项目申报书
提纲一、揭榜依据
1.问题解析国内外现状、水平和发展趋势(含知识产权状况和技术标准状况)经济建设和社会发展需求;科学技术价值、特色和创新点。
1.1国内外现状、水平和发展趋势2023年,中共中央、国务院印发《数字中国建设整体布局规划》明确指出,建设数字中国是数字时代推进中国式现代化的重要引擎,是构筑国家竞争新优势的有力支撑。加快数字中国建设,对全面建设社会主义现代化国家、全面推进中华民族伟大复兴具有重要意义和深远影响,上海市率先开展城市数字化转型布局,早在2021年,上海市委市政府发布关于全面推进上海城市数字化转型的意见》指出全面推进数字化转型是超大城市治理体系和治理能力现代化的必然要求,提出上海要主动顺应和掌握数字化时代带来的新趋势新机遇,科学邋循城市运行和发展规律,持续深化上海各领域数字化发展的先发优势,从“城市是生命体、有机体“的全局出发,统筹推进城市经济、生活、治理全面数字化转型。同年,上海市杨浦区人民政府印发《打造上海市数字化转型示范区全面推进杨浦区城市数字化转型行动方案(2021一2023年)》,积极响应开展数字化建设。在国家和地方的政策引导与推动下,城市发展进入全面推进数字化转型的新时代。
数字底座是城市数字化转型应用的重要基础,数字底座构建需要大量感知设备部署完成数据感知,网络覆盖支撑感知数据传输.随着信息技术革命性的发展,5G通讯网络、物联网设备逐渐在各行业应用,有力支撑“万物互联“的物联网数字底座基础数据构建。但是,随着城市数字化更加智能化应用需求提升以及细分领域深入地下感知等复杂场景出现,现有物联网技术手段表现出了感知不够智能、传输距离不够甚至无法传输的困难。例如,受限于地下无线信号稚盖盲区导致的盎测设备无线化困难,现有深基坑四通道采集设备,需要通过有线电缆方式,将基坑应力、测斜等探头与地面数据收集箱连接,通过地面工作人员设定采集任务,实现监测指标数据的收集,监测指标感知的智能化和时效性大打折扣,难以满足地下空间灵敏及时智能感知的应用需求,些需开展适用于复杂深基坑场景的无线智能采集关键技术及产品研制。
目前,无线化通信方面,ZigBee和LoRa技术在深基坑监测应用已有一些案例。例如,基于ZigBee的深基坑水位监控系统。系统包含协调器节点(网关)、路由节点和传感节点。协调节点使用GPRS模块与服务平台数据通信。路由节点无GPRS模块,其余与协调节点相同。数据先从传感节点通过ZigBee传输到路步上传数据库中,形成水位状态数据,供数据实时显示、分析及预测。该系统的主要缺点是受信号衰减导致传输距离短,主要在百米级的水平。同时,ZigBee的协议复杂度进一步增加了上下行开发难度,限制了产品的开发迭代速度。基于LoRa的基坑工程监测系统,实现对位移、倾角、轴力、温湿度的数据监测与上传。LoRa网关通过有线方式或4G网络传输数据到服务器,采集终端有主动上报和被动轮询两种工作模式,主动上报模式下,终端按照固定周期向集中器发送采集数据。被动轮询模式下,集中器按照预设周期向所有终端发送采集指令,终端返回采集数据,但集中器不能针对于某一终端进行参数配置和数据请求。由于功耗问题,系统采集终端主要使用电源供电,限制了产品的灵活性。同时,下行请求的响应也无法满足工作应用场景。此外,由于深基坑多为钢筋混凝土结构,对无线信号干扰较大,进一步加大无线通信的复杂度。
在数据采集方面,根据不同类型传感器的信号模式不同,目前的数据采集设备主要分为模拟信号和数字信号两大类。基坑的轶力、水土压力等应力类监测采用的振弦式传感器为模拟信号,其采集设备需要完成电流激励和数模转换,目前专用采集箱已较为成熟,有4-48通道的采集箱可根据需要灵活配置使用。基坑中的自动化测斜、静力水准和潘光测距仪等多为数字信号,一般通过标准的RS485接口等端口传输,具备相应端口的树菪派、工控机、PC等硬件均可以完成数据的接发。但是,针对核必的数据传输协议和解析,目前传感器厂商多是将自身的传输协议写入后,形成专用的采集设备,通用性差。近年来,有公司探索将监测中常用的7大类数字信号传感器的传输协议集成到一个工控机中,实现一个采集终端对多类型传感器的集中采集和控制,但在硬件上无法兼容模拟信号传感嚣。部分厂商研发了同时兼容数字信号和模拟信号的采集硬件终端,但是无法兼容其他厂家的传感器。总体来说,在数据采集方面,目前分别针对模拟信号和数字信号的软/硬件已较为成熟,但随着传感器技术的快速发展,同一个项目中传感器类型多样,数字信号和模拟信号类型并存,而同时兼容多源信号、多类型传感器的采集硬件终端及解析、控制协议等采集技术缺失。
综上,迫切需要针对深基坑的复杂性特点,研发低功耗、长距离、可扩展、高稳定性的无线组网技术,实现多节点、多类型传感器数据的及时双向通讯,实现复杂深基坑场景的无线智能化感知,服务建设过程数字化安全,支撑城市数字化转型发展。
1.2经济建设和社会发展需求
复杂深基坑等地下空间开发利用规模巨大,地下结构安全风险日益增加,亟需新技术提升治理能力。目前,上海市的地下空间规模已超一亿平方米,已建成地下工程4万余项,在中心城区已基本形成网格化、多核心的地下空间发展结构。上海市新一轮的城市规划中进一步加大了对地下空间的开发力度,地下工程出现了规模超大、距离超长、深度超深的特点,地下空间的开发与利用逐步综合化、系统化、深层化,地下工程的结构安全风险也在不断积累,传统的地下空间管控手段对于结构安全数据的感知、传输与应用能力不足,亚需物联网等新一代信息技术提升治理能力与数字化服务水平。
1.3科学技术价值、特色和创新点项目创新性的攻克低功耗长距离无线自组网技术,建立具有多节点管理、双向、稳定传输的通讯协议,通过研制元线采集节点,实现基于无线自组网技术的数字信号和模拟信号传感器的无线自动采集和主动控制、研发具有多传感器兼容、无线数据通信及运算能力等多功能一体化的智能采集终端,实现多源数据的穿造式集成感知并开展工程现场测试和验证,实现复杂深基坑场景压力等安全状态关键信息的无线智能采集,为开展基于人工智能的深基坑安全智能化感知提供数据采集与传输的可靠技术手段,有效支撑解决复杂深基均场景信息盲区问题,促进经济社会安全建设,服务上海城市数字化转型发展,具有显著的科学技术价值和特色。
2.已有技术积累和技术条件
针对揭榜问题,揭榜单位已有的研究基础和设施、技术条件和已取得的知识产权情况等。
中国科学院上海微系统与信息技术研究所是我国著名的技术学科综合性研究所之一,现有传感技术、集成电路材料、微系统技术三个国家级重点实验宝,有无线传感网与通信、太赫兹固态技术、高端硅基材料三个中国科学院重点实验室,有超导材料与器件、MEMS技术、信息功能材料微结构表征、无线传感网与通信等多个研发测试技术支撑平台,在微电子信息技术领域,形成了高端硅基集成电路衬底材料200mmSOI和300mm大硅片、光量子计算机“九章“高性能超导单光子探测器件、柔性脑机接口、无线传感网系统、宽带无线通讯系统等从材料到系统的全链条科技创新成果,获得国家级奖励46项、部委省级奖励340余项,先后孵化出上海瀚讯和硅产业集团两家上市公司。
本项目拟解决的榜单问题面向复杂深基坑场景的无线智能采集关键技术研发属于中国科学院上海微系统与信息技术研究所的智能传感及应用主攻方向。在该领域方向,中国科学院上海微系统与信息技术研究所围绕无线传感网/物联网核心技术攻关、关键产品研制、典型行业应用、标准化等多方面突破,研制成功智能感知传感器、新型智能感算传控网关等系列成果,在“南水北调“、“智慧消防“等领域规模应用,赋能行业数字信息化水平,引领了物联网核心技术创新及规模化产业应用推广,并成功推升物联网技术成为国家战略发展方向。参编国家标准《信息技术数字李生第一部分:通用要求》等多项国家、行业、地方和团体标准编制。成果获得授权国家发明专利10余件,发表学术论文10余篇,获得上海市技术发明一等奖(2022)。
综上,针对揭榜问题,揭榜单位中国科学院上海微系统与信息技术研究所已具有扎实的研究基础和完备的设施支撑,相关技术条件成熟,已取得丰富的知识产权,可有效保障本项目研究内容的顺利开展。
3.项目考核标的及预期达成目标
包括对项目完成进度的预期以及完成指标的预期等。
3.1项目考核标的
1)低功耗无线组网技术方案1套;
2)研制获得模拟信号智能无线采集节点产品并量产不少于150个;
3)研制获得数字信号智能无线采集节点产品并量产不少于150个;
4)研制获得多功能一体化智能采集终端产品并量产不少于50个;
5)开展研制获得成果的工程现场测试和验证,部署研制的模拟信号智能无线采集节点数量不少于150个、数字信号智能无线采集节点数量不少于150个、多功能一体化智能采集终端网关数量不少于50个。
3.2项目预期达成目标与完成指标
1)攻克低功耗无线组网技术方面,在复杂深基坑场景下,研发时频复用的冲突时阿管理及高并发冲突下忙闲信道自适应切换机制,实现单网关不少于8并发接入,网络容量之50台;研发星型和中继混合组网模式下的网关和节点的双向通讯,通讯速率之5kbps,研发节点休眠空中唤醒功能,唤醒时延<3s;研发自适应射频功率调节机制,实现单网关小于2个中继节点时有效传输距离水平不小于1000m,深度不小于地下40m。支持双向通信协议进行加密处理;支持冲突时隙管理及高并发冲突下忙闲信道自适应切换。
2)研制模拟信号智能无线采集节点方面,面向复杂深基坑环境下,研发基于事件触发忙闲切换机制的低功耗自动休眠功能,长期平均功耗<1.44mwW;研制自定义规则突变检测与报警触发算法,响应时延<25;单节点数据上报空中时间小于<3s。支持单振弦式传感嚣,量程范围在400~6000Hz,精度之0.25Hz;支持两线热敏电阻式温度传感器;采样频率可调,同时支持定时采集与实时触发两种模式;支持GNSS定位功能;传感器接入通道数量为4个;电池供电续航时间之1年(1小时定时采发频率);防水等级尹IP67;设备体积<110mm+80mm=75mm.
3)研制数字信号智能无线采集节点方面,面向复杂深基坑环境,研发基于事件触发忙闲切换机制的低功耗自动休眠功能,长期平均功耗<1.44mW;研制高阶多维突变检测与报警触发算法,响应时延<2s;单节点数据上报空中时间小于<3s。输出电压DC6V~24V可调;RS485接口之2个;采样频率可调,同时支持定时采集与实时触发两种横式;电池供电续航时间不1年(1小时定时采发频率),支持太阳能充电;防护等级之IP67;设备体积<100mmx80mmx60mm。
4)研制多功能一体化智能采集终端方面,面向复杂深基坑环境,研发基于时空关联数据的边端融合计算与风险主动感知算法,边缘计算时延<10ms;冗余多路电源设计,具备电源故障自动切换能力;支持远程自动更新程序,同时支持远程无线传输和离线本地存储。支持220V、太阳能和电池供电自动切换,电池供电模式下工作时间尹1天;离线数据存傅空间之4GB;支持Linux系统部罪;有线连接接口:不少于1个USB,不少于1个485,不少于LCD1个,不少于LED1个;产品体积不200mmx120mmx60mm;防护等级之IP67。
5)开展工程现场测试和验证方面,在深度30米以上的超深基坑工程进行多节点组网压力测试和计算性能测试,要求模拟信号采集节点数量不少于150个、数字信号采集节点不少于150个.多功能一体化智能采集终端网关不少于50个。
3.3项目预期完成进度
1)2023年9月-2023年10月,完成低功耗无线组网技术攻关;
2)2023年11月-2023年12月,完成模拟信号智能无线采集节点设计与实现、完成多功能一体化智能采集终端设计;
3)2024年1月-2024年2月,完成数字信号智能无线采集节点设计与实现、完成多功能一佛化智能采集终端实现;
4)2024年3月-2024年4月,完成模拟信号智能无线采集节点、数字信号智能无线采集节点与多功能一体化智能采集终端的小批量生产\联调联试、定型。
5)2024年5月-2024年6月,完成模拟信号智能无线采集节点、数字信号智能无线采集节点与多功能一体化智能采集终端的中试量产,准备工程现场测试验证;
6)2024年7月-2024年8月,完成模拟信号智能无线采集节点、数字信号智能无线采集节点与多功能一体化智能采集终端的工程现场测试和验证,完成第三方测试,凝练成果技术,撰写相关报告,准备验收。
二、项目方案及创新点
1针对项目问题,拟采用的解决方案/方法/工艺,方案先进性评估等
1．1总体目标项目针对地下基础设施深基坑内无4G信号、干扰多,多源传感器的采集离散化等难题,研究低功耗长距离无线自组网技术,建立具有多节点管理、双向、稳定传输的通讯协议;基于无线通讯协议研发无线采集节点,实现基于无线自组网技术的数字信号和模拟信号传感器的无线自动采集和主动控制;研发具有多传感器兼容、无线数据通信及运算能力等多功能一体化的智能采集终端,实现多源数据的穿透式集成感知并开展工程现场测试和验证,通过复杂深基坑场景的无线智能采集关键技术支撑行业数字化管理水平提升,赋能上海城市数字化转型发展。
1.2解决方案项目重点开展低功耗无线组网技术研发、模拟信号智能无线采集节点研发、数字信号智能无线采集节点研发、多功能一体化智能采集终端研发和开展工程现场测试和验证五个方面研究。
1)低功耗无线组网技术研发
针对复杂深基坑场景下多节点密集部署以后的冲突避免需求,一方面,设计频分机制,针对可用频段,按照可用带宽分割若干固定信道,构建相互无冲突的独立频段;另一方面,在各固定频段内部,设计冲突避免的时分机制,降低高并发情况下的冲突可能,通过时频机制相结合,形成时频复用的冲突时隙管理机制。同时,对于高并发冲突信道,基于网络内节点规模与可用信道总量估计,设计忙闲信道自适应切换机制,支持冲突时隙管理及高并发冲突下忙间信道自适应切换,进一步降低网络冲窍,保障节点接入。针对网络覆盖远端的信号盲区问题和上下行及时响应需求,基于多模块复用方式,研发模块自适应切换的星型和中继混合组网,同时,研究活动信号检测技术,设计节点休眠空中唤醒功能,支持星型和中继混合组网模式下的网关和节点的双向通讯并基于双向通信协议进行加密处理研发基于信号质量的网络自适应射频功率调节机制,最优化功耗控制。
2)模拟信号智能无线采集节点研发
面向复杂深基坑环境下应力、土压等采集任务长期需求与采集功耗大的问题,基于设计的空中唤醒机制,通过采集任务事件与周期采集相结合的方式,研发基于事件触发忙闲切换机制的低功耗自动休眠功能,在任务事件激励、周期时间控制等触发条件下执行采集任务,否则进入休眠状态。同时,基于采集数据,通过长期平稳态训练,学习突变检测门限参数,研制基于网关的边缘侧自定义规则突变检测与报警触发算法模型。同时,通过调整信道检测周期参数,设计最优的空中唤醒策略,支持远程无线实时修改通信参数及采集参数。节点采用多通道集成复用方式,支持单振弦式传感器、两线热敏电阻式温度传感器,采样频率可调,通过定时任务和唤醒触发方式,同时支持定时采集与实时触发采集两种模式。通过集成GNSS模块,支持GNSS定位功能。
3)数字信号智能无线采集节点研发
面向复杂深基坑环境下的液位等采集任务的长期监测与低功耗运行,基于空中唤醒和定时任务等事件触发控制机制,研发基于事件触发忙闲切换机制的低功耗自动休眠功能,在事件触发条件下快速进入采集工作状态,否则,自动切换转入休眠状态。基于长期采集数据的平稳态参数训练,学习突变信号参数门限,通过一维数据的滤波与高阶扩展处理,研制高阶多维突变检测与报警触发算法,在节点运行过程中,实现突变信号的快速检测。同时,通过调整信道检测周期参数,设计最优的空中唤醒策略,实现远程无线实时下发参数,调整采样频率等,通过定时任务和唤醒触发方式,同时支持定时采集与实时触发两种模式。通过集成太阳能控制器、电源切换模块与充电模块等,支持太阳能充电方式供电与电池供电。
4)多功能一体化智能采集终端研发
面向复杂深基坑环境下的模拟信号智能无线采集节点、数字信号智能无线采集节点的无线组网接入与数据传输以及本地有线采集需求,研究数字信号与模拟信号融合数据框架,建立基于采集方式、数据类型等参数识别统一的数据帧封装格式,实现基于模块化的多传感器集成采集。同时,基于ARM架构,研制具有多传感器兼容、无线数据通信、边缘处理等多功能一体化智能采集终端。通过冗余多路电源设计,保障终端具备电源故障自动切换能力,集成电源切换模块、220V电源、太阳能控制器和充电模块、电池供电模块于一体,实现220V电源、太阳能和电池供电方式的自动切换。集成固件更新模块和数据存储模块,支持远程自动更新程序,同时支持远程无线传输和离线本地存傅。
结合多功能一体化智能采集终端对节点的时频复用管理机制,一方面,基于部署的节点位置关系,构建监测节点间的空间关联,另一方面,基于各节点上报采集数据的先后顺序构建采集参数的时间关联,形成应力、土压、液位等采集数据的时空关联关系,同时,基于应力、土压、液位等采集数据的长期稳态参数特征提取,研发基于时空关联数据的边端融合计算与风险主动感知算法,实现采集数据的边缘智能风险主动感知。
5)开展工程现场测试和验证
在深度30米以上的超深基坑工程进行多节点组网压力测试和计算性能测试,针对应力、土压、液位等采集与传输需求,部署模拟信号采集节点数量不少于150个,部署数字信号采集节点不少于150个,部署多功能一体化智能采集终端网关不少于50个,构建超深基坑工程应力、土压、液位等状态感知与传输现场测试和验证体系,开展工程现场测试和验证。
1.3先进性评估
项目具有明显的先进性,主要表现如下三个方面:
1)低功耗双向无线灵敏响应,满足工程监测定时采集、按需采集等多类型监测应用需求。项目融合时频管理机制与控制唤醒策略,在满足规模化节点接入冲突优化的基础之上,构建起上行及时传输与下行灵敏响应的无线通道,为定时采集、按需采集等多类型监测应用需求提供先进的技术手段。
2)轻量级智能化边缘协同处理,构建风险主动感知能力体系。项目在传统被动采集策略基础之上,通过采集长期稳妥参数,构建风险主动感知算法,基于网关侧开展边缘智能处理,为监测区域的风险主动感知提供先进模型支撑。
3)多类型先进产品研制,为复杂深基坑环境下的无线化监测提供更为先进的设备基础。以市面上NLM6xx型号产品对比为例,该产品是河北稳控科技推出的低功耗多通道无线采发仪,可定时启动或者使用无线读数仪将其唤醒采集传感器数据并经LoRa无线发送。该设备可满足多通道低功耗采集的基本需求,但在无线组网技术上较为薄弱,未考虑不同设备间的并发冲突干扰问题,无法应对大规模、多节点的批量部署环境。此外,该设备只能将数据通过无线读数仪汇总上报,缺乏边缘智能协同处理能力,无法应对采集任务的智能化和时效性需求。因此,对比可见,本项目提出的设备研制方案充分的考虑了无线组网、智能一体化采集等需求,更为先进性的满足复杂深基坑环境下的工程监测应用。
2.项目实施将面临的难点、风险及应对措施
项目实施面临的主要难点是先进技术在具体应用环境的适用性问题,主要风险是在规模化部署以后,不同设备间的并发冲突干扰,导致整个网络效率降低。针对上述问题,主要应对措施有;一方面,在网关例开展网络动态时频调整,通过信道检测与时隘管理,优化各频段、各时隔的节点增长;另一方面,提供下行的参数配置功能,在现场设备部署之前,通过全网资源评估,按需配置节点设备的频段与时隙资源,达到网络性能均衡。
3.项目创新点(描述项目预期可交付成果的创新点)
1)低功耗长距离双向无线自组网贿能深基坑安全状态信息智能化感知。项目围绕深基坑压力等安全状态信息智能化感知目标,创新性的设计无线空中哀醒机制,攻克低功耗长距离双向无线自组网技术,研制模拟信号智能无线采集节点、数字信号智能无线采集节点、多功能一体化智能采集终端等多类型产品,架设复杂深基坑环境安全状态信息上行主动上报和下行按需响应的双向无线通道,构建深基坑压力等安全状态信息智能化感知所必须的核心设备与网络技术体系,保障有限空间安全,支撑经济社会安全建设发展。
2)边端协同智能感知技术支撑深基坑安全状态风险灵敏快速响应。依托项目研制的双向低功耗长距离无线组网技术,通过无线空中唤醒机制,设计基于安全状态风险事件点位的组播广播策略,实现以风险事件点的事件消息为驱动的下行喷醒组播广播,快速获取事件点位邻居状态信息,综合研判事件点位关联区域安全状态,保障深基坑安全状态风险灵敏快速响应与精准监测。
三、项目实施
1.项目负责人及团队成员履历及能力评价
项目负责人
熊勇,运筹学与控制论专业理学博土,中国科学院上海微系统与信息技术研究所三级研究员,博士生导师,课题组组长,上海市计算机学会物联网专委会主任委员,主要研究方向为应急消防行业智慧数字化赋能与移动通信。主持和参与了国家及地方重大科技攻关项目以及NOKIA、爱立信等国际企业横向合作项目近30项,在IEEE Sensors Journal, Wireless Personal Communications及IET Electronics Letters等国际期刊和学术会议上发表学术论文30余篇,获得授权发明专利20余件。参编《消防设施物联网系统技术标准》(DG/TI08-2251-2018)等信息技术及应急领域的国家、地方及团队标准制定7项。
提出并实现了“三横两纵“行业物联网系统架构体系,研制获得了低功耗地碟车辆检测器、云端协同水压多状态辨识传感器和边缘计算多模智能客流检测仪等装置设备产品。部分授权专利成果作价195万元转让至多家消防科技公司商用。通过技术成果转化等多种形式与商业化公司合作,在消防设备设施智能化监测、行业数字化管理赋能等领域实现技术成果的规模化商业应用,其中研制的国内首款消防水网水压多状态辨识传感器设备累计出货部署超过5000台套,为本项目的成功实施奠定了充足的传感器技术储备和城市数字化管理示范项目推进管理经验。
近期代表性授权发明专利、论文、技术标准成果、承担的科研项目及获奖情
(1)授权国家发明专利
1)一种水压状态检测及转移方法及其实现装置,2019年授权,已转化。
2)一种基于水压采样数据的供水管网状态监测方法及装置,2019年授权,已转化。
3)一种自供电压力表及其自供电压力检测方法,2020年授权,已转化。
4)一种基于能量均值检测的到达时间估计方法,2020年授权。
5)基于信物模型的智能传感器自适应配置方法、装置及系统,2021年授权。
6)消防救援供水系统邻居节点间状态干扰消除方法及装置,2021年授权。
7)一种基于D-S证据理论的火灾状态检测方法,2022年授权。
(2)发表学术论文
1)RobustStaticVehicleDetectionMethodBasedontheFusionofGPSSNRandMagneticSignal,IEEESensorsJournal,2019.
2〕ANovelVehicleDetectionMethodBasedonTheFusionofRadioReceivedSignalStrengthandGeomagnetism,Sensors,2019.
3)AnImprovedRoadsideParkingSpaceOccupancyDetectionMethodBasedonMagneticSensorandWirelessSignalStrength,Sensors,2019.
4)DynamicCalculationModelforPressureSafetyMonitoringofMunicipalWater“SupplyNetworkwithInterferenceEliminationFunction“betweenNeighboringNodes,IEEEIAEAC2021.
5)室外消火栓状态综合特征提取模型研究,中国安全科学学报,2021.
6)引入新数据源的D-S融合检测方法,电子科技大学学报,2021年
7)DesignandExperimentofSmartFireElectricPowerMonitoringSystemBasedontheCyberPhysicalModel,IEEEICIBA2021.
8)FeatureExtractionModelofIntelligentFireFightingWaterCyberPhysicalSystemBasedonLSTM,IEEEITAIC2022.
9)ConstructionMethodofSmartFireControlElectricityCyberPhysicalSystemModelBasedonConsumptionBehaviorModes,IEEEITAIC2022,
10)IntelligentWaterPressureSensorforSmartFireFightingWaterCyberPhysicalSystemFeatureExtractionModelTrainingandTestingDataAcquisition,IEEEIAEAC2022.
(3)编制技术标准
1)消防设施物联网系统技术标准,地方标准,2018年。
2)无线消防物联网系统规范,国家团体标准,2018年。
3)基于Wi-Fi嗅探的客流实时监测系统技术规范,国家团体标准,2019年。
4)消防给水管道压力监测系统技术规范,国家团体标准,2019年。
5)养老院应急消防设备物联网系统技术规范,国家团体标准,2020年。
6)市政井盖信物融合监测系统技术规范,国家团体标准,2021年。
(4)承担的科研项目
1)国家重点研发计划,面向城市地面关键公共基础设施的运行体征监测与健康模型研究,2020.执行中。
2)上海市科技创新行动计划,基于大数据的高层建筑火灾风险预警关键技术及装备研究与示范,2021.执行中。
3)上海市科技创新行动计划,基于端边云协同的物联网信息融合与快速接入现场指挥系统技术研究,2022,执行中。
4)上海市科技创新行动计划,低功耗长距离无线组网技术和一体化智能采集终端研究,2022.执行中。
5)国家重点研发计划,基于物联网技术的智慧城市信息-物理融合模型及网络原型系统研究,2019.已验收。
6)中央军委装发预研,自主双控存储阵列双控软件系统,2019.已验收。
7)中国科学院STS计划,消防物联网系统研制与应用,2018.已验收。
8)上海市科技创新行动计划,基于LoRa的消防物联网智能感知设备研发与应用示范,2017.已验收。
(5)获奖情况
1)上海市技术发明一等奖,2022。
2)中国安全生产协会安全科技进步二等奖,2021。
3)中国消防协会科技创新一等奖,2020。
4)上海市科技进步二等奖,2012。
团队主要成员
朱磊基,博士,中国科学院上海微系统与信息技术研究所副研究员,硕土生导师。2003年8月至2007年7月就读于西安电子科技大学通信工程专业获学士学位。2007年8月至2012年6月就读于中国科学院上海微系统与信息技术研究所通信与信息系统专业获博士学位。毕业后留所参加工作,先后任助理研究员、副研究员、团支部书记等。
目前主要从事物联网智能感知技术及标准化研究。提出基于高阶多维融合特征提取方法的消防水网动态信息实时捕获快速实现技术,并将其成功实现在智能水压感知传感器产品,通过部署智能水压感知传感器,实现上海松江区1250余只市政消火栓水系统信息智能化感知。技术获得近10项国家发明专利授权并成功技术转让至专业公司产品化,实现规模化复制推广应用。
作为项目负责人、技术负责人等承担和参与了国家重点研发计划、中国科学院STS计划、上海市科技创新行动计划、企业横向委托等项目近20项,经费总额近1亿元。作为主要技术起草人,完成了我国首部消防物联网地方标准上海市工程建设规范《消防设施物联网系统技术标准仁作为第一起草人撰写发布上海应急消防团体技术标准《养老院应急消防设备物联网系统技术规范》、参编国家标准《爆炸危险化学品贮存安全监测系统技术要求》和《信息技术数字李生第1部分:通用要求》拥有授权国家发明专利18项,部分专利技术转让创收195万元,发表学术论文20余篇,获2020年中国消防协会科技创新一等奖、2021年中国安全生产协会科技进步二等奖、2022年上海市技术发明一等奖。
2.项目实施的可行性分析
项目技术方案可行性方面,对于低功耗无线组网技术的研发,基于LoRa无线通信技术,具有低功耗、长距离、免授权的优势,相关射频芯片方案成熟、穗定可靠,从底层上保障了低功耗无线组网技术的冲突时阿管理及忙闲信道自适应切换功能的顺利实现;对于模拟信号智能无线采集节点研发、数字信号智能无线采集节点研发、多功能一体化智能采集终端研发,使用自主研发设计实现主控板配合专用采集模块的模块化方案,可有效提高采集精度的同时减少硬件开发设计周期,确保产品总体研制进度;主控芯片选用成熟可靠的STM32、LMX等经过充分验证的工业级芯片,保证终端设备在复杂深基坑等恶劣应用环境下的稳定工作,同时,相关芯片价格租定且供货量充足,配套软件开发资源丰富,有效保障产品相关软件开发设计实现进度。
项目技术积累与实验条件可行性方面,项目承担单位中国科学院上海微系统与信息技术研究所是中国科学院内唯一以信息技术命名的独立法人研究机构,是信息技术领域科技创新的主力军和国家队。针对本项目的物联网方向,单位设有传感技术联合国家重点实验室、中国科学院无线传感网与通信重点实验室和上海市无线传感网专业技术服务平台等国家级、省部级和地方级研发测试单元等。目前拥有样本信号发生器、实时频谱分析仪、误码分析仪、射频综合测试平司、高级混合信号测试系统等覆盖物联网软硬件研发相关的信号发生、处理、传输、接收、验证等于一体的系统级硬件平台基础,充分保障本项目拟开展的模拟信号智能无线采集节点研发、数字信号智能无线采集节点研发、多功能一体化智能采集终端研发及测试验证全过程。
项目人才团队可行性方面,承担单位已经构建了由1名研究员带队、2名副高级牵头研发、10余名中初级及博士、硕土研究生合力开展技术攻关的复合阶梯型人才团队,团队成员的主要研究方向涵盖智能硬件、行业物联网平台、无线通信等多专业领域,可有效支撑本项目的低功耗无线组网技术研发、模拟信号智能无线采集节点研发、数字信号智能无线采集节点研发、多功能一体化智能采集终端研发及测试验证。
综上,本项目具有充分的实施可行性。
3.项目实施计划(项目进度计划及关键里程碑节点)
按季度、年度列出计划进度和关键的、必须实现的节点目标。
1)2023年9月-2023年10月,完成低功耗无线组网技术攻关,形成低功耗无线组网技术方案1套;
2)2023年11月-2023年12月,完成模拟信号智能无线采集节点设计与实现、完成多功能一体化智能采集终端设计,形成模拟信号智能无线采集节点产品样机;
3)2024年1月-2024年2月,完成数字信号智能无线采集节点设计与实现、完成多功能一佛化智能采集终端实现,形成数字信号智能无线采集节点产品样机和多功能一体化智能采集终端产品样机;
4)2024年3月-2024年4月,完成模拟信号智能无线采集节点、数字信号智能无线采集节点与多功能一体化智能采集终端的小批量生产.联调联试、定型。
5)2024年5月-2024年6月,完成模拟信号智能无线采集节点、数字信号智能无线采集节点与多功能一体化智能采集终端的中试量产,准备工程现场测试验证,其中模拟信号智能无线采集节点不少于150个、数字信号智能无线采集节点不少于150个、多功能一体化智能采集终端不少于50个;
6)2024年7月-2024年8月,完成模拟信号智能无线采集节点、数字信号智能无线采集节点与多功能一体化智能采集终端的工程现场测试和验证,部署模拟信号智能无线采集节点不少于150个、数字信号智能无线采集节点不少于150个.多功能一体化智能采集终端不少于50个,完成模拟信号智能无线采集节点、数字信号智能无线采集节点与多功能一体化智能采集终端3款产品的第三方测试苜取得测试报告,凝练成果技术,撰写相关报告,准备验收。
四、项目验收
1.项目成果验收验收项(凡可运行的成果,请明确可被验证的功能及相关性能指标);
1)无线组网协议文档及源代码1套。
2)模拟信号无线采集节点电路设计图纸、成品及相关源码1套。
3)数字信号无线采集节点电路设计图纸、成品及相关源码1套。
4)多功能一体化的智能采集终端电路设计图纸、成品及相关源码1套。
5)工程现场测试和验证。
验收方式(凡可运行的成果,请明确可被验证环境条件及验收作业方法);
1)无线组网协议验收方式是提供第三方测试报告,淘盖单网关不少于8并发接入,网络容量尹50台;双向通讯速率之5kbps,节点休眠空中唤醒时延<3s;单网关小于2个中继节点时有效传输距离水平不小于1000m,深度不小于地下40m。
2)模拟信号无线采集节点验收方式是提供第三方测试报告,涵盖低功耗自动休眠长期平均功耗<144mW;自定义规则突变检测与报警触发响应时延<25;单节点数据上报空中时间小于<3s。单振弦式传感器量程范围在400~6000Hz,精度之0.25Hz;支持两线热敏电阻式温度传感器;采样频率可调,同时支持定时采集与实时触发两种模式;支持GNSS定位功能;传感器接入通道数量为4个;电池供电续航时间以1年(1小时定时采发频率)防水等级之IP67;设备体积<110mm=80mm=75mm,
3)数字信号无线采集节点验收方式是提供第三方测试报告,涵盖低功耗自动休眠功能长期平均功耗<144mW;高阶多维突变检测与报警触发响应时延<2s;单节点数据上报空中时间小于<3s,输出电压DC6V~24V可调;RS485H:O=2个;采样频率可调,同时支持定时采集与实时触发两种模式;电池供电续航时间尹1年(1小时定时采发频率),支持太阳能充电;防护等级之IP67;设备体积<100mm=80mm+60mm
4)多功能一体化的智能采集终端验收方式是提供第三方测试报告,涵盖基于时空关联数据的边端融合计算与风险主动感知边缘计算时延<10ms;冗余多路电源设计,具备电源故障自动切换能力;支持远程自动更新程序,同时支持远程无线传输和离线本地存储。支持220V、太阳能和电池供电自动切换,电池供电模式下工作时间之1天;离线数据存储空间以4GB;支持Linux系统部署;有线连接接口;不少于1个USB,不少于1个485,不少于LCD1个,不少于LED1个;产品体积不200mmx120mmx60mm;防护等级之IP67。
5)工程现场测试和验证验收方式是提供现场应用报告,涵盖超深基坑工程深度30米以上,部署模拟信号采集节点数量不少于150个、数孙信号采集节点不少于150个、多功能一体化的智能采集终端网关不少于50个。
2项目成果的意义和价值(技术、经济、工程化的可行性、可应用领域等)
项目创新性的攻克低功耗无线组网技术,通过模拟信号智能无线采集节点研发、数字信号智能无线采集节点研发、多功能一体化智能采集终端研发及测试验证应用,实现复杂深基坑压力.液位等有限空间安全状态关键信息的无缝感知,有效支撑解决信息盲区问题,促进社会安全建设发展,具有显著的社会效益。
技术产品规模化应用以后,将显著的提高劳动效率,降低人工投入,基于无线组网,通过模拟信号智能无线采集节点、数字信号智能无线采集节点、多功能一体化智能采集终端组合应用,降低深基坑感知现场布设线缆和离散采集端数量,降低硬件设备投入,可显著降低监测单位的信息感知成本,具有显著的长期经济效益。