一、概况

“河北省物联网监控技术创新中心（原河北省物联网监控工程技术研究中心）”于 2016年4月纳入河北省科技厅省级工程技术研究中心建设计划，是河北省首个物联网领域的工程技术研究中心。中心于2018年1月通过河北省科技厅、财政厅、发展改革委员会组织的建设期验收，正式挂牌。在 2020年8月进行的省级研发平台建设运行绩效评估中，获得了“良好”评估等级，并正式更名为“河北省物联网监控技术创新中心”。

创新中心依托华北科技学院进行建设，并联合青海师范大学和华通科技有限公司共同助力创新中心建设水平的提升。创新中心作为学校科技创新高地的重要组成部分，本着服务国家和地方应急管理信息化建设的需要，设立了“物联网远程监控技术”、“物联网数据智能处理与安全保障”和“物联网行业应用快速集成技术”三个研究方向。汇聚了由新世纪“百千万”人才、国务院政府特贴获得者等在内的高层次研发团队，承建了应急管理部“机械化换人、自动化减人”物联网实验中心、河北省计算机技术实验教学示范中心等科教研平台。

中心由教育部新世纪优秀人才、国务院特殊津贴获得者，计算机学院院长田立勤教授领衔，并聘请清华大学原计算机系主任林闯教授等多位知名专家组成技术委员会指导中心的建设。中心现有固定人员81人，其中博士35人，硕士46人，高级职称59人。

中心自获批建设以来，始终围绕应急管理、安全生产和生态环境保护等行业开展研究开发工作。近三年，承担各类研发项目48项，获得科研经费1378万元；开发新产品及新工艺22项；申请专利41件，获得授权发明专利10件、实用新型专利6件、软件著作权13件；获得省部级科技进步二等奖4项、三等奖1项；参与修订标准1项；发表论文44余篇。

在学校“改革创新、转型发展”的新形势下，中心将面临新的任务和新的挑战，站在新起点，中心将继续不忘初心、凝心聚力，以服务新时代大国应急管理事业为己任，勇立潮头、砥砺前行，为支撑学校转型升级改革发展、创建国内一流、国际知名、特色鲜明的应急管理大学做出更大的贡献。

二、研究开发方向、内容及目标

研究方向一：物联网远程监控技术研究

1、主要研究内容

1）研究大规模物联网监测的可扩展的模块化节点的部署技术，包括如何设置基本监测模块，实际监测区域如何由基本监测模块组合，整体监测的拓扑结构如何设置，特别是研究大规模监测区域的可扩展问题，重点研究出拓扑结构层数、监测面积和监测节点数等参数的相互关系的量化计算公式以便在实际工程中给予理论和优化指导；

2）研究物联网远程监测的传输可靠优化问题，包括监测区域的可靠性保障机制和远程传输的可靠性保障机制。在监测区域的可靠性保障机制中，主要研究对常规冗余策略改进与优化，重点研究兼顾费用的自适应的带距离冗余度的部分冗余策略来提高普通节点的可靠性，对监测区域的传输部分，则重点研究以提高可靠性为目的的动态倍增优化冗余策略来提高关键部分的整体可靠性；在远程传输的可靠性保障机制方面，重点研究弱通信环境下的远程通信可靠性保障机制，研究适合实践监测环境的基于双倍冗余与重传相结合的远程传输主干的可靠性技术，包括如何确定两种不同传输方式，如何根据可靠性要求确定重传次数K、如何在费用、监测面积确定的情况下，可靠性达到最优等；

3）研究物联网监测的内容可信保障问题，包括监测节点如何获取可信证据、如何评估节点的信任、如何预测未来信任，通过可信路由选择、可信数据融合等方法来保障监测数据的可信性。

2、拟形成的关键技术

1）大规模节点部署技术

2）物联网数据传输可靠保障技术

3）内容可信与可靠保障技术

3、近五年产业化目标

研究出适合大规模物联网远程实时监测应用场景的节点部署方法，并能够提供确保传输可靠、内容可信的模型或机制。

研究方向二：物联网数据智能处理与安全保障

1、主要研究内容

1）物联网数据来源的有效性分析：研究同时适合不同行业实际数据规范、精度、关联要求和数据本身特性、规律、约束性的有效性分析方法与标准，重点研究基于大数据挖掘的快速收敛的基于数据关联和聚类比较的数据源有效分析方法；

2）研究基于物联网历史数据的高准确性预测预警技术、各种数据立体动态多媒体展示技术、数据可靠实时报警与推送技术；研究基于模糊认知图与神经网络优点相结合的数据关联度的挖掘方法，将普通的监测数据转换为有意义的信息；

3）研究基于用户行为认证的物联网数据访问控制技术，包括用户行为认证集的建立、行为前的可信认证、行为中的动态认证、基于行为的身份再认证、行为后的更新认证，搭建基于行为认证的物联网数据的访问控制系统。

2、拟形成的关键技术

1） 物联网数据来源的有效性分析技术

2）高准确性预测预警技术、各种数据立体动态多媒体展示技术、数据可靠实时报警与推送技术

3） 物联网数据访问控制技术

3、近五年产业化目标

通过对物联网数据的有效性分析、挖掘，研究实现高准确性的预警机制和展示技术，并进而实现数据的可靠保障和访问控制。

1）搭建物联网云计算大数据平台，成功研发物联网数据的有效分析系统，对监测的数据进行审核与实时报警，及时发现无效数据，及时采取措施补救；

2）实现监测数据的智能分析、统计和数据挖掘；实现以真实感体验远程实时监测数据为特色的沉浸式数据展示；

3）研究结合用户身份认证和行为认证的监测数据安全访问控制系统。

研究方向三 物联网行业应用快速集成技术

1、主要研究内容

1）研究物联网远程监测与智能信息处理系统在典型行业的应用技术，由于不同行业的物联网应用都有其独自的特点，本方向重点研究这些典型行业应用中每个行业独有问题和共性问题，重点研究在野外环境下的动态节能技术，采用睡眠唤醒技术手段实现监测系统的动态节能，保障在恶劣环境下持续供电能力；

2）研究多个物联网环节的系统集成技术，使得整体系统的可靠性等性能指标达到优化；研制多种物联网通信设备，提高监测系统的通信可靠性和效率；

3）研究系统的自我防护技术，包括电子围栏防止非法人员入侵监测系统的报警技术，远程系统自动触发重启技术，研究这些示范系统的标准化和推广工作，研究这些行业应用的物联网数据的智能信息处理与应用技术。

2、近五年产业化目标

1）实现河北省大气环境物联网远程监测与数据处理系统；

2)生态保护区物联网远程监测与数据展示系统、安全生产物联网远程监控与预警系统、电力安全物联网监控与实时报警系统。

三、代表性成果情况

（1）物联网远程配电线路故障监测系统

1) 主要研究内容

该系统是一套具有远程传输能力的可分布监控、集中管理、即时通知型的智能化故障监测系统，可安装在6~35kV架空线路上，用于在线监测架空配电线路运行状态及故障情况。该系统能快速准确的在线监测出接地故障、短路故障、线路负荷、过流、停电、上电等情况，并将所采集到的特征信息发送到系统主站。系统软件进行数据分析、告警显示、告警短信转发、故障统计检索和查询等，引导工作人员迅速准确地找到故障点，为提高工作效率、减轻工作人员劳动强度提供了一种强有力的手段，能有效提高配电线路故障监测的自动化和现代化水平。

2) 主要技术创新

• 采用专利算法，电流测量精度和准确度高，接近0.5S级。

• 超高取电能力，大功率太阳能板和线上取电，双回路供电，大容量备用电池。

• 提供故障时刻录波数据，多种算法分析，互相验证。

• APP Online方便快捷查找故障点，极大提高工作效率。

• 智能算法，提供最佳维护路径，构成故障处理移动指挥中心。

• MR眼镜可视化增强数据显示线路运行状态，即时与后台沟通与操作提示、协助解决疑难问题。

• 实时在线监测线路负荷数据，及时掌握线路运行状态。

• 复杂报警下的故障反演，帮助发现故障源点。

  3) 取得的成果

  该项目成果丰富，如故障指示器、电流测量系统及校正方法（ZL201510430863.7）；电力线路报警方法（ZL201610892712.8）；项目产品见图1-图4。

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• 4) 主要功能

• 遥信：

• 配电线路接地、短路故障告警

• 配电线路停电、上电告警

• 配电线路故障性质区别上传

  遥测：

• 故障时刻的前后电流波形、电场波形录取与上传

• 配电线路负荷电流的实时监测并定时上传

• 装置供电参数实时测量和定时上传

  遥调：

• 远程设置故障告警启动值、复位时间等参数

• 线路的实时负荷、装置自身参数等信息上传

  5) 使用案列

  案例1：

  2017年9月份，四川某地旅游区停电，造成景区缆车不能运行，导致现场游客停滞，现场景区人员一度非常着急。在这关键时期，如何快速查找到故障点，恢复供电极其重要。但景区位于山区，供电线路分布广阔，如果按传统方法巡线，费时耗力，后果将不可想象。本团队科技成果“架空线路状态监测与故障定位系统”这时就起到至关重要的作用，通过本监控系统综合分析判断，快速地定位出故障地点，指导维护人员到现场维护，该监控系统这次有力地支持了现场人员的抢修保电工作，使景区快速恢复了供电，避免了景区二次潜在事故发生。事后查明，由于雷击导致30平方公里范围内两处电线被同时击断导致的接地故障发生。如果没有本监控系统，这次事故排查将耗时30~40小时。而本次事故排查与修复只用了2个小时。下面图5、图6是事后现场人员发过来的断线故障现场图片。

  案列2 ：

  2017年9月18日，安徽某市郊区发生整条锥胜16线停电故障，通过本团队故障定位系统，最终确认出故障点是在汪庙支线起端的入地电缆段发生的短路故障。事后分析故障原因是电缆保护装置破坏，导致电缆进水而引起的三相短路故障。依靠本系统，本次故障从发现到确定位置仅用20分钟，维护用了6个小时（由于在地下，需要挖出维护）。由于该市正在创建全国文明城市，这次停电的快速恢复，给供电公司树立了良好形象。图7是现场人员提供入地线故障图。

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• 案列3

• 2017年5月24日下午2点左右，河北某地512线路鸡鸣支线发生一起三相短路故障，电线杆被撞断，电线落在10KV三相电线上，造成线路大面积停电。本系统第一时间定位到故障支路，现场人员迅速出动，半小时内排除了故障。图8是512线路鸡鸣支线故障图片。

• 6) 用户使用报告

• 目前用户结合产品性能，已出具10份使用报告。图9和图10列举了2个用户报告部分内容。

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• 在目前20个县市使用，只要线路发生故障，巡视人员完全依靠线路故障定位系统提示，开展故障巡视工作，极大地缩短了故障查找时间，改变了以往靠接地摇表分段测量线路接地电阻查找故障点或其他试送电排查方式，大大提高了抢修工作效率，缩短了停电时间。

• 目前产品达到国内领先水平。产品目前在安徽、河北、四川、天津、山西、贵州等省份运行，累计处理故障1021起，准确率达96%以上，深受一线巡线人员欢迎。

• （2）水下传感网在三江源流域智能环境监测通信架构、传输技术与可信保障机制

• 1) 主要研究内容

• 青海湖、三江源流域水资源监控具有水情、水质和生物群落等多种监测需求，面对不同应用需求和信息缓急程度，在考虑低能耗的同时，提出的MICRO-ANP协议架构、差分地理路由、概率性CDMA MAC协议、基于数字喷泉码的可靠传输、可信保障等成果在传输率、平均端到端延时和能量消耗三者间做到了较好的折中，对三江源生态环境和濒危物种的保护以及地区经济社会可持续发展均有着深远意义。

• 2) 主要技术创新点

• 设计了Micro-ANP通信协议架构模型

  基于UWSN网络独有的通信模式和应用特点，设计了基于应用层、网络传输层和物理层以及综合管理平台的Micro-ANP通信协议架构模型，并给出协议格式；基于水声传输的Urick路径损耗公式、无竞争CDMA多址接入模型和前向纠错码技术，设定极大化包吞吐量、极小化每数据bit能耗（式、极小化资源消耗三个目标函数，求解中不同纠错能力（不同值，表示能纠正的误码位数）下的包最佳负载长度。

• 路由协议的创新

  基于节点级差、位差、应用优先级和剩余能量等多性能参数指标，实现差分地理路由算法。在执行路由之前，首先根据包的头部字段确定包所属的流量类型，不同类型的流量采用不同的路由决策。

• 可靠传输机制的创新

  水声传感器网络的逐跳可靠传输控制方法基于码率无关的数字喷泉码技术，采用优化设计的度分布和递归编码思想，提出RLT（recursive LT）编码方案。基于RLT编码，融合传统ARQ实现UWSN的逐块、逐跳地可靠传输，减小了包冲突和端到端的延时，提高了网络吞吐量和信道利用率。

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• 3) 取得成果

• 水下传感器网络协议架构模型

• 水下传感器网络包负载优化

• 水下传感器网络路由协议

• 水下传感器网络可靠传输机制

  （3）物联网数据多媒体展示与分析系统

  1) 主要研究内容

  物联网数据多媒体展示与分析系统采用计算机虚拟仿真技术，真实再现地铁、电力巡线等实际的应用场景，利用强大的计算机交互技术和高级视觉仿真技术，使得学员沉浸其中进行学习和培训，能够极大地提高培训效率和效果。

  2) 关键技术创新点

• 多种展示手段的融合：

  系统提供多种展示手段，其中包括：

  主动立体投影展示方式：该方式可进一步扩展为cave或360环幕展示方式；虚拟现实头盔展示方式：      该方式完全屏蔽了虚拟环境与真实环境，能带来最强烈的沉浸感；        面向一般电脑的单屏显示方式：适用于低配置的从机查看。

• 多种操作方案的融合

  系统同时提供了多种操作手段，在沉浸式无缝交互硬件配置方案中，使用雷蛇Hydra体感控制器作为无缝交互媒介；在半实体机硬件配置方案中，整合了实体面板、操纵手柄、Hydra体感控制器来实现人机交互。

• 多种感官反馈的融合

  系统提供了一个完全沉浸式的学习和操作环境，虚拟现实头盔或主动立体投影提供了逼真的视觉体验，5.1声道音场提供了临场感十足的听觉体验，动感座椅提供了与当前情境相匹配的碰撞体验和加速度体验。

  3) 取得业绩成果

• 申请发明专利5个，实用新型3个，使用软件著作权2个；

• 发表SCI检索论文2篇；

• 陕煤神南煤炭科技双创基地等单位得到推广应用。

  图13展示了本系统模拟真实地铁环境进行的驾驶培训，图14展示了模拟实际电力巡线的应用场景，图15则利用VR技术还原火灾现场的培训应用。

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