4.1.1 城市安全中防不胜防的威胁
2005年7月7日，伦敦在获得2012年夏季奥林匹克运动会主办权不足一日，苏格兰八国集团首脑会议正在举行的当天，伦敦连环发生了至少7起地下铁路车站和巴士爆炸案。
爆炸所造成的死亡人数共52人，重伤700多人。
伦敦“七七惨案”发生后，伦敦地铁已全部关闭，市中心停止公共汽车运营，伦敦本地的通信网络信号拥挤，部分通信受限。
事件更导致伦敦股市7日刚开盘就一度重挫近3%；
富时100指数早段曾大跌145点，跌幅达2.8%，其他欧洲股市也受到拖累同声下挫；
美股期货急挫，标准普尔500指数期货跌17.6点，纳斯达克100期货跌29.5点，道琼斯指数期货则跌135点；
伦敦布伦物原油创纪录地下跌到每桶57.71美元，而美国原油价格也下跌至59.60美元；
英镑兑各主要货币大幅下跌至19个月以来的最低点，美元受此影响也下滑；
英镑兑美元跌至1.7434，美元兑日元报111.72，欧元兑美元则报1.1987……
在列举惨案发生所造成各类破坏数据的同时，我们不得不深思这样一个问题，作为世界上监控力度最大的国家之一——英国，全国大概有420万个闭路监控摄像头；
而伦敦作为监控最严的城市，平均每天每个公民被拍摄到的次数达到300～600次之多，时间超过三个小时；
超过6000个摄像头覆盖于272个地铁站和车厢内，而公交车内几乎全部安装了摄像头。
在如此密集的监视系统下，仍然无法阻止惨案的发生，甚至英国安全部门军情五处在惨案发生前未能做出一点一滴的情报警示；
而且惨案发生后的两个星期，7月21日伦敦三个地铁站和一辆巴士又再次受到袭击；
而四名嫌疑犯直到20天后才被辨别出来，抓捕归案，并误杀一名男子。
对于伦敦“七七惨案”，国内外专家学者做了不少研究。
笔者就其发生的机理也进行了相关研究，分析其安保缺失的原因，有以下几点浅见：
①作为公共安全物联网的感知层，伦敦城市安保系统的传感器单一，严重依靠地面街头、地铁与公交车上的摄像头，虽然分布密度大，但缺乏与其他类型传感器的互联互通，只有简单的面部识别技术使得恐怖分子可以轻易地躲避监视；
②网络层传递的是各个摄像头所获取到的感知层信息，这些摄像头的图像信息相对独立、分散、片面，整个网络中无用、重复的信息过多，不仅降低了信息网络的传递速度，而且无法提高网络覆盖的精度；
③最重要的一点就是，信息网络系统维度过低，所有传感器分布位置基本上都是在地面上的一维层次，缺乏来自低空或高空维度的监视与信息中继，网络覆盖范围区域与传感器的数量相比显得狭窄，而且覆盖面存在漏洞，易被犯罪分子钻空子。
在总结惨案中安保缺失的教训时，笔者提出了公共安全物联网在城市安全领域的应用。
认为利用警务航空化，对重点区域监视立体化是未来发展的重点和趋势。
将空天地一体化信息网络技术应用到重大活动安保中，进行空中综合监视，采用多种平台，例如，卫星、飞机、直升机、飞艇和系留气球等，构成立体化的空天地一体化信息网络，打造城市安全的“诺亚方舟”。
4.1.2 空天地一体化与“诺亚方舟”
1.空天地一体化
空天地一体化信息网络是指综合利用卫星、航空器和地面站及各种通信平台，以IP为信息承载方式，采用智能高速星上处理、交换和路由技术，面向光学、红外多谱段的信息，按照信息资源的最大有效综合利用原则，进行高速宽带大容量信息网络信息的准确获取、快速处理和高效传输。
通过建立天基、空基和陆基一体化综合信息网络，提供信息的准确获取、及时处理和快速分发，为区域提供通信、侦察、导航、定位及效果评估等方面的服务。
空天地一体化信息网络具有以下三个主要特点：
①网络区域的无缝覆盖，可以实行全天时、全天候的无缝通信、导航、观测和监视，而且涉及空间和全球各个区域，覆盖范围广；
②组网速度的灵活机动，可具有应对突发事件的应急组网能力；
③信息协同的能力强，可面向不同的应用服务，对各种信息资源进行管理、协调及优化，最大限度地开发、利用各种信息资源。
当前，美、英、法、德、俄等国都在积极推进空天地一体化信息网络在军事方面的应用，而在城市安全方面，随着恐怖主义的日益猖獗，空天地一体化信息网络必然成为区域应急信息网络的力量倍增器。
中国电子科技集团公司第38研究所依据笔者所提出的公共安全物联网体系架构，构建了包括中继卫星、浮空平台和地面通信网等在内的空天地一体化区域通信系统，如图4-1所示，该系统充分体现了全面探测感知、准确预警定位、弹性互联互通、智慧指挥决策及动态信息发布的思想理念。
该系统以浮空平台作为空中载体，搭载移动通信基站系统，移动通信信号从空中向下对投影区域形成覆盖，并在多个浮空平台之间构成无线宽带网络，进行高速数据转发和传输，通过地面网关与地面网络相连，使艇载移动基站接入地面通信网络系统，实现复杂环境下的移动通信。
该系统可向突发事件发生区域提供集语音、视频、数据于一体的指挥调度、搜救定位、数据广播和公众移动通信等应急服务。
满足公共安全、灾害救援等特定行业和复杂应用环境对宽带无线接入系统快速、机动和安全方面的要求。
而基于空天地一体化信息网络所建立的新一代城市安全网络，从多维、立体的角度去保障信息的有效及时获取及快速传输分发。
从信息流的角度来说，包括监测预警、应急通信、应急信息处理与决策支持，以及指挥与应急救援四个方面。
其三维空间分析如图4-2所示。
其中作为信息网络的载体——浮空平台，如同不沉的“诺亚方舟”，是其重中之重。
2.“诺亚方舟”的三层空间保护
浮空平台泛指利用轻于空气气体所产生的浮力实现在大气环境中悬停和飞行的航空器。
浮空平台是人类社会研发和使用最早的一种飞行器，早在19世纪末期，西方发达国家就已经研制出飞艇和气球等浮空飞行器投入军事使用和民用。
按有无动力，浮空平台分为两类：气球和飞艇；
按作业高度，浮空平台可以分为两类：
低空浮空器和高空浮空器。
在平流层之下飞行的浮空器一般称为低空浮空器，可分为低空系留气球和对流层飞艇两小类，如图4-3所示。
图4-1 空天地一体化信息网络架构
图4-2 空天地一体化城市安全网络
图4-3 浮空平台的空间分布
针对城市安全，以浮空平台为基础，建立三层信息网络：
低空（车载系留气球）—对流层（对流层飞艇）—平流层（平流层飞艇）。
作为空天地一体化信息网络系统的载体，这三层网络不仅可以独立成网，而且可以相互组网，从而打造出“诺亚方舟”的三层防护。
4.1.3 世博会的守护神
我国构建一体化信息网络安保工作是在北京奥运会中探索并建立成型的，在国庆60周年庆典中发展成熟，在上海世博会、广州亚运会中继续创新完善，将中国的“平安”展示在世界面前。
尤其是，奥运会、世博会、亚运会这三次盛会都是我国或地方政府第一次举办的大型重要活动，并且具有会期人口密度大，流动性强，展会历时长，会址建筑林立等特点，如何保证活动顺利进行，这对主办方的安保工作提出了非常高的要求。
若采用传统的安保系统，难免出现疏漏。
但是，在这三大盛会中，主办方将车载系留气球系统应用到安保系统中，构成了空天地一体化信息网络，实现了整个活动期间无盲点、全天候的立体监视，将危险消灭在萌芽状态，使得整个活动期间没有发生一起恶性事件，保证了重大活动的顺利进行。
车载系留气球监测系统主要由系留气球平台和任务应用系统两大部分组成，其中系留气球平台系统主要由气球球体、系留缆绳、地面设施三部分构成。
该系统以系留气球作为工作平台，将任务设备搭载到空中进行工作，以达到扩展任务设备功能的目的。
任务设备包括各类空中信息获取手段，在这些手段中，最直接和最有用的是光学和微波信息，主要手段包括可见光彩色相机、微光彩色相机、红外热像仪、高光谱成像仪、大视场高分辨率数码相机和低空预警监视雷达等。
另外，为了实现特定目标，系留气球上还可搭载通信转发器、气象环保设备等仪器。
车载系留气球系统采用系留气球将应用载荷升空，通过空中获取地面信息的方式，可充分发挥浮空平台遥感系统的效能，全方位地对事发现场和周边环境进行监视，具有驻空时间长，能定点监视等优点，特别适合应用在城市监控等要求长时间定点观察的领域，充分满足城市管理的全天候、能快速反应、实时性的要求。
车载系留气球监测系统就是运用该理念的一种典型产品。
世博会车载系留气球监视系统是低空监视系统应用的成功范例。
世博会期间所发生的著名的韩国馆的“跳楼未遂”事件，由于危险被及时发现，而被成功处理，避免了一次影响恶劣事件的发生。
而这次安保成功的幕后英雄正是由中国电科集团第38研究所研制生产的，也被称为世博“天眼”的车载系留气球系统，是该系统最早发现情况，并锁定目标，并将信息传递到地面指挥系统，使得警方及时赶到现场，成功阻止了跳楼的发生。
图4-4是该车载系留气球系统的真容，其所拍摄到的高清视频被实时传递到世博园太空家园馆，并进行展示播放。
图4-4 上海世博会安全保卫用车载系留气球系统
该车载系留气球系统工作架构如图4-5所示，通过搭载可见光监测设备、红外监测设备、气象环保等设备，布置在特定区域，由系留缆索控制升空高度。
可见光监测设备采用高清摄像机配大广角镜头实现大范围监控，可以观察到较大范围的人员聚集、流动，提供低照度的高清图像。
当大视场中发现异常情况时，主控操作人员可采用自动和手动两种模式进行变焦，对特定区域实行高分辨监视。
可见光监测设备具有连续变焦、角度锁定、视轴稳定等功能。
红外监测设备可以全天候工作，可发现火灾隐患和热点异常，测量地表相对温度、建筑物热交换或泄漏情况，定期提供红外热成像数据分析报告，为环保和建筑节能提供评估。
气象监测设备主要用于大气边界层要素梯度的观测、大气含水量观测和气象实景监测。
图4-5 世博用车载系留气球系统体系架构
图4-6所示为该系统的监测结果。
该产品在上海世博会的亮相被各大媒体广泛关注，竞相报道。
中央电视台和东方卫视对其进行了新闻播报；
中华网称上海世博会车载系留气球监测系统为世界领先；
中国电子信息产业网称其为上海世博会信息化的八大看点之一。
图4-6 世博用车载系留气球系统的监测结果
正是有这样的监测系统加上组织方的精心管理，上海世博会历时184天，无一例恶性事件发生，无一次恐怖事件出现，真正实现了“平安世博”的诺言。
国务委员、公安部部长孟建柱于5月23日至24日在考察苏、浙、沪公安机关时，总结了世博安保经验的情况，强调传承世博安保精神，不断创新理念机制，要把世博安保工作的成功经验总结好，继承好，发扬好，这是对采用物联网技术的安保系统的高度重视与肯定。
4.1.4 平流层飞艇综合信息平台
由于浮空器作为搭载平台的独特优势，基于浮空器的遥感通信系统也被用于高空遥感、地理测绘、广播通信等公共安全领域，由其获得的遥感信息是物联网信息库的重要来源之一。
地球大气区域从地面向上可以分为三个区域：航空区域（0～20km）、临近空间（20～100km）和外太空区域（＞100km）。
飞机一般工作在航空区域，各类卫星、空间站等都工作在航天区域。
平流层飞艇综合信息平台就是一种工作在临近空间低层（20km左右）的留空时间长、能定点、可搭载各种有效载荷的浮空平台信息系统。
平流层飞艇综合信息平台与其他平台相比，在“空域”和“时域”上有无可替代的优势。
与飞机和地面系统相比，它能看得更广；
与卫星相比，它能长时期定点观测、可重复使用。
以平流层通信广播系统为例，与卫星通信相比：
平流层距离地面近，无线信号传播延迟小，自由空间衰耗小；
平流层平台可重复使用，维护方便，可适时更新搭载技术更先进的载荷。
与飞机及地面系统相比：
平流层飞艇综合信息平台覆盖范围广，作用距离大；
无线信道衰落小，路径损耗比地面系统小得多。
由于平流层飞艇综合信息平台工作在20km以上的高空，而且留空时间长，能定点悬停，搭载任务载荷后，可对地面及低空某一区域进行长期定点凝视观测，弥补卫星和地面系统的不足，如搭载高分辨率对地观测设备后，它在灾害预测与早期预警、灾害监测、应急反应、灾后重建等方面均可发挥重要的作用。
（1）灾害预测与早期预警。
长期实时获取高分辨率数据，对潜在灾害，包括发生时间、范围、强度等进行预测，为有效防灾做准备。
（2）灾害监测和应急反应。
实时全天候进行高分辨率动态监测各种灾害，特别是洪水、干旱、地震等重大灾害的发生发展情况，为紧急救援提供快速准确的灾情信息，对救灾工作具有重要的指导作用。
（3）灾后重建。
实时获取准确的灾情评估（包括灾中和灾后）信息，作为灾后重建的主要依据。
此外，平流层飞艇综合信息平台可广泛应用于国土资源观测、海洋监测、环境保护、防灾减灾、精细农业、水利监测、大地测绘、城市规划与管理等方面，在统筹城乡发展，推进社会主义新农村建设，加强能源资源节约和生态环境保护，增强可持续发展能力，推动区域协调发展，优化国土开发格局等方面可发挥重要的作用。
平流层飞艇综合信息平台技术引起了世界诸多国家的高度重视，美国、日本、以色列、韩国、欧盟等已经开始了较深入的研究开发工作，其中美国和日本的研发工作走在最前列。
由于平流层大气环境密度较低，飞艇设计体积巨大，这给飞艇的设计（如结构重量控制、气动外形设计、能源平衡、动力供给）带来诸多困难，成为平流层飞艇研制的瓶颈问题。
采用“综合传感器即是结构”（ISIS）技术，将探测器集成于飞艇的结构中，可大大减轻飞艇系统质量，减小体积、能源和动力需求，降低平台的设计难度，是未来平流层飞艇设计的重点方向和必然趋势。
ISIS技术的最终目的是实现高空预警和通信功能。
图4-7所示为高空飞艇概念图。
图4-7 美国洛马公司高空飞艇（HAA）概念设计图
平流层飞艇信息平台具有能耗小、能够长期定点悬停工作的特点，具有重要的军事和民用价值，已成为新的研究热点。
世界技术发达国家大都制订了比较长远的发展和应用规划，预计近年内将有重大突破，可供工程应用的平流层飞艇将会在重要的军事和国民经济活动中投入使用。
平流层飞艇综合信息平台是承载一定规模有效载荷进行信息作业的综合系统。
信息平台具有自行供电、控制起飞降落、定向移动、自动位置保持等功能。
信息平台包括平流层飞艇和有效载荷两个部分。
平流层飞艇综合信息系统的组成如图4-8所示，包括艇体结构分系统、能源供给分系统、动力推进分系统、飞控导航分系统、压力调节分系统、环境控制分系统、测控数传分系统和任务载荷分系统。
图4-8 平流层飞艇综合信息系统的组成
平流层飞艇综合信息平台目前可以搭载的有效载荷包括通信和广播系统、地球遥感遥测系统，以及用于平台测控的跟踪控制系统等。
综合信息平台的总体体系框架如图4-9所示。
图4-9 平流层飞艇综合信息平台的总体体系框架
4.1.5 小结
空天地一体化信息网络作为公共安全物联网的强力支撑技术之一，有助于提升城市安全的管理水平、构筑立体化的防控体系和建立区域信息的应急平台。