重大自然灾害减灾防灾应急物联网中若干关键

1,我国物联网发展面临的机遇和挑战及重大自然灾害应急物联网中若干关键传感器及网络技术,姚建铨(JianquanYao)天津大学精密仪器与光电子工程学院教授、博士生导师、名誉院长天津大学激光与光电子研究所所长国家教育部科技委副主任武汉光电国家实验室（筹）副主任中国科学院院士InstituteofLaser另一类是非功能型（传光型）传感器。,51,一、功能型传感器,功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件,被测量对光纤内传输的光进行调制,使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化,再通过对被调制过的信号进行解调,从而得出被测信号。光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等,52,二、非功能型传感器,非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术；比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。,53,光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。目前光纤传感器已经有70多种，大致上分成光纤自身传感器和利用光纤的传感器。,54,所谓光纤自身的传感器，就是光纤自身直接接收外界的被测量。外接的被测量物理量能够引起测量臂的长度、折射率、直径的变化，从而使得光纤内传输的光在振幅、相位、频率、偏振等方面发生变化。测量臂传输的光与参考臂的参考光互相干涉（比较），使输出的光的相位(或振幅)发生变化，根据这个变化就可检测出被测量的变化。光纤中传输的相位受外界影响的灵敏度很高，利用干涉技术能够检测出10的负4次方弧度的微小相位变化所对应的物理量。利用光纤的绕性和低损耗，能够将很长的光纤盘成直径很小的光纤圈，以增加利用长度，获得更高的灵敏度。,55,光纤声传感器就是一种利用光纤自身的传感器。当光纤受到一点很微小的外力作用时，就会产生微弯曲，而其传光能力发生很大的变化。声音是一种机械波，它对光纤的作用就是使光纤受力并产生弯曲，通过弯曲就能够得到声音的强弱。光纤陀螺也是光纤自身传感器的一种，与激光陀螺相比，光纤陀螺灵敏度高，体积小，成本低，可以用于飞机、舰船、导弹等的高性能惯性导航系统。,56,另外一个大类的光纤传感器是利用光纤的传感器。其结构大致如下：传感器位于光纤端部，光纤只是光的传输线，将被测量的物理量变换成为光的振幅，相位或者振幅的变化。在这种传感器系统中，传统的传感器和光纤相结合。光纤的导入使得实现探针化的遥测提供了可能性。这种光纤传输的传感器适用范围广，使用简便，但是精度比第一类传感器稍低。光纤在传感器家族中是后起之秀，它凭借着光纤的优异性能而得到广泛的应用，是在生产实践中值得注意的一种传感器。光纤传感器凭借着其大量的优点已经成为传感器家族的后起之秀，并且在各种不同的测量中发挥着自己独到的作用，成为传感器家族中不可缺少的一员。,57,电系统(Micro-Electro-MechanismSystem,MEMS)、片上系统（SOC，SystemonChip）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展,孕育出无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。,58,用于振动测量的全光纤传感器,的全光纤传感器测试频率可以从零点一赫兹以下到数十仟赫,测试加速度可105g。该系统采用光纤耦合器和单模光纤构造干涉光路,通过干涉光在系统中的正反传输时,由于振动源对干涉光束反射时的位置不同,形成了系统的干涉,从而进行振动位移,速度和加速度测试。而且这种新型结构的全光纤干涉系统能够消除干扰信号,提高测量精度和系统的稳定性。本文主要介绍了该系统的工作原理及其在超低频振动测试和冲击波测试中的应用。,59,用于地震波测试的光纤位移传感器,提出一种使用GRIN透镜和菱形光阑构成的光强度调制的地震波垂直位移测量原理.对系统的输出光强与位移之间的耦合关系进行了分析计算以及仿真.该系统具有结构简单、动态范围好、灵敏度可调、抗电磁干扰等特点.并与常规磁电式的地震检波器在线测试比较,得到了比较满意的结果.,60,强度型光纤位移传感器体积小、精度高、不受电磁干扰、可实现非接触测量,因此日益受到人们的青睐,被广泛地用于测试技术等领域中.本文采用一种透射式光纤位移传感器,以地震波产生的地表振动来调制透射光强强度的原理,给出了振动位移的理论计算结果和仿真,并与传统的地震振动测试系统的磁电式换能器进行在线测试对比,结果两者相一致.,61,实验装置包括1310nm的50WLD光源,单模光,PIN光电二极管,d=22.5的菱形孔片,直径0.9mm的光纤准直器(Grin透镜),磁电式振动测量仪,振动位移记录仪.标定量程02.5mm.实验地点选在上海市佘山地区地震监测站进行,测试对象为基岩垂直脉动微位移.使用该系统和磁电式振动测量仪同时对基岩垂直脉动微位移进行实时测量,测试结果如图5所示.,62,实验证明在振动测量过程中,该全光纤传感器测试结果理想。能够达到预期设想,且结构简单,设计和制造方便,不受电磁场干扰以及各种辐射的影响,在多种恶劣环境下均可正常工作。目前,该系统已经作为振动测试仪器,在振动测试和冲击波测试领域开始应用。,63,光纤湿度传感器研究进展,光纤渐逝波耦合湿度传感器光纤渐逝波耦合器是由熔融拉锥技术制备的,它利用氢氧焰对两根贴近的单模光纤加热,使光纤处于熔融状态,并采用程控的平移台向相反方向匀速运动,加热区逐渐变细,这样,光纤模式中的渐逝波能量逐步增强,并与相邻的光纤相互作用,从而实现基于渐逝波的光纤耦合器。为了实现对光纤耦合器拉制过程中分光状态的动态监控,将确定波长的光从一个端口输入,并实时监控两输出端口的功率变化,获得所需分光比。,64,光纤湿度传感器相对于传统湿度传感器有许多优势,如传感器制作工艺更简单、体积更小,能做成直径03mm以下的微型探头;抗腐蚀,耐温性能更好(直接测量可达200#以上);使用寿命长,稳定性好;不受电磁干扰和核辐射影响,在恶劣的环境中仍能正常工作。湿度测量范围较宽(典型值10%90%RH);响应速度快(典型值可小于15s),湿滞回差小(典型值15%);灵敏度高(最高003dB/%RH),温度系数小(典型值025dB/#)。利用改性聚酰亚胺或多孔硅薄膜的光纤布拉格光栅湿度传感器,测量范围宽,测量下限较低(可达5%RH),比较易于进行温度补偿,寿命长,且复用功能强,可作为狭窄空间多点长期监测的湿度传感器。但光纤式湿度传感器的测量范围在低湿段尚未达到3%RH以下,高湿段未达到95%RH,有待于进一步研究。,65,激光高程测量,激光高程测量是采用激光扫描技术对微地形进行测量。它可以达到比较高的测量精度,测量结果可以用于描绘等高线,其误差仅5cm。激光测量的原理是:通过飞机发射高密度激光,之后回测激光返回的时间差,以此测出高程(图1)。采用微电路或旋转定位仪定位。由于采用高密度激光测量,有障碍物如高大的树木也不会影响到测量。,66,微地形测量可以采用激光扫描测量,大范围的地形测量也可以采用该方法。它是通过将较陡的等高线用较暗的颜色或较白的颜色区分来实现的。例如较暗的颜色代表较陡的地形,较白的颜色则代表平缓的地形。图2是日本关西地区某大坝周围的地形图。,67,用三维激光成像技术调查高陡边坡岩体结构,ILRIS3D激光成像系统,是通过激光脉冲测距仪和扫描系统,以每秒6000个点的捕获频率,对物体的形状、位置和色彩进行测量,并构建物体的三维结构模型(图1、2)。与传统的照相技术相比,三维激光成像系统具如下优势:照相技术所得图像为2D平面固定图像,无法获得点空间位置、距离、表面区域范围、体积等数据;三维激光成像系则可获得完全实景的数字模型,可获得点、线、面三维实体模型,并自动探测物体边缘,加以过滤、平滑和加色;可从任意角度剖分所建立的三维数字模型;完全的3D显示图像。可精确显示和揭露复杂图像细节。,68,营盘山高陡边坡岩体结构调查的理论分析与工程实践表明,基于传统的罗盘+皮尺岩体结构调查方法,已难以适应地质工程学科的快速发展。尤其是越来越多的高陡边坡岩体结构调查中,传统方法已不能满足岩体结构调查需要。而新近发展起来的三维激光成像技术,经过相应的软件开发与改进后,在地质工程岩体结构调查领域,显现了强大的功能和广阔的应用前景。三维激光成像技术的引入,必将引发岩体结构特征参数测试技术革新性的发展。,69,将减灾防灾与能源技术相结合：在我国范围内有很多采煤及采盐留下的大小不等的空腔，这些空腔也会造成塌方及滑坡等灾害，可将这些空腔作为CO2储存或发电的场地，则两者兼行，既可避免它造成的灾害，又可对处理废气，节省能源发挥作用。,在特定条件下，卫星、气艇不能使用时，可发射应急小卫星系统，采用THz通信解决信息系统的关键。,70,项目概要、背景、目的和意义,近年来，世界范围内地质灾害频频发生，我国是地质灾害发生和损失极为严重的国家，20世纪80年代以来，所发生的一次性伤亡人数在100人以上或直接经济损失过亿元的灾难性崩滑事件就达数十余起，汶川地震触发了新的地质灾害近1.5万处，甘肃舟曲县东北部暴雨引发特大泥石流，造成1364人死亡，401人失踪。相继发生的特大地质灾害给人民和国家的生命财产安全造成了重大损失，引起了有关部门和社会大众对此的高度重视。本项目相关开发落实“十二五”提出的要努力实现九大目标之一，即大幅提高地质灾害调查程度和预警预报能力。为了预防和预报诸如泥石流、山体滑坡等地质灾害，构建防灾减灾应急物联网。攻克其中的三大关键核心技术问题，即防灾减灾联合感知技术、自组网络及传输技术以及防灾减灾应用平台中间件体系结构及开放接口，实现我国有自主技术原理的应用产品，有效及时预警地质灾害。,71,（1）天津天地伟业数码科技有限公司是国内安防监控领域的领军企业，在物联网视频传感及网络技术开发方面具有丰富经验，公司先后承担工信部电子信息产业发展基金、招标项目和天津市自主创新重大和一系列重点科技项目，取得了显著成果，为此项目相关核心技术攻关与研究提供有力保障。拥有两项国家重点新产品、九项天津市自主创新产品、多次获得天津市科技进步奖。（2）天津大学此次参加该课题的是以姚建铨院士为所长的天津大学激光与光电子研究所，该所是“光电信息技术科学”教育部重点实验室、国家“光学工程”重点学科重要组成部分，研究所正承担973项目（“光纤传感网络及关键技术的基础研究”）中的第一课题“光子晶体光纤传感器的研究”（项目编号为：2010CB327801），为该项目奠定了理论及技术方面的基础。,项目前期开发情况及所具备基础,72,（3）南开大学此次参加该项目的是孙桂玲副院长带领的课题组，该组在无线传感器网络方面具有丰富的研发经验和专业知识，已成功地完成20多项具有国内及世界领先水平的研究课题，承担并完成了国家863项目、国家自然科学基金项目多项，具有承担大型科研项目的丰富经验。课题组承担了国家高技术研究发展计划(863计划)“多维多参量光纤光栅无线传感器网络系统研究”的重要子课题，现已结题并被评为国际领先水平，为本项目的开展提供有效的网络技术支持。（4）天津博宇铭基信息科技有限公司公司以技术研发为核心，以物联网为主线，以行业应用为驱动，结合无线传感器技术、智能控制技术和可视化综合信息管理平台技术，采用先进的软硬件体系架构，着重研发物联网应用中间件技术和网络综合管理系统，实现统一平台、统一认证、统一数据、统一通信的可视化综合管理平台。公司研发团队在自主创新的中间件体系结构基础上，已开发出国内领先的可视化网络综合信息管理平台，并已广泛应用与学校，政府和企业的综合信息管理中。,项目前期开发情况及所具备基础,73,项目目标（1）,1、构建重大地质灾害的应急预警物联网系统，及时警示灾害的发生，降低灾害的破坏力及经济损失。2、抓住核心关键技术攻关，研究高清晰度、高灵敏度、低噪声图像传感器，在线实时监控地理位置的变化情况。3、研究低功耗的无线传感器节点，无线自组网传感器节点芯片设计与测试，完成流片，研究自动能源补给技术。4、研究分布式光纤传感器。5、将物联网监测数据建立数学模型，完成传感、传输、预测的有机结合。,74,项目目标（2）,6、拟决定以510平方公里的地区作为监测区域，依据地形特征进行不均匀的节点部署，每平方公里内平均部署6到10个勘测不同类型的传感器节点，分别对图像、振动、位移、降水量、角度变化、压力、水位和温度参量联合感知技术进行实时采集，并通过专网或自组织的网络进行数据传输与处理，利用云计算中间件体系进行数据融合、处理和上传。通过研究其中若干关键核心技术，实现我国具有自主知识产权的应用产品，以达到提高地质灾害预警预报的成果。,75,研究内容,项目主要研究内容,76,77,基于地质勘测的信息采集模块,自主研发基于TTA架构WSN专用处理器模块,太阳能电源供电模块,数据融合和数据存储综合处理模块,通信频率可调的通信模块,建立太阳能供电系统模型分析节点间各模块的供电关系完成太阳能供电的具体解决方案。,实现无线传感器节点低功耗研究频段和通信速率自适应控制,降低信息冗余度，减小网络传输数据的负担，降低能耗。,78,区域勘测基站中央处理器单元负责整个网络的信息采集的控制管理，数据处理，数据融合，数据传输的控制管理等工作。,79,路由算法的研究,多模式接入网络的研究,探索合适的路由算法，以使能量在各WSN节点中均衡分布,在大范围内，人为确定关键点作为汇聚节点，根据需要选择、配置区域网络的接入方式：在地质状况变动频繁的时段，地质灾害频发的地区，根据需要，增加勘测点设置密度、增强网络勘测时间间隔以达到更加准确、全面、及时的掌握地质情况；对于一些人迹罕至的地区，可以自由放置光纤光栅勘测节点。,80,引入压缩传感理论，在该理论框架下实现采样阶段及传输阶段的数据融合。减少网络传输的数据量，延长网络的生命周期。,81,数据融合同步技术的研究,核心应用程序接口（API）组件和协议构成,高效率支持异构环境的云计算中间件技术的研究,云计算中间件体系架构的优化研究,可伸缩性云计算中间件的高效方法和机制的研究及实现,太阳能电源供电模块,82,1、勘测节点研发（1）高清晰、高灵敏、低噪声智能图像采集技术的研究（2）分布式光纤传感器的研究（3）专用处理器IP核的研究（4）太阳能供电模块的研究（5）数据融合技术的研究2、区域勘测基站硬件平台及软件的研究3、异构网络研究4、压缩传感研究5、物联网中间件器件体系研究,项目组织实施方案及进度,83,实施进度：本项目由四家合作单位依据各自优势，协同设计、研发。其具体