专网物联网在宽窄带融合网络中的应用探索

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专网物联网

在宽窄带融合网络中的应用探索

苗雨1邵本贵2谢威2白宝杰2张喜斌2

1 •警用无线数字通信公安部重点实验室2.黑龙江省哈尔滨市公安局交通警察支队松北大队

摘要：宽窄带融合是警用集群专网由窄带向宽带平滑演进的必然方向。随着物联网的蓬勃发展，专网用户对物联网的需求

日益迫切，而现有运营商提供的公网物联网无法满足专网用户对数据安全的特殊需求，因此，亟需探索物联网在宽

窄带融合专网中的实际应用。在阐释专网物联网体系结构的基础上，重点分析了专网物联网在安全性、可靠性等方

面的优势及在交管、消防领域的应用案例，最后总结了相关标准的进展情况。

关键词：专网物联网宽眘带融合网络齡雛

—、引言

集群通信是专业无线通信的重要组成部分，在有效处

置刑事、灾害等各类公共安全突发事件和有序组织日益增

多的大型群体性活动中，发挥着不可替代的重要作用。特

别是在公共安全领域，集群专网通信是反恐处突、抢险求

援、重大活动安全保卫等工作中最重要的应急通信保障手

段之一〇

物联网是通过感知设备按照约定协议连接物、人、系

统和信息资源，以实现对物理和虚拟世界的信息处理并做出

反应的智能服务系统。其具备的实时感知、主动上报、分析

预警等功能特点，刚好满足公安用户的新需求。为此，以宽

窄带融合网络作为可靠承载网，将物联网技术应用于公安专

网，构建警用专网物联网，以实现公安下一^誇、视频'

物联网数据、情报雛一体化调度模式，齡行业用户新需

求及技术演进方向。

二、专网物联网体系结构及关键网元

专网物联网是承载在政府、公共安全、公用事业等行业

专网上的私有物*网。其有别于^营商共的^网物联网（如

NB-loTNarrcwBandInternetofThings

( ,窄带物联网）），

月路于行业用户-具有不影响专网原有通信业务、满

足行棚户对物联网麵的求等#点。

按照所实现的不同功能划分层级，专网物联网体系结构

专如图1所示，可分为感知层'传输层、支撑层和应用层。

专网物联网关键网元包括专网物联网应用平台、物联网数据

中心、宽窄带融合专网、网络管理系统（以下简称网管系

统）、专网物联网网关、多跳节点设备和单跳节点设备。

12匿邏遂a 2017年第6期

公安宽雜融

三、专网物联网优势分析

在警用、应急等特殊行业背景下，与公网物联网相

比，专网物联网不论是在系统性能与实现功能上，还是在建

网与运营成本上均存在显著优势。以下将分别从安全性、可

靠性、可控性、经济性与功能性五个方面进行分析。

(-)链性分析

专网物联网网关可对接入的节点设备进行鉴权认证，

图1专网物联网的体系架构

感知层包括专网物联网网关和节点设备两类网元。节

点设备包括感知设备与控制设备。感知设备是专网物联网中

用于采集目标对象信息的设备统称，包括但不限于传感器、

对感知层非法设备发起的攻击起到过滤和隔离作用。如对节

点设备每曰上行业务量的上限做出规定以防止针对传输层的

DoSDenialofSeivice

( ,拒绝服务）攻击，又如网关根据

网管系统定义的安全策略，上报节点设备的异常行为，第一

时间检测到攻击等。此外，单跳节点设备采用特殊的接入技

术可直接无缝接入宽窄带融合专网，实现了专网物联网“最

后一公里”的縣安全防护。与公网物联网相比，专网物联

网因其承载在宽窄带融合专网之上，所以在安全性上更胜一

筹。采用端到端加密、空口加密及与互联网实现网络隔离，

使得专网物联网在数据安全性上具有先天优势。专网物联网

的数据中心属于私有云，是行业用户的专有资源。对比公有

云，私有云环德齡净、安全性更易把控、安全威胁更低。

fe

管理者可进行统一的数据管理、软件部署、安全控制等，并

能更可靠地进朽数据的实时监测及备份与恢复操作。专网物

联网应用平台首先具备访问控制功能，根据用户等级来控制

用户对物联网数据的访问权限。此外该平台还具备根据不同

访问权限对同一数据库进行数据筛选的功能。对于越权数据

访问行为，专网物联网应用平台具备安全审计功能。

综上分析，专网物联网分别在感知层、传输层、支撑

层和应用层均采用了相应的防护增强机制，系统整体的安全

性优于公网物联网。

(二）可靠性分析

RFIDRadioFrequencyIdentification

( ,射频识别）、

MMMachinetoMachine

2 ( ,机器对机器通信）模组、音

视频信息采集设备、定位设备等；控制设备是专网物联网中

行业用户期望操控的设备统称，包括但不限于交通信号设

备、微机电系统等。根据回传数据的不同方式，节点设备又

分为单跳节点设备和多跳节点设备。采用_接入技术、可

直接接入承载网络的设备称为单跳节点设备；与之相对，需

通过物联网网关接入承载网络的设备称为多跳节点设备。单

跳节点设备宜采用超窄带技术体制的物联网接入技术，以最

大限度地兼容现有系统，实现专网物联网"最后一公

PDT

里”的-#化。专网物联网网关是用于实现多跳节点设

PDT

备与宽窄带融合网络互联的网关设备，应提供协议转换、地

± 止映射、数据处理、信息融合、安全认证等功能。其南向接

口 支持多种主流 (

LPWANLow-PowerWide-Area

NetworkLoRaNB

,低功耗广域网）无线接入技术（如、-

lT

〇等），北向接口用于对接宽窄带融合专网。

传输层采用宽窄带融合专网作为专网物联网的承载网

络。宽窄带融合专网能够传输包括语麵、物联网数据

在内的多种数据类型，实现对节点设备信息和信令消息的可

靠传输。

支撑层包括物联网数据中心与网管系统两类网元。物

联网数据中4、提供对感知数据、控制数据及®务关联数据的

数据存储、数据融合、分析处理等功能，向专网物联网应用

平台提供业务与资源支撑，为行业用户二次开发提供标准接

口。网管系统是对专网物联网关键网元及用户行为等进行监

视、测试、配置、分析、评价和控制的系统。

应用层为专网物联网应用平台。专网物联网应用平台

按类别划分可分为监控报警类、数据采集类、信息推送类、

远程控制类、指挥调度类等多种类型平台。

行业用户的物联网应用需要高度的可靠性，特别是在

紧急事件（如暴恐、火灾、自然灾害等）发生时，网络资源

应保证不被其他非紧急用户占用，紧急告警信息可及时迅速

地被传送。公网物联网因其面向大众、“尽力而为”的服务

特点，当紧急事件发生时可能会出现短时间内通信量激增造

成信道阻塞、网络基础设施確契、行业用户无优先使用权限

等诸多问题，显然无法保证行业用户对可靠性的特殊需求。

得益于承载网络的专用性与可靠性，专网物联网可保证在任

何时刻网络的可用性，对于前述公网物联网存在的问题均可

有效规避。信道拥塞的避免，也使得紧急告警信息可及时回

传，提高了系统的实时性，对于时间敏感的应用场景（反恐

Police Technology 2017年第6期 13

处突、抢险求援等），专网物联网无疑是必备的杀手铜。禁停路段上机动车违停情况并上报至交管部门的智能系

(三） 可控性分析

可控性是指为行业用户量身打造的专网物联网是完全

的可管可控网络。入网的节点设备存在优先等级，系统允许

高优先级节点设备或数据优先占用信道资源，同时网关可对

物联网数据等待队列按照优先级别进行控制。网络资源会向

优先级别最高的物联网数据{如紧急告警信息等）倾斜。紧

急事件发生时，专网物联网可实时对资源分配进行调整，限

制资源的使用并进行预留，防止因网络拥塞导致优先级最高

的告警数据无法及时传送，最大限度地保证了特殊场景下专

网用户通信的可靠性。专网物联网强大的管控能力是公网物

联网所不具备的。

(四） 经济性分析

首先，专网物联网的承载网络是宽窄带融合专网，因

此在专网基础设施的基础上引入物联网，丰富了业务的同

时，最大限度地保护了行业用户的已有投资。其次，物联网

业务的开展也提高了专网信道资源的利用率，行业用户据此

可更加充分地利用已有资源。然后，采用单跳节点设备接入

方式的专网物联网只需对已有系统设备进行软升级后即可交

付使用，节省了新建网络的人力与资金投入，大幅缩减系统

部署周期的同时，也极大地降低了系统的部署成本。最后，

从运营成本看，专网物联网同样优势显著，行业用户如果选

择采用公网物联网，在日常的使用中，运营商会收取链路费

用或流量费用，而这些开销在专网物联网中均不存在。

(五） 功能性分析

专网物联网的基础功能是为行业用户提供物联网增值

业务。通过专网物联网的引入，宽窄带融合专网在提供语

音、视频、图片等原有业务的同时，还可为行业用户提供亟

需的如定位、环境增强感知、数据采集与分析等物联网特色

业务，提高了专网系统的综合服务能力。此外，专网物联网

可获取包括人、事、物、境在内的综合信息，全方位、多角

度地呈现现场信息，为分析研判和决策指挥提供重要的信息

支撑，是实现公安下一{七语^、视频、物联网数据、情报指

挥一#化模式、构建调度指挥“全国一张网”的最后一±夬拼

图。

统。如图2所示，违停车辆检测系统是专网物联网在交管

领域中的典型应用，该系统能够自动检测车辆违停情况并

上报告警，在缓解交警执法压力的同时，又能有效减少违

停衍生的交通事故。

图2违停车辆检测系统

1. 违停车辆检测系统的工作流程

(1 )无线地磁检测器置于禁停路段路面下方，以实

时监测路面状态，当有车辆停至禁停路段时，无线地磁检

测器感知到空闲路面占用状态发生变化后，通过无

LPWAN

线接入技术（如 ( ,远距离无线技术

LoRaLongRange

等））将检测结果回传至专网物联网网关；

(2}专网物联网网关对所收到的消息进行协议转换，

再通过宽窄带融合专网回传至物联网数据中4、；

(3}

物联网数据中心对接收到的数据进行处理后产生

告警信息，上报至专网物联网应用平台；

(4)

专网物联网应用平台收到告警信息后，开启并调

整监控嫌头，对准告警麵器所在路織行抓拍，摄录，

以确认路面违俜情况并保留证据，同时，平台对检测结果进

行分析统计，并通过指挥中心显示屏幕直观呈现系统覆盖区

内的违停情况；

(5)

当某路段新增违停车辆达到预设阈值时，违停告

警处置信息将经由宽窄带融合专网下发至手台或由调度员语

音通知路段附近的执勤交警，完成告警过程；

(6) 执勤交警收到告警信息后到达相应路段进行执法

赌。

2. 违停车辆检测系统的优势

(1)无线地磁检测器自动周期上报检测数据，检测系

四、应用前景分析

(—)交管领域应用

随着城市机动车数量曰益增多，违法停车行为大量涌

现，由机动车违停弓发的交通事故频发。由于城市道路分

I

布密集且交警警力有限，交管部门亟需一类能够自动检测

统全天部署路段的鮮情况，能有效节省交瞥縦执

勤的人力投入；

(2}无线地磁检测器技术成熟，具有成本低'易部署

和高灵敏度的特点，漏检、误检概率低，能精准打击违法停

车行为；

(3 )

宽窄带融合专网为地磁检测数据、摄录的视频和

14 I警親涿j 2017年第6期

彼宽雜融

指挥调度指令数据提供安全可靠的传输，满足交管部门对业

务数据安全性及支持多种数据类型传输的需求；退。

(4 )专网物联网的数据中;、具备强大的数据存取、整

L

合和分析能力，支持海量数据和业务的并发处理，系统扩展 (1) 支持视《监控和室内定位功能，提供实时、准确

性好，能灵活适应违停车辆数据总量大、并发业务多及系统 的火场实况和人员分布情况，为正确决策和指挥提供直观'

数据不断增长的特点。

(二）消防领域应用

火灾现场环境极其恶劣，受高温、烟气等影响，场外

指挥人员无法精确获知进入火场内作业的消防员的实时情

况，同时也无法获知被困人员或危化物品的准确位置，因此

不能有效地决策与指挥，给搜救与抗灾带来了极大困难。如

图3所示，专网物联网在消防领域中的典型应用消防应急定

位系统能够完美解决前述问题。

(5)消防员收到指令后根据指示路线进行増援或撤

2■消防应急定位系统的优势

可靠的数据支撑，提高消防部门健碰、统一構、协同

作战能力；

(2) 支持手动报蓄、30秒静止自动报警、倒地自动

报警和撤退报警等功能，第一时间营救火场中遇险的消防

员，最大程度保证消防员的人身安全；

(3) 支持实时、准确、多样的现场环境数据采集，适

用于大跨度空间、地下空间和高层建筑等复杂灾害场景。

五、織进展情况

我国物联网领域的标准化工作总体处于起步阶段，其

中在专网物联网领域标准缺失的情况尤为突出，目前已发布

的相关专网物联网标准仅有《公安物联网术语

》（GM

( 1267-2015 )两项。

GA/T

依托于国家物联网基础标准工作组，由多家成员单位

共同参与成立的编辑/组正积极有序地筹备与探讨专网物联

h

网国家标准的制定方案，为填补专网物联网领域的标准化空

白打下坚实基础。预计该提案在2017年底通过工作组全会

图3消防应急定位系统

1266-2015 )和《公安物联网感知层信息安全技术导则》

审议，初步完成标准的立项工作。专网物联网领域的标准化

工作條重飯。

1.消防应急定位系统的工作流程

(1 )消防员进入火场前，幵启佩戴的无线定位装置、

可穿戴感知终端和摄像头，实时收集监测数据，并通过宽窄

带融合专网回传至物联网数据中心；

(2) 物联网数据中心对接收到的数据进行处理，如数

六、结束语

宽窄带融合网络将迎来深应用、重安全、推创新的大

发展时代，专网物联网作为其中关键一环，在满足一线实战

需求的同时，应加快部署应用之路。以标准引领、需求驱动

为导向，顺应新形势警务工作对物联网业务的新需求，通过

深入研究物联网在宽窄带专网中的实际应用，推动专网物联

专网物联网应用平台通过指挥中心（或前方调度

网的快速建设与发展

。K

据整合、救援路线规划、图像去噪、压缩、增强和关键目标

匹配、描述、识别等，将处理后的数据输出至专网物联网应

用平台；

(3)

指挥车）的显示屏幕直观呈现火场内各消防员所在位置、环

境参数变化、消防员体征信息及场内实时_等；

(4)

当有消防员体征信息异常或发现被困人员时，调

参考文献

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2010(4):411-419.

度员马上语音通知附近的消防员，通过增派人员等措施进行

有效支援；此外，当环境参数达到预设危险阈值时，消防员

自身穿戴的设备发出报警音及报警灯常亮示警，同时告警信

息会回传至指挥中，、，指挥员立即下达语音撤退指令，指示

L

火场内的消防员规避危险；

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