窄带物联网技术在机场智慧场区建设中的应用

张红 郑炜陵 尹椿荣 李抒智 李伟

摘 要：随着社会的发展，大型机场日益增长的吞吐量及扩建工程对现有的运行管理模式提出新的挑战，在政策层面、产业层面、机场层面上都有发展“智慧机场”建设的需求。机场的场区管理部也在积极地探索智慧场区的建设，如何利用新一代物联网技术解决机场场区的管理效率、绿色环保、安全运行等方面是人们直接关注的问题。上海浦东国际机场场区管理部运作的智慧场区物联管理平台项目同时联合物联网、移动互联网、云计算、大数据分析等技术，以窄带物联网（NB-IoT）为核心网，在巡更管理、防汛管理、安全管理和环境管理等方面进行规模化应用。依托该平台实现了场区运行中心（OMC）管理数据互通、全局管控、快速预警、迅速处置的管理目标。

关键词：窄带物联网;物联管理平台;智慧机场;数据互通管理;预警;云计算

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）10-00-04

0 引 言

时代在快速发展，随着物联网、移动互联网、大数据、人工智能、云计算等高新科技的迅速崛起，正酝酿着社会产业上的一场革命，“智慧机场”应运而生。在政策层面、产业层面、机场层面上都有发展“智慧机场”建设的需求[1-2]。

上海浦东国际机场场区管理部运行中心（OMC）根据场区区域化管理要求，为规范执行标准，提升工作效率，落实管理职能，以智慧机场建设理念为依托，以自身管理业务为构架，以运行中心为载体，稳步推进窄带物联网技术在智慧场区建设中的应用。联合多种物联网技术，以窄带物联网（NB-IoT）为核心网，在巡更管理、防汛管理、安全管理等方面进行规模化应用。依托智慧场区物联管理平台实现了数据互通、全局管控、快速预警、迅速处置的管理目标。

1 物联网技术简介及应用

1.1 物联网技术

物联网，顾名思义就是指萬物互联。物联网的概念不仅指的是万物之间的通信连接管道，更指的是人们通过对万物终端所产生的信息进行感知、采集，利用物联网络汇集海量数据，并对这些数据进行收集、分析、处理，再将结果展示或通过物联网络反馈回终端并指导终端行为的这一整个价值创造过程[3]。

物联网的通信技术分为有线和无线两种，无线传输主要分为两类：一类是ZigBee、WiFi、蓝牙、Z-Wave等短距离通信技术;另一类是低功耗广域网（Low Power Wide Area Network，LPWAN），即广域网通信技术。LPWAN又可分为工作于未授权频谱的LoRa，SigFox等技术和工作于授权频谱下的2G/3G/4G，EC-GSM，LTE Cat-m，NB-IoT等通信技术。

窄带物联网（NB-IoT）技术作为一种基于授权频谱移动蜂窝网络的低成本、低功耗、广覆盖的无线技术，构建于蜂窝网络，只消耗约180 kHz带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，降低部署成本，实现平滑升级。它的出现真正实现了广域物联网在运营商级的部署运营，将推动物联网跨越发展，实现大范围物联网百亿级的终端接入全覆盖。NB-IoT具有广覆盖、低功耗、大连接、低成本等优势，它作为窄带物联网的主要代表，主要承担长距离、广范围的窄带传输职能，是机场场区物联专网的核心内涵[4-5]。

1.2 物联网技术的应用发展趋势

物联网结合互联网、人工智能、大数据分析正在有力带动传统产业转型升级，引领战略性新兴产业发展，推动社会生产和经济发展方式的深度变革。例如智慧城市建设，车联网、智能家电、智能机器人、可穿戴设备等，数以百亿计的新设备将接入万物互联的网络，未来物联网必将对社会发展、经济发展、科技领域和民生领域产生巨大影响。据研究机构 Gartner的最新预测，2020年全球联网设备数量将达到260亿个，物联网市场规模将达到1.9万亿美元。2020年，我国物联网产业规模将达到1.5万亿元，公众网络M2M连接数[3， 6-7]将突破17亿。

上海浦东国际机场智慧场区的建设主要联合多种物联网技术，以窄带物联网（NB-IoT）为核心网，在巡更管理、防汛管理、安全管理和环境管理等方面进行规模化应用。

2 上海浦东国际机场智慧场区的建设

上海浦东国际机场作为上海最重要的窗口区，从2017年起，浦东国际机场股份公司围绕安全、正点、服务提出三大提升计划，致力于为上海建设卓越全球城市提供最佳航空服务保障。为此，场区管理部在《2018“三合一”会议》上提出对标世界一流，行业先进，深化场区管理，结合自主研发的场区监控平台，引入智慧场区的概念，进一步加大“物联网+互联网+大数据”在场区管理中的应用力度，全面提升场区管理能级。通过建设领先的物联网基础设施，打造枢纽性的物联网管理平台，构建万物互联、智能互动的物联网应用创新体系，为浦东国际机场智慧场区建设创造出“全域感知”的“神经元网络”，并着力推进浦东国际机场物联网在区域管理中的深层次、大规模、多场景的融合应用，快速形成具有浦东机场特色的物联网应用生态格局：全面推进可视化、精细化的物联管理体系;实现管理运行问题的预警、预判，增加问题早期处置时间;提高突发事件的处置效率，减小事件影响;建立多维度防护体系，提高安全等级;协同管理，优化整体工作流效率[8-10]。智慧场区顶层设计如图1所示。

2.1 智慧场区的物联网平台建设

智慧场区物联管理平台是实现对物联设备、数据及相关管理部门的统一管理平台，是机场场区物联专网中的枢纽型平台。建设智慧场区物联管理平台，实现机场场区“全域感知”的承上启下作用，对下接入多种行业终端，对上支持多种行业应用，把各种垂直的物联网应用整合成一个扁平的应用网络体系。物联网平台构架如图2所示。

浦东机场智慧场区物联管理平台总体框架可以分为4个主要层面，包括感知交互层、网络层、平台层、应用层。

（1）感知交互层

感知交互层是指物联专网架构的最底层，是数据的直接来源层，实现对物理世界的智能感知识别、信息采集处理和自动控制，并通过通信模块将物理实体链接到网络层和应用层。感知交互层是实现场区全面感知的核心能力层，是智慧场区物联专网建设中关键技术、标准化、产业化亟待突破的部分，其重点在于具备更精确、更全面的感知能力，并解决低功耗、小型化和低成本的问题，主要包括芯片模组层、终端设备层、短距接入层，由各种传感器网关和传感器构成。

（2）网络层

网络层是物联专网中间层部分，主要实现信息的传递、路由和控制，构建广泛覆盖的物联通信网络是实现智慧场区物物相连、高度感知的基础，其关键在于为物联网应用进行优化和改进，统筹整合各种通信技术，满足各类感知设备通信要求，形成协同感知的网络，构建高速可靠的传输通道。网络承载层解决的是感知层在一定范围内所获得的数据，通常是长距离的传输问题，可分为公共网络、私有网络，主要可以通过移动通信网、国际互联网、企业内部网、各类专网、小型局域网等网络传输，将感知层获取的信息，安全可靠地传输到平台层。其中，NB-IoT作为窄带物联网的主要代表，将主要承担长距离、广范围的窄带传输职能，是机场场区物联专网的核心内涵。

（3）平台层

平台层是机场场区物联专网架构的枢纽，向下接入分散的物联网感知层和网络层，汇集传感数据，向上为开发基础性应用服务平台和面向底层网络的统一数据接口，支持具体的基于传感数据的物联网应用。平台层主要包括支撑物联专网运行的应用使能、设备管理、连接管理等功能模块，提供一站式物联网服务，有效归集场区各类实时的、鲜活的、价值度高的物联数据，形成机场场区大数据的重要来源。

（4）应用层

应用层是物联网的应用领域，提供丰富的基于物联网的应用，是机场场区物联专网发展的根本目标。将物联网技术与机场场区实际需求相結合，实现广泛智能化应用的解决方案集，从机场场区实际出发，物联网应用可以服务防汛管理、环境管理、市政管理、物业管理等领域，通过对感知层采集数据进行计算和分析，实现对场区管理的实时控制、精确管理和科学决策。

2.2 窄带物联网（NB-IoT）数据传输方式

NB-IoT核心网数据传输的详细流程如图3所示。通过NB-IoT网络和IoT联接管理平台，用户和终端设备之间可以进行数据传输和反向控制。

（1）终端：UE（User Equipment），每个终端设备内设NB-IoT模组，模组内包含一个通信SIM卡，对每个终端设备进行身份编号，数据通过空口连接到基站。

（2）NB-IoT网络：主要承担空口接入处理，小区管理等相关功能，并通过S1 Lite接口与IoT核心网进行连接，将非接入层数据转发给高层网元处理。

（3）核心网：EPC（Evolved Packet Core），承担与终端非接入层交互的功能，并将IoT业务相关数据转发到IoT平台进行处理。

（4）IoT联接管理平台：目前以运营商IoT平台为主，具有数据服务、设备服务、应用服务等运营支撑。

（5）应用服务器：应用Server通过HTTP/HTTPS协议和平台通信，通过调用平台的开放API来控制设备，平台把设备上报的数据推送给应用服务器。平台支持对设备数据进行协议解析，转换成标准的Json格式数据。

3 应用介绍

3.1 项目实施

项目于2018年下半年开始实施，现在已经正式上线运行1年多。项目以巡更为主，依托NB-IoT等技术，应用了井盖监测、路灯监测、消防监测、垃圾收运监测和气象环境监测等11种物联监测终端。如图4所示为智慧场区物联管理平台展示大屏。同时，在PC端的管理平台基础上，开发移动端的APP，实现关键信息的同步显示和查询，利于领导或管理单位对平台的灵活使用。

（1）电子地图系统

电子地图即数字地图，是利用计算机技术以数字方式存储和查阅的地图。在电子地图的基础上，进行可视化的管理方式，管理者可以清楚地了解每块区域、每个设备终端的状态信息。提供基本功能：高清地图展示，个性化模板，实现地图的点击、双击、长按、缩放、旋转、改变视角等操作。

（2）巡更管理

场区为了深化现有区域巡视队伍的管理幅度，本项目完成了智慧巡更管理模块的建设。通过高精度的GPS/北斗导航设备，实时监控作业车辆的位置、状态、运动轨迹，实现巡视车辆的实时位置显示功能，设置车速、长时停留报警参数，进一步规范场区现场工作的智能化。同时，可对作业人员佩戴定位手环，进行实时定位。这一功能投入运作以来，取代以往“人盯人”的管理方式，有效减少监督力量的投入，现场巡视效率与发现解决问题的质量显著提升[11]。

（3）防汛管理

浦东机场场区承担了机场整体防汛的管理职能，部门以智慧场区物联管理平台为基础，建立机场防汛统一指挥平台，最终实现防汛指挥中心对机场各相关部门的统一调度和管理的功能，实现防汛工作的预报预警和应急事务的快速处理。

其中，浦东机场防汛体系关联整合泵站、围场河以及出海泵闸、道路、气象等不同领域。其包括雨污水泵站、出海泵闸信息化改造，围场河河道以及相邻5座节制闸的监控设施的建设，确保实时获取河道水位信息;在重点路段和积水区域设立电子水尺，精准掌握道路积水状况;建设气象终端，获取温湿度、雨量、空气质量等气象信息[1]。

（4）安全管理

安全保障是整个场区管理部管理的基本目标，保障财产安全和人身安全是工作的第一要务。安全保障涉及到楼宇安全、道路安全、作业施工安全等方面，涉及到视频管理、烟感管理、井盖管理等技术应用。

（5）环境管理

机场的环境管理可以是地上和地下三维空间、多方位多参数的环境监测，包括空气、气象环境、景观水池围场河/水质、垃圾收运、土壤监测等方面。

本项目成功完成平台对场区环境的监测，包含风速风向仪、雨量计、PM2.5空气监测器、水质监测设备、垃圾溢满监测、土壤环境检测，达到“测得准、传得快、算得清、管得好”的智慧环境监测总体目标。

3.2 运行状况

通过1年多的运行磨合，发现新系统对于场区管理的提升可以贯穿到处理事件的事前、事中和事后，不仅提高了管理效率，而且可帮助优化、完善管理细节。

（1）事前

系统的运行中，最直接的体现是外勤人员和指挥管理人员联动效率大幅提升。如图5所示，外勤人员的位置信息和事情信息可以直接反馈到系统，指挥人员可以根据系统中的综合信息（如施工信息、事件处置状态信息等）快速响应。在人员没有变化的情况下，发现事件能力大幅提升，部分事件发现的更为及时，为事件早期处置提供了较大空间。

（2）事中

在事件处置过程中，由于指挥人员掌握了更为全面的信息，包含事件描述、事件时间及责任单位，事件处置效率提升。同时，由于各分管部门通过系统更为高效的联动，可以缩短多部门联合处置事件的时间。现场照片等信息如图6所示。

（3）事后

事件处置完毕后，对事件影响的消除作用，系统表现也是很明显的。如某一施工延期事件，由于系统一直监控施工状态，安排施工带来的影响，当施工延期事件出现后，系统已提前做出预案，最大程度降低影响。

此外，通过系统的数据平台对事件事后分析，可以了解特定时间、特定区域一些易发事件的产生，可以针对性采取一些预案措施，从而提升“事前”处置能力，也为“事中”处置方式优化提供支撑，智慧化地提升整体管理能力。

4 结 语

本文通过对上海浦东国际机场智慧场区建设项目的前后梳理，得到以下总结：

（1）对物联数据的所有权、使用权和共享管理权的有效梳理，在面对复杂的管理内容时，可以有效实现数据融合;

（2）NB-IoT等技術可以缩减物联网建设时间，使大规模实现物联管理成为可能;

（3）上海浦东国际机场智慧场区的示范应用，验证了物联网在场区管理中对精细化和效率提升起到重要作用。

参考文献

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