物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)在內(nèi)河航道的應(yīng)用探討

引言

21世紀人類社會正步入信息時代。世界正處在一場新的技術(shù)革命之中，這場技術(shù)革命的中心就是物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)概念的本質(zhì)就是將人類的經(jīng)濟生活與社會生活、生產(chǎn)活動與個人活動都放在一個智慧的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中運行。物聯(lián)網(wǎng)為人們提供了感知中國與世界的能力，也為技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了前所未有的機遇。

2011年1月21日國務(wù)院正式頒發(fā)《關(guān)于加快長江等內(nèi)河水運發(fā)展的意見》，要求利用10年左右時間，建成暢通、高效、平安、綠色的現(xiàn)代化內(nèi)河水運體系。為落實交通運輸部“關(guān)于貫徹《國務(wù)院關(guān)于加快長江等內(nèi)河水運發(fā)展的意見》的實施意見”，長江航道局2012年工作會議提出，加快數(shù)字航道和智能航道建設(shè)，到2015年基本建成長江干線數(shù)字航道，初步建成長江干線智能航道。隨著長江“數(shù)字航道”建設(shè)的啟動，長江航道信息化建設(shè)經(jīng)歷了一個快速的發(fā)展歷程，在電子航道圖建設(shè)、航道測量、信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面取得了一系列的成績，已經(jīng)初步具備由數(shù)字化向智能化轉(zhuǎn)變的條件。要實現(xiàn)航道數(shù)字化向智能化的轉(zhuǎn)變，就需要一系列諸如物聯(lián)網(wǎng)、自動控制、人工智能等核心技術(shù)研究做支撐，其中物聯(lián)網(wǎng)方面的部分關(guān)鍵技術(shù)尤為重要。

1物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)的概念產(chǎn)生于20世紀90年代，其英文名為InternetofThings(IOT)，被視為互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用擴展。應(yīng)用創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心，以用戶體驗為核心的創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的靈魂。2005年，在突尼斯舉行的信息社會世界峰會上，國際電信聯(lián)盟發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005:物聯(lián)網(wǎng)》，正式提出了"物聯(lián)網(wǎng)'‘的概念。

物聯(lián)網(wǎng)概念的興起，很大程度上得益于ITU的年度互聯(lián)網(wǎng)報告，但截至目前確切的說還沒有形成一個公認準確的定義。根據(jù)目前對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點的認知水平，在比較各種物聯(lián)網(wǎng)定義的基礎(chǔ)上，比較普遍的一種定義是：物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，針對不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求，利用具有感知、通信與計算能力的智能物體自動獲取物理世界的各種信息，將所有能夠獨立尋址的物理對象互聯(lián)起來,實現(xiàn)全面感知、可靠傳輸、智能分析處理，構(gòu)建人與物、物與物互聯(lián)的智能信息服務(wù)系統(tǒng)。

2物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的多樣化、規(guī)模化與行業(yè)化的特點，決定了物聯(lián)網(wǎng)涉及的技術(shù)種類非常多，本文需要從物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計、組建、運行、應(yīng)用與管理的角度，將多種技術(shù)歸納為幾項共性的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1智能感知技術(shù)

智能感知首先是RFID無線射頻識別技術(shù)。RFID無線射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù),可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個電子標簽，操作快捷方便。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用兩個方面。其中，RFID產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)主要包括標簽芯片設(shè)計與制造、天線設(shè)計與制造、RFID標簽封裝技術(shù)與裝備、RFID標簽集成、讀寫器設(shè)計等；RFID應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)主要包括RFID應(yīng)用體系架構(gòu)、RFID系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)管理、RFID公共服務(wù)體系、RFID檢測技術(shù)與規(guī)范等。

其次是傳感器與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在智能傳感器與無線傳感器兩個方向。智能傳感器的關(guān)鍵技術(shù)主要表現(xiàn)在傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面。結(jié)構(gòu)設(shè)計上除了需要具備自學(xué)習(xí)、自診斷與自補償能力、復(fù)合感知的能力，還要具有靈活的通信能力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點，有很多的關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)和探索。從目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，主要集中在以下幾個方面：介質(zhì)訪問控制協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)拓撲控制與路由協(xié)議、節(jié)點定位、時鐘同步、數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)融合、嵌入式操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)安全等。

2.2嵌入式技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計算機技術(shù)，常作為裝置或設(shè)備的一部分。通常，嵌入式系統(tǒng)是一個控制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實上，所有帶有數(shù)字接口的設(shè)備，如手表、微波爐、錄像機、汽車等，都使用嵌入式系統(tǒng)，有些嵌入式系統(tǒng)還包含操作系統(tǒng)，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是由單個程序?qū)崿F(xiàn)整個控制邏輯。嵌入式技術(shù)的關(guān)鍵研究點主要有專用芯片設(shè)計制造、嵌入式硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)、嵌入式操作系統(tǒng)研究、嵌入式應(yīng)用軟件編程技術(shù)、微機電(MEMS)技術(shù)與應(yīng)用等。RFID讀寫器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點就是目前比較流行的微小型嵌入式智能設(shè)備。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式的尖端科技比如可穿戴計算機、智能機器人等應(yīng)用將會為人類社會帶來更大的便利。

2.3移動通信技術(shù)

移動通信是指通信的雙方至少有一方是在移動中進行的通信，包括固定點與移動點、移動點與移動點之間的通信。例如，人們平時常見的一個用戶在行進著的火車、汽車上用手機與一個固定電話或另一個手機通信，或者是兩個移動的手機之間的通信都屬于移動通信。移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下方面：寬帶數(shù)字通信基礎(chǔ)理論研究、寬帶調(diào)制和多址技術(shù)、頻譜利用率提升技術(shù)、無線資源管理、無線電技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全和QoS、基于Mesh自組織網(wǎng)絡(luò)的接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系、基于智能重疊網(wǎng)的核心網(wǎng)體系、移動通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、射頻電路和電磁兼容等。4G通信技術(shù)是繼3G之后的又一次無線通信技術(shù)演進，我國的自主知識產(chǎn)權(quán)的移動通信標準TD-LTE正式成為4G的兩大國際標準之一，標志著我國首次在移動通信標準上實現(xiàn)從“追趕”到“引領(lǐng)”的重大跨越。移動通信的另一發(fā)展方向就是機器到機器(M2M)的終端通信，M2M的潛在市場不僅限于通信業(yè)，由于M2M是無線通信和信息技術(shù)的整合,它可用于雙向通信，如遠距離收集信息、設(shè)置參數(shù)和發(fā)送指令，因此M2M技術(shù)可以有不同的應(yīng)用方案，如安全監(jiān)測、自動售貨機、貨物跟蹤等。在M2M中，GSM/GPRS/UMTS是主要的遠距離連接技術(shù)，其近距離連接技術(shù)主要有802.11b/g、BlueTooth、Zigbee、RFID和UWB。此外，還有一些其他技術(shù)，如XML和Corba,以及基于GPS、無線終端和網(wǎng)絡(luò)的位置服務(wù)技術(shù)。

2.4海量數(shù)據(jù)處理與融合技術(shù)[2]

面對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)海量、多態(tài)、動態(tài)與關(guān)聯(lián)的特征，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理需要重點解決以下幾個關(guān)鍵技術(shù)，分別是數(shù)據(jù)格式與標準化、信息融合技術(shù)、中間件與應(yīng)用軟件編程技術(shù)、海量數(shù)據(jù)存儲與搜索技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)算法。物聯(lián)網(wǎng)的海量數(shù)據(jù)除了來自傳感器節(jié)點、RFID節(jié)點以及其他各種智能終端設(shè)備全天候產(chǎn)生的數(shù)據(jù)外，各種物理對象在參與物聯(lián)網(wǎng)事務(wù)處理的過程中也會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，在進行海量數(shù)據(jù)存儲時需要數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫、網(wǎng)絡(luò)存儲、數(shù)據(jù)中心和云存儲技術(shù)的支撐。數(shù)據(jù)融合中心對來自多個傳感器的信息進行融合,也可以將來自多個傳感器的信息和人機界面的觀測事實進行信息融合(通常是決策級融合)。提取征兆信息，在推理機作用下,將征兆與知識庫中的知識匹配，做出故障診斷決策，提供給用戶。在基于信息融合的故障診斷系統(tǒng)中可以加入自學(xué)習(xí)模塊,故障決策經(jīng)自學(xué)習(xí)模塊反饋給知識庫，并對相應(yīng)的置信度因子進行修改，更新知識庫。

同時，自學(xué)習(xí)模塊能根據(jù)知識庫中的知識和用戶對系統(tǒng)提問的動態(tài)應(yīng)答進行推理，以獲得新知識?？偨Y(jié)新經(jīng)驗，不斷擴充知識庫，實現(xiàn)專家系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)功能。

2.5位置服務(wù)技術(shù)

位置服務(wù)(LocationBasedServices,LBS)又稱定位服務(wù),是由移動通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星定位系統(tǒng)結(jié)合在一起提供的一種增值業(yè)務(wù)，通過一組定位技術(shù)獲得移動終端的位置信息(如經(jīng)緯度坐標數(shù)據(jù)),提供給移動用戶本人或他人以及通信系統(tǒng)，實現(xiàn)各種與位置相關(guān)的業(yè)務(wù)。位置服務(wù)實質(zhì)上是一種概念較為寬泛的與空間位置有關(guān)的新型服務(wù)業(yè)務(wù)。位置服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)主要涉及位置信息的獲取方法，GPS、GIS和網(wǎng)絡(luò)地圖應(yīng)用技術(shù),以及位置服務(wù)的方法。位置信息獲取目前比較主流的方法有移動移動通信定位、基于無線局域網(wǎng)定位、基于RFID的定位、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位等。

2.6信息安全技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)信息安全技術(shù)研究目的是保證物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中數(shù)據(jù)傳輸、存儲、處理與訪問的安全性。主要關(guān)鍵技術(shù)有以下方面:物聯(lián)網(wǎng)安全體系結(jié)構(gòu)研究、網(wǎng)絡(luò)安全防護技術(shù)、密碼學(xué)及在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議等。

物聯(lián)網(wǎng)安全體系結(jié)構(gòu)的研究主要包括網(wǎng)絡(luò)安全威脅分析、網(wǎng)絡(luò)安全模型與確定網(wǎng)絡(luò)安全體系，以及對網(wǎng)絡(luò)安全評價標準和方法的研究；網(wǎng)絡(luò)安全防護技術(shù)的研究主要包括防火墻技術(shù)、入侵檢測與防護技術(shù)、安全審計技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)攻擊取證技術(shù)、防病毒技術(shù)以及業(yè)務(wù)持續(xù)性規(guī)劃技術(shù)；密碼應(yīng)用技術(shù)的研究包括對稱密碼體制與公鑰密碼體制的密碼體系，以及在此基礎(chǔ)上研究消息認證與數(shù)字簽名技術(shù)、信息隱藏技術(shù)、公鑰基礎(chǔ)設(shè)施PKI技術(shù)、隱私保護技術(shù)等；物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議研究主要包括網(wǎng)絡(luò)層的IP安全協(xié)議、傳輸層的安全套接層協(xié)議(SSL)、應(yīng)用層的安全電子交易協(xié)議(SET)，以及它們在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中應(yīng)用的技術(shù)。

3物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)在內(nèi)河航道的應(yīng)用探討

首先，應(yīng)用RFID技術(shù)可以進行通航船舶流量的統(tǒng)計叫內(nèi)河航道尤其是長江中下游，船舶運量非常繁忙，如何有效地分析統(tǒng)計某時段通過的船舶數(shù)量、船型、噸位和實際載貨量,成為一個重要課題。運用智能感知技術(shù)，在通航船舶上安裝RFID電子標簽，在航道上安裝讀卡器，RFID電子標簽內(nèi)記載船舶的基本信息數(shù)據(jù)，以此建立一個基于RFID射頻技術(shù)的船舶狀態(tài)信息采集平臺，就可以很好地解決船舶流量統(tǒng)計問題。若將其與電子航道圖系統(tǒng)集成，應(yīng)用效果會更好。

其次，應(yīng)用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以開展航道數(shù)據(jù)的采集，構(gòu)建“感知航道”[3]。利用航道沿線的固定監(jiān)控點作為基干，建立一個有線光纖基干網(wǎng)絡(luò)，供視頻數(shù)據(jù)傳輸。以基干網(wǎng)絡(luò)的各監(jiān)控點為中心，在每個監(jiān)控點的航道沿岸周邊，建立起由ZigBee技術(shù)構(gòu)成的近地、自組織、低功耗的無線自組織網(wǎng)絡(luò)(即無線傳感網(wǎng))。將各種傳感設(shè)備(水位、值守傳感器等)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)以無線方式進行連接，實現(xiàn)航段的無線覆蓋和傳感器熱插拔。無線傳感數(shù)據(jù)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)由最近的監(jiān)控點傳入有線基干光纖網(wǎng)絡(luò)匯聚至設(shè)在指揮中心的傳感前端服務(wù)器。這樣，通過感知數(shù)據(jù)的自動采集和傳輸,就可以在航段構(gòu)建一個航道感知網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)自動航道感知。

第三，應(yīng)用位置服務(wù)技術(shù)可以實現(xiàn)航道維護船舶的動態(tài)監(jiān)控。將GIS地圖顯示技術(shù)和GPS定位技術(shù)結(jié)合，利用位置服務(wù)技術(shù)對船舶當(dāng)前所在的位置數(shù)據(jù)進行采集，通過GPRS/CDMA無線通信技術(shù)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到航道管理中心服務(wù)器，管理中心的航道船舶監(jiān)控系統(tǒng)實時調(diào)用位置數(shù)據(jù)對航道船舶進行遠程監(jiān)控，在地圖上實時了解轄區(qū)維護船舶的工作動態(tài),可以達到很好的監(jiān)管效果。

另外，應(yīng)用云計算技術(shù)可以實現(xiàn)航道數(shù)據(jù)的分析和處理。隨著物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用于航道方方面面，各種傳感器、船舶終端之間不可避免會產(chǎn)生大量動態(tài)數(shù)據(jù)。位于終端的數(shù)據(jù)處理單元配置相對較低，處理大量數(shù)據(jù)必然會力不從心，可能會達不到要求的時效性。通過應(yīng)用云計算技術(shù)，讓云端處理數(shù)據(jù)并將結(jié)果回傳或直接傳至航道數(shù)據(jù)中心，就可以快速準確地解決航道終端數(shù)據(jù)分析和處理的問題。

4結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展具有深厚的信息技術(shù)及相關(guān)專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)，有著強烈的社會需求，是社會信息化的深化和發(fā)展，是我國兩化融合的切入點。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在內(nèi)河航道應(yīng)用的逐步深入，必將為推動數(shù)字航道向智能航道的轉(zhuǎn)變提供強大的技術(shù)支撐，必將加快實現(xiàn)我國智能水運交通事業(yè)的發(fā)展進程，必將為內(nèi)河流域百姓的生產(chǎn)生活帶來更大的便利。

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