重大自然灾害减灾防灾应急物联网中若干关键传感器及网络技术课件.ppt

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1、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(Jianquan Yao)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Institute of Laser&Opto-Electronics,Tianjin University,Tianjin 300072,ChinaTel:-86-022-27402416,Email:,2,会议主要议题,1.北斗产业化政策研究及国际市场合作中的机遇2.物联网领域中的机遇与挑战 3.国家GNSS的建

2、设与维持带来的机遇4.Telematics现状及发展 5.LBS现状及发展6.交通部关于“加强道路运输车辆动态监管工作”对卫星导航车辆监控行业的影响及带来的机遇与挑战,3,2011年 智能运输大会(ITS Conference in China 2011),支持单位：交通运输部科技司主办单位：交通运输部公路科学研究院 天津市市政公路管理局 天津市滨海新区科学技术委员会 天津市滨海新区经济和信息化委员会承办单位：国家智能交通系统工程技术研究中心 全国智能运输系统标准化技术委员会 天津经济技术开发区贸易促进中心 天津泰达科技发展集团有限公司 天津星通联华物联网应用技术研究院,4,物联网白皮书（20

3、11年）,本白皮书力图对国内外的物联网发展进行全面深入的梳理和分析，以作为各界发展和应用物联网的参考。白皮书重点对物联网的概念和内涵进行了澄清和界定，系统梳理了物联网架构、关键要素、技术体系、产业体系、资源体系等，并从应用、产业、技术和标准化角度阐述了全球和我国物联网发展现状，综合分析了我国物联网发展面临的机遇和挑战，并对我国物联网的发展提出了若干思考和建议。,5,一、物联网的内涵及架构体系1.物联网概念及内涵2.物联网关键要素 3.物联网网络架构4.物联网技术体系和标准化 5.物联网相关产业体系6.物联网资源体系二、物联网发展现状和趋势1.物联网应用现状 1.1 全球物联网应用处于起步阶段

4、1.2 我国物联网应用初创待发 2.物联网相关产业现状 2.1 全球物联网相关产业现状 2.2 我国物联网相关产业现状 3.物联网技术和标准化现状 3.1 全球物联网技术和标准化现状 3.2 我国物联网技术和标准化现状,目 录,6,三、我国物联网发展面临的机遇和挑战 1.物联网发展需求和机遇 2.物联网发展面临的挑战 四、对我国物联网未来发展的思考1.科学认识物联网发展的战略性、阶段性和长期性 2.推进重点行业和重点领域的物联网应用 3.重点突破物联网关键技术4.推动形成完整产业链和自主发展的规模产业化能力5.统筹推进物联网的国际、国家和行业标准化6.保障我国物联网发展和应用安全,7,发表物联

5、网白皮书，旨在与业界分享工业和信息化部电信研究院近年来在物联网领域的研究成果。当前，物联网已成为各国构建经济社会发展新模式和重塑国家长期竞争力的先导领域。发达国家通过国家战略指引、政府研发投入、企业全球推进、应用试点建设、政策法律保障等措施加快物联网发展，以抢占战略主动权和发展先机。我国已具备一定的应用、技术和产业基础，并以建设物联网产业园区、智慧/智能城市建设和应用示范等为标志，形成了物联网发展热潮，取得了积极进展，但也暴露了一些深层次问题。,物联网白皮书,工业和信息化部电信研究院,8,1.物联网概念及内涵物联网（Internet of Things，IoT）概念最早于1999 年由美国麻省

6、理工学院提出，早期的物联网是指依托射频识别（Radio FrequencyIdentification，RFID）技术和设备，按约定的通信协议与互联网相结合，使物品信息实现智能化识别和管理，实现物品信息互联而形成的网络。随着技术和应用的发展，物联网内涵不断扩展。现代意义的物联网可以实现对物的感知识别控制、网络化互联和智能处理有机统一，从而形成高智能决策。本白皮书认为：物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，它利用感知技术与智能装臵对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物信息交互和无缝链接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策目的。,9,4

7、.1 感知、网络通信和应用关键技术传感和识别技术是物联网感知物理世界获取信息和实现物体控制的首要环节。传感器将物理世界中的物理量、化学量、生物量转化成可供处理的数字信号。识别技术实现对物联网中物体标识和位臵信息的获取。网络通信技术主要实现物联网数据信息和控制信息的双向传递、路由和控制，重点包括低速近距离无线通信技术、低功耗路由、自组织通信、无线接入M2M 通信增强、IP 承载技术、网络传送技术、异构网络融合接入技术以及认知无线电技术。海量信息智能处理综合运用高性能计算、人工智能、数据库和传感嵌入式系统微机电软件和算法电源和储能新材料识别图像获取控制和执行低速近距离无线通信低功耗路由网络传送IP

8、承载无线接入增强自组织通信认知无线电异构网络海量信息智能处理数据存储云计算数据挖掘平台服务信息呈现.面向服务的体系架构（Service-oriented Architecture，SOA）是一种松耦合的软件组件技术，它将应用程序的不同功能模块化，并通过标准化的接口和调用方式联系起来，实现快速可重用的系统开发和部署。SOA 可高物联网架构的扩展性，提升应用开发效率，充分整合和复用信息资源。,10,4.2 支撑技术物联网支撑技术包括嵌入式系统、微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）、软件和算法、电源和储能、新材料技术等。微机电系统可实现对传感器、执

9、行器、处理器、通信模块、电源系统等的高度集成，是支撑传感器节点微型化、智能化的重要技术。嵌入式系统是满足物联网对设备功能、可靠性、成本、体积、功耗等的综合要求，可以按照不同应用定制裁剪的嵌入式计算机技术，是实现物体智能的重要基础。软件和算法是实现物联网功能、决定物联网行为的主要技术，重点包括各种物联网计算系统的感知信息处理、交互与优化软件与算法、物联网计算系统体系结构与软件平台研发等。电源和储能是物联网关键支撑技术之一，包括电池技术、能量储存、能量捕获、恶劣情况下的发电、能量循环、新能源等技术。新材料技术主要是指应用于传感器的敏感元件实现的技术。传感器敏感材料包括湿敏材料、气敏材料、热敏材料、

10、压敏材料、光敏材料等。新敏感材料的应用可以使传感器的灵敏度、尺寸、精度、稳定性等特性获得改善。,11,4.3 共性技术物联网共性技术涉及网络的不同层面，主要包括架构技术、标识和解析、安全和隐私、网络管理技术等。物联网架构技术目前处于概念发展阶段。物联网需具有统一的架构，清晰的分层，支持不同系统的互操作性，适应不同类型的物理网络，适应物联网的业务特性。标识和解析技术是对物理实体、通信实体和应用实体赋予的或其本身固有的一个或一组属性，并能实现正确解析的技术。物联网标识和解析技术涉及不同的标识体系、不同体系的互操作、全球解析或区域解析、标识管理等。安全和隐私技术包括安全体系架构、网络安全技术、“智能

11、物体”的广泛部署对社会生活带来的安全威胁、隐私保护技术、安全管理机制和保证措施等。网络管理技术重点包括管理需求、管理模型、管理功能、管理协议等。为实现对物联网广泛部署的“智能物体”的管理，需要进行网络功能和适用性分析，开发适合的管理协议。,12,4.4 标准化,物联网总体性标准：包括物联网导则、物联网总体架构、物联网业务需求等。感知层标准体系：主要涉及传感器等各类信息获取设备的电气和数据接口、感知数据模型、描述语言和数据结构的通用技术标准、RFID 标签和读写器接口和协议标准、特定行业和应用相关的感知层技术标准等。网络层标准体系：主要涉及物联网网关、短距离无线通信、自组织网络、简化IPv6 协

12、议、低功耗路由、增强的机器对机器（Machine to Machine，M2M）无线接入和核心网标准、M2M 模组与平台、网络资源虚拟化标准、异构融合的网络标准等。应用层标准体系：包括应用层架构、信息智能处理技术、以及行业、公众应用类标准。应用层架构重点是面向对象的服务架构包括SOA 体系架构、面向上层业务应用的流程管理、业务流程之间的通信协议、元数据标准以及SOA 安全架构标准。共性关键技术标准体系：包括标识和解析、服务质量（Quality of Service，QoS）、安全、网络管理技术标准。标识和解析标准体系包括编码、解析、认证、加密、隐私保护、管理，以及多标识互通标准。安全标准重点包

13、括安全体系架构、安全协议、支持多种网络融合的认证和加密技术、用户和应用隐私保护、虚拟化和匿名化、面向服务的自适应安全技术标准等。,13,5.物联网相关产业体系,物联网相关产业是指实现物联网功能所必需的相关产业集合，从产业结构上主要包括服务业和制造业两大范畴:物联网服务业物联网制造业,14,物联网制造业以感知端设备制造业为主，又可细分为传感器产业、RFID 产业以及智能仪器仪表产业。感知端设备的高智能化与嵌入式系统息息相关，设备的高精密化离不开集成电路、嵌入式系统、微纳器件、新材料、微能源等基础产业支撑。部分计算机设备、网络通信设备也是物联网制造业的组成部分。物联网服务业主要包括物联网网络服务业

14、、物联网应用基础设施服务业、物联网软件开发与应用集成服务业以及物联网应用服务业四大类，其中物联网网络服务又可细分为机器对机器通信服务、行业专网通信服务以及其它网络通信服务，物联网应用基础设施服务主要包括云计算服务、存储服务等，物联网软件开发与集成服务又可细分为基础软件服务、中间件服务、应用软件服务、智能信息处理服务以及系统集成服务，物联网应用服务又可分为行业服务、公共服务和支撑性服务。,15,对物联网产业发展的认识需要进一步澄清。物联网产业绝大部分属于信息产业，但也涉及其它产业，如智能电表等。物联网产业的发展不是对已有信息产业的重新统计划分，而是通过应用带动形成新市场、新业态，整体上可分三种情

15、形，一是因物联网应用对已有产业的提升，主要体现在产品的升级换代。如传感器、RFID、仪器仪表发展已数十年，由于物联网应用使之向智能化网络化升级,从而实现产品功能、应用范围和市场规模的巨大扩展，传感器产业与RFID 产业成为物联网感知终端制造业的核心。二是因物联网应用对已有产业的横向市场拓展，主要体现在领域延伸和量的扩张。如服务器、软件、嵌入式系统、云计算等由于物联网应用扩展了新的市场需求，形成了新的增长点。仪器仪表产业、嵌入式系统产业、云计算产业、软件与集成服务业，不独与物联网相关，也是其它产业的重要组成部分，物联网成为这些产业发展新的风向标。三是由于物联网应用创造和衍生出的独特市场和服务，如

16、传感器网络设备、M2M 通信设备及服务、物联网应用服务等均是物联网发展后才形成的新兴业态，为物联网所独有。物联网产业当前浮现的只是其初级形态，市场尚未大规模启动。,16,6.物联网资源体系物联网发展中的关键资源主要包括:标识资源和频谱资源。,6.1 标识目前，物联网物体标识方面标准众多，很不统一。条码标识方面，GS1（国际物品编码协会）的一维条码使用量约占全球总量的三分之一，而主流的PDF417（Portable Data File 417）码、QR（Quick Response）码、DM（Data Matrix）码等二维码都是AIM（自动识别和移动技术协会）标准。智能物体标识方面，智能传感器

17、标识标准包括IEEE 1451.2 以及1451.4。手机标识包括GSM 和WCDMA 手机的IMEI（国际移动设备标识）、CDMA 手机的ESN（电子序列编码）和MEID（国际移动设备识别码）。其它智能物体标识还包括M2M 设备标识、笔记本电脑序列号等。RFID 标签标识方面，影响力最大的是ISO/IEC 和EPCglobal，包括UII（Unique Item Identifier）、TID（Tag ID）、OID（Object ID）、tag OID 以及UID（Ubiquitous ID）。此外，还存在大量的应用范围相对较小的地区和行业标准以及企业闭环应用标准。物体标识标准的多样造成了

18、标识的不兼容甚至冲突，给更大范围的物联网信息共享和开环应用带来困难，也使标识管理和使用变得复杂。实现各种物体标识最大程度的兼容，建立统一的物体标识体系逐渐成为一种发展趋势，欧美、日韩等都在展开积极研究。通信标识方面，现阶段正在使用的包括IPv4、IPv6、E.164、IMSI、MAC 等。物联网在通信标识方面的需求与传统网络的不同主要体现在两个方面：一是末端通信设备的大规模增加，带来对IP 地址、码号等标识资源需求的大规模增加。IPv4 地址严重不足，美国等一些发达国家已经开始在物联网中采用IPv6。近年来全球M2M 业务发展迅猛，使得E.164 号码方面出现紧张，各国纷纷加强对码号的规划和管

19、理。二是以无线传感器网络（WSN）为代表的智能物体近距离无线通信网络对通信标识提出了降低电源、带宽、处理能力消耗的新要求。目前应用较广ZigBee 在子网内部允许采用16 位短地址。而传统互联网厂商在推动简化IPv6 协议，并成立了IPSO（IP for Smart Objects，IPSO）联盟推广IPv6 的使用，IETF 成立了6LoWPAN、ROLL 等课题进行相关研究和标准化。,17,6.2 频谱资源物联网的发展离不开无线通信技术，因此频谱资源作为无线通信的关键资源，同样是物联网发展的重要基础资源。目前在物联网感知层和网络层采用的无线技术包括RFID、近距离无线通信、无线局域网（IE

20、EE 802.11）、蓝牙、蜂窝移动通信、宽带无线接入技术等。目前物联网应用大部分还在发展之中，物联网业务模型尚未完全确定，因此根据物联网业务模型和应用需求对频谱资源需求的分析、对多种无线技术体制“物联”带来的干扰问题分析、对频谱检测技术的研究、对提高空闲频谱频率利用率的方法研究、物联网频谱资源管理方式等方面将是物联网频谱资源研究的关键所在。,18,二、物联网发展现状和趋势1.物联网应用现状1.1 全球物联网应用处于起步阶段,物联网应用仍以闭环应用居多物联网应用规模逐步扩大，以点带面的局面逐渐出现基于RFID 的物联网应用相对成熟，无线传感器应用仍处于试验阶段发达国家物联网应用整体上领先,19

21、,1.2 我国物联网应用初创待发,我国物联网应用总体上处于发展初期，许多领域积极开展了物联网的应用探索与试点，但在应用水平上与发达国家仍有一定差距。目前已开展了一系列试点和示范项目，在电网、交通、物流、智能家居、节能环保、工业自动控制、医疗卫生、精细农牧业、金融服务业、公共安全等领域取得了初步进展。工业领域，物联网可以应用于供应链管理、生产过程工艺优化、设备监控管理以及能耗控制等各个环节，目前在钢铁、石化、汽车制造业有一定应用，此外在矿井安全领域的应用也在试点当中。农业领域，物联网尚未形成规模应用，但在农作物灌溉、生产环境监测（收集温度、湿度、风力、大气、降雨量，有关土地的湿度、氮浓缩量和土壤

22、pH 值）以及农产品流通和追溯方面物联网技术已有试点应用。金融服务领域，在“金卡工程”、二代身份证等政府项目推动下，我国已成为继美国、英国之后的全球第三大RFID 应用市场,但应用水平相对较低。正在起步的电子不停车收费（ETC）、电子ID以及移动支付等新型应用将带动金融服务领域的物联网应用朝着纵深方向发展。电网领域，2009 年国家电网公布了智能电网发展计划,智能变电站、配网自动化、智能用电、智能调度、风光储等示范工程先后启动.,20,交通领域，物联网在铁路系统应用较早并取得一定成效，在城市交通、公路交通、水运领域的示范应用刚刚起步，其中视频监控应用最为广泛，智能车路控制、信息采集和融合等应用

23、尚在发展中。物流领域，RFID、全球定位、无线传感等物联网关键技术在物流各个环节都有所应用，但受制于物流企业信息化和管理水平，与国外差距较大。医疗卫生领域，我国已经启动了血液管理、医疗废物电子监控、远程医疗等应用的试点工作，但尚处于起步阶段。节能环保领域，在生态环境监测方面进行了小规模试验示范，距离规模应用仍有待时日；公共安全领域，在平安城市、安全生产和重要设施防入侵方面进行了探索。民生领域，智能家居已经在一线重点城市有小范围应用，主要集中在家电控制、节能等方面。,21,2.物联网相关产业现状2.1 全球物联网相关产业现状,全球物联网产业体系都在建立和完善之中。产业整体处于初创阶段，具备了一些

24、分散孤立的初级产业形态，尚未形成大规模发展。如物联网核心产业中，2009 年传感器全球规模在600 亿美元左右，RFID 不到60 亿美元，M2M 服务43 亿美元，真正意义上的社会化商业化物联网服务尚在起步1。物联网相关支撑产业如嵌入式系统、软件等本身均有万亿级美元规模，但并非来自于当前意义的物联网发展，因物联网发展而形成的新增市场还非常小。由于物联网寄生并依附于现有产业，因此现有产业发达的国家其物联网产业也具有领先优势。美国、欧盟、日韩等发达国家基础设施好，工业化程度高，传感器、RFID 等微电子设备制造业先进，信息产业发达，因此在物联网产业发展中仍居一定领先地位。从发达国家对物联网的战略

25、布局来看，基本不是着眼于当前和短期的产业发展，而是面向更长远的科技突破、生产力改进和生产方式变革。,22,2.2 我国物联网相关产业现状,我国已形成基本齐全的物联网产业体系，部分领域已形成一定市场规模，网络通信相关技术和产业支持能力与国外差距相对较小，传感器、RFID 等感知端制造产业、高端软件与集成服务与国外差距相对较大。仪器仪表、嵌入式系统、软件与集成服务等产业虽已有较大规模，但真正与物联网相关的设备和服务尚在起步。传感器产业：我国已建立了较完整的敏感元件与传感器产业，产业规模稳步增长。2009 年我国传感器产业规模接近600 亿元，形成了长三角为主，以及珠三角、京津、中部及东北部分城市的

26、空间布局。目前我国大陆共有450余家从事敏感元件及传感器生产厂家，产量突破24 亿只，批量生产的产品涉及光敏、电压敏、热敏、力敏、气敏、磁敏和湿敏7 大类约3,000 多个品种。主要传感器企业中，外资企业比重达到67%2。我国传感器产业和技术发展仍存在突出问题：一是核心技术和基础能力缺乏，传感器在高精度、高敏感度分析、成分分析和特殊应用的高端方面差距大，中高档传感器产品几乎100从国外进口，90芯片依赖国外。二是共性关键技术尚未真正突破。设计技术、可靠性技术、封装技术、装备技术等方面都存在较大差距。三是产业结构不合理，品种、规格、系列不全，技术指标不高。四是企业能力弱，95%以上属小型企业。,

27、23,RFID 产业：我国形成了RFID 低频和高频的完整产业链和京、沪、粤为主的空间布局，2009 年市场规模达到85 亿元并成为全球第3 大市场3；我国低频和高频段RFID 技术相对成熟，超高频和微波频段产业链与国外技术差距较大，超高频、有源RFID 等领域还没有形成整体产业能力。RFID 产业链主要由标签芯片设计、标签天线设计、标签封装技术与设备、读写机具设计与制造、系统集成与软件开发等几个部分组成，各环节实力较强的企业仍然集中在美国和欧洲国家。我国在射频芯片、封装、应用支撑软件、系统集成领域逐渐壮大，但整体实力不强。RFID 标签芯片方面，自主知识产权比较贫乏，但标签芯片设计上取得了长

28、足发展。标签封装环节，产品性能已达到国际先进水平，RFID 卡片形式封装技术已十分成熟，但欠缺封装超高频、微波标签能力，在提供防水、抗金属的柔性标签方面仍需提高生产工艺。读写机具设计与制造方面，.56MHz RFID的识别系统设计与生产技术成熟，竞争力较强。RFID 中间件产品与国外仍有较大差距。系统集成与系统软件开发上，国内企业具备一定的大型系统集成能力。标签打印机和贴标机领域，目前基本上被国外垄断。,24,仪器仪表与测量控制产业：我国仪器仪表产业连续多年实现20%以上的增长，2009 年产值超过5000 亿元，企业数约为5000 多个，小型企业数量占比达到90%4。我国仪器仪表行业以机械系

29、统开发生产通用仪器仪表为主，主要集中在电力、交通、安防、环保、安全等应用领域，但目前基本上不具备真正意义物联网产业的特点。区域分布上除重庆、西安、上海等三大传统基地以外，近年来还涌现出一些各具特色的新兴产学研集聚地。我国仪器仪表业部分产品产量居世界前列（如数字万用表、电度表、水表、煤气表等公共能源计量仪表），但同国际相比，总体技术水平和产业规模上还存在着很大差距，物联网发展所需要的数字化、网络化、智能化仪器仪表尚在起步，未来将随着物联网应用发展而向高端制造转型。物联网网络通信服务业：我国物联网M2M 网络服务保持高速增长势头，目前M2M 终端数已超过1000 万，年均增长超过80%5，应用领域

30、覆盖公共安全、城市管理、能源环保、交通运输、公共事业、农业服务、医疗卫生、教育文化、旅游等多个领域，未来几年仍将保持快速发展，预计“十二五”期间将突破亿级。三大电信企业在资源配臵方面积极筹备，加紧建设M2M 管理平台并推出终端通信协议标准，以推进M2M 业务发展。国内通信模块厂商发展较为成熟，正依托现有优势向物联网领域扩展。国内M2M 终端传感器及芯片厂商规模相对较小，处于起步阶段。尽管我国在物联网相关通信服务领域取得了不错的进展，但应在M2M 通信网络技术、认知无线电和环境感知技术、传感器与通信集成终端、RFID 与通信集成终端、物联网网关等方面提升服务能力和服务水平。物,25,联网应用基础

31、设施服务业：虽然不是所有云计算产业都可纳入物联网产业范畴，但云计算是物联网应用基础设施服务业中的重要组成部分，物联网的大规模应用也将大大推动云计算服务发展。内云计算商业服务尚在起步，SaaS 已形成一定规模，而真正云计算意义的IaaS 和PaaS 商业服务还未开展。目前，我国在云计算服务的基础设施（IDC 中心）建设、云计算软硬件产业支持和超大规模云计算服务的核心技术方面与发达国家存在差距。云安全方面，我国企业具有一定的特点和优势。随着物联网应用的规模推进、互联网快速发展和国家信息化进程的不断深入，我国云计算服务将形成巨大的市场需求空间，“十二五”期间将呈现快速发展态势.物联网相关信息处理与数

32、据服务业：信息处理与数据分析的关键技术主要是数据库与商业智能。我国数据库产业非常薄弱，知名企业只有三四家，只占国内市场10%左右的份额6。商业智能（BI）领域我国虽然技术相对落后，然而已形成了一定规模，国内现有BI 厂商有近500 家，但高端市场仍由国际厂商垄断。整体而言，我国拥有自主知识产权的数据库产品、BI 产品和掌握关键技术的软件企业少，产业链不完整，缺乏产品线完整、软硬结合、竞争力强的国际企业。物联网相关软件开发与集成服务业：我国软件与集成产业连续多年保持高速增长，2010 年完成业务收入1.3 万亿元，同比增长31%，其中系统集成和支持服务实现收入2910 亿元，同比增长31.8%。

33、然而物联网应用所需的软件高端综合集成能力，特别是软件与各行业的业务流程深度融合和集成整合能力，我国与国际领先企业差距很大，总体上处于产业链低端。,26,物联网应用服务业：整体上我国物联网应用服务业尚未成形，已有物联网应用大多是各行业或企业的内部化服务，未形成社会化商业化的服务业，外部化的物联网应用服务业还需一个较长时间的市场培育，并需突破成本、安全、行业壁垒等一系列制约。综上所述，我国尚未形成真正意义的物联网产业形态和爆发点，物联网有形成巨大市场的潜力，但潜在空间转化为现实市场还需要较长时间培育，关键点是通过技术和应用创新形成新兴业态和新增市场。我们预计，“十二五”期末我国物联网相关产业规模将

34、达到5000多亿规模，而真正可能形成万亿级规模的时间节点预计在“十三五”后期。,27,OUTLINES,重大自然灾害重大自然灾害监测、预测、预警、实时预报、应急救助决策、灾后评估的要求及有关技术有关传感技术及网络技术的建议,28,重大自然灾害,*地质灾害：山体滑坡、泥石流、地震、岩溶塌陷、海啸*气象灾害：强台风、强降雨、龙卷风、暴风雪、强冰冻、洪涝、干旱 生物灾害：蝗虫、传染病、瘟疫 天体灾害：太阳，彗星及其它天体对地球的 撞击或别的重大损害 植物农作物灾害：森林火灾 环境灾害：核泄漏、大气等严重污染,29,滑坡灾害的影响因素:,地形地貌 地质构造与新构造活动 地层岩性与岩体结构特性 地下水

35、暴雨和连续降雨 人类活动,30,主要考虑地质、气象灾害,地面系统（包括部分地下）是大部分数据获取的基础和源头。,31,重大灾害的监测、预测、预警、实时预报、应急救助决策、灾后评估,天、空、地要求/立体：(1)救援求救系统(2)预报预警财务系统(3)空间信息应用系统,32,应检测的参数：,温度、湿度、含水量（降雨）、振动、位移、（表层及地下一定深度）倾斜、地层结构成分、组分感知土壤水分含量，地表层应力，地表层微位移，地表层温度等,33,地面系统可供应用的关键技术,利用物理、化学、机械、力学、电学、磁学、声学、光学（包括红外、THz等）等原理、测量上述参数的传感器。集中参数（某一分#小区域）分布参

36、数（一定范围内）,34,传感器结构特点:防水、防潮、防震动、耐高温、耐低温、耐机械力、封闭结构等。传感器电气特点：低功耗、抗干扰、智能化数据采集、协议适应性强等。通讯功能：远距离通讯功能，局域网自组网功能和精确定位功能。,35,简易监测方法,地质灾害简易监测，是指借助于简单的测量工具、仪器装置和量测方法，监测灾害体、房屋或构筑物裂缝位移变化的监测方法。1、一般常用监测方法：（1）埋桩法 埋桩法适合对崩塌、滑坡体上发生的裂缝进行观测。在斜坡上横跨裂缝两侧埋桩，用钢卷尺测量桩之间的距离，可以了解滑坡变形滑动过程。对于土体裂缝，埋桩不能离裂缝太近。（2）埋钉法 在建筑物裂缝两侧各钉一颗钉子，通过测量

37、两侧两颗钉子之间的距离变化来判断滑坡的变形滑动。这种方法对于临灾前兆的判断是非常有效的。（3）上漆法 在建筑物裂缝的两侧用油漆各画上一道标记，与埋钉法原理是相同的，通过测量两侧标记之间的距离来判断裂缝是否存在扩大。（4）贴片法 横跨建筑物裂缝粘贴水泥砂浆片或纸片，如果砂浆片或纸片被拉断，说明滑坡发生了明显变形，须严加防范。与上面三种方法相比，这种方法不能获得具体数据，但是，可以非常直接地判断滑坡的突然变化情况。地质灾害群测群防监测方法除了采用埋桩法、贴片法和灾害前兆观查等简单方法外，还可以借助简易、快捷、实用、易于掌握的位移、地声、雨量等群测群防预警装置和简单的声、光、电警报信号发生装置，来提

38、高预警的准确性和临灾的快速反应能力。,36,可考虑的几项技术,光纤传感器：可用于分布式测量振动、位移、深度及温度的技术，所用原理为：微型振动传感，激光受激拉曼散射及受激布里渊散射，光纤的倏逝波效应等。太赫兹波技术：由于其波长比光波波长长很多，可以穿透地表1020米，可利用它检测地表一定范围的情况。Laser technology,37,复合传感器,基于介电理论并运用多频测量技术的复合传感器能够同时测量土壤水分、电导率和温度。光纤传感器能够测试地表与地壳应力状态及其随时间的动态变化。多波长传感器：从声传感到电磁波、毫米波、太赫兹、红外、激光、X射线、射线.,38,将投放的传感器中采用集成组合技术

39、，将传感功能，定位功能，无线发射功能及供电功能四合一进行研发，将对地震等灾害的检测起很大的作用。在地面的传感器，采用自组网及有线、无线传感技术信息，将地面天、空、基信息系统连接组网。,39,每一个终端配备小型最大功率点跟踪（MPPT）太阳能供电系统，由于终端采用低功耗设计，每个节点5W太阳能电池，配备锂电池采用后备方式工作。路由采用风光互补方式供电。,供电方案,40,通讯方案：,A、GPRS/CDMA实现远距离组网，利用现有的蜂窝网络通讯，覆盖范围宽，投资少，每个节点可以独立与服务器连接，报警方式灵活，可以实现无线广播。缺点是地质灾害可能破坏现有的无线通讯网络。,无线传感器网络的光纤主干与 空

40、洒布局结合组网技术,基于灾害监测对象模型的小样本 准确分析技术,基于WVSN（无线图像传感器网络）的灾害图像智能分析技术.,41,B、全光纤网，通过在灾害敏感区域铺设光纤网络，基于现有internet IP协议，组建专用网络，定位准确，通讯可靠，抗干扰性强，结合光纤传感器能够测试地表应力变化.C、基于无线宽带和认知无线电的新型无线传感网络，基于专用芯片设计的宽带无线智能终端和无线路由，几十个终端组成一个无线局域网，局域网之间通过认知无线网线自组网通讯，一个局域网有一个路由器，路由器能够汇集几十个终端的数据，路由器具有较丰富的无线与有线通讯接口，集成GPS精确定位功能。推荐这种方案。,42,4、

41、软件方案：软件方案建议采用集散型方案，传感器终端采用超轻量级软件，主要用来对传感器信号滤波、实现无线通讯协议和数据暂存，路由器与服务器采用集总超级软件平台，实现数据处理和预警算法等。,43,突发性地质灾害预警预报信息发布系统(LAPSIMS),该系统采用空间数据库引擎技术管理海量滑坡(泥石流)、地质、DEM、土地利用、土壤、降雨等数据。基于WebGIS 技术实现了突发性地质灾害概率空间分布预报预警图的发布、信息查询、空间定位和空间叠加等功能。,44,GIS&WebGISCGIuC/OSLAPSArcIMSBP-,45,基于BP 神经网络的地质灾害风险评估方法,1.地质灾害风险评估包括地质灾害危

42、险性评价及承灾体的易损性评价。2.根据地质灾害的特点,将BP 神经网络方法引入到地质灾害风险评估中。由于神经网络具有自动调节连接权值的特点,一定程度上避免了其他方法评价过程中人为赋予权值所带来的误差。3.以天水地区为例,依据地质灾害风险评估指标体系及其各指标之间的关系,构建了地质灾害风险评估BP 神经网络。4.运用Matlab 软件,对建立的神经网络进行了训练和仿真,取得了地质灾害风险评估分区图,评估结果与实际情况较为相符。说明BP 神经网络应用于地质灾害风险评估是可行的。,46,探地雷达,探地雷达方法是一种对地下或物体内不可见的目标体或界面进行定位的电磁技术。地质雷达以其探测的高分辨率和高效

43、率而成为地球物理勘探的有力工具。现已广泛应用于工程地质勘察、建筑结构调查、无损检测、水文地质调查及生态环境等众多领域。杭高速公路边坡工程地质勘测的应用。利用RAMAC 探地雷达进行浅层工程地质调查,效果理想,发挥了探地雷达高频、高分辨率的优点。地质雷达的探测结果所反映的是整条剖面的图像。它不仅具有代替钻探的功能,还极大地补充了一孔之见的不足。其所提供的资料能反映出地下连续变化的剖面。雷达探测具有经济,高效,非破坏性等优点,探测精度高、分辨率高。在边坡治理后期效果检测和长期动态监测方面必将有广泛的应用前景。,47,光纤传感器,利用光导纤维的传光特性，把被测量转换为光特性(强度、相位、偏振态、频率

44、、波长)改变的传感器。光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。,48,近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区）

45、，起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。,49,光纤传感器优点,一灵敏度较高；二几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；三可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；四可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；五而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。,50,光纤传感器应用：绝缘子污秽、磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传感型）传感器;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

46、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

47、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

48、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

49、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-Mecha

50、nism System,MEMS)、片上系统（SOC，System on Chip）、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(Wireless Sensor Networks,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