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(jì)人類(lèi)社會(huì)正步入信息時(shí)代。世界正處在一場(chǎng)新的技術(shù)革命之中，這場(chǎng)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(lèi)的經(jīng)濟(jì)生活與社會(huì)生活、生產(chǎn)活動(dòng)與個(gè)人活動(dòng)都放在一個(gè)智慧的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中運(yùn)行。物聯(lián)網(wǎng)為人們提供了感知中國(guó)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(jī)遇。

2011年1月21日國(guó)務(wù)院正式頒發(fā)《關(guān)于加快長(zhǎng)江等內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展的意見(jiàn)》，要求利用10年左右時(shí)間，建成暢通、高效、平安、綠色的現(xiàn)代化內(nèi)河水運(yùn)體系。為落實(shí)交通運(yùn)輸部“關(guān)于貫徹《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快長(zhǎng)江等內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展的意見(jiàn)》的實(shí)施意見(jiàn)”，長(zhǎng)江航道局2012年工作會(huì)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(zhǎng)江干線數(shù)字航道，初步建成長(zhǎng)江干線智能航道。隨著長(zhǎng)江“數(shù)字航道”建設(shè)的啟動(dòng)，長(zhǎng)江航道信息化建設(shè)經(jīng)歷了一個(gè)快速的發(fā)展歷程，在電子航道圖建設(shè)、航道測(cè)量、信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面取得了一系列的成績(jī)，已經(jīng)初步具備由數(shù)字化向智能化轉(zhuǎn)變的條件。要實(shí)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(dòng)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(jì)90年代，其英文名為InternetofThings(IOT)，被視為互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用擴(kuò)展。應(yīng)用創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心，以用戶(hù)體驗(yàn)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(huì)世界峰會(huì)上，國(guó)際電信聯(lián)盟發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)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(bào)告，但截至目前確切的說(shuō)還沒(méi)有形成一個(gè)公認(rèn)準(zhǔn)確的定義。根據(jù)目前對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)的認(rèn)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(dòng)通信網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求，利用具有感知、通信與計(jì)算能力的智能物體自動(dòng)獲取物理世界的各種信息，將所有能夠獨(dú)立尋址的物理對(duì)象互聯(lián)起來(lái),實(shí)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)?；c行業(yè)化的特點(diǎn)，決定了物聯(lián)網(wǎng)涉及的技術(shù)種類(lèi)非常多，本文需要從物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、組建、運(yùn)行、應(yīng)用與管理的角度，將多種技術(shù)歸納為幾項(xiàng)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(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)。RFID無(wú)線射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù),可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)電子標(biāo)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(gè)方面。其中，RFID產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)主要包括標(biāo)簽芯片設(shè)計(jì)與制造、天線設(shè)計(jì)與制造、RFID標(biāo)簽封裝技術(shù)與裝備、RFID標(biāo)簽集成、讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)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(cè)技術(shù)與規(guī)范等。

其次是傳感器與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)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(wú)線傳感器兩個(gè)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(jì)方面。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上除了需要具備自學(xué)習(xí)、自診斷與自補(bǔ)償能力、復(fù)合感知的能力，還要具有靈活的通信能力。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，有很多的關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)和探索。從目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來(lái)看，主要集中在以下幾個(gè)方面：介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂婆c路由協(xié)議、節(jié)點(diǎn)定位、時(shí)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(zhuān)用的計(jì)算機(jī)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(gè)控制程序存儲(chǔ)在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實(shí)上，所有帶有數(shù)字接口的設(shè)備，如手表、微波爐、錄像機(jī)、汽車(chē)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(gè)程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)控制邏輯。嵌入式技術(shù)的關(guān)鍵研究點(diǎn)主要有專(zhuān)用芯片設(shè)計(jì)制造、嵌入式硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)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(jī)電(MEMS)技術(shù)與應(yīng)用等。RFID讀寫(xiě)器、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(jì)算機(jī)、智能機(jī)器人等應(yīng)用將會(huì)為人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)更大的便利。

2.3移動(dòng)通信技術(shù)

移動(dòng)通信是指通信的雙方至少有一方是在移動(dòng)中進(jìn)行的通信，包括固定點(diǎn)與移動(dòng)點(diǎn)、移動(dòng)點(diǎn)與移動(dòng)點(diǎn)之間的通信。例如，人們平時(shí)常見(jiàn)的一個(gè)用戶(hù)在行進(jìn)著的火車(chē)、汽車(chē)上用手機(jī)與一個(gè)固定電話或另一個(gè)手機(jī)通信，或者是兩個(gè)移動(dòng)的手機(jī)之間的通信都屬于移動(dòng)通信。移動(dòng)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(wú)線資源管理、無(wú)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(dòng)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(wú)線通信技術(shù)演進(jìn)，我國(guó)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)TD-LTE正式成為4G的兩大國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一，標(biāo)志著我國(guó)首次在移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)上實(shí)現(xiàn)從“追趕”到“引領(lǐng)”的重大跨越。移動(dòng)通信的另一發(fā)展方向就是機(jī)器到機(jī)器(M2M)的終端通信，M2M的潛在市場(chǎng)不僅限于通信業(yè)，由于M2M是無(wú)線通信和信息技術(shù)的整合,它可用于雙向通信，如遠(yuǎn)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(cè)、自動(dòng)售貨機(jī)、貨物跟蹤等。在M2M中，GSM/GPRS/UMTS是主要的遠(yuǎn)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(wú)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(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)海量、多態(tài)、動(dòng)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(diǎn)解決以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，分別是數(shù)據(jù)格式與標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)與搜索技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)算法。物聯(lián)網(wǎng)的海量數(shù)據(jù)除了來(lái)自傳感器節(jié)點(diǎn)、RFID節(jié)點(diǎn)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(duì)象在參與物聯(lián)網(wǎng)事務(wù)處理的過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，在進(jìn)行海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)需要數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)中心和云存儲(chǔ)技術(shù)的支撐。數(shù)據(jù)融合中心對(duì)來(lái)自多個(gè)傳感器的信息進(jìn)行融合,也可以將來(lái)自多個(gè)傳感器的信息和人機(jī)界面的觀測(cè)事實(shí)進(jìn)行信息融合(通常是決策級(jí)融合)。提取征兆信息，在推理機(jī)作用下,將征兆與知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)匹配，做出故障診斷決策，提供給用戶(hù)。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(shí)庫(kù)，并對(duì)相應(yīng)的置信度因子進(jìn)行修改，更新知識(shí)庫(kù)。

同時(shí)，自學(xué)習(xí)模塊能根據(jù)知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)和用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)提問(wèn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)答進(jìn)行推理，以獲得新知識(shí)?？偨Y(jié)新經(jīng)驗(yàn)，不斷擴(kuò)充知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)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(chēng)定位服務(wù),是由移動(dòng)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(guò)一組定位技術(shù)獲得移動(dòng)終端的位置信息(如經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)),提供給移動(dòng)用戶(hù)本人或他人以及通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種與位置相關(guān)的業(yè)務(wù)。位置服務(wù)實(shí)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(dòng)移動(dòng)通信定位、基于無(wú)線局域網(wǎng)定位、基于RFID的定位、無(wú)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(chǔ)、處理與訪問(wèn)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(hù)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(duì)網(wǎng)絡(luò)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法的研究；網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)技術(shù)的研究主要包括防火墻技術(shù)、入侵檢測(cè)與防護(hù)技術(shù)、安全審計(jì)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(duì)稱(chēng)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(rèn)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(hù)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?cè)谖锫?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(jìn)行通航船舶流量的統(tǒng)計(jì)叫內(nèi)河航道尤其是長(zhǎng)江中下游，船舶運(yùn)量非常繁忙，如何有效地分析統(tǒng)計(jì)某時(shí)段通過(guò)的船舶數(shù)量、船型、噸位和實(shí)際載貨量,成為一個(gè)重要課題。運(yùn)用智能感知技術(shù)，在通航船舶上安裝RFID電子標(biāo)簽，在航道上安裝讀卡器，RFID電子標(biāo)簽內(nèi)記載船舶的基本信息數(shù)據(jù)，以此建立一個(gè)基于RFID射頻技術(shù)的船舶狀態(tài)信息采集平臺(tái)，就可以很好地解決船舶流量統(tǒng)計(jì)問(wèn)題。若將其與電子航道圖系統(tǒng)集成，應(yīng)用效果會(huì)更好。

其次，應(yīng)用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以開(kāi)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(diǎn)作為基干，建立一個(gè)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(diǎn)為中心，在每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)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(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)(即無(wú)線傳感網(wǎng))。將各種傳感設(shè)備(水位、值守傳感器等)通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)以無(wú)線方式進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)航段的無(wú)線覆蓋和傳感器熱插拔。無(wú)線傳感數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由最近的監(jiān)控點(diǎn)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(guò)感知數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和傳輸,就可以在航段構(gòu)建一個(gè)航道感知網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)航道感知。

第三，應(yīng)用位置服務(wù)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)航道維護(hù)船舶的動(dòng)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(duì)船舶當(dāng)前所在的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)GPRS/CDMA無(wú)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(shí)時(shí)調(diào)用位置數(shù)據(jù)對(duì)航道船舶進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，在地圖上實(shí)時(shí)了解轄區(qū)維護(hù)船舶的工作動(dòng)態(tài),可以達(dá)到很好的監(jiān)管效果。

另外，應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)可以實(shí)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(huì)產(chǎn)生大量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。位于終端的數(shù)據(jù)處理單元配置相對(duì)較低，處理大量數(shù)據(jù)必然會(huì)力不從心，可能會(huì)達(dá)不到要求的時(shí)效性。通過(guò)應(yīng)用云計(jì)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(zhǔn)確地解決航道終端數(shù)據(jù)分析和處理的問(wèn)題。

4結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展具有深厚的信息技術(shù)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)，有著強(qiáng)烈的社會(huì)需求，是社會(huì)信息化的深化和發(fā)展，是我國(guó)兩化融合的切入點(diǎn)。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(dòng)數(shù)字航道向智能航道的轉(zhuǎn)變提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐，必將加快實(shí)現(xiàn)我國(guó)智能水運(yùn)交通事業(yè)的發(fā)展進(jìn)程，必將為內(nèi)河流域百姓的生產(chǎn)生活帶來(lái)更大的便利。

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