安防物理拦阻设施拓展应用物联网传输技术初探

那音太

0 引言

当下，物联网技术已经被广泛应用，人们通过嵌入各类传感设备的方式，将各种日常物品、设施、设备、车辆和其他物品接入网络，从而实现人、流程和物之间的交互通信。5G、云计算、大数据、卫星定位等各类技术手段的不断丰富，又为万物收集和共享数据提供可能。基于物联网的数字系统可以记录、监视和调整接入网络中物之间的每一次交互，物理世界与数字世界就此融合交汇，互相协作。

安防是“安全防范”的简称。在安防领域，隔离网栏等物理阻拦设施在森林、草原、道路、能源、旅游、司法和各类重点防护单位被广泛应用，其在安全防护方面有着不可替代的特殊作用。在万物互联的时代，将隔离网栏等物理阻拦设施纳入物联网体系，依托物联网、大数据体系，进行有效、有序、稳定的物理阻拦设施日常维护和管理，全面提高综合防卫管控能力，通过智能高效管控、数据融合共享、体制机制配套上的探索和突破，探索设计基于物联网技术的物理阻拦设施智能管理方案。

1 物联网有关传输技术概述和标准选择

1.1 物联网传输技术概述

当前，物联网技术飞快演进，网络空间与物理空间正在高度重叠。作为信息科技产业的第三次革命的物联网，通过信息传感设备，按约定的协议，将各类物体节点与网络互联互通，物体节点通过信息传播媒介进行信息交互和通信，实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能已经成为现实。随着5G相关应用的大范围落地，物联网领域的应用场景也大为丰富。

按照传输距离划分，物联网传输技术分为短距离无线通信技术和低功耗广域网无线通信技术（LPWAN）。短距离无线通信技术大家较为熟知，如Wi-Fi、蓝牙等。而基于安防物理阻拦设施的特点和安防单位所处地区的地理人文，短距离无线通信技术很难适用，最优的选择应当是低功耗广域网无线通信技术。

1.2 低功耗广域网无线通信技术概述

低功耗广域网技术最为显著的特点在于“小”“低”“远”“灵”。“小”是指个头更小、设备投资更少；“低”是指功耗更低；而“远”是指其传输距离更远；而“灵”是指其接收灵敏度更优。以当下较为流行的低功耗广域网技术之一的NB-IoT技术为例，其技术特性既可以保持频移键控调制相同的低功耗特性，又可以显著增加通信距离，在提高数据传输效率的同时消除了相互干扰。例如，某智能管道NB-IoT模块，靠1节5号电池可以支撑该模块10年以上的能耗需求，接收灵敏度可达-130 dBm（分贝毫瓦，接收灵敏度单位，是指接收机能够识别到的最低的电磁波能量。接收灵敏度是以负值为单位，负数值越小，信号强度就越低，灵敏度也就越高，传输距离也就越远），而其最大传输距离可达50 km。

1.3 物理阻拦设施低功耗广域网标准选择

当前，特别是在安防需求技术要求高的偏远地区，基础无线通信网络2G/3G/4G/5G等多种制式并存，5种通信模式13种频率或者更多种频率并存，低功耗广域网就必须要满足这种多制式、复杂无线网络的有效稳定接入。低功耗广域网技术特点是，可以非常友好地嵌入多种物理阻拦设施，使重点安防部门的隔离网栏等各类物理阻拦设施全面接入物联网，进而使实现安防领域人防、物防、技防相融合的综合智能防护体系成为可能。

目前，国内应用较为广泛的低功耗广域网标准主要是授权频谱下的NB-IoT和未授权频谱下的LoRa技术两种。具体应当选择NB-IoT和LoRa哪一个标准，或是其他技术标准，应基于自主可控、地理气候条件、运营商通信支撑、投资预算、智能化实现等诸多方面，进行科学综合考虑后审慎确定。

因低功耗广域网的核心技术绝大多数掌握在国外企业手中，考虑到自主可控因素、2G/3G/4G/5G多制式协同组网模式下的兼容和国内通信运营商对NB-IoT技术的推崇，综合其他相关因素，本文中将以华为主导的NB-IoT标准为例初探安防物理阻拦设施智能化管理。

2 物理阻拦设施智能化管理系统初设

采用物理信息采集+NB-IoT物联网管理平台的管理方式，以NB-IoT物联网管理平台为指挥中心，以巡逻、告警、管护的作业流程为基础，融合物联网技术和大数据技术，实现对流程、人员、设备的全方位管理。

2.1 物理阻拦设施物联网系统设计应遵循的原则

（1）准确性。准确性是系统开发需要遵循的基本原则，当突发事件触发时，系统必须准确发出响应。传输网络的可用度，往往会导致数据传输的误码率，以至于发生系统误判。

（2）稳定性。重点安防地区的地理气候路况等条件大多较为复杂，维护检修难度大，稳定性的要求应该是重要指标。

（3）及时性。系统应该对突发事件做出快速响应。

（4）友好性。友好的交互界面有助于操作者对状态的快速识别。

2.2 智能安防物理阻拦设施物联网体系技术要求

目前，安防管理在法律法规等制度层面已经非常健全，所以在智能化管理上应当将关注重点放在制度推导所延伸出的日常和应急流程上。这就要求智能安防物理阻拦设施物联网体系对安防视频前端、各类物理阻拦设施，甚至是人力资源进行资源最优配置。该系统的运行必须可靠且灵活机动，对于自然环境的适应性强，日常管控指挥等流程信息流和物理阻拦设施信息流要求高度融合。智能安防物理阻拦设施物联网应满足以下技术要求和特点。一是具有坚强的安防基础管控体系和各项关管控技术体系，能够抵御各种人为攻击破坏和自然干扰，能够适应多变的环境，使安防综合管控体系的坚固性得到进一步巩固和显著提升；二是信息技术、触发技术、传感器技术、自动控制技术和安防基础设施有效融合，可以全面获取安防物理阻拦设施的全景全时段信息，第一时间发现并预判可能发生的安全隐患；三是现代化通信信息技术结合管控管理技术的综合应用，将极大提高物理阻拦设施使用养护效率，节约安防管控人力、物力、财力；四是实现全时段信息的高度集成、共享和利用，为安防综合指挥展示全面、完整和精确的安防物理阻拦设施防护状态，实现画面捕捉、动态追溯、触碰感知等功能，提供必要的辅助决策支撑、情况调度和初步应对预案；五是建立实时互动的信息交互模式，授权相关方可以实时了解视频前端、各类物理阻拦设施的运行情况和状态，合理安排人力物力部署等。

另外，该系统需要通过传感器、网关、传输系统、中心软硬件构成一个局域网。为了保证上述基本性能，系统设计还应当确保户外设备稳定性和可靠性，保证良好的温度特性、防水密封等性能；要确保传输系统的良好可用度和带宽冗余，必要时考虑多方式、多路由的备份；要充分考虑网络安全，通过数据加密、北斗定位、身份认证、防火墙等技术手段防范入侵、窃听、破坏；通过信道纠错编码、ARQ重发协议等提升网络服务质量（QoS）。

2.3 基本架构及功能设想

一个平台型综合物联网管理系统的设计，少不了用户管理、产品设备管理、数据流模板、触发器、外部接口、智能分析、规划引擎等各种功能模块的设计。本文着重讨论以设备管理、数据流模块管理和触发器管理为核心的在线监测系统设计。

基于物联网的安防物理阻拦设施在线监测系统，是安防各类防护设施进行“万物互联”的核心系统，其基础信息、运行信息、灾害预警信息和环境监视信息等状态信息必须要符合智慧安防的目标要求。如表1所示。

表1 安防物理阻拦设施在线监测系统状态信息表

2.3.1 监测系统的基本结构

监测系统的基本结构如图1所示，其结构可分为应用系统、数据中心和数据应用三个层次。

图1 监测系统的基本结构

应用系统层由多个独立的系统构成，每一个应用系统反映某一类型设施运行状况，如视频监测系统、气象风险系统、设施状态系统、红外监测系统等。这些应用系统虽集成在一个综合的平台系统中，但彼此独立运行，这样可以有效保障各类型设备的有效稳定运行和数据流的有序。数据中心层将各个独立系统的数据集成汇总梳理，进行统一管理、统一处理、统一综合分析，实现各类数据有效融合。数据应用层则基于全时段监测数据建立安防综合管理虚拟现实模型，可以利用更为先进的技术构建各个关键防护点位虚拟现实图像，实现监测系统可视化。数据应用系统采取B/S架构（浏览器/服务器架构），用户机端可以用浏览器查询各类数据信息，同时进行自主分析，实现对综合管理的决策支撑。当然，C/S（客户机/服务器）架构也可以实现这些功能，其安全性、可靠性、交互性、自主性可能更优，但成本也较高。

2.3.2 监测系统所互联的“物”的信息

监测系统中所互联的“物”，有水泥桩、金属桩、铁丝网等多种。安防物理阻拦设施，如铁丝网应达到桩正线直、基础牢固、间隔均匀、网面平顺，加固措施完善，整体抗力强的特点，而以上特点恰是物联网模块监测的重点物理指标。在具体实施中，应对现有水泥桩构件进行改造，对于水泥构件中的金属断裂、弯曲进行监测；对金属桩断裂、弯曲进行监测；对铁丝网结构进行升级改造，针对常用材质，如对12号热镀锌铁丝主挂件处进行改造加装物联网模块，对网状结构的松弛度等物理指标进行监测。对以上设施设备进行改造后，物联网设备可对断裂、松弛、异动进行实时监测。系统则通过触发器来监控数据，实现特定条件的事件告警，按照事先设定的监测事件触发条件、数据流，以设定的形式发出告警信息并推送到综合指挥调度中心和特定人员移动端设备。

2.3.3 设备定期自检+巡逻随检+定期维护检查

对物理阻拦设施物联网模块定期进行系统同步自检，并将状态信息报送至后台，如设备倾斜角度、松弛度、异动信号、电量等信息，进而确保物理阻拦设施物联网模块和系统是否正常。另结合巡逻随检和维护单位定期维护检查，切实保护智能物理阻拦设施智能化功能和物理功能的正常运行。

2.3.4 特定区域模块加强

在安防区域边缘的冲沟、水沟、涵洞等易毁处和易钻越通道处，除应按现行物理阻拦实施加强防护外，也应有针对性开发水浸漫、流速、测距等特殊物联网模块，以智能化方式补足现有短板。

2.3.5 其他方面

比照常规巡检系统，该系统还需具备权限管理、日志管理、数据分析、综合定位等诸多功能，特别是要加强与北斗卫星定位系统融合的探索。

2.4 物理阻拦设施智能化管理系统架构初设

使用NB-IoT技术组建的广域无线物联网称为NB-IoTWAN，基于其应用笔者初设了如图2所示的安防物理阻拦设施智能化管理架构。

图2 基于NB-IoT技术的安防物理阻拦设施智能化管理架构

物理阻拦设施的状态信息（人为毁坏、动物毁坏、水毁、风毁等各类信息）通过触发系统NBIoTWAN依次接入联通物联网平台、NB-IoT物理阻拦设施智能管理系统，最后至综合指挥调度中心。综合指挥调度中心通过决策机制或应急机制将指令通过软件系统和移动端设备下达至人防体系和技防体系，人防体系和技防体系通过调用相关人员或设备进行物理阻拦设施现场巡检完成智能闭环管理，进而实现智能物理阻拦设施终端信息接入、存储、分析，将各类物理阻拦设施的即时状态、日常维护、检修、告警等信息在NB-IoT物理阻拦设施智能管理系统展示，并同步推送至相关决策管理人员移动端App或北斗终端设备。

3 未来进行深入设计的着力点

一是打破体质机制壁垒，建立长效科学的管理机制；二是组建跨部门、跨行业，负责审核、授权等各项管理事项，调度有序的高效管理部门；三是加强多领域人才技术资源融合共享，特别是视频前段技术的热成像、生物识别、智能防护技术的融合共享。

4 结束语

安防物理阻拦设施既是物理屏障也是技术屏障，切实加强安防领域物联网管控水平，提高防卫管控能力，是各类安全防护单位的重要工作内容。推进物理阻拦设施物联网技术的应用，是加快智慧安防工作可以探索的一个方向。物理拦阻、执勤巡逻、视频前段等信息化管控设施的不断智能化演进，可以有效改善安全防卫警戒、查验监管的工作条件，将为维护相关单位安全管控水平，甚至是社会安全奠定坚实的基础。

依托信息化技术的不断演进，将可视化监控系统、监控站、夜视仪眼镜、北斗卫星电话、望远镜、对讲机、手持各类终端、各类物理设施的各类设施设备通过物联网、云计算等技术实现安防“万物互联”，将各类人防、物防、技防信息纳入安防大数据体系，全面形成构建“各类设施设备贯通，体制机制衔接有序”的现代化智慧安防管控指挥体系，让安防工作借助科技力量实现新的飞跃。■