陸 恒

(常州大學(xué) 制藥與生命科學(xué)學(xué)院, 江蘇 常州 213164)

互聯(lián)網(wǎng)加物聯(lián)網(wǎng)形成“智慧地球”,是當(dāng)前世界性的熱門課題[1-3]。世界各經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)都試圖把物聯(lián)網(wǎng)作為重振經(jīng)濟(jì)的法寶[4-5]。美國(guó)、歐盟、日本相繼制定物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃,試圖在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展上引領(lǐng)世界。我國(guó)在物聯(lián)網(wǎng)的啟動(dòng)和發(fā)展上與國(guó)際相比并不落后,在無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器終端機(jī)、移動(dòng)基站等方面取得重大進(jìn)展,已擁有從材料、技術(shù)、器件、系統(tǒng)到網(wǎng)絡(luò)的完整產(chǎn)業(yè)鏈。隨著電信網(wǎng)絡(luò)，特別是無線網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展及傳感技術(shù)的發(fā)展,我國(guó)推廣物聯(lián)網(wǎng)的條件逐步趨向成熟。國(guó)家工信部明確提出要進(jìn)一步研究建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng),加快傳感中心建設(shè),推進(jìn)信息技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。目前中國(guó)已將物聯(lián)網(wǎng)明確列入《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃(2006—2020年)》和2050年國(guó)家產(chǎn)業(yè)路線圖。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)世界競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)已經(jīng)形成,我國(guó)要保持物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)優(yōu)勢(shì),就必須加大投入,打造高水平研發(fā)平臺(tái),大力培養(yǎng)專業(yè)人才,攻克核心技術(shù)難關(guān),保持世界領(lǐng)先水平。

石化行業(yè)被國(guó)家列為高危行業(yè),化工生產(chǎn)具有易燃易爆、有毒有害、高溫高壓等特點(diǎn),容易發(fā)生爆炸、中毒、泄漏、火災(zāi)等事故,給生產(chǎn)安全、生命財(cái)產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)帶來嚴(yán)重影響,對(duì)其安全監(jiān)控尤為重要[6]。另外,在化工院校的教學(xué)活動(dòng)中,很多教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境都是模擬的,缺乏生產(chǎn)第一線的直觀感受[7-8]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為此提供了更加安全可靠的解決途徑,通過傳感器網(wǎng)絡(luò),各種危險(xiǎn)環(huán)境可被有效監(jiān)控,教學(xué)中所缺少的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)節(jié)可被彌補(bǔ),因此可見,面向石化的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究在行業(yè)應(yīng)用、教學(xué)活動(dòng)中都具有非常重要的意義[9]。

無論從世界發(fā)達(dá)國(guó)家范圍看,還是從我國(guó)著名大學(xué)研究情況看,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究正日益受到政府、高校，甚至是企業(yè)的重視。我校信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院借助現(xiàn)有的學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢(shì)以及我校在石化行業(yè)的深厚淵源,以實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器智慧系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)為切入點(diǎn),以服務(wù)實(shí)驗(yàn)與科研的實(shí)際需要為導(dǎo)向,構(gòu)建了石化—物聯(lián)互聯(lián)化應(yīng)用研發(fā)基地,并為蘇南地區(qū)的區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供支持。

1 建設(shè)基礎(chǔ)

信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院現(xiàn)有計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、自動(dòng)化、通信工程、電子信息工程、電氣工程5個(gè)本科專業(yè),一個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)碩士點(diǎn),一個(gè)電子與信息技術(shù)省級(jí)示范實(shí)驗(yàn)中心,設(shè)有普適計(jì)算研究院、機(jī)器人研究所、仿真與人工智能研究所、計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用研究所、控制工程技術(shù)研究室、電力電子及電氣控制技術(shù)研究室、計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)研究室等專業(yè)研究部門。近年來,信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教師獲得國(guó)家教學(xué)成果獎(jiǎng)1項(xiàng)、獲省級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)2項(xiàng),江蘇省多媒體課件競(jìng)賽獲獎(jiǎng)3項(xiàng)、省級(jí)優(yōu)秀軟件獎(jiǎng)1項(xiàng),承擔(dān)省部級(jí)以上教研項(xiàng)目7項(xiàng),出版專著與教材20多部；承擔(dān)或主要參與了國(guó)家自然科學(xué)基金2項(xiàng)、“863”子項(xiàng)目1項(xiàng)、省部級(jí)科研項(xiàng)目13項(xiàng),通過省部級(jí)鑒定6項(xiàng),獲專利2項(xiàng)、省部級(jí)以上科研獲獎(jiǎng)4項(xiàng)；近4年發(fā)表核心以上學(xué)術(shù)論文100多篇。研發(fā)平臺(tái)已納入教師20人,其中教授4人、博士7人,其中5人次成為江蘇省“青藍(lán)工程”和常州“831工程”培養(yǎng)人選。研發(fā)平臺(tái)所屬電子信息技術(shù)省級(jí)示范中心面積達(dá)2 563 m2、專職實(shí)驗(yàn)教師有25人,“十三五”期間,學(xué)校和學(xué)院已經(jīng)投入實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)520.6萬元,新增實(shí)驗(yàn)室固定資產(chǎn)600多萬元,已經(jīng)具備項(xiàng)目實(shí)施基本條件。

2 建設(shè)目標(biāo)

石化—物聯(lián)互聯(lián)化應(yīng)用研發(fā)基地將凝聚和造就一支優(yōu)勢(shì)明顯的研究團(tuán)隊(duì),搭建一個(gè)堅(jiān)實(shí)的科技創(chuàng)新平臺(tái),推動(dòng)和提高常州市物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的科技創(chuàng)新水平和競(jìng)爭(zhēng)能力,推動(dòng)常州市工業(yè)制造業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。通過建設(shè)要達(dá)到:具有承擔(dān)國(guó)家、省部級(jí)和市級(jí)重大科技項(xiàng)目的能力；開展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)研究,形成一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的新產(chǎn)品和新技術(shù)。

(1) 中長(zhǎng)期目標(biāo)是建成省內(nèi)一流、國(guó)內(nèi)有知名度的先進(jìn)智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,在應(yīng)用基礎(chǔ)研究和高水平探索方面有重大突破,產(chǎn)生一批有重大科技成就、能承擔(dān)國(guó)家重大科技項(xiàng)目的研究團(tuán)隊(duì),形成一批具有國(guó)際水平的創(chuàng)新成果。重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室不但要有開展高新技術(shù)研究的能力,還要具備成果轉(zhuǎn)化的實(shí)力,使其真正成為為常州市物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)的產(chǎn)、學(xué)、研基地。

(2) 建設(shè)成為常州市的一個(gè)新技術(shù)平臺(tái),成為常州地區(qū)普適計(jì)算相關(guān)專業(yè)本科生和研究生的教學(xué)、實(shí)習(xí)和科研基地,以及產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合、緊跟并趕超時(shí)代潮流的研發(fā)中心。爭(zhēng)取2～4年內(nèi)將該實(shí)驗(yàn)室建成常州市普適計(jì)算技術(shù)中心,普適計(jì)算研究領(lǐng)域處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際前沿。

3 建設(shè)內(nèi)容

石化—物聯(lián)互聯(lián)化應(yīng)用研發(fā)基地主要由5大平臺(tái)組成,分別是石油儲(chǔ)運(yùn)中物聯(lián)網(wǎng)RFID應(yīng)用研究平臺(tái)、傳感器技術(shù)研究與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、化工環(huán)保監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)平臺(tái)、感知石油石化信息處理示范中心研發(fā)平臺(tái)和物聯(lián)互聯(lián)化中間件系統(tǒng)研究平臺(tái)(見圖1),主要側(cè)重于嵌入式智能傳感器、智能信息處理、傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式軟件與算法、普適計(jì)算等研究及其在石化行業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用研究。

圖1 石化—物聯(lián)互聯(lián)化應(yīng)用研發(fā)基地

3.1 石油儲(chǔ)運(yùn)中物聯(lián)網(wǎng)RFID應(yīng)用研究平臺(tái)

射頻識(shí)別技術(shù)(radio frequency identification, RFID)作為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的排頭兵,RFID成為市場(chǎng)最為關(guān)注的技術(shù),其應(yīng)用將給零售、物流等產(chǎn)業(yè)帶來革命性變化[10]。石油在運(yùn)輸過程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其各種危險(xiǎn)參數(shù),通過與物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)無線傳感網(wǎng)的有機(jī)結(jié)合,RFID為油料運(yùn)輸?shù)男畔⑻幚硖峁┝艘环N更有效率的新模式。本開發(fā)平臺(tái)擬研究?jī)?nèi)容:

(1) RFID開環(huán)應(yīng)用技術(shù)；

(2) RFID中間件技術(shù)；

(3) RFID標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。

3.2 傳感器技術(shù)研究與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)是將各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò),是當(dāng)前中國(guó)乃至世界的一個(gè)熱門話題,被譽(yù)為第3次信息技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)浪潮。而傳感器產(chǎn)業(yè)是今后物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵,在經(jīng)濟(jì)危機(jī)后社會(huì)需要技術(shù)創(chuàng)新尋找經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn),傳感器產(chǎn)業(yè)正是這種技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)[11]。

我校將聯(lián)合傳感器優(yōu)勢(shì)企業(yè)與地區(qū),加強(qiáng)合作,搭建平臺(tái),借助其特有的基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì),力爭(zhēng)成為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)與石油石化行業(yè)所必需的傳感器配套研發(fā)基地。該平臺(tái)包括紅外、光電、霍爾、熱敏、超聲波、壓力、氣敏、圖像等8大門類,涵蓋傳感器材料、產(chǎn)品、應(yīng)用等多個(gè)領(lǐng)域。

3.3 化工環(huán)保監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)平臺(tái)

常州市有著良好的化工產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ),化工企業(yè)總數(shù)占整個(gè)江蘇省的近1/4。2017年全市化工行業(yè)有156家銷售收入超億元的企業(yè)。隨著我市化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,目前已進(jìn)入了資源消耗和環(huán)境污染的高峰期。污染事故和污染信訪頻發(fā),污染事故損失巨大,90%的污染事故是由化工造成的,已嚴(yán)重影響人民群眾的正常生產(chǎn)生活、健康安全和社會(huì)安定,因此該研究平臺(tái)建設(shè)意義重大。

化工行業(yè)與化工環(huán)保中的應(yīng)用研究主要包含以下幾個(gè)方面:有毒有害、易燃易爆氣體泄漏無線傳感網(wǎng)監(jiān)控；以化工產(chǎn)品生產(chǎn)中常見的液化石油氣、氨、氯及硫化氫、二氧化硫、二氧化氮等有害有毒、易燃易爆氣體為監(jiān)控對(duì)象,研究相應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)及組網(wǎng)技術(shù)；儲(chǔ)罐健康監(jiān)控,研究?jī)?chǔ)罐安全運(yùn)行狀況,實(shí)時(shí)監(jiān)控儲(chǔ)罐體的腐蝕、裂紋等健康狀態(tài),包括超聲波、聲發(fā)射等無線傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。DCS、PLC、IPC儀器儀表和空氣壓縮機(jī)等過程控制設(shè)備故障監(jiān)控；化工禁區(qū)人員監(jiān)控；生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控；化工廢水排放與城市水域無線傳感監(jiān)測(cè)。

研發(fā)平臺(tái)將針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開展研究與應(yīng)用,本項(xiàng)目擬主要研究無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)模式與拓?fù)淇刂?、媒體訪問控制和鏈路控制,以及路由、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及跨層設(shè)計(jì)、QoS保障和可靠性設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)安全模型、能量工程等。

除此之外,研發(fā)平臺(tái)也將對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)特征分析與識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)開展研究。無線傳感網(wǎng)絡(luò)首先通過傳感器獲取外界信息,一般外界信息的表達(dá)包括有1維或2維的信號(hào)形式。原始信號(hào)通常并不能描述事件的本質(zhì),通過信號(hào)特征分析與識(shí)別才能獲得外界的特征狀態(tài),其目的是使網(wǎng)絡(luò)決策智能化。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的模式識(shí)別技術(shù)、高精度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位、多傳感器數(shù)據(jù)融合等。

3.4 感知石油石化信息處理示范中心研發(fā)平臺(tái)

石油石化行業(yè)屬于高危行業(yè),基于該行業(yè)的特點(diǎn),隨著行業(yè)的發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也開始在該領(lǐng)域應(yīng)用。學(xué)校依托與石油石化行業(yè)的緊密聯(lián)系,針對(duì)熱點(diǎn)應(yīng)用建設(shè)感知石油石化示范網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。通過該平臺(tái)在石油石化各個(gè)環(huán)節(jié)為科研與教學(xué)提供便利手段,獲得更大的效果。

物聯(lián)網(wǎng)的核心是傳感識(shí)別和海量信息處理[12]。智能信息處理是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的前沿交叉學(xué)科,是應(yīng)用導(dǎo)向的綜合性學(xué)科,其目標(biāo)是處理海量和復(fù)雜信息,研究新的、先進(jìn)的理論和技術(shù)[13]。研究具有認(rèn)知機(jī)理的智能信息處理理論與方法、探索認(rèn)知的機(jī)制、建立可實(shí)現(xiàn)的計(jì)算模型并發(fā)展應(yīng)用。智能信息處理研究涵蓋基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用研究等多個(gè)層次,它不僅有很高的理論研究?jī)r(jià)值,而且對(duì)于國(guó)家信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展乃至整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展都具有極為重要的意義。

3.5 物聯(lián)互聯(lián)化中間件系統(tǒng)研究平臺(tái)

普適計(jì)算被稱為下一代計(jì)算模式,是無所不在的,以人為中心的計(jì)算模式,是未來計(jì)算的發(fā)展方向[14]。在這種模式里,計(jì)算機(jī)將不再是一種技術(shù), 它是生活的一部分,比如計(jì)算機(jī)集成在家具、電器及人的衣服等物品里面,雖然人不能明顯感覺到計(jì)算機(jī),但這些隱藏的計(jì)算機(jī)與人及環(huán)境里的資源形成無縫的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。普適計(jì)算的模式不僅可以應(yīng)用到智能家居等與人民生活密切相關(guān)的領(lǐng)域,而且還可以應(yīng)用滲透到社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活的各個(gè)方面,如工業(yè)、農(nóng)業(yè)和商業(yè)等領(lǐng)域。

目前已有眾多的國(guó)際組織和學(xué)者在進(jìn)行這方面的研究,并取得了不少進(jìn)展。 目前世界各個(gè)主要的發(fā)達(dá)國(guó)家研究機(jī)構(gòu)或大學(xué)都投入相當(dāng)大的人力和物力進(jìn)行這方面的研究,政府層面也給予較大的支持。例如美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家或組織,特別是韓國(guó)與日本的u-Korea和u-Japan計(jì)劃、 歐洲的eEurope計(jì)劃和第七框架計(jì)劃,都將普適計(jì)算列為重要的組成部分。在我國(guó),也有清華大學(xué)的“智能教室”項(xiàng)目及浙江大學(xué)的“智能社區(qū)與車輛”項(xiàng)目等在進(jìn)行普適計(jì)算方面的研究。

本研發(fā)平臺(tái)以中間件研究為主要內(nèi)容,通過中間件研究,不僅僅實(shí)現(xiàn)物聯(lián)互聯(lián)化,還可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序之間的互操作。中間件是基于分布式處理的軟件,特別強(qiáng)調(diào)了網(wǎng)絡(luò)通信功能,能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、設(shè)備管理、能量管理、QoS支持等。

4 建設(shè)成效