物联网概论及在铁路信息安全中的应用.docx

物联网概论及在铁路信息安全中的应用作者： 学号：班级：北京交通大学 摘 要：物联网是新一代信息技术的重要组成部分。其英文名称是“The Internet of things”。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融合应用，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网是互联网的应用拓展，与其说物联网是网络，不如说物联网是业务和应用。因此，应用创新是物联网发展的核心，以用户体验为核心的创新2.0是物联网发展的灵魂。满足铁路建设快速发展对运输安全日益严格的要求，提出建设基于物联网的铁路安全信息保障系统。通过分析物联网的技术特点和铁路安全信息传输工作的需求，阐述基于物联网的铁路安全信息保障系统的基本结构和工作流程，描述该系统涉及的相关核心问题与技术，提出建设基于物联网的铁路安全信息保障系统，以推动铁路运输的进一步发展。关键词：物联网；物联网应用技术；铁路安全信息保障；传感器网络；云计算1 物联网1.1基本定义物联网指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络. 它是在互联网基础上延伸和扩展的网络。1.2 基本特征 （1）全面感知 通过射频识别、传感器、二维码、GPS卫星定位等相对成熟技术感知、采集、测量信息;（2）可靠传输 通过无线传感器网络、短距无线网络、移动通信网络等信息网络实现物体信息的分发和共享;（3）智能处理 通过分析和处理采集到的物体信息，针对具体应用提出新的服务模式，实现决策和控制智能。1.3 体系结构（1）基于USN架构物联网感知环节的异构特性决定了它的开放、分层和可扩展的网络体系结构。目前研究人员在描述物联网的体系框架时，多采用国际电信联盟ITU-T的泛在感应器网络体系结构作为基础（如下图所示）。该体系结构自下而上分为5个层次，分别为传感器网络层、泛在传感器网络接入层、骨干网络层、网络中间件层和USN网络应用层。在谈到具体的物联网应用时，一般传感器网络层和泛在传感器网络接入层合并成为物联网的感知层，主要负责采集现实环境中的信息数据。当前的骨干网络层在物联网的应用当中是目前的互联网，那么未来将被下一代网络NGN所取代。，而物联网的应用层则包含了泛在传感器网络中间件层和应用层，主要实现物联网的智能管理与计算。（2）基于M2M架构M2M架构，就是USN的一个简化版本。在这个架构当中，从左至右网络就分为了应用层、网络层和感知层三层体系结构，与物联网结构相对应。在每一层当中，都有不同的技术标准来定义物联网应用。比如在感知层，它就包括了IEEE的Zigbee标准802.15.4，CeneLec的智能仪表标准。在网络层，有ETSI的M2M通信标准，Cen的智能仪表网络层标准协议。应用层有Zigbee联盟协议，W3C标准协议等等。1.4 关键技术在物联网应用中有三项关键技术：（1）传感器技术，这也是计算机应用中的关键技术。大家都知道，到目前为止绝大部分计算机处理的都是数字信号。自从有计算机以来就需要传感器把模拟信号转换成数字信号计算机才能处理。（2）RFID标签也是一种传感器技术，RFID技术是融合了无线射频技术和嵌入式技术为一体的综合技术，RFID在自动识别、物品物流管理有着广阔的应用前景。（3）嵌入式系统技术是综合了计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术为一体的复杂技术。经过几十年的演变，以嵌入式系统为特征的智能终端产品随处可见；小到人们身边的MP3,大到航天航空的卫星系统。嵌入式系统正在改变着人们的生活，推动着工业生产以及国防工业的发展。如果把物联网用人体做一个简单比喻，传感器相当于人的眼睛、鼻子、皮肤等感官，网络就是神经系统用来传递信息，嵌入式系统则是人的大脑，在接收到信息后要进行分类处理。1.5 应用模式与应用领域1.5.1根据其实质用途可以归结为三种基本应用模式：（1）对象的智能标签。通过NFC、二维码、RFID等技术标识特定的对象，用于区分对象个体，例如在生活中我们使用的各种智能卡，条码标签的基本用途就是用来获得对象的识别信息；此外通过智能标签还可以用于获得对象物品所包含的扩展信息，例如智能卡上的金额余额，二维码中所包含的网址和名称等。（2）环境监控和对象跟踪。利用多种类型的传感器和分布广泛的传感器网络，可以实现对某个对象的实时状态的获取和特定对象行为的监控，如使用分布在市区的各个噪音探头监测噪声污染，通过二氧化碳传感器监控大气中二氧化碳的浓度，通过GPS标签跟踪车辆位置，通过交通路口的摄像头捕捉实时交通流程等。（3）对象的智能控制。物联网基于云计算平台和智能网络，可以依据传感器网络用获取的数据进行决策，改变对象的行为进行控制和反馈。例如根据光线的强弱调整路灯的亮度，根据车辆的流量自动调整红绿灯间隔等。1.5.2 应用领域（1）平台与接口Pachube：实时网络服务平台Pachube的最大贡献是通过提供基于互联网的网络服务平台，在业务上将感知层和应用层逻辑分离开来;Pachube为IoT感知设备和网络应用提供了统一的网络开发接口;ArcGIS：专业地理信息处理引擎地理信息系统(GIS，Geographic Information System)是以采集、存储、管理、分析、描述和应用整个或部分地球表面(包括大气层在内)与空间和地理分布有关数据的计算机系统。ArcGIS作为专业的地理信息系统，不仅能够提供地图可视化查询和定位，更能够通过空间分析，寻找到不同的地理因素之间的内在联系，从而帮助决策者在更加全面、系统地把握信息的基础上进行科学的决策。随着感知数据类型和容量的快速增长，ArcGIS在专业地理信息处理方面的优势逐步显现，成为物联网应用不可或缺的一部分。（2）健康与健身（3）智能电器（4）工业应用仓储管理目前RFID技术正在为供应链领域带来一场巨大的变革，以识别距离远，快速，不易损坏，容量大等条码无法比拟的优势，简化繁杂的工作流程，有效改善供应链的效率和透明度。托盘是供应链中最基础也是最主要的货物单元，它已经广泛应用于生产、仓储、物流、零售等各个供应链环节。 智能运输近年来, 被原油价格不断上涨所困扰的石油化工行业,重新把提高物流效率作为现实的研究课题。其中, 散杂货物流的大型化和大量化的改进工作一直在探讨之中。（5）医学应用医学物联网，就是将物联网技术应用于医疗、健康管理、老年健康照护等领域。医学物联网中的“物”，就是各种与医学服务活动相关的事物，如健康人、亚健康人、病人、医生、护士、医疗器械、检查设备、药品等等。医学物联网中的“联”，即信息交互连接，把上述“事物”产生的相关信息交互、传输和共享。医学物联网中的“网”是通过把“物”有机地连成一张“网”，就可感知医学服务对象、各种数据的交换和无缝连接，达到对医疗卫生保健服务的实时动态监控、连续跟踪管理和精准的医疗健康决策。1.6.两化融合邬贺铨指出，以前提“两化融合”还比较泛泛，而物联网是“两化融合”的切入点，可以大大促进信息化的应用。物联网大量的应用是在行业中，包括智能农业、智能电网、智能交通、智能物流、智能医疗、智能家居等等。国家发展物联网的目的，不仅是产生应用效益，更要带动产业发展。有了物联网，每个行业都可以通过信息化提高核心竞争力，这些智能化的应用就是经济发展方式的转变。李广乾认为，智能化是信息化与工业化“两化融合”的必然途径，其技术核心无疑就是物联网，但要权衡好投入与产出，量力而行。2. 物联网与铁路信息安全保障系统的融合在两化融合的背景与趋势下，物联网技术也运用到了铁路运输中。2.1铁路信息安全保障系统概述 为保证正常铁路运输安全及对突发事件准确高效地应对铁路运输的各类安全信息需要全面、实时地获取和监测。根据人-机-环境系统工程理论，可以将铁路运输涉及的安全信息分为人员信息、设备信息、环境信息3类。人员信息包括司乘、站段、场段、铁路局等作人员的情况及旅客相关信息。设备信息可以细分为地面设备信息和车载设备信息两部分。铁路运输系统巾包含各类设备，其信息量尤为大。随着列车速度逐渐提高，行车密度逐渐增大，现有的基于人工、间歇性的信息收集方式难以满足铁路运输安全信息日益严格的要求。主要体现在以下几个方面：(1)高速铁路需要更多实时，可靠的车地信息自动交换更为严格、精确地实时处理行车调度及安全信息；(2)重载铁路需要更为准确、及时地获取和监控钢轨状态和轮轨信息更为智能地保证重载列车的在途安全；(3)普速铁路需要更为严格地利用相关监控设备减少司乘、调度人员的误操作对列车运行带来的安全隐患从而保证列车正点到达；(4)铁路快捷货物运输需要更为高效地保证场站内装车工作顺利完成尽可能减少货车超载、偏载、超限等一系列问题。2.2基于物联网的铁路安全信息保障系统通过分析物联网的特点和铁路安全运输要求，不难发现铁路安全运输需要的信息获取、传输、处理正是物联网的强项。通过物联网对各种信息的获取处理。在保障铁路运输安全、可靠的同时还能通过对海量历史数据发掘和处理，建立相应的智能专家系统，对提高运力做出进一步优化，对可能发生的安全隐患做出预警。基于这样的思路，可以搭建基于物联网的铁路安全信息保障系统。基于物联网的铁路安全信息保障系统首先通过各种感知、识别手段获得海量数据由于涉及庞大的信息量，所以数据传输前必须依赖具有计算能力的感知没备进行数据融合及相应的预处理，在不影响数据精度的前提下尽可能压缩数据容量。另外，根据各种数据的特性，还需要对所有获得的数据进行实时、非实时的类别划分，以保证不同传输要求的数据都能按需高效处理。铁路安全信息保障系统的网络层可以充分借助现有及新型的通信网络传输数据，利用铁路专用通信网传输优先级最高的列控数据和各种预警、故障信息；利用传感器网络直接传输车上、地面传感器获得的海量历史数据。如果原有网络数据传输发生中断，可以依赖公众通信网、自组织网络进行中继传输；各种附加信息的传输还可以依赖国际互联网完成。在铁路安全信息保障系统的应用层，各站段会对各自收集到的信息进行二次汇总和处理。基于这些信息可以建立各种智能系统。基于车载和地面设备的工作数据可以分析故障发生原因，从而建立智能的设备检修与故障预警系统。基于各种故障信息可以及时进行应急救援从全局角度调派人力、物力资源。基于各种行车数据和数据挖掘技术可以进一步提出铁路运输调度优化建议。2.3 物联网与铁路安全保障机制融合的核心技术2.3.1网络总体规划与无线频率申请第一，为保证网络能够满足不断发展的应用需要，新建的安全信息保障系统要具有良好的可扩展性。为将来新增监控信息类型留出合适的系统接口。第二，为保证网络可靠运行，安全信息保障系统要有足够的可用性通过撒布冗余传感器节点保证监控数据能可靠获得。第三不同的铁路线路所承载的业务不同，需要监测的项目也不同，要求新建的安全信息保障系统要有足够的灵活性，可以在同样的基础框架上根据不同的需求进行定制，提供差异化服务。第四，作为一个大规模的网络系统。新建的安全信息保障系统也要满足相应的可管理性。第五，基于物联网的铁路运输安全信息保障系统本身也应满足极高的安全性要求。另外，在网络建设之前，必须考虑物联网无线通信采用的无线频率的申请问题。但大量同频段通信设备的存在，该频段必然面临更加恶劣的通信干扰。为了实现铁路安全信息保障系统的可靠运行，有必要考虑申请专门相关的无线通信频率。2.3.2线传感器网络与RFIDEPC系统无线传感器网络由一系列传感器、数据处理和通信单元的网络节点构成。基于物联网的铁路安全信息保障系统中，无线传感器网络除要面对能耗、多跳路由等传感器网络中的典型问题外，还急需解决一些特殊的技术问题。（1）大背景噪声下准确获取信息。列车运行状态下轮轨之间摩擦会带来不小噪声，如何确保感知层对信息的准确获取是一个重要问题。（2）高效分配无线资源。在网络节点密度较高的情况下，无线信道的广播特性使节点对无线信道的争抢、传输数据的碰撞越发频繁。在列车安全保障系统中为获得各类监控数据，必将布设海量的传感器节点，如果没有专门的无线资源分配方法，无线传感器网络的性能可能急剧下降，甚至无法传输数据，这对铁路安全运输极为不利。（3）满足不同服务质量要求的信息传输。不同数据往往有不同的传输优先级，在满足感知数据正常传输的前提下，还应为不同数据流提供差异化的传输服务。检测到的故障信息应该具有最高的网络传输优先级，在可用无线资源都被占用的情况下，能够通过强行占用的方式争抢信道。物联网感知层的另一重要组成部分的RFID与产品电子代码(Electronic Product Code，EPC)系统，利用无线信号识别特定目标并读写相关数据的特性，为了实现真正意义上的大规模应用，RFID和EPC系统的各个组成部分还需要进一步控制成本。2.3.3异构无线网络与三网融合技术异构网络的最大特点是：当数据传输的预定网络发生故障或拥塞时，系统可通过其他共存网络完成数据中转。这种互为备份的可靠通信方式引发了异构网络融合技术的相关研究。电信网、计算机网和有线电视网络之间的三网融合，有望通过对三大网络的技术改造，提供语音、数据、图像等综合多媒体的通信业务。铁路安全信息保障系统的网络层也将是由多种不同类型的网络组成的异构网络。铁路安全信息保障系统中的海量数据往往具有极强的时效性，所以要保障异构网络端到端的数据传输服务质量(QoS)，需要分析铁路安全数据传输的QoS要求，设计实现端到端QoS保障机制、协议和系统架构，制定相应的标准和规范以及QoS评估方法和标准。2.3.4专用移动互联网作为我国铁路信息化建设的重要组成部分，以铁路数据网、传输网、交换网为基础的中国铁路互联网(CRNET)经过数十年的发展与建设，已经能够通过有线网络向用户提供铁路货运、客运信息，列车到站实时信息、铁路行业产品信息及围绕铁路运输生产的各类综合管理信息。CRNET应与移动通信技术融合，建立服务于铁路安全保障的专用移动互联网。与公众移动互联网相比，专用移动网络能够更方便地允许工作人员随时直接访问CRNET内部资源，更可靠地传输各类检测数据和安全信息。所以，专用移动互联网将成为新的铁路安全信息保障系统中网络层的重要组成部分。2.3.5数据中心与云计算网络层的高效数据传输能力，感知层获得的所有与铁路运输安全相关的监控数据可以被传输到全国任意一个角落，所以在新的铁路安全保障系统中可以将原本设置在各个站段、铁路局的数据处理机房集中到新建的大规模数据中心和云计算系统巾。所谓的“云”能够将计算能