这就是数据挖掘的意义。

异构网关与多数据处理:物联网时代将有有线采集器、工业现场采集设备、LPWAN网关、WIFI热点等多种接入方式,这种异构网络的汇集需要使用专用网关,同时单一网关的多功能将会是发展趋势,单一设备解决多个问题,接入多个网络是减少用户投资、提高系统集成度的有效方法。传统的多系统由多接入异构网关解决,异构网关也将由单网专用网关向多网复合网关发展。

LPWANLPWAN(Low-Power Wide-Area Network,低功率广域网络)是面向物联网中远距离和低功耗的通信需求,近年出现的一种物联网网络层技术。Lora,Weigthless,802.11ah,NB-IoT都属于低功耗广域网络技术的一种。LPWAN每个频道的传输速率介于0.3 kbit/s 到 50 kbit/s之间。

传感器:传感器是物体感知物质世界的感觉器官,可以从声、光、热、湿度等信号来感知,为物联网工作起到采集、分析、反馈最原始信息的功能。随着科技技术的不断发展,传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化,正经历着一个从传统传感器、智能传感器、嵌入式Web传感器内涵不断丰富的发展过程。传感器的类型多样,按照用途、材料、输出信号类型、制造工艺等方式可分为热敏传感器、速度传感器、位置传感器、温湿度传感器等。传感器在安防行业的应用非常广泛,包括智慧城市、教育行业、公检法司、环境监测、气象地质预测行业等。

电子标签RFIDRFID已经广泛地深入我们的生活了,我们的市民卡、门禁卡、工卡、停车卡等等都是RFID的应用,RFID作为成熟的技术已经广泛使用。标签内部包含非常微小的通讯芯片和接收天线,在读写器覆盖范围内,天线接收到足够的能量后,芯片激活和读写器通讯,交换信息,解决物体身份的问题,标识着物体的编号,同时可以携带一些数据,比如加油卡内的钱就是在区域内反复读写。物联网后期会发展以二维码为代表的其它标签码覆盖RFID不能覆盖的大量应用场景,互为补充。

二维码:作为RFID的一种补充发展起来的一类可以携带大量数据的编码格式。广泛使用在软件、名片、网址发布等领域。此类编码还有很多各种类,可以携带不同容量的数据,各有各自的应用场景。

  • 基于智能安防系统的物联网体系

基于物联网的安防技术涉及通信技术、控制技术以及计算机技术等多种技术的融合,可将基于物联网理技术的安防系统理解为通过多种有线、无线通讯技术,连接各种末端设备或子系统,并采用XML/Web Service/SOA等开放式、标准化的数据表达技术,将终端设备或子系统汇总到一个统一的管理平台,实现远程监视以及自动报警、控制、诊断和维护,为用户提供对人、设备、场景的全局化管理和综合化、智能化的安防信息服务系统。我们可以将物联网系统由下而上抽象为如下四个层面。

接入层:实现各种数据资源的接入,是物联网的神经末梢,其主要功能是通过各种类型的传感器对物质属性、环境状态、行为态势等静态/动态的信息进行大规模、分布式的信息获取与状态辨识,针对具体感知任务,常采用协同处理的方式对多种类、多角度、多尺度的信息进行在线计算与控制,并通过接入设备将获取的信息与网络中的其他单元进行资源共享与交互。该层由各种具备感知、计算、执行能力的末端设备,如RFID标签和读写器、摄像头、二维码的读入、LPWAN数据的接入、工业现场总线数据的接入、各类传感器与执行器、其他系统数据的接入等,以及这些设备互连构成的现场网络组成。

传输层:实现多数据资源的各种异构接入,为物联网的信息主干道,主要由运营商提供的各种广域IP通信网络组成,包括光纤信道数据传输、LPWAN无线传输、WIFI无线传输、蓝牙传输、以太网传输、卫星数据传输、北斗数据传输,以及GPRS、3G、4G等移动通信网络。在传输层,尽管上述有线网络在底层协议上同样存在多种制式,但在上层皆能统一在TCP/IP协议族下。与有线网络相比,基于移动通信技术的物联网应用在部署上具备更大的灵活性,而3G网络带来的无线宽带突破,更为物联网业务的发展提供了承载基础。

管理层:将数据资源进行分类、抽象、预处理、存储等中间层处理,以方便上层应用层使用,是将物联网技术与行业专业技术相结合,实现广泛智能化应用的解决方案集。该层的主要功能是通过具有超级计算能力的中心计算机群,对网络内的海量信息进行实时的管理和控制,并通过具有超级计算能力的中心计算机群,对网络内的海量信息进行实时的管理和控制,并为上层应用提供一个良好的用户接口。物联网管理平台是物联网网络架构和产业链条中的关键环节,通过它可以实现对终端设备和资产(包括移动资产)的一体化管理。管理平台主要包含以下软件集:集成框架、物联网中间件、行业套件,以及行业应用解决方案等。

应用层:基于处理层提供的数据进行工作,形成业务部分需要的工作流、展现、报表、自动处理逻辑等。该层的主要是集成系统底层的功能,构建起面向各类行业的实际应用,如生态环境与自然灾害监测、智能交通、远程监控等。

2.2 网格技术

网格技术是近年来国际上兴起的一种重要信息技术,其目标是实现网络虚拟环境上的高性能资源共享和协同工作,消除信息孤岛和资源孤岛。网格的作用是将分散在网络上的信息及信息存储、处理能力以合理的方式“粘合”起来,形成有机的整体,以提供比任何单台高性能计算机都强大得多的处理能力,实现信息的高度融合和共享。

  • 网格的定义

根据Foster和Kesselman的定义:构筑在互联网上的一组新兴技术,它将高速互联网、高性能计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体,实现计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源及知识资源等的全面共享和协同工作。网格的根本特征是资源共享,消除信息孤岛和资源孤岛,为科技人员和普通百姓提供更多的资源、功能和交互性。

  • 网格体系结构

网格体系结构是关于如何构造网格的技术,它给出了网格的基本组成与功能,描述网格各组成部分的关系以及它们的集成方式,刻画了支持网格有效运转的机制,是网格技术研究的重点。目前,主流的网格体系结构主要有三个:五层沙漏结构(Five-Level sandglass Architecture)、开放网格服务体系结构(Open Grid Services Architecture,OGSA)、Web服务资源框架(Web Services Resource Framework,WSRF)。

五层沙漏结构是早期由Foster等提出的一种抽象层次结构,其影响十分广泛,它的特点就是简单,它以“协议”为中心,强调协议在网格资源共享和互操作中的地位。该结构特点是层次清晰,而不是具体的协议定义,容易从整体上进行理解。OGSA是在原来“五层沙漏结构”的基础上,结合最新的Web Service技术提出来的,其的核心思想就是以“服务”为中心。在该结构中,所有网格资源,包括各种计算资源、存储资源、网络、程序、数据库、仪器设备等都抽象为服务(Services),即在原来Web Service 服务概念的基础上,提出了“网格服务(Grid Service)”的概念。

五层沙漏结构实现的是对资源的共享,OGSA实现的是对服务的共享。从资源到服务,这种抽象将资源、信息、数据等统一起来,有利于灵活的、一致的、动态的共享机制的实现,使得分布式系统管理有了标准的接口和行为。另外OGSA强调服务的观点,将互操作性问题转化为定义服务接口和识别激活特定接口的协议。OGSA的这些特点,使得该结构适合于应急物流不同行业部门之间子系统的集成,实现各子系统的动态协同运作,用于解决服务发现、动态服务创建、服务生命周期管理等与临时服务有关的问题。

3 基于OGSA的智慧安防物联网网格体系结构

安防系统中的各个子系统节点信息的集成面临三个问题:不同子系统之间的接口、不同通信协议的共存和不同数据库的相互访问。本文所构造的基于OGSA的智慧安防物联网网格系统结构是通过网络将分散在不同系统中的数据信息、技术和软件资源通过封装和集成,屏蔽资源的异构性和地理分布性,以透明的方式为用户提供安防管理服务。本文将网络节点的信息系统从功能角度抽象为一个逻辑模型,基于OGSA的智慧安防物联网网格体系结构如下图所示。

 

基于物联网网格技术的烟草物流智慧安防一体化平台的研究

图1基于OGSA的智慧安防物联网网格化体系结构

基于OGSA的物流信息网络体系结构中最主要的部分是信息共享、资源整合和协同服务平台,即综合服务平台。综合服务平台的功能由满足松散耦合特性的模块来完成,通过分解和组合这些模块来构成满足不同安防管理需求的应用服务,而平台中所有服务均是通过调用分散在网络中的资源来完成的。

  • 应用层

应用层是实现部门间相互协作的监控、报警、响应、指挥、跟踪记录以及各类扩展的安防管理服务,在以服务管理层所定义的服务规范为支撑而展开的应用。应用服务包括业务服务模块中运行的服务,也包括通过流程服务模块中的基本服务。这是用户直接面对的交互界面。

  • 服务层

服务管理层采用中间件技术来屏蔽网络传输层中的计算资源的分布、异构性,向应用层提供透明、一致的使用接口,从而使物流服务企业可开发相应的应用软件。服务管理层依据中间件技术和现有的Web service的开放标准,定义一系列服务协议,包括对企业的发现和识别,对服务的注册、发现、认证、授权、租用、调用等,企业间信息系统连接关系的建立,以及服务的控制与管理。交互服务使用安全服务提供的功能实现用户认证和各种操作的访问控制;流程服务使用安全服务提供的功能实现对业务流程的访问控制;信息服务使用安全服务提供的功能保护数据的安全和访问控制。连通服务保障各个服务模块之间能够双向交互,采用不同的通信技术和通信协议实现信息传递。业务服务将各类信息资源经服务接口封装成可被协作服务调度的模块,按照网络的规则,通过服务协议与其他信息资源的协同,共同完成业务需求方提出的业务处理。

  • 传输层

网络传输管理层负责网格节点的互连以及数据的发送和接收,通过有线城域网和无线城域网、有线局域网和无线局域网、VPN虚拟专用网、LPWAN等无线传感网络和GPRS/3G/4G 等移动通讯网络等等各类网络的连接,采用基于TCP/IP的传输网络协议,基于HTTP、SOAP和LPWAN的设备信息交互和服务信息交互。

  • 资源层

安防系统中的资源是分散在各个子系统网络中的各类信息系统及其所包含的和潜在的各类资源与信息,包括应用系统及数据,这些资源是智慧安防物联网网格集成的对象。在智慧安防物联网网格中,采用OGSA技术对己有资源进行封装,使得资源通过统一的服务接口,使用统一的接入方式连接到综合服务平台中。

4 烟草物流智慧安防一体化平台

4.1 烟草物流智慧安防一体化平台架构

烟草物流智慧安防一体化平台是基于智慧安防物联网网格体系结构搭建的,其目的是在安防领域实现安防系统的电子化、数字化、智慧化,并完成在基于WEB的综合网络上进行信息的自动采集、处理、存储、传输和交换,最终实现安防系统的资源充分开发和普遍共享,降低管理成本,提高管理效率。智慧安防一体化平台架构如下图所示。

 基于物联网网格技术的烟草物流智慧安防一体化平台的研究

图2 智慧安防一体化平台架构

烟草物流智慧安防一体化平台由全IP化系统解决方案与无线/有线数据采集系统构成,核心是基于一体化数据终端的前端监控系统建设模式。

  • 资源层

资源层接入多厂家环境监控设备、视频监控设备、智能分析设备、门禁设备、数据采集设备等多种类数据设备,实现环境、安保、消防报警等监测数据采集与接入,实现多种业务系统融合与联动,为服务层提供安防系统的终端资源。

  • 传输层

通过IP化通讯网/骨干网进行终端资源的有线/无线传输,主要通过物联网网关、物联网数据工作站等相关产品支撑。其中,物联网网关是集成了物联网技术、智能处理技术,嵌入式开发技术,可应用于各种恶劣环境、工业环境下,用于短距离无线数据组网和传输;物联网数据工作站是采用嵌入式技术与物联网数据中间件技术,内置智能化多数据管理平台,集成物联网主流数据标准接口,预留支持热插拔的采集模块扩展槽位,支持即插即用,是一种采集一体化的嵌入式设备,具备高度集约化、高可性、高兼容性的特点,使现场数据采集与处理更简洁,施工更快速,可靠性更高,是物联网的核心产品。

  • 服务层

服务层与传输层、以及传输层与资源层之间,数据的都是通过物联网中间件协议栈来支撑。物联网中间件协议栈是一组实现物联网信息网络动态互连和资源共享的核心协议,在此基础上物联网信息网络能开发出满足业务需求的物联网应用系统。物联网中间件,还具备系统配置与管理、集中统一管理设备、数据智能分析和挖掘处理、设备计入管理与配置功能、以及视频、报警、门禁、环境、动力等多数据融合、智能多系统联动和报警管理等功能。实现系统管理和数据服务,向第三方业务系统提供开发接口,并提供完整的管理数据平台,与其其他核心业务数据层进行对接,或者与应用层物联网级联数据中间件对接。

  • 应用层

应用层通过物联网级联数据中间件,将各类业务数据进行平台展现,提供全面的前端数据信息服务,可以实现远程监控,实时接收网关、视频监控、动力/环境数据、门禁系统数据、仪器/仪表、物流设备等设备上报的各类数据,并将数据整合在一起,通过统一管理和分析使其发挥作用,帮助企业管理者实时了解企业安防各方面情况,及时响应和处理。同样,基于中间件的业务应用突破现阶段各种专业安防子系统指挥中心的限制,实现企业跨部门、跨区域以及不同工作人员之间的统一指挥协调、快速反应、联合行动,从而实现企业的常态化安防管理和紧急事件的全生命周期指挥。

根据烟草物流只会安防一体化平台架构的探索研究,模拟设计烟草物流智慧安防一体化平台拓扑如下图所示。

 基于物联网网格技术的烟草物流智慧安防一体化平台的研究

图3 烟草物流智慧安防一体化平台拓扑

烟草物流智慧安防一体化平台部署在物联网级联数据中间件和基层数据中间件上,实现多级分布式管理,实现中心化部署,自上到下统一管理,实现的是一体化的功能,实现多系统联动,是一种应用级的业务功能,非原有系统独立的子系统功能。可以对使用者和操作员提供更直观的体验,拥有更高的业务效率。

4.2 烟草物流智慧一体化平台构建原则

烟草物流智慧安防一体化平台的构建,需要遵循以下构建原则:

  • 适配性和稳定性

资源接入层涉及多厂家设备接入,那为了满足支持多厂家设备接入,不受厂家平台和系统的约束,完全中立和开发。需要支持多厂家设备的接入与替换,对于主流设备可以直接接入;对于符合国际规范的设备,可以直接接入。对于非标准协议的设备,也应可以实现快速接入或升级替换,并且不影响其他接入模块的稳定性。

  • 开放性和标准化

传输服务层的中间件平台是一个开放的、分布式的系统,可以提供不同层次、不同需求的信息服务,因此,需要采用符合国家(或国际)标准的标准化数据接口和通信协议。同时,也应为通用的应用逻辑进行建模,提供智能报警、复杂联动逻辑等配置规则,将数据抽象与预处理,对外提供数据云服务,同时也完备的二次开发接口,统一接口标准,屏蔽异构数据的差异性。

  • 系统平台一体化

应用展现层的中间件和业务应用系统平台,需要打破不同系统之间的限制,实现将视频监控、动力环境、安保、消防、环境监测、报警等多种业务系统融合与联动,实现多数据融合、系统一体化、平台一体化,解决多系统之间的“信息孤岛”问题,达到统一接入,互相联动。

  • 先进性和可扩展性

一体化平台需要把握技术的发展趋势,在兼容已有的信息技术基础上,采用最新的技术成果,不断完善平台建设。同时,平台需要随着技术的发展和安防需求的增加而更新,因此,平台应该具有扩充能力。

  • 可靠性和安全性

一体化平台应安全可靠,确保各种主要设备不中断工作和数据不丢失,采用模块化设计,确保模块之间的独立性。

  • 实用性

一体化平台操作以方便、简洁高效、易维护为目标,整体设计、统一操作,既能够实现快速反应,又便于管理者开展业务,提高工作效率。

5 结论

本文在对烟草物流智慧安防的现状和特点进行分析的基础上,结合物联网技术和OGSA以“网格服务”为核心的思想,提出了一个由资源层、服务层、业务层、应用层组成的4层智慧安防网格体系结构,并基于该体系结构搭建智慧安防一体化平台,对平台的架构模型进行了探索设计,并讨论了一体化平台的构建原则。本文对智慧安防物联网网格体系结构和智慧安防一体化平台构建的研究,有效实现异构烟草物流安防系统之间信息、资源和服务的共享和协作,实现各个子系统在一个平台下的统一管理,并且实现相互之间的联动,使整个安防系统真正实现了“一体化”管理,满足了企业级安防用户的要求,加强企业安防管理效果,为推进企业安防系统从“集成化”、“数字化”、“智能化”到“智慧化”提供了科学依据。

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