基于物联网和云计算中心的北斗卫星人员安全定位系统

杨 奎

（河南省地矿信息中心，河南郑州450007）

·安全与管理工程·

基于物联网和云计算中心的北斗卫星人员安全定位系统

杨 奎*

（河南省地矿信息中心，河南郑州450007）

为了解决地质探矿野外人员与车辆安全问题，在大数据大系统的背景下，结合单位实际与未来网络技术发展规划，提出了基于物联网和云计算中心的北斗卫星人员安全定位系统框架。该框架通过物联网技术，在云计算中心中综合集成地理、地质、交通、遥感、环境、气象等物联网信息数据进行数据处理，为户外工作者提供基于北斗定位与短报文使用的实时位置安全、工作管理、地理环境、行业信息等应用信息，从而提高地质探矿野外工作人员与车辆的安全保障。

物联网；云计算中心；北斗定位；安全

1 系统背景与介绍

1.1 系统政策背景

2014年8月5日，第二地质矿产调查院位于青海省都兰县布洛沟金矿预查项目部发生2名地质技术人员野外失联20h事件。事件发生后，局各级领导非常重视，指示该院抓紧时间启动应急预案，全力搜寻失联人员。

经过此次事件，河南省地矿局认为应急需为野外地质一线工作人员配备定位与报警装置，用来有力保障一线职工的生命财产安全。本文结合《中国地调局关于开展安全生产保障北斗卫星终端配备工作的通知》等相关文件精神，依靠我局现有信息化技术，提出了为解决河南省地矿局高险艰地区野外地质探矿人员与车辆安全北斗卫星人员定位应用解决方案。

1.2 大数据时代

随着科技的不断进步,在物联网、云计算、移动互联网等发展的推动下,数据发生了“大爆炸”。大数据是持续不断产生的,除了人工编制数据、遥感数据、网站点击流数据(clickstream data)等之外,近年来物联网、移动互联网的应用也为信息世界新增了无数个实时产生数据的来源[1],主要包含RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、终端、传感器网络等产生的数据,使用这些数据可实现智能化的识别、定位、跟踪、监控、管理和多层次多角度的统计分析等,从而实现“智慧交通”、“智慧城市”、“智慧电网”、“智慧医疗”甚至“智慧地质”等应用,应该说物联网带动了大数据的发展[2]。在2013年5月,国土资源部地质信息技术重点实验室开始采用实验室基金形式初步开展大数据的相关研究(中国地质调查局发展研究中心)。互联网、云计算、物联网、大数据正在改变着当代人的生活方式、工作方法、思绪习惯,也改变着地质调查工作的开展。

2 国内外物联网研究及国内外云计算及地质信息化研究

2.1 国外物联网研究

2008年,IBM公司提出了“智慧地球”发展战略,受到美国政府的高度重视。“智慧地球”旨在把IT前沿技术应用到各行各业之中,把传感器嵌入和装置到全球的电网、铁路、公路、桥梁、建筑、供水系统等各种物体中,并通过互联形成物联网[3],然后通过超级计算机和云计算技术,对海量的数据和信息进行分析与处理,将“物联网”整合起来,实施智能化的控制与管理,从而达到全球的“智慧”状态,最终实现“互联网+物联网=智慧地球”[4]。物联网概念一经提出,由于其具有全面感知、可靠传送、智能处理等特点,得到美国、日本、英国、法国、澳大利亚、德国、韩国等发达国家认同,并积极投入研究与试验[5]。在传感器产业、RFID产业、通信产业、标准化、数据存储、数据处理、智能分析及预警等多个方面取得了显著进步与成果,大部分技术趋于成熟或基本成熟,相关产品已经应用到智能交通、物流、军事、灾害防治、汽车、机器人、农畜牧业、医疗等方面[6]。美国、英国等发达国家早已开始使用具有物联网特性的地质测量、矿山开采监测、地震监测、地质灾害监测等设备,并已逐步向规模化、产业化发展[7]。

2.2 国内物联网研究

中国科学院早在1999年就启动了传感网研究[8],在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器端机、移动基站等方面我国都已取得重大进展。国务院、发改委等制定了推进发展物联网的一系列政策与规划,下发《国家传感网创新示范区(国家传感信息中心)建设纲要》通过解决物联网的架构与关键技术,我国已初步将物联网技术应用到电信、电力、农业、物流、交通、海洋、石油、地质灾害、建筑、教育、公共安防等监测与管理中,起到了巨大作用和社会效益。

2.3 国内云计算及地质信息化研究

几十年来,中国地质调查局积累了地质图、矿产地、自然重砂、同位素等11大类100多个国家地质空间数据库,数据总量超过120TB,为相关实验研究打下了坚实的数据基础。中国地质调查局李超龄研究员团队等开展的“中国地质调查信息网格”等对地质数据的集成与共享有了很大进展。国土资源“一张图”的目标是实现土地、地质、矿产等已有信息资料的集成与共享[9],旨在盘活异构、多源的国土资源数据,提高数据利用率、减少重复投入,挖掘数据潜力,使其发挥应有的作用。从2008年开始以清华大学、中国科学大学、曙光公司、并行计算中心等开展相关研究,采用Web服务(Web-Services)、P2P(Peer-to-Peer,点对点传输)、MPI(Message Passing Interface,消息传递编程接口)等技术实现云计算,并在高性能计算、天气、制造、教育等多个领域进行了应用研究、测试与示范[10]。2010年,中国地质调查局发展研究中心也启动了云计算的跟踪与相关研究,并设立了配套项目,开始了云计算在地质调查领域中的适用性研究与探索。

3 河南省地矿局基于物联网和云计算中心的北斗卫星人员安全定位系统

3.1 系统简介

地质勘查工作的特点是流动性大、工作区分散且多为人烟稀少、环境恶劣的深山与野外。随着地勘行业的发展，河南省地矿局业务量在逐年上升，随之而来的野外一线人员及车辆越来越多，这些都为野外车辆人员安全生产工作提出了新的要求。

基于北斗的地质云，综合集成地理、地质、交通、遥感、环境、气象等信息数据，为户外工作着提供位置安全、工作管理、地理环境、行业信息等应用服务。图1给出了基于物联网和云计算的地质工作人员安全的概念模型,它初步表达了设备采集数据和加工的数据被传送到数据中心,再由云计算平台对数据进行管理、处理、计算、发布等业务操作,客户再通过应用接口访问各种数据资源、计算资源等。其逻辑拓扑图见图2。

图1 基于物联网和云计算的地质工作人员安全的概念模型

图2 基于物联网及云计算中心的北斗卫星人员安全定位应用逻辑拓扑图

基于物联网和云计算的地质信息化体系框架(自底向上为地质物联网、地质大数据中心、地质云计算平台、应用等粗粒度的层次),提出了一套从数据生成到组织、存储、查询、分析、服务完整的框架性体系结构,为构建“智慧地质”提供参考。以物联网作为人员车辆安全数据采集的触角,通过北斗单兵或车载等设备在野外采集第一手资料,而这些设备数据均可以通过移动互联网、卫星、网络等与数据中心进行实时、分时或离线通讯;通过网络进行信息传输,将通过各种方式采集或人为加工的数据统一存储到地质数据中心(逐步形成大数据中心,可以是分布式的,也可以是集中式的),数据包括属性数据和空间数据,以及其他数据,数据格式可以有结构化数据也可以有非结构化数据;基于云计算搭建的地质云计算平台,采用虚拟化等系列核心技术,实现数据云存储、地质云计算,专用网络中建立地质私有云、Internet上建立地质公有云,并提供相应的云服务(不同粒度的数据服务、计算服务等),以进资费管理等;用户可以通过普通浏览器、客户端应用程序、平板电脑、手机等各类终端访问云端资源。

地质云计算平台与地质物联网可以通过数据中心间接通信,也可以直接通信,如通过云计算服务可以直接读取某个野外设备数据、通过手机可以直接访问野外某个观测设备的实时或分析数据(如人员车辆运动轨迹、人员车辆实时视频等),还可以访问其他地质资料(如人员体检报告、人员心率血压、车辆实时状况、胎压等)。

数据中心采用集中式和/或分布式进行管理,对于大数据处理而言,一般采用Hadoop的MapReduce进行大数据存储、处理、分析[15]。MapReduce是一个简易的软件框架,基于其编写的应用程序能够运行在成千上万个商用机器组成的大型集群上,并以一种可靠容错的方式并行处理TB级别(甚至更高级别)的数据集。MapReduce的计算节点和存储节点通常放在一起,这种配置允许框架在那些已存好数据的节点上高效地调试任务和执行,因不用在网络上传输海量数据,使得整个集群的网络带宽被高效利用,能够将数据处理速度科学提升。

3.2 终端设计

地质勘查工作的特点是流动性大、工作区分散且多为人烟稀少、环境恶劣的深山与野外。随着地勘行业的发展，河南省地矿局业务量在逐年上升，随之而来的野外一线人员及车辆越来越多，这些都为野外车辆人员安全生产工作提出了新的要求。

系统基于GPS、GPRS的卫星定位技术，运用GPS管理系统软件，在各个人员和车辆上加装通讯模块，建立野外车辆安全平台来实现野外车辆的实时调度、野外追踪、应急呼救等功能，保障作业车辆人员安全。其示意图见图3。

图3 野外人员车辆安全系统网络示意图

该系统所能实现的功能为：人员动态追踪、人员身体状况评测、人员历史轨迹、人员接收工作指令、超安全区域报警、自然灾害与天气预警、车辆实时拍照（普通拍照、定时拍照、连续拍照、开车门拍照）、车辆安全报警（车辆定位跟踪、定时刷新、车辆跟踪、定位信息显示）、车辆信息查询（静态数据查询、动态数据查询）、应急救援。

各个终端的实时GPS数据会通过GPRS上传到监控中心，而监控中心所读取的数据会上传至总控中心，由总控中心下达控制命令，总控中心和监控中心进行数据交换后生成业务层所需要的实时数据再由业务层表现出来。

3.3 云计算服务端设计

地质云计算平台是由地学计算云CGSCC(China Geological Survey Compute Cloud)和地学存储云CGSSC(China Geological Survey Storage Cloud)2个云组成。CGSSC是隐藏在CGSCC后面的云,包括集中式、分布式部署的各类多元、异构、海量的多个地学数据库,并且可以通过虚拟化使得提取地学数据的组件只知存储云接口而不知数据来自何处;CGSCC中部署了各类云计算服务器,主要采用SOA服务器作为云计算的主服务器,它以Web服务等作为基本组件。多元、异构的空间数据基于OGC的WFS、WMS、WCS等标准在GIS服务器上进行交换、融合,空间计算组件亦部署在GIS服务器上,且由它完成空间计算;而其他数据服务则部署在其他SOA服务器中。各类不同角色的用户仅使用与云端交互的终端程序,并不需要知道地学云的存在。

河南省地矿局基于物联网和云计算中心的北斗卫星人员安全定位系统可借鉴中国地质调查局安全保障系统，与B/S架构为主线建立其应用平台系统，其地质云服务平台功能设计主要为：地图浏览、位置监控、历史轨迹、指挥调度、工作组、北斗交互、系统管理、通知新闻、出队审批、安全检查、野外环境分析、基地安全、年度考核、信息汇总、知识库、装备管理、法律规章、信息维护、权限管理、月报季报、学习交流、数据统计。

4 结论

利用物联网探测器的传感数据，在云计算平台中调取地理、地质、交通、遥感、环境、气象等实时信息数据，经过数据处理与数据分析，综合基于北斗的野外人员或车辆探测信息，可以准确确定野外地质探矿工作人员及车辆的地理位置、行动轨迹，为户外工作者提供位置安全、工作管理、地理环境、行业信息等相应应用服务。通过基于物联网和云计算中心的北斗卫星人员安全定位系统建设，提高了野外地质职工的安全保障水平，同时为大数据时代地质工作的质量、效率、安全以及生活保障都提供了信息化发展方向。

[1]李国杰,程学旗.大数据研究:未来科技及经济社会发展的重大战略领域——大数据的研究现状与科学思考[J].中国科学院院刊,2013,27(6):647-657.

[2]邬贺铨.大数据时代的机遇与挑战[J].求是杂志,2013（4）:47-49.

[3]贾俊芳,张日权.基于分布式的大数据集聚类分析[J].计算机工程与应用,2008.

[4]贾晓丰.基于物联网的大数据量实时信息交换策略研究[J].电子政务,2011（4）:16-20.

[5]闫成印.物联网带动大数据发展[J].互联网研究,2012.

[6]赵鹏大.数据时代需重视数字地质研究[EB/OL].2013.

[7]李钦径.地质调查拥抱“大数字”时代[EB/OL].

[8]国土资源部.全国国土资源“一张图”及其核查数据库建设总体方案(征求意见稿)[R].国土资源部,2009：2-4.

[9]张爱民.国土资源一张图数据管理及服务平台的设计与研究[J].现代测绘,2010,33(4):41-42.

[10]陈康,郑纬民.云计算:系统实例与研究现状[J].软件学报, 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

杨奎（1984-），男（汉族），河南安阳人，工程师，现从事地矿信息化建设技术工作。