物联网在应急物资调度中的架构研究

刘同娟，段衍林

（北京物资学院，北京 101149）

1 引言

应急物资调度是应急管理内的主要决策问题，一般情况下，成本最小化是物资调度的基本原则，然而应急物资的调度强调其紧迫性、弱经济性、动态性等特点，所以，时间最短将是应急物资调度的首要原则。所以，在物联网技术的应用支持下，能够比传统的应急物资调度获取更加实时有效的信息和数据，通过对这些数据的处理，开发出高效率的应急调度方案。

针对目前传统应急物资调度存在的问题与不足，结合物联网技术的应用及其体系结构，建立一种基于物联网技术的应急物资调度平台应用架构。

2 物联网在应急调度中的应用架构

将物联网技术应用于应急调度领域，可以使应急管理工作趋于一体化、综合化、实时化。例如通过无线网络将EPC、RFID、传感器等物联网技术采集的应急实时动态信息传输到计算机处理中心，综合考虑救援物资详细存储状态、应急调度的运输能力等约束条件，研究时间最短、成本最低的应急物资调度方案。在物联网相关技术的综合应用过程中，应用架构研究是其中相当重要的部分。

2.1 物联网体系结构

物联网的体系结构通常包括感知层、网络层、数据层和应用层。其中感知层包括EPC标签、RFID读写器、摄像头、GPS、传感器等信息设备，主要实现应急物资的识别与定位，应急物资运输过程的实时动态信息采集获取；网络层通过有线与无线网络传递感知层采集的信息，实现实时动态信息的共享；数据层包括数据处理技术（如云计算）和数据存储等，其中数据存储包括应急物资数据库、应急车辆数据库、业务处理数据库和EPCIS数据库等；应用层则通过建立众多子系统，从而搭建应急物资调度平台实现应急物资调度。具体体系结构如图1所示。

（1）感知层。应急物资调度过程更加注重物资动态信息采集传输的时效性和准确性。因此，对感知层传感器等技术的应用要求非常高，感知层对应急物资和应急车辆等精确地信息采集和传输是整个应急物资调度过程的前提和基础。感知层的主要信息采集设备包括：EPC电子标签、RFID读写器、全球定位系统（GPS）、摄像头、传感器、地理信息系统（GIS）等。

EPC电子标签唯一标识每一件应急物资，通过读写器等识读设备读取相应的EPC编码，从而获取相应的应急物资信息，为实现应急物资的实时跟踪和追溯提供前提保障；RFID读写器用于读取EPC标签中存储的相应物资信息，通过有线或无线网络系统，实现应急物资信息与物联网系统的链接；传感器技术将应急物资的实时信息传递到物联网系统，是物联网系统中物资原始信息的主要来源；摄像头技术可以实现对仓储的安全监控和出入库的操作监控，从而实现对应急物资的安全存储；GPS和GIS技术应用于应急调度过程中应急车辆和应急物资的定位，结合计算机物理设备系统和应急物资调度平台系统，实现对应急物资调度的远程控制与指挥目的，辅助调度决策，使应急车辆能准确、及时的将物资运达目的地，对应急物资运输、车辆调度和决策支持都能起到不可替代的作用。

（2）网络层。网络层主要负责上下层之间的数据传输及不同协议之间的数据格式转换，在整个物联网体系架构中相当于一座桥梁，链接感知层与数据层和应用层，使得物理世界和信息世界达到无缝链接。在整个系统架构中所有的数据都会经过网络层，通过移动通信网、互联网和网络管理中心等将感知层各网络节点链接在整个应急物资调度体系中，使得应急物资调动系统中的各环节节点可以根据自己的需要获取相应的信息。

（3）数据层。应急物资的调度更加重视在最短的时间内完成，从而降低社会和经济损失，所以应急物资调度对信息的时效性和准确性的要求非常高，而由于突发事件的无法预估性和EPC标签等的应用导致原始数据冗余繁杂，所以引入数据层，通过对数据的处理和分类存储，提高数据分析处理速度，从而提高物资调度速率。

在对应急物资调度的相关数据进行分析处理时，引入云计算技术。云计算高速的数据处理核心，为基于物联网的应急物资调度平台运转提供一种高效的智能计算模式，提供可靠、有效的数据存储中心，实现不同设备间的数据信息共享，使得信息在不同层次之间快捷、高效、精确传输。使得应急物资调度中各类应急物资的实时定位与管理、智能数据分析变得可能，最大限度的减少应急调度的信息处理时间，提高应急指挥的分析与决策效率，从而实现时间效益最大化。

数据层的存储主要包括应急物资数据库、应急车辆数据库和业务数据库等。应急物资数据库和应急车辆数据库主要用来存储相应的应急储备点的应急数据，而业务数据库用来存储应急物资调度过程中的应急业务数据。

（4）应用层。应用层是将物联网技术和相关行业技术相结合，最终呈现给用户的智能应用解决方案，也是整个物联网架构中用户唯一能够与之交互的平台。本文的应用层是将物联网技术与应急物资调度相结合，通过对物联网环境下应急物资调度模式、物联网架构、EPC编码方案等的研究，初步搭建物联网环境下应急物资调度平台。为实现应急反应点位置查询、应急物资高效调度、应急车辆定位监控、辅助调度决策等功能提供技术支持。

在上述基本的四层结构之外，还存在一个客户层，客户层为应急物资调度决策者提供不同的系统应用模式，例如智能手机、PDA、移动电脑或PC端等多种应用模式，使得决策者可以随时随地的对应急物资调度进行更加及时、准确的决策。

2.2 应急物资调度中的EPC物联网系统

EPC物联网系统是一个非常先进的综合系统。它由EPC电子编码体系、RFID系统以及信息网络系统这三个部分构成，是将应急物资实体和互联网网络紧密联系在一起，从而实现“物物相连”的过渡系统，在整个调度体系中起到信息传达过渡的作用。而在调度体系中，EPC物联网系统的工作流程如图2所示。

图2 EPC物联网系统的工作流程

在应急物资调度中EPC物联网系统是由EPC标签、读写器、EPC中间件（Savant服务器）、ONS服务器、PML服务器、应急调度决策支持系统以及众多数据库系统组成的。读写器读出的每一个应急物资上的标签编码，只是一个相应EPC代码，EPC物联网系统就是利用这个EPC代码从ONS服务器中获得相应IP地址，访问该IP地址对应的PML服务器，从而获取服务器中存储的相关物品信息，并采用分布式Savant软件系统处理由读写器读取的一系列EPC信息。由于在标签上只有一个EPC代码，计算机需要知道与该EPC匹配的其它信息，这就需要ONS来提供一种自动化的网络数据库服务，Savant将EPC传给ONS，ONS指示Savant到一个保存着产品文件的PML服务器查找，该文件可由Savant复制，因而文件中的产品信息就能传到应急调度应用程序客户端中。

2.2.1 EPC电子编码体系。EPC电子编码是全球统一编码体系拓展和延伸的新一代编码体系，是EPC编码系统的前提和基础，它可以对应急物资调度体系中的所有应急物资进行一对一编码，将所有的应急物资按照特定的数据格式存储在应急物资调度平台数据库中，为应急物资调度和追踪提供数据和信息保障。

EPC电子编码由标头、厂商识别代码、对象分类代码和序列号四个字段组成的一组规律性的数字集合。根据编码长度和各字段长度的不同，EPC电子编码可分为64、96和256位三种类型，见表1。

表1 EPC电子编码结构

在现实应急物资调度中，从厂商数量、应急物资种类和应急物资储备调度数量考虑，选取EPC-96位类型的编码结构，字段足够标识每一件应急物资，且不会有过多的空字段浪费。

2.2.2 RFID系统。RFID系统是EPC电子编码的识别和读取部分，是将应急物资链接入调度体系的第一环节。它主要由EPC编码标签、阅读器和天线组成。整个标签读取过程如图3所示。阅读器通过天线发送一定频率的射频信号，相对应的EPC标签被激活，并将自身编码信息发送给阅读器；阅读器对接收到的信号进行解调和解码，然后将相关数据发送给后台系统。

图3 RFID系统流程图

2.2.3 信息网络系统。信息网络系统负责EPC物联网系统和互联网系统的信息管理和交互，由EPC中间件、对象名称解析服务（ONS）、EPC信息服务、实体标记语言（PML）四个部分协同完成。

（1）EPC中间件。EPC中间件又称“Savant”，是连接RFID射频识别系统和企业应用程序的过渡部分，主要作用在于对读写器读取到的无序杂乱数据进行初步处理和过滤，减少传递数据量，降低读取过程中的冗余和错误数据的出现和传递。

EPC中间件是一系列面向消息的“程序模块”或“服务”的集成，为不同的客户提供不同的信息服务接口，以满足不同客户的信息需求，具体原理如图4所示。如应急调度客户端可以通过EPC中间件提供的接口获得直观的物资信息等，而如ONS等程序模块系统，则通过中间件提供的接口获取相应数据格式的需求信息。

图4 EPC中间件功能原理图

（2）对象名解析服务（ONS）。ONS服务用于定位带有EPC标签的应急物资对应的网络服务，通过定位EPC编码对应的存储物资信息的PML服务器，帮助实现客户端应用程序的信息服务。ONS是一个分布式的体系结构，是一个能够最大程度上利用Internet的体系结构，可以一定程度的增加程序的兼容性。ONS系统的详细工作流程如图5所示。

图5 ONS工作流程

在对象名解析服务中，ONS的工作流程详情如下：①RFID系统通过读写器读取EPC应急物资标签，并且将读取的标签内容传递给本地服务器；②本地服务器根据特定的标签数据标准将EPC编码转换成相应的URI格式，并发送到ONS解算器；③ONS解算器利用格式化转换字符串将接收到的URI转化为EPC域名形式，将对这个域名的权威指针（NAPTR）进行查询；④ONS服务器通过接收到的指针返回相应的一系列NAPTR记录回答，其中包含有指向一个或多个相关服务器的URI；⑤本地ONS解析器从返回的NAPTR记录中提取出需要的PML服务器的URI，返回给本地服务器；⑥本地服务器根据URI链接相应的PML服务器，获取所需EPC信息。

（3）EPC信息服务（EPCIS）。EPC信息服务是物联网系统中的核心模块，它实现EPC物联网中的EPC代码和应急物资信息分开存储，即EPC标签仅存储物资代码，而应急物资的所有信息存储在EPCIS服务器中，从而降低标签成本。

EPCIS功能模块包括客户端模块、数据存储模块和数据查询模块三部分，如图6所示。客户端模块将EPC标签信息向指定EPCIS服务器传输；数据存储模块将通用数据存储于数据库中，在产品信息初始化的过程中调用通用数据生成针对每一个产品的属性信息，并将其存储于PML文档中；数据查询模块根据客户端的查询要求和权限，访问相应的PML文档，生成HTML文档，返回给客户端。

（4）PML。当EPC进行商品信息识别时，关于产品的全部信息都用一种新型的标准计算机语言—实体标记语言（PML）书写，PML是基于人们广为接受的可扩展标识语言（XML）发展而来的，PML通过一种标准的、通用的方法来描述人们所在的物理世界，具有一个广泛的层次结构。PML的目标是为物理实体的远程监控和环境监控提供一种简单、通用的描述语言。

2.3 面向应急物资调度的物联网应用架构

本文提出的将物联网技术应用于应急物资调度中，能提高数据采集传输的效率和准确性，提高辅助应急调度决策的能力。物联网是一个集合感知、互联、计算和控制于一体的智能系统，将其应用于应急调度领域，实现应急数据的收集、传递与分析，最后实现应急物资定位和辅助决策，其整体物联网应用架构如图7所示。

图7 面向应急物资调度的物联网应用架构图

物联网环境下应急物资调度系统是一个集成信息感知、信息传递、数据处理、应急定位和辅助调度决策等功能的综合系统。主要包括应急物资储备系统、应急车辆调度系统和应急调度平台等。

（1）应急物资储备系统。应急物资储备系统是应急调度过程运转的物质基础，是进行应急调度的实体对象，通过对物资储备点内的所有应急物资进行EPC标签绑定，并且将所有的应急物资详细信息存储在储备点的信息服务器内。当通过调度平台进行物资定位和信息追溯时，通过ONS解析服务，调用查询相应物资储备点内数据库和信息服务器内对应物资的信息，从而实现应急物资的可视化和可追溯性，提高决策水平。

（2）应急车辆调度系统。应急车辆调度系统是实现应急物资调度的必要手段，应急物资从物资储备点运送到受灾点的过程中需要充足的货运车辆参与到配送过程中，以保证受灾点应急物资的及时且充足配送。在整个调度过程中，应急车辆调度系统可以定位查询所有的在途车辆和空载车辆，以便及时调度车辆，保证应急物资的及时供应，辅助调度决策。

（3）应急调度平台。通过对物联网应急物资调度模式、物联网架构、EPC编码方案的研究，搭建物联网环境下应急物资调度平台。通过平台的搭建，链接物联网技术下各应急调度模块，实现储备点位置定位、储备点内物资查询、应急车辆查询与定位、辅助调度决策等功能。

应急调度决策者可以通过有线和无线网络，利用电脑客户端或者移动智能设备及时的链接入平台系统，只要是有网络的地方，都可以进行调度决策，提高应急物资调度的效率，尽量减少调度过程所需要的时间，从而达到时间效益最大化。

3 结束语

本文通过对物联网在应急物资调度领域的技术和应用架构研究，对物联网系统中的关键技术、物联网体系结构和应用架构进行了重点研究。物联网对物理世界和信息世界进行无缝链接，可以将应急物资调度系统中所有的应急物资和应急车辆链接在物联网系统中，通过对传感器、GIS、云计算等物联网技术的应用，提高应急调度决策效率，降低应急调度时间。将物联网技术应用于应急调度领域是未来发展的必然趋势，这不仅对物联网技术的发展有重要意义，更对应急领域的发展，对受灾点的及时救援，降低社会和经济损失，保障人民的生命和财产安全都有着极其深远的实践意义。

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