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面向城市生命线管理的物联网关键技术研究与应用

杨建栋  
【摘要】:随着计算机、互联网、移动通信等信息技术的发展,物联网技术应运而生,并被各国纳入新一轮信息技术发展战略中。近年来,中国的物联网相关产业及技术应用也得到了迅猛发展。特别是在城市管理领域,供水、排水、燃气、热力和电力是城市生命线重要的基础设施和有机组成部分,是维持城市生活、生产的保障。迫切需要应用物联网技术对城市运行体征实时监控,提高城市生命线的管理水平和预防预测及处置能力,保障城市的安全平稳运行。面向城市生命线管理的物联网关键技术研究与应用课题从分析城市生命线管理现状和主要问题出发;结合物联网及其关键技术的发展情况;以城市生命线实时监测物联网应用示范为研究背景研究了物联数据专网网络选型和设计、多传感器数据融合方法和物联网应用中间件架构与组件等物联网感知设备管理、网络传输、应用支撑方面关键技术;并将这些技术研究成果应用到液化气监测监控物联网应用示范系统建设中效果显著。本研究对于城市生命线实时监测物联网应用示范工程建设实施具有实际指导意义、为其实施建设提供一套稳定可靠的数据传输专网;提供一个高效实用的多传感器数据融合算法;提供一组普适便捷的物联网应用中间件架构与组件。本研究在城市生命线管理领域具有重要的应用价值和现实意义。主要的研究如下:(1)物联数据专网网络选型与设计研究,面向城市生命线管理的需求,根据传感设备分布特点,通过比较3G技术(WCDMA、CDMA 2000、TD-SCDMA、WMAN),B3G技术(FDD-LTE、TD-LTE、LTE-A、IEEE 802.16m),以及WiFi Mesh、McWiLL等通信技术,基于TD-LTE技术进行专网的网络设计。重点研究了核心网络设计、网络覆盖和性能方面设计、接入网的详细设计和网络安全架构研究。EPC核心网设计为全IP网络,设计具有安全可靠、支撑路由优化和本地输出、高效的空口和系统能力、动态资源分配、自适应重传等特点;网络覆盖和网络性能设计基于Okumura-Hata模型按照不同地域进行优化和定制研究;依托该设计方案建设的接入网络利用波束赋形技术和同频组网和异频组网相结合的技术可提高上下行链路的性能,同时上下行信道具有互逆性,解决了对感知层所获得的数据的中长距离传输问题,提供一个全覆盖、便捷、方便的接入网络,可满足北京市各级政对城市安全运行和应急管理的应用需求。(2)多传感器数据融合方法研究,以城市生命线管理中的液化气监测系统传感设备为研究对象,围绕着多传感器数据融合问题展开讨论,通过对加权平均、卡尔曼滤波、贝叶斯估计、统计决策理论、证据推理、模糊推理等多传感器数据融合算法的分析,结合液化气监测系统多传感器应用特点和控制结构;选择采用加权平均数据融合算法作为液化气监测系统的数据融合算法进行设计。以液化气监测传感数据为对象,研究并设计了一套数据融合算法,并将该算法应用到液化气监测管理系统中,以液化气监测现场的二氧化碳浓度传感器为实验对象验证算法的可用性和适用性。(3)物联网应用中间件架构及其数据处理层算法研究,物联网应用中间件是物联网应用中的关键软件部件,是衔接相关硬件设备和业务应用的桥梁。面向城市生命线管理领域的需求的物联网应用中间件主要面临屏蔽异构性、实现互操作和信息的预处理等方面的问题。重点研究普遍适用于城市生命线监测系统中的物联网应用中间件架构。该架构可实现各种标签和传感器等感知元件与应用系统之间数据传输、过滤、数据格式转换,具有统一的传感信息接入标准,具有对传感信息进行身份认证和安全传输的能力。同时基于液化石油气监测系统实时采集温度、湿度、气体浓度、监控影像等海量的信息数据特点,综合各种方法的利弊以及针对当前液化石油气监控的应用特点,在旋转门压缩算法(SDT算法)的基础上提出了一种应用中间件数据处理层改进的有损数据压缩方法(ISDT算法),用于提高数据的压缩率和性能;并进行了仿真实验及实际系统中的应用预研。(4)液化气监测监控物联网应用示范,该系统是城市生命线实时监测物联网应用示范工程的示范预研。该系统研究从液化石油气监测存在的问题出发,以需求为导向,从系统总体架构、软件架构、网络架构、数据流程、终端和接口、系统安全等几个方面进行了应用示范系统的设计研究。应用示范系统建设成果是对面向城市生命线管理领域的物联网数据专网网络选型设计、多传感器数据融合技术研究和物联网应用中间件架构及改进的有损数据压缩方法(ISDT算法)的等物联网关键技术研究成果的验证,为进一步推广提供重要的经验。


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