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物联网时代的来临和环保信息化的梯次推进

杨子江[1] 林宣雄[2]  陆励群[3]  (写于2009年12月)

摘  要:物联网包含了两个最关键的元素,即RFID和传感器。通过RFID技术实现所有对象的标识,其目的是为了识别;通过传感器实现对象状态的即时了解,其目的是为了感知。从概念上来说,物联网要比传感网大一些,它是继互联网之后的又一次技术革命浪潮,其时代的到来是不可避免的。环境在线监控或者说环保信息化是重要的领域物联网,把握物联网的发展趋势,目的是为了更好地坚持10年来坚持不懈的方向,凝聚行业共识,去除环境在线监控或环保信息化的错误观点,找寻政府和民间的各种动力,更好地推进环保领域物联网的建设,从而借助技术手段实现中国污染的有效控制和环境的有效保护。

关键词:物联网;传感器;射频识别;体系结构;环境在线监控。

1.     物联网的缘起和定义

        1999年,网络技术及移动计算国际会议在美国召开,会议预测了“传感网是下一世纪人类面临的又一个发展机遇”;2003年,美国《技术评论》把传感网络技术评为是未来改变人类生活的十大技术之首[1];2005年,在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上,国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005:物联网》,首次正式提出了物联网的概念[2];2009年初,上任伊始的美国总统奥巴马对IBM提出的“智慧地球”给予了迅速的回应,并将之上升为国家战略,引起世界侧目;2009年11月3日,温家宝总理发表讲话,提出要着力突破传感网、物联网关键技术,及早部署后IP时代相关技术研发,使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的“发动机”,明确告诉世界中国已经把物联网确定为国家科研和产业发展的战略[3]。

        那么物联网到底是什么呢?它与智慧地球、传感网又是什么关系呢?这里首先对物联网这个名词和相应的基础给出一个笼统性、理解性和轮廓性的描述。所谓物联网,从狭义上讲,简单的说,就是传感网,但物联网的概念相对传感网要大一些;从广义上讲,就是社会生态系统的智能化或者说地球的智慧化(所谓智慧地球),即实现所有对象(物品)的智能化识别和管理。物联网的基础是芯片技术、微型传感技术、无线传感器网络技术、智能技术、纳米技术、射频识别技术、MEMS(微机电系统)技术的高度发达和信息高速公路(互联网)的广泛应用。

        技术革命或技术浪潮来自于科学技术的孕育和蓄积,进入20世纪尤其是20世纪后半叶的世界,“科学技术是第一生产力”的论断在世界范围内得到不断的印证,而计算机和网络技术又在科学技术的发展中发挥着基础和引领的作用,难怪IBM前CEO郭士纳(Louis V. Gerstner)会提出类似于摩尔定律的“15周年定律”,认为计算模式每隔15年就会发生一次变革。只要我们简单回顾一下历史便可印证这种观点的正确,显然,1965年前后发生的变革是以大型机为标志的,而1980年前后发生的变革则是以PC机走进家庭给人们留下深刻的影响,记忆犹新的自然是1995年前后发生的变革,那就是可覆盖世界任何一个角落的互联网革命。按此定律推算,下一个变革的时间焦点应该是2010年,而这一新的变革或浪潮应该是蓄积有时、孕育已久了,爆发当然是自然而然的事情。

       物联网是什么?站在变革时间焦点之前来谈这个“圈内”熟稔的概念,不但必要,更具有现实意义。

       物联网(IOT)是英文“The Internet of  things”的中文翻译,中英名意思很接近,但仍有极微细的差别。单词“Thing”具有物、事物和事情三层意思,在“The Internet of  things”中应该是指万事万物,即自然界和人类社会中的万事万物,也即自然界和人类社会中的所有对象(包括过程),而不单指涵盖面已算极大的物品,物品仅仅是“things”的子集,把“things”译成“物品”,“小”了。把“The Internet of  things”翻译成“物联网”是可以的,不失简练和准确,但在物联网的详细定义中,不能把“things”解释成物品,而应该用专业技术术语“对象”才更精当。

       物联网的定义很简单。物联网就是把所有对象(物品)通过射频识别(RFID)等信息传感设备与互联网连接起来,实现智能化识别和管理的无漏网。“无漏”是佛教用语,这里的“无漏”是指“天网恢恢,疏而不漏”,包含比互联网更多、更实、更泛的内容,是互联网向实体对象和虚拟对象的延伸,这种延伸的深度和广度前所未有。

        定义的简单说明内涵小,而内涵小至极端便成内核,称为内核性定义。这种内核性内涵必导致其外延的无限庞大,这从一方面说明了物联网的无所不包性。

        把物联网定义作一小小的拓展,便涉及了物联网的简单原理。物联网就是在互联网的基础上,利用RFID、传感、无线数据通信等技术,构造一个覆盖世界上万事万物的无漏网。在这个无漏网中,对象(物品)能够彼此进行“交流”,而无须人的干预,其原理是利用RFID等传感技术,通过互联网实现对象(物品)的自动识别和信息的共享。

        定义中涉及了传感设备、互联网、连接、识别和管理等关键词,原理简单描述中又涉及了自动识别和信息共享两个术语,至此便可以作一个扩充性定义,也叫总结性、全面性、精确性的定义。

        物联网就是指通过诸如射频识别装置、红外感应器、GPS(全球定位系统)、激光扫描仪等各种信息传感设备,按约定的协议,将任何对象与互联网相连接,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络。

        那么物联网有怎样的表现形态和存在形式呢?形象的说,有了物联网,当司机驾驶中出现误操作时,汽车会自动报警,公文包会提醒主人忘带了什么东西,衣服会告诉洗衣机其对颜色和水温的要求,排放口会对污染物超标发出告警等等。具体来说,物联网就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、工厂排放口、大气监测点、流域断面、水库浮台、生态监测点、大坝、供水系统、油气管道等人们日常工作、生活、娱乐、学习、活动的各种对象(物体)中,然后将它们与互联网整合起来,实现人类社会与物理系统的融合。

2.     物联网的体系结构

       物联网是一个新事物,研究其体系结构十分重要,只有把结构研究清楚了,才能了解其全貌,并理解其本质内涵,也才能更好地建设它、应用它。目前,纷杂的物联网文章良莠不齐,大有盲人摸象的味道。

        物联网不是另起炉灶的新网,互联网是其最重要的基础,虽然要有芯片技术、微型传感技术、智能技术、纳米技术作为其发展的前提,但没有互联网便没有物联网是千真万确的。因而沿着“网而下、网而上”的思路研究其体系结构是可行的,是说得清楚的,也是合理科学的;这样的思路是纲举目张的思路,也是创新的思路,目前这种思路未见有关论文述及。

     “网而下、网而上”所说的“网”是互联网。在物联网体系结构中,互联网处于“中轴”的位置,当然,以这种“中轴”分际的上下两部分并不几何对称,也不内容对称,而是逻辑分际,或者说是逻辑的、抽象的对称。

       “网而下”部分涉及单元结构,或者说单元体,“网而上”部分涉及解析定向、链接绑定、内容提供等导航管控功能,简称为导控部分;把前者比喻成“经济基础”、把后者比喻成“上层建筑”是形象恰当的。这样,三层模式便构成物联网体系结构的总框架,这里的“分际线”便是互联网,称之为“驮载网”。为了研究方便,把驮载网当作“质点”或“质线”或“质块”是合适的,也就是说物联网的体系结构不涉及互联网的结构,这种“删繁就简”的处理既说得清楚、明了,更能起到“纲举目张”的效果。

2.1    单元结构

         单元结构涉及物联网的神经部分,是最重要、最基础的部分。

         单元结构由Savant服务器、解读器、RFID节点和本地数据库四部分构成(图1)。RFID节点拥有EPC标签(称为电子标签,E-tag),EPC为产品电子编码,可以唯一标识单品,它是由一个版本号和另外三段信息(域名管理.对象分类.序列号)组成的一组数字。其中,版本号是EPC本身的版本号,域名管理描述与此EPC相关的生产厂商信息。目前EPC编码有64位、96位和256位三种[4,6,8]。解读器使用多种方式与EPC电子标签交互信息,读取距离取决于解读器的能量和使用的频率[7]。Savant服务器运行Savant软件,该软件是由Auto-ID实验室(是研究物联网的国际机构,前身叫Auto-ID中心,1999年成立于美国麻省理工大学,2003年更名为Auto-ID实验室[13])编写的,是处在解读器和互联网之间的中间件。解读器把从传感器和EPC标签上的数据读取出来送到Savant,Savant具有数据平滑、校验和暂存(数据存储在本地数据库)等功能,数据经过Savant处理后送上互联网。Savant具有多个程序模块和两个接口(解读器接口和应用程序接口),Savant利用了一个分布式的结构,以层次化方式对数据流进行组织和管理,不同安装位置的Savant软件的具体组成模块可能不同,但都包含三个基本的模块,即EMS(事件管理系统)模块、RIED(实时内存数据结构)模块和TMS(任务管理系统)模块。每一个层次上的Savant系统都会完成数据收集、存储和处理的任务,并与其它的Savant系统进行交流。Savant服务器是物联网的中枢神经系统。图中RFID节点与传感器用虚线相连,表示传感器不是所有RFID节点都带的,带传感器的RFID节点称为超级RFID节点,直接与Savant服务器相连的传感器通常具有数采仪功能和无线通信功能(智能无线传感节点通常可与数采仪直接通信,并可挂接多个传感器),或者通过数采仪实现与网络的连接,传感器可以提供连续、实时的数据[9,10]。

 

            本地数据库存储实时数据,现有的数据库不具备在一秒内处理超过几百万条事务的能力,因此Savant系统的另一个任务就是维护实时事件数据库(RIED),以保证系统取得实时产生的EPC编码并将其及时存储,以便其它应用程序有权访问这些数据。

2.2    驮载网

         单元体是物联网的“网而下”部分,无数的单元体通过互联网的挂接和驮载,与“网而上”部分一起构成完整的物联网。显然,互联网是物联网的驮载网,因而互联网是物联网的根本基础,具有“载波”作用,否则“皮之不存,毛将焉附”?因此,物联网的实现除了核心的传感器技术和射频识别技术外,为实现人们随时随地的管理和控制各种对象信息,实现最终的无线物联网,还需要统一的通讯协议、大量的V4/V6IP地址,以及各种WPAN(无线个域网)、WLAN(无线局域网)、NGBWA/3G/LTE(新一代宽带无线接入/3G/3.9G)等无限通信技术。

2.3    导控部分

        物联网的“网而上”部分即为解析定向、链接绑定、内容提供等导航管控部分,由ONS(Object Naming Service)服务器和PML服务器构成,前者称为对象名解析服务器,类似于DNS服务器(域名解析服务器),主要用来把EPC编码转换成IP地址;后者称为实体标识语言服务器,用来存储每个生产商产品的原始信息(包括产品EPC编码、产品名称、产品种类、生产厂商、产地、生产日期、有效期、是否是复杂产品,主要成分等)、产品在供应链中的路径信息(包括单位角色,单位名称、仓库号、解读器号、时间、城市、解读器用途以及时间等字段)以及库存信息等,有点类似于各种专题WEB服务器,但又不同,PML服务器可以提供实时数据,而传统的WEB服务器则通常不能,当然实时数据的提供需要通过应用程序定向到Savant服务器[5]。

         当一个解读器读取一个EPC标签的信息时,EPC编码就传递给了Savant系统,Savant系统利用互联网上的ONS服务器找到这个产品信息所存储的位置,ONS服务器给Savant系统指明了一个服务器(即PML服务器),这个产品的有关信息以文件形式就存储在这个服务器上,这样,与这个产品相关的信息就能传送到Savant系统中来,这样就能看到所需产品的信息的页面,从而满足各种应用意图。

         EPC编码可识别产品单品,但为了达到低价的目的,标签上仅仅存储EPC编码,产品其它有用信息都采用实体标识语言(PML)书写而存放在PML服务器上。PML服务器由制造商维护,因为该服务器存储着制造商生产的所有商品的文件信息。

2.4    三层逻辑结构

          图2给出了物联网的三层逻辑结构。图中互联网用质线表示,“网而下”部分是单元体的集合,“网而上”部分是导控系统,负责解析定向、链接绑定、内容提供等导控工作,是ONS服务器和PML服务器的集合,互联网是上下两部分的分际线。

         以Savant为核心组件构成的单元体是物联网不同于互联网的本质所在,也是物联网所以能实时感知、“无限”感知对象世界的关键所在。

之所以把PML服务器纳入“网而上”部分,主要是PML服务器和ONS服务器一样都具有公开、透明的特点,而不像访问Savant服务器那样,要通过相关的应用程序或相关的门户(Portal)获得授权访问或有偿访问,当然,这种访问可以获取实时数据和感知对象的即时状态。

2.5    从结构上看物联网与传感网的微细区别

        一套简单易用有效的对象识别系统是至关重要的,只有这样,对象的数据才能够被收集和处理,射频设别(RFID)技术提供了这样的可能,RFID是物联网的中枢;其次,数据收集需要借助于探测对象状态改变的能力,采用传感器技术便能满足这一要求,传感器是连接物理世界和虚拟世界的桥梁;最后,小型化技术和纳米技术的优势意味着体积越来越小的对象能够进行交互和连接。

        所有这些技术的融合便形成了物联网,这是从感官上和智能上将地球的各种对象连接在一起,借助于集成化信息处理,任何对象可获得智能化的特征和性能。物联网还能满足远程查询的电子识别需要,并能通过传感器了解周围环境的变化,这样,甚至于象灰尘那样的微粒也能被标记和连入网中。

        通过物联网结构的分析,可以清楚的知道,物联网包含了两个最关键的元素,即RFID和传感器。通过RFID技术实现所有对象的标识,其目的是为了识别;通过传感器实现对象状态的即时了解,其目的是为了感知。传感器形成的局部网成为传感网。因此,物联网概念大于传感网,严格意义上两者不能简单等同。当然,把传感网与互联网相连,并在传感网中采用RFID技术进行节点标识,这样的传感网(应该说是扩展了的传感网)便就是物联网。

3.     物联网的本质、哲学意蕴和发展趋势

        物联网是一个外延极其宽泛的概念,几乎可以说无所不包,但抽丝剥茧、高度抽象、无限简约后,从本质上来看,物联网实际上就是具有感知能力的RFID电子标签网,全世界所有对象(物品)都可以加入这一网络。通俗的说,物联网就是万事万物都可以上网,通过对物体(对象)植入射频识别设备、红外感应器、全球定位系统等而使其具有“智能”(可被识别),然后接入到互联网,最终形成智能传感网络,从而实现对物体(对象)的智能化管理和操作。

        物联网和互联网有本质的区别。大家知道,通过互联网了解某个对象,必须由人去收集这个对象的相关信息,处理后放到网上才能供人们浏览,人要在其中做很多工作,且难以了解其动态变化。物联网则不需要,它是对象(物体)自己“说话”,通过在对象(物体)上植入各种微型感应芯片,借助无线通信网络,与现在的互联网相连,就可以让其“开口”。这样一来,人们不仅可以和对象(物体)“对话”, 对象(物体)和对象(物体)之间也能“交流”。所以说,互联网实现的是虚拟世界网络,物联网实现的是物理的、真实的世界网络。

        互联网革命改变了世界的形态和格局,甚至完全改变了人类生存生活和沟通交流的方式, 五大洲、七大洋虽然使人类相距天涯海角,但互联网却使人与人之间可以如此短距离的“接触”和“面对面”的对话,甚至可以彼此合作、协同工作。2010年将是互联网革命后的又一个15年,现在物联网“暗潮涌动”,不待时日,物联网必将席卷山川大地,直达地球的每个角落。面对传感网技术前行的步伐,面对物联网时代的到来,人类是否有必要做一个短暂的思辨“停留”,否则将让历史遗憾:人类在被物联网“淹没”后竟没有留下一点“智慧”。

        以哲学思辨的方式看人类的进化、进步和文明,可以这么说,人类的文明主要就是建立在地球上的标识(记)系统,人类文明的总和就是标识系统的总和,不同地域、不同民族的文明就是不同的标识系统,不同质(Homogeneity)的文明就是异构(heterogeneity)的标识系统(不同文字、不同语言),当然,现在外太空也有一点人类文明的痕迹;同样,人类的智慧就是一套识别系统,智慧的总和就是识别系统的总和,不同的智慧就是不同的识别系统,异质(heterogeneity)的智慧就是不同构(Homogeneity)的识别系统。今天,物联网以电子标签(E—Tag,EPC)标识万事万物,是人类的“壮举”,文明的“大同”,物联网当然是 智慧的不漏之网。欣乎,物联网革命将惠泽人类;悲乎,物联网革命会使人类文明同质化?从此人类文明不生态?

        从哲学思辨角度看物联网,可以说,物联网从亘古时代起就开始“萌芽”了。

         技术的进步和爆发是不以人们的意志为转移的,历史证明了这一点,即将走来的历史将再次验证这个事实,物联网的时代即将来临,现在的地球人已经处在这个时代的最前夜。

         物联网的发展将从两个维度展现其趋势:(1)从技术维度看,传感、射频识别(RFID)和无线自组通信三合一的融合技术和集成工艺技术将是一个重要的发展趋势,(2)从经济社会维度看,点状分布的实体物联网超市和虚拟的区域化、国际化物联网超市将先后出现。

4.     环境在线监控与物联网

          1997年起步试验、1999年环保总局第一次在全国开始推广的环境在线监控系统是物联网的最早探索和实践,而2008年环保部第二次在全国31个省/自治区/直辖市、6个督查中心和333个地级市部署的国控污染源在线监控系统是物联网在环保领域的规模建设和行业级实践。环保总局环监发(1999)216号文、环监发(1999)220号文、环监发(2000)33号文和环监发(2000)44号文,环保部环函(2009)17号文、环函(2009)32号文、环办(2009)79号文和环发(2009)88号文,以及HJ/T212-2005  污染源在线自动监控(监测)系统数据传输标准和HJ/T 352-2007污染源自动监控信息传输、交换技术规范等,说明环保部是最早开始物联网探索和实践并大力推进的单位之一。

           图3[11]是基于某级环保局的环保大系统逻辑框架,适合于县地市、省/自治区/直辖市/督查中心环保局环境在线监控网建设,是环境在线监控网的核心结构,具有普适性。该框架包含了环境在线监控乃至环保信息化的全部内容,其中污染源监测数据走内网,环境质量数据处理后走外网(即Internet互联网),公开向市民发布地表水质量类别和空气质量等级的环境质量信息。

        图4给出了全国三级环境在线监控互联互通的结构框架(源自环保部《污染源监控中心建设标准(暂行)》编制说明),该结构框架规定了原始数据的流向和数据交换的方式,环保部就是按此结构框架在全国31个省/自治区/直辖市、6个督查中心和333个地级市进行部署的[14]。

    图4 环境在线监控全国互联互通结构框架

        比照物联网的体系结构和构成要素,可以发现,环境在线监控中的通信服务器就是Savant,要求其满足10万个并发的性能指标说明通信服务器设计的难度,显然,通信服务器是环境在线监控的中枢神经系统;数采仪相当于RFID节点,分配给数采仪的MN号(14位)相当于EPC电子标签;各种在线监测仪器大多为化学传感器,而最常用的流量计则是超声波传感器;环保局门户网站中的WEB服务器相当于PML服务器,环保局门户网站中的DNS服务器相当于ONS服务器;污染物超标会自动报警(中心警报响起,手机接到警报信息),排放总量用尽会自动关掉正常排放闸门,并开启倒灌闸门[12],相当于物联网中对象的“开口说话”、告警和智能自动处理。

        从物联网的精确定义和环境在线监控的内涵分析,可以严谨的说,目前环保部在全国开展的环境在线监控网是严格意义上的物联网,如果考虑应用的规模的话,精准的说,环境在线监控网是领域物联网。科学技术是第一生产力,也是管理力的一部分。按照生产力决定生产关系的原理,在物联网时代即将到来的新一轮产业革命背景之下,环境在线监控等技术手段的应用不仅会改变“废气靠看、废水靠闻、噪声靠听”的落后监管局面,也将会对环境管理理念、方法、体制、机制的变革形成推动力量。

          搞了10多年的环境在线监控,双脚插在“泥沼”的环保物联网中,不自觉的竟不是赶了回潮流,而是推了把潮流;回头看艰辛,抬头想诗境:“......。俏也不争春,只把春来报。待到山花烂漫时,她在从中笑”。物联网时代就要来临了,得把环境在线监控进行到底;中国需要环境在线监控,环保需要领域物联网。

5.     物联网的发展与环保信息化的梯次推进

        物联网的发展将使人们迎来物联网的时代,而环境在线监控或者说环保信息化已经完成了两个梯次的推进;第一梯次的推进发生在1999年,当时环保总局几乎没投钱,这一梯次算是科普了一次,积累了经验,获得了教训,第二梯次的推进发生在2008年,目前尚未完成,环保部投了20个亿,地方配套超过80个亿,这一次共识多了,规模大了,噪声少了,但仍有风险,有坎要过,有台阶要上。形势所迫,大势所趋,作为最重要的领域物联网之一的环境在线监控网或者说环保信息化有必要巧借物联网“东风”作第三梯次的推进。信息化不可能一蹴而就,环保信息化更难,尤其需要推进的梯次性。第三梯次的时间拟应选在2010年,办法是投资、考核和创新,推进的内容就是按照物联网的体系结构重新梳理环境在线监控和环保信息化,把物联网的最新技术用到环境在线监控中来,建立运维体系,实施运维外包,把网(金环网)铺起来,把数据拉起来(实现三级数据贯通),把环境在线监控的规模做起来,筑就环保信息化的“大龙”。

6.     结语

        物联网时代的到来是不可避免的,无论从标准的研究、技术产品的开发等基础性工作来看,还是从发达国家政府(包括中国政府)的重视来推测,抑或从风险资本的推崇和进入来分析,都说明物联网正以势不可当之势向我们快速走来。环境在线监控或者说环保信息化是重要的领域物联网,把握物联网的发展趋势,目的是为了更好地坚持10年来坚持不懈的方向,凝聚行业共识,去除环境在线监控或环保信息化的错误观点,找寻政府和民间的各种动力,更好地推进环保领域物联网的建设,从而借助技术手段实现中国污染的有效控制和环境的有效保护。环保利在当代,功在千秋,率先建设好环保领域物联网——环境在线监控网是当下中国的迫切需要。

 

[1] 杨子江,国家环境保护部,环境在线监控应用组组长
[2] 林宣雄,西安交通大学
[3] 陆励群,浙江省嘉善县环保局


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