新光基于GNSS+LPWAN的应急监测预警系统


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一、概述

当今频发的重大突发性和自然灾害事件,造成的损失巨大,仅2016年各类自然灾害使我国近1.9亿人次受灾,直接经济损失5032.9亿元。事实证明:灾难事件发生后,单靠政府力量不足以及时有效的处理灾害和开展有效的救助行动,增加非政府组织参与公共应急管理服务势在必行。

 从我国应急体系发展现状看,与严峻复杂的公共安全形势还不相适应。主要表现在:重事后处置、轻事前准备,风险隐患排查治理不到位,法规标准体系不健全,信息资源共享不充分,政策保障措施不完善,应急管理基础能力亟待加强;应急队伍救援装备和核心能力不足,专业和区域分布结构不均衡;应急物资储备结构不合理、快速调运配送效率不高,资源共享和应急征用补偿机制有待健全,应急信息发布和传播能力不足,公共安全科技创新基础薄弱、成果转化率不高,应急产业市场潜力远未转化为实际需求,应急保障能力需进一步提升。

在应急产业中,为了贯彻党的十九大会议精神,更好地解决人民日益增长的美好生活需要和不充分的应急防灾减灾救灾能力之间的矛盾。落实《国务院办公厅关于加快应急产业发展的意见》、《工信部应急产业培育与发展行动计划(2017-2019年)》、《国家突发公共事件总体应急预案》。成都新光微波工程有限责任公司在四川省经济和信息化委员会与四川省应急产业创新联盟的领导下,与大专院校合作,开发了新光基于GNSS+LPWAN的监测预警类应急产品。

二、系统应用

成都新光微波工程有限责任公司长期致力于微波通信、微波探测和物联网通信技术,利用该技术研发了一些列基于GNSS(全球导航卫星增强系统)+LPWAN(低功耗广域网网络)通信技术的监测预警类应急产品,提高了各类突发事件监测预警的及时性和准确性。

公司开发的系列产品可以广泛应在自然灾害方面的监测预警,如地震灾害、气象灾害、地质灾害、水旱灾害、病虫草鼠害、森林草原火灾等监测预警;在事故灾难方面的监测预警,如矿山安全、危险化学品安全、特种设备安全、生产安全、交通安全、有毒有害物质与危险废物泄漏、水电站度汛安全等监测预警;在公共卫生方面的监测预警,如农产品质量安全、食品药品安全、生产生活用水安全等应急检测,流行病监测、诊断试剂和装备;在社会安全方面的监测预警,如城市和家庭火灾消防等监测预警。同时,公司还研发了突发事件预警发布系统、应急广播系统等设备。

三、系统组成

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1. 采集子系统

由多功能RTU(远程终端装置)由采集控制中心、基于GPS/北斗地基增强的GNSS系统、基于LPWAN低功耗的各种通信模块、各种监测传感器构成。新光公司开发的一体化多功能远程终端监测设备(RTU)是整个系统架构的基础,用来采集各监测点的实时数据。

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自然灾害预警采集子系统主要包括多功能RTU、地震灾害传感器、气象灾害传感器、地质灾害传感器、水旱灾害传感器、病虫草鼠害传感器、森林草原火灾传感器、高清摄像机等多种传感器融合的系统,负责监测原始数据的采集。

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事故灾难预警采集子系统主要包括多功能RTU、矿山安全传感器、危险化学品安全传感器、特种设备安全传感器、生产安全传感器、交通安全传感器、有毒有害物质与危险废物泄漏传感器、水电站度汛安全传感器、高清摄像机等多种传感器融合的系统,负责监测原始数据的采集。

公共卫生预警采集子系统主要包括多功能RTU,农产品质量安全传感器、食品药品安全传感器、生产生活用水安全监测传感器,流行病监测传感器、高清摄像机等多种传感器融合的系统,负责监测原始数据的采集。

社会安全预警采集子系统主要包括多功能RTU,城市和家庭消防传感器,高清摄像机等多种传感器融合的系统,负责监测原始数据的采集。

2. 传输子系统

负责将各类传感器采集的数据通过多功能RTU实时传输到控制管理中心。

新光公司开发的一体化多功能远程终端监测设备(RTU)主要包括GNSS定位系统和LPWAN通信系统组成。

GNSS(Global Navigation Satellite System)中文名称为全球导航卫星系统,新光公司开发的GNSS技术主要是基于GPS/北斗的地基增强型高精度定位系统,定位精度可达厘米级,静态可达毫米级。

LPWAN(Low Power Wide Area Network)。中文名称为低功耗广域网网络。新光公司开发的LPWAN技术主要是基于NB-IoT或eMTC,则基本可以复用现有的2G/3G/4G基站。监测点/网关通过LPWAN技术将数据上报给2G/3G/4G基站、最终报给预警监测平台。

同时也可根据现场实际环境,采用有线和无线的组合通讯模式,布置最优的通讯方案。

基于蜂窝的窄带物联网NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络,只消耗大约180KHz的带宽,可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,以降低部署成本、实现平滑升级。

NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术,支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接,也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。NB-IoT设备电池寿命可以提高至至少10年,同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。

3. 数据处理和监控子系统

数据处理和监控子系统是整个监测系统的数据处理与分析中心及系统的监控中心,监控中心接收各地监测站设备采集上来的数据,实时处理、存储、分析、显示、报警各类传感器数据,通过大数据分析,并通过网络发送给获得授权认证的用户,让其操作现场监测站设备、处理灾害隐患。

若系统开始报警,通过预警发布系统发布预警信息,通过网络发送给该片区的用户进行避灾。

若遇到突发事件,通过应急广播系统发布多媒体、手机、广播、电视应急信息。

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4. 辅助技术子系统

由辅助整个自动化监测系统正常运行的设备组成,包括供电、避雷、综合布线及外场机柜等子系统组成,保障整个系统在各种环境下安全稳定、长时间连续工作。同时,该系统可以与《四川省应急大数据》相连。

四、系统功能

1、高精度定位系统,确保预警系统可管可控

RTU内含一款技术先进、简单易用、性价比高的基于GPS/北斗地基增强的RTK监测专业接收机,其坚固的外型结构和通用的技术性能适合在任何情况下长时间连续工作。与大地测量型天线设备集成在一起,并配合核心解算软件,能够最大限度地满足滑坡体、尾矿坝、沉降等变形监测的需要。

新光开发的基于RTK低功耗高精度导航定位系统。支持 GPS、北斗双星系统,支持CORS (Continuously Operating Reference Stations)利用多基站网络RTK技术建立的连续运行卫星定位服务参考站;内置高频 MEMS 传感器,核心 RTK 解算模块基于新光多年测绘高精度领域的应用研究; 0.4W 的极低功耗, 50Hz 的分米级、厘米级的定位输出,兼容国际主流板卡的接口及协议,极佳的性价比优势,特别适合无人机高精度导航、 GIS 数据采集以及高精度车载导航等领域应用。

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主要特点:

水平精度2mm+1ppm(规范要求<3mm)

垂直精度3mm+1ppm(规范要求<5mm)

可靠性>99.9%

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3D扼流圈天线

3D扼流圈天线采用四馈点微带天线技术,保证天线相位中心与几何中心的重合,具备强抗多路径效应能力,符合IGS标准并已通过NGS认证、并可兼容CORS主机。采用前置滤波技术的低噪声放大器,提高系统抗干扰能力。内置防雷保护电路,可长期在户外安装使用。

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2、实时监测各种灾害多发区的各维度数据,为政府科技决策提供依据
   系统可快速采集、传输、计算、分析、存储各监测点的监测数据,包括自然灾害监测数据,如地震灾害、气象灾害、地质灾害、水旱灾害、病虫草鼠害、森林草原火灾等监测数据;包括事故灾难数据,如矿山安全、危险化学品安全、特种设备安全、生产安全、交通安全、有毒有害物质与危险废物泄漏、水电站度汛安全等监测数据;包括公共卫生监测数据,如农产品质量安全、食
品药品安全、生产生活用水安全等应急检测,流行病监测数据;包括社会安全方面监测数据,如城市和家庭火灾消防等监测数据。并对数据进行纠错处理,减少数据误码率、提高数据完整率。

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3、集成多种无线通信模式,有效保障数据传输
    
一体化多功能远程终端监测设备(RTU)具备多卫星GNSS定位系统和LPWAN多种通信方式。支持北斗短报文/GPRS双模通信自动切换互备份传输,信息传输实时性强,可有效保障数据传输。

新光公司开发的LPWAN技术主要是基于NB-IoT或eMTC,则基本可以复用现有的2G/3G/4G基站。监测点/网关通过LPWAN技术将数据上报给2G/3G/4G基站、最终报给预警监测平台。

监测点之间可以采用mesh组网、也可以用LoRa 、Zigbee组网,以增加可靠性和覆盖范围和节点数。同时也可根据现场实际环境,采用有线和无线的组合通讯模式,布置最优的通讯方案。

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4、科学的决策判断机制,实现监测指标异常自动报警 

7*24小时全天侯自动监测灾害各维度参数,自动进行数据分析判断,当检测值超过预警值时,自动声光报警、短信报警广播电视播报,实现无人值守日夜守护地区安全,极大降低管理人员工作强度,提升管理效率。

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5、丰富的报警方式,灵活的报警手段,适应上级、监测站点负责人、村庄等各层级管理需要

内置10多种预警方式,可灵活通过多种方式向地灾区域群众及时发布预警信息,支持普通话和方言轮流播报,充分发挥预警系统的价值。

6、强大的数据及报表功能,当前运行数据、历史数据、变化趋势等一站管控
   软件基于模块化设计,分布式服务开发,解决了负载均衡的问题;B/S架构监测软件,使用浏览器即可查看系统监测结果,方便快捷;支持手机客户端登陆系统,方便快键查看数据和报警信息。

根据地灾功能区划,灵活展示分析实时监测数据/历史数据的变化趋势、同类数据同一时间段趋势对比、同一数据不同时间段趋势对比。

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7、设备远程管理,GIS地图/工况监测/防盗报警/远程升级,设备管理一目了然

GIS地图:实时显示所有监测站点分布。

工况监测:平台实时监测各远端广播运行工况,包括工作模式、喇叭状态、机箱状态、供电模式、电池状态、电量状态等,随时掌握设备实时状态和故障状态。

防盗报警:当广播站点机箱门被打开或喇叭被盗,设备自动向管理人员发送报警信息。

远程升级:无需亲临现场,就可对设备进行远程配置、软件升级和设备重启。 

8、应急信息发布和应急广播

在现有广播电视技术系统基础上,经过改造和升级,形成能够接收、审核应急广播信息,通过制作播发、调度控制、消息发布等环节生成应急广播消息、应急广播节目和应急广播签名,并由专用应急广播消息发送设备发送至消息接收设备的技术系统,一般包含:应急广播平台、应急广播传输覆盖网和接收终端。

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9、标准数据接口和二次开发库

采用统一的数据采集规程、标准化体系与接口技术规范,可支持跨平台的数据访问与操作。提供标准数据接口和二次开发库,满足第三方平台的数据调用和存取,方便系统集成。

五、系统特点

1、 集成高效

由多功能RTU与各种传感器构成一体化采集器是整个系统架构的基础,可以与各类传感器相连,用来采集各监测点的实时数据。

2、四遥监控

满足远距离遥测、遥信、遥控、遥调的需求,可以在几秒钟时间内获取成百上千个子站的各种数据,具有无法比拟的实时响应速度以及接近于零故障和零维护的高可靠性。

3、快速部署

基于LPWAN无线网络灾害监测系统,通过布置在监测区域内大量的传感器节点所形成的网络,安装维护方便,具有低功耗和低成本的特点。高度集成化的产品解决方案,性能稳定,安装简便,快速部署


 
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