In den letzten Jahren hat sich mit der Entwicklung und Verbreitung des Internets der Dinge die Technologie des privaten Internets der Dinge (P-IoT) schrittweise weiterentwickelt, um den Anforderungen der industriellen Anwender gerecht zu werden. Zunächst wird eine kurze Einführung in das technische System und die wichtigsten Leistungsmerkmale von P-IoT gegeben. Auf dieser Grundlage wird die innovative Anwendung von P-IoT in drei typischen Szenarien im Notfallbereich analysiert. Abschließend werden die zukünftigen innovativen Anwendungsrichtungen des Internets der Dinge erörtert. Ausblick.
Einführung
Im vergangenen Jahr 2018 hat sich die IoT-Branche (Internet der Dinge) sehr gut entwickelt. Ob ausländische Unternehmen wie Amazon, Google und Microsoft oder inländische wie die Alibaba Group, Tencent und Baidu – die großen IT-Giganten haben das Internet der Dinge eingeführt, und es gab weiterhin bahnbrechende Entwicklungen. Laut einer Prognose von IDC werden die weltweiten IoT-Ausgaben im Jahr 2019 1,6745 Billionen US-Dollar erreichen, von 2019 bis 2022 eine zweistellige jährliche Wachstumsrate beibehalten und im Jahr 2022 die Marke von 1,61 Billionen US-Dollar überschreiten [1]. Während sich gängige IoT-Technologien wie NB-IoT (Narrow Band Internet of Things), LoRa[3], Sigfox[4] usw. ständig weiterentwickeln, konzentrieren sie sich auf die Anliegen der industriellen Anwender hinsichtlich Sicherheit, Zuverlässigkeit und QoS (Quality of Service), die sich aus speziellen Anforderungen ergeben – das sogenannte P-IoT (Professional IoT).
Die Technologie des „Private Internet of Things“ (PIoT) hat sich still und leise etabliert und wird mittlerweile in zahlreichen Branchen wie der öffentlichen Sicherheit, der Justiz, im Katastrophenschutz sowie in Industrie und Handel eingesetzt.
Andererseits hat unser Land im vergangenen Jahr das Ministerium für Katastrophenschutz eingerichtet. Im Rahmen des neuen Systems für Großkatastrophen stehen sowohl die Sicherheitsaufsicht als auch der Brandschutz, der Waldbrandschutz, die Erdbebenrettung, die Dürre- und Hochwasservorsorge sowie die Katastrophenprävention und -hilfe in engem Zusammenhang mit der Sicherheit von Leben und Eigentum des Landes und der Bevölkerung [6]. Derzeit integrieren Anwender aus der Notfallbranche mehrere Erfassungsmethoden und aggregieren sowie analysieren Sensordaten, beispielsweise aus dem Internet der Dinge (IoT), um die Entwicklung verschiedener Dienste wie Überwachung und Frühwarnung, Bewertung und Kontrolle im Notfallbereich zu unterstützen. Während sich die Technologie weiterentwickelt, werden die Probleme, mit denen die Anwender in der Branche konfrontiert sind, immer umfassender und komplexer. Ihre besonderen Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Echtzeitleistung des Internets der Dinge lassen sich nicht vollständig erfüllen, wenn man sich ausschließlich auf gängige IoT-Technologien verlässt. Daher wird die P-IoT-Technologie benötigt, die den IoT-Anforderungen der Anwender im Notfallbereich gerecht wird, um die Probleme der Branche zu lösen. Im Folgenden konzentriert sich dieser Artikel auf typische innovative Anwendungen der P-IoT-Technologie im Notfallbereich.
P-IoT – Überblick
P-IoT und NB-IoT entsprechen dem LTE-Privatnetz und dem LTE-öffentlichen Netz. Bauen Sie Ihr eigenes “Internet der Dinge-LAN” auf. Die Erdölförderung und die chemische Energieindustrie, die hohe Anforderungen an Sicherheit, Zuverlässigkeit und die elektromagnetische Umgebung stellen, eignen sich für ein privates IoT-Netzwerk. Für gewöhnliche Unternehmenskunden kann LoRa ebenfalls als privates IoT-Netzwerk genutzt werden.
Die P-IoT-Technologie ist ein energiesparendes IoT-Gerät, das auf lizenzierten Frequenzbereichen privater Mobilfunknetze im VHF- (Very High Frequency, sehr hohe Frequenz) und UHF- (Ultra High Frequency, ultrahohe Frequenz) Bereich basiert und über mehrere Datenübertragungsmöglichkeiten mit hoher, mittlerer und niedriger Geschwindigkeit verfügt. Anwendung der Internet-of-Things-Technologie. P-IoT ist ein Mehrwertdienst eines dedizierten digitalen Trunking-Kommunikationssystems. Auf der Grundlage der Erfüllung der festen Sprachbedürfnisse der Nutzer bietet es Lösungen für deren erweiterte Anwendungen im Internet der Dinge.
Zunächst einmal kann P-IoT die hohen Zuverlässigkeitsanforderungen industrieller Nutzer an das Netzwerk gewährleisten. Dank seiner Eigenschaften als privates Netzwerk ermöglicht P-IoT eine unabhängige Netzwerksteuerung. Beispielsweise im Notfallbereich: Bei großen Katastrophen kann P-IoT dank der spezifischen Eigenschaften des privaten IoT-Netzwerks den tatsächlichen Anforderungen von Einsatzkräften bei Rettungs- und Katastropheneinsätzen gerecht werden. Gleichzeitig arbeitet P-IoT in einem eigens dafür zugelassenen Frequenzband, das nicht anfällig für gegenseitige Störungen ist. Wichtige Daten werden unter idealen Kanalbedingungen übertragen, und die Datenzuverlässigkeit kann vollständig gewährleistet werden.
Zweitens kann die P-IoT-Technologie eine hohe Zeitkritikalität bei der QoS-Garantie für die Kerngeschäfte der Industrieanwender gewährleisten. Die Eigenschaften des privaten P-IoT-Netzwerks bedingen, dass der Schwerpunkt nicht wie bei der öffentlichen IoT-Technologie auf der Netzwerkgerechtigkeit liegt. Vielmehr liegt der Schwerpunkt darauf, wie wichtige Daten auf eine hohe Prioritätsstufe angehoben und dedizierte Geschäftskanäle sowie weitere Garantien bereitgestellt werden können. Es werden Maßnahmen zu deren Schutz ergriffen, und die Verzögerung kann Hunderte von Millisekunden betragen, wodurch die Anforderungen an die Aktualität bei der Übertragung kritischer Daten in Überwachungs- und Frühwarnanwendungen im Notfallbereich gewährleistet werden.
Drittens kann P-IoT die hohen Sicherheitsanforderungen der industriellen Nutzer an das Netzwerk gewährleisten. Da die private Netzwerkinfrastruktur privat ist, verfügt P-IoT im Vergleich zu IoT-Lösungen in öffentlichen Netzwerken wie NB-IoT über natürliche physische Isolationseigenschaften. Gleichzeitig kann P-IoT durch verschiedene Verschlüsselungsmethoden wie Luftschnittstellenverschlüsselung, Verbindungsverschlüsselung und End-to-End-Verschlüsselung den differenzierten Anforderungen privater Netzwerknutzer hinsichtlich unterschiedlicher Sicherheitsstufen für IoT-Daten gerecht werden.
Darüber hinaus ist P-IoT auch in technischer Hinsicht äußerst wettbewerbsfähig, was Schlüsselindikatoren zur Messung der Qualität von IoT-Technologie betrifft, wie beispielsweise die Abdeckungsfähigkeit, den Energieverbrauch der Endgeräte, die Systemkapazität usw. P-IoT bietet zudem gewisse Vorteile hinsichtlich unabhängiger Steuerbarkeit, reibungsloser Erweiterbarkeit, Geschäftskompatibilität und internationaler Standardisierung.
P-IoT nutzt die lizenzierten VHF- und UHF-Schmalbandfrequenzen von Industriekunden, um diesen über verschiedene Übertragungsmodi vielfältige IoT-Dienste in privaten Netzwerken bereitzustellen [6]. P-IoT erfüllt die Anforderungen des Internets der Dinge an drahtlose Fernzugangstechnologien wie geringen Stromverbrauch, große Reichweite und massive Verbindungen und ist gleichzeitig eine exklusive Kommunikationsverbindung, die auf privaten Industrienetzwerken aufbaut. P-IoT zeichnet sich durch Unabhängigkeit und Kontrollierbarkeit aus. Es bietet erhebliche Vorteile in Bezug auf Sicherheit, Zuverlässigkeit, Stromverbrauch der Endgeräte und anderen Aspekten und entspricht besser den besonderen Anforderungen der Nutzer in der privaten Netzwerkbranche [7–9]. Derzeit wird P-IoT bereits im praktischen Einsatz in Notfallsituationen wie der petrochemischen Industrie, der Waldbrandprävention und der Rettung bei geologischen Katastrophen eingesetzt [10]. Diese Anwendungsfälle belegen eindrucksvoll den Fortschritt, die Praxistauglichkeit und die Wirksamkeit der P-IoT-Technologie. Gleichzeitig wird in der Literatur [10] darauf hingewiesen, dass Ad-hoc-Netzwerktechnologie in Notfallszenarien als Backup- oder Erweiterungsnetzwerk für private Netzwerke genutzt werden kann. Durch die Kombination der P-IoT-Technologie mit der Ad-hoc-Netzwerktechnologie wird das Netzwerk sowohl die Vorteile der Sicherheit und Zuverlässigkeit privater Netzwerke als auch die Flexibilität und Widerstandsfähigkeit von Ad-hoc-Netzwerken vereinen und damit die Richtung für die Entwicklung und Weiterentwicklung der P-IoT-Technologie vorgeben.
Die Bedeutung des P-IoT-Ad-hoc-Netzwerkmodells
Der selbstorganisierende Netzwerkmodus von P-IoT bezeichnet einen Betriebsmodus, in dem eine große Anzahl von P-IoT-Endgeräten geordnet miteinander kommuniziert und automatisch ein Netzwerk mit großflächiger Abdeckung bildet. Der selbstorganisierende Netzwerkmodus von P-IoT weist die folgenden Merkmale auf:
(1) Selbstorganisation und unabhängige Vernetzung. Das selbstorganisierende P-IoT-Netzwerkmodell erfordert keine vorab eingerichtete Infrastruktur für die drahtlose Kommunikation. Alle Knoten koordinieren ihr Verhalten über ein mehrschichtiges Protokollsystem und verteilte Algorithmen. Die Knoten können sich schnell, autonom und unabhängig miteinander vernetzen.
(2) Multi-Hop-Routing. Aufgrund der begrenzten Sendeleistung der einzelnen Knoten ist deren Reichweite begrenzt. Die Kommunikation zwischen Knoten außerhalb der effektiven Reichweite muss durch Multi-Hop-Weiterleitung über Zwischenknoten erfolgen. Die Paketweiterleitung im P-IoT-Ad-hoc-Netzwerkmodus wird von Multi-Hop-Knoten gemeinsam gemäß den Routing-Protokollen durchgeführt.
(3) Dynamische Topologie. Der selbstorganisierende Netzwerkmodus von P-IoT ermöglicht es bestimmten Knotentypen, in einen Ruhezustand zu wechseln, wenn keine Daten übermittelt werden. Gleichzeitig können einzelne Knoten im Netzwerk aufgrund technischer Ausfälle, natürlicher Ursachen usw. ausfallen. Um den normalen Betrieb des Netzwerks zu gewährleisten, unterstützt der P-IoT-Ad-hoc-Netzwerkmodus daher dynamische Änderungen der Netzwerktopologie.
Aufgrund der oben genannten Eigenschaften kann der selbstorganisierende P-IoT-Netzwerkmodus die flexible Vernetzung von Endgeräten und eine vollständige Abdeckung des Zielgebiets ohne Basisstation gewährleisten und den Anforderungen an die Erfassung wichtiger Informationen in Gebieten ohne Netzabdeckung gerecht werden, beispielsweise bei der Anwendung in speziellen Szenarien mit schlechter Basisstationsabdeckung wie Erdbebengebieten, Bergbautunneln und U-Bahn-Tunneln. Andererseits kann der P-IoT-Ad-hoc-Netzwerkmodus das Ad-hoc-Netzwerk über den Koordinator-Knoten im Netzwerk mit externen Systemen verbinden, den Datenkanal zwischen dem Zielgebiet und der Außenwelt öffnen und wichtige Daten aus dem Zielgebiet zurück an das Rechenzentrum übertragen, was es der Leitstelle ermöglicht, die Echtzeit-Situation im Zielgebiet zu erfassen. Gleichzeitig werden die historischen Daten aus der Datenbank herangezogen und mithilfe von Big-Data-Technologie Datenanalysen und -vergleiche sowie Vorhersagen zur zukünftigen Lage durchgeführt. Beispielsweise werden bei Rettungseinsätzen nach geologischen Katastrophen P-IoT-Endgeräte im selbstorganisierenden Netzwerkmodus eingesetzt, um Umweltüberwachungsdaten vor Ort, Überwachungs- und Verwaltungsdaten der Rettungskräfte sowie Materialüberwachungs- und -verwaltungsdaten an die Einsatzleitstelle vor Ort zu übertragen, was es dem Einsatzleiter erleichtert, nach einer umfassenden Analyse Anweisungen zu erteilen. .
