地方高校石化—物联互联化应用研发基地建设

陆 恒

(常州大学 制药与生命科学学院, 江苏 常州 213164)

互联网加物联网形成“智慧地球”,是当前世界性的热门课题[1-3]。世界各经济强国都试图把物联网作为重振经济的法宝[4-5]。美国、欧盟、日本相继制定物联网发展战略计划,试图在物联网的发展上引领世界。我国在物联网的启动和发展上与国际相比并不落后,在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器终端机、移动基站等方面取得重大进展,已拥有从材料、技术、器件、系统到网络的完整产业链。随着电信网络，特别是无线网络的扩展及传感技术的发展,我国推广物联网的条件逐步趋向成熟。国家工信部明确提出要进一步研究建设物联网、传感网,加快传感中心建设,推进信息技术在工业领域的广泛应用。目前中国已将物联网明确列入《国家中长期科学技术发展规划(2006—2020年)》和2050年国家产业路线图。物联网技术标准世界竞争态势已经形成,我国要保持物联网核心技术优势,就必须加大投入,打造高水平研发平台,大力培养专业人才,攻克核心技术难关,保持世界领先水平。

石化行业被国家列为高危行业,化工生产具有易燃易爆、有毒有害、高温高压等特点,容易发生爆炸、中毒、泄漏、火灾等事故,给生产安全、生命财产和环境保护带来严重影响,对其安全监控尤为重要[6]。另外,在化工院校的教学活动中,很多教学实验环境都是模拟的,缺乏生产第一线的直观感受[7-8]。物联网技术为此提供了更加安全可靠的解决途径,通过传感器网络,各种危险环境可被有效监控,教学中所缺少的现场环节可被弥补,因此可见,面向石化的物联网技术应用研究在行业应用、教学活动中都具有非常重要的意义[9]。

无论从世界发达国家范围看,还是从我国著名大学研究情况看,物联网应用研究正日益受到政府、高校，甚至是企业的重视。我校信息科学与技术学院借助现有的学科专业优势以及我校在石化行业的深厚渊源,以实验室的教学实验仪器智慧系统及物联网建设为切入点,以服务实验与科研的实际需要为导向,构建了石化—物联互联化应用研发基地,并为苏南地区的区域经济建设提供支持。

1 建设基础

信息科学与技术学院现有计算机科学与技术、自动化、通信工程、电子信息工程、电气工程5个本科专业,一个计算机应用技术硕士点,一个电子与信息技术省级示范实验中心,设有普适计算研究院、机器人研究所、仿真与人工智能研究所、计算机技术应用研究所、控制工程技术研究室、电力电子及电气控制技术研究室、计算机测控技术研究室等专业研究部门。近年来,信息科学与技术学院教师获得国家教学成果奖1项、获省级教学成果奖2项,江苏省多媒体课件竞赛获奖3项、省级优秀软件奖1项,承担省部级以上教研项目7项,出版专著与教材20多部；承担或主要参与了国家自然科学基金2项、“863”子项目1项、省部级科研项目13项,通过省部级鉴定6项,获专利2项、省部级以上科研获奖4项；近4年发表核心以上学术论文100多篇。研发平台已纳入教师20人,其中教授4人、博士7人,其中5人次成为江苏省“青蓝工程”和常州“831工程”培养人选。研发平台所属电子信息技术省级示范中心面积达2 563 m2、专职实验教师有25人,“十三五”期间,学校和学院已经投入实验室建设经费520.6万元,新增实验室固定资产600多万元,已经具备项目实施基本条件。

2 建设目标

石化—物联互联化应用研发基地将凝聚和造就一支优势明显的研究团队,搭建一个坚实的科技创新平台,推动和提高常州市物联网行业的科技创新水平和竞争能力,推动常州市工业制造业的技术进步和产业发展。通过建设要达到:具有承担国家、省部级和市级重大科技项目的能力；开展物联网技术基础研究和应用技术研究,形成一批具有自主知识产权、国内领先的新产品和新技术。

(1) 中长期目标是建成省内一流、国内有知名度的先进智能物联网技术实验室,在应用基础研究和高水平探索方面有重大突破,产生一批有重大科技成就、能承担国家重大科技项目的研究团队,形成一批具有国际水平的创新成果。重点实验室不但要有开展高新技术研究的能力,还要具备成果转化的实力,使其真正成为为常州市物联网产业发展服务的产、学、研基地。

(2) 建设成为常州市的一个新技术平台,成为常州地区普适计算相关专业本科生和研究生的教学、实习和科研基地,以及产学研相结合、紧跟并赶超时代潮流的研发中心。争取2～4年内将该实验室建成常州市普适计算技术中心,普适计算研究领域处于国内领先、国际前沿。

3 建设内容

石化—物联互联化应用研发基地主要由5大平台组成,分别是石油储运中物联网RFID应用研究平台、传感器技术研究与实验平台、化工环保监控网络关键技术研发平台、感知石油石化信息处理示范中心研发平台和物联互联化中间件系统研究平台(见图1),主要侧重于嵌入式智能传感器、智能信息处理、传感器网络、嵌入式软件与算法、普适计算等研究及其在石化行业中的实际应用研究。

图1 石化—物联互联化应用研发基地

3.1 石油储运中物联网RFID应用研究平台

射频识别技术(radio frequency identification, RFID)作为物联网发展的排头兵,RFID成为市场最为关注的技术,其应用将给零售、物流等产业带来革命性变化[10]。石油在运输过程中需要实时监测其各种危险参数,通过与物联网核心技术无线传感网的有机结合,RFID为油料运输的信息处理提供了一种更有效率的新模式。本开发平台拟研究内容:

(1) RFID开环应用技术；

(2) RFID中间件技术；

(3) RFID标准化技术。

3.2 传感器技术研究与实验平台

物联网是将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络,是当前中国乃至世界的一个热门话题,被誉为第3次信息技术革命和产业浪潮。而传感器产业是今后物联网发展的关键,在经济危机后社会需要技术创新寻找经济增长点,传感器产业正是这种技术创新产业[11]。

我校将联合传感器优势企业与地区,加强合作,搭建平台,借助其特有的基础优势,力争成为物联网产业与石油石化行业所必需的传感器配套研发基地。该平台包括红外、光电、霍尔、热敏、超声波、压力、气敏、图像等8大门类,涵盖传感器材料、产品、应用等多个领域。

3.3 化工环保监控网络关键技术研发平台

常州市有着良好的化工产业基础,化工企业总数占整个江苏省的近1/4。2017年全市化工行业有156家销售收入超亿元的企业。随着我市化工产业的发展,目前已进入了资源消耗和环境污染的高峰期。污染事故和污染信访频发,污染事故损失巨大,90%的污染事故是由化工造成的,已严重影响人民群众的正常生产生活、健康安全和社会安定,因此该研究平台建设意义重大。

化工行业与化工环保中的应用研究主要包含以下几个方面:有毒有害、易燃易爆气体泄漏无线传感网监控；以化工产品生产中常见的液化石油气、氨、氯及硫化氢、二氧化硫、二氧化氮等有害有毒、易燃易爆气体为监控对象,研究相应的传感器节点及组网技术；储罐健康监控,研究储罐安全运行状况,实时监控储罐体的腐蚀、裂纹等健康状态,包括超声波、声发射等无线传感器节点网络。DCS、PLC、IPC仪器仪表和空气压缩机等过程控制设备故障监控；化工禁区人员监控；生产环境监控；化工废水排放与城市水域无线传感监测。

研发平台将针对物联网关键技术无线传感器网络开展研究与应用,本项目拟主要研究无线传感网组网模式与拓扑控制、媒体访问控制和链路控制,以及路由、数据转发及跨层设计、QoS保障和可靠性设计、网络安全模型、能量工程等。

除此之外,研发平台也将对无线传感网络信号特征分析与识别关键技术开展研究。无线传感网络首先通过传感器获取外界信息,一般外界信息的表达包括有1维或2维的信号形式。原始信号通常并不能描述事件的本质,通过信号特征分析与识别才能获得外界的特征状态,其目的是使网络决策智能化。其关键技术主要包括无线传感网络中的模式识别技术、高精度无线传感器网络节点定位、多传感器数据融合等。

3.4 感知石油石化信息处理示范中心研发平台

石油石化行业属于高危行业,基于该行业的特点,随着行业的发展,物联网技术也开始在该领域应用。学校依托与石油石化行业的紧密联系,针对热点应用建设感知石油石化示范网络平台。通过该平台在石油石化各个环节为科研与教学提供便利手段,获得更大的效果。

物联网的核心是传感识别和海量信息处理[12]。智能信息处理是计算机科学中的前沿交叉学科,是应用导向的综合性学科,其目标是处理海量和复杂信息,研究新的、先进的理论和技术[13]。研究具有认知机理的智能信息处理理论与方法、探索认知的机制、建立可实现的计算模型并发展应用。智能信息处理研究涵盖基础研究、应用基础研究、关键技术研究与应用研究等多个层次,它不仅有很高的理论研究价值,而且对于国家信息产业的发展乃至整个社会经济建设和发展都具有极为重要的意义。

3.5 物联互联化中间件系统研究平台

普适计算被称为下一代计算模式,是无所不在的,以人为中心的计算模式,是未来计算的发展方向[14]。在这种模式里,计算机将不再是一种技术, 它是生活的一部分,比如计算机集成在家具、电器及人的衣服等物品里面,虽然人不能明显感觉到计算机,但这些隐藏的计算机与人及环境里的资源形成无缝的网络系统。普适计算的模式不仅可以应用到智能家居等与人民生活密切相关的领域,而且还可以应用渗透到社会经济生活的各个方面,如工业、农业和商业等领域。

目前已有众多的国际组织和学者在进行这方面的研究,并取得了不少进展。 目前世界各个主要的发达国家研究机构或大学都投入相当大的人力和物力进行这方面的研究,政府层面也给予较大的支持。例如美国、欧洲、日本等国家或组织,特别是韩国与日本的u-Korea和u-Japan计划、 欧洲的eEurope计划和第七框架计划,都将普适计算列为重要的组成部分。在我国,也有清华大学的“智能教室”项目及浙江大学的“智能社区与车辆”项目等在进行普适计算方面的研究。

本研发平台以中间件研究为主要内容,通过中间件研究,不仅仅实现物联互联化,还可实现应用程序之间的互操作。中间件是基于分布式处理的软件,特别强调了网络通信功能,能够进行数据采集、设备管理、能量管理、QoS支持等。

4 建设成效