物聯網時代的來臨和環保信息化的梯次推進-江蘇天長環�？萍加邢薰�

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物聯網時代的來臨和環保信息化的梯次推進

發布時間：2014.08.15　　瀏覽次數：

楊子江[1] 林宣雄[2] 陸勵群[3] (寫于2009年12月)

摘要：物聯網包含了兩個最關鍵的元素，即RFID和傳感器。通過RFID技術實現所有對象的標識，其目的是為了識別；通過傳感器實現對象狀態的即時了解，其目的是為了感知。從概念上來說，物聯網要比傳感網大一些，它是繼互聯網之后的又一次技術革命浪潮，其時代的到來是不可避免的。環境在線監控或者說環保信息化是重要的領域物聯網，把握物聯網的發展趨勢，目的是為了更好地堅持10年來堅持不懈的方向，凝聚行業共識，去除環境在線監控或環保信息化的錯誤觀點，找尋政府和民間的各種動力，更好地推進環保領域物聯網的建設，從而借助技術手段實現中國污染的有效控制和環境的有效保護。

關鍵詞：物聯網；傳感器；射頻識別；體系結構；環境在線監控。

1.物聯網的緣起和定義
    1999年，網絡技術及移動計算國際會議在美國召開，會議預測了“傳感網是下一世紀人類面臨的又一個發展機遇”；2003年，美國《技術評論》把傳感網絡技術評為是未來改變人類生活的十大技術之首[1]；2005年，在突尼斯舉行的信息社會世界峰會（WSIS）上，國際電信聯盟（ITU）發布了《ITU互聯網報告2005：物聯網》，首次正式提出了物聯網的概念[2]；2009年初，上任伊始的美國總統奧巴馬對IBM提出的“智慧地球”給予了迅速的回應，并將之上升為國家戰略，引起世界側目；2009年11月3日，溫家寶總理發表講話，提出要著力突破傳感網、物聯網關鍵技術，及早部署后IP時代相關技術研發，使信息網絡產業成為推動產業升級、邁向信息社會的“發動機”，明確告訴世界中國已經把物聯網確定為國家科研和產業發展的戰略[3]。
    那么物聯網到底是什么呢？它與智慧地球、傳感網又是什么關系呢？這里首先對物聯網這個名詞和相應的基礎給出一個籠統性、理解性和輪廓性的描述。所謂物聯網，從狹義上講，簡單的說，就是傳感網，但物聯網的概念相對傳感網要大一些；從廣義上講，就是社會生態系統的智能化或者說地球的智慧化（所謂智慧地球），即實現所有對象（物品）的智能化識別和管理。物聯網的基礎是芯片技術、微型傳感技術、無線傳感器網絡技術、智能技術、納米技術、射頻識別技術、MEMS（微機電系統）技術的高度發達和信息高速公路（互聯網）的廣泛應用。
    技術革命或技術浪潮來自于科學技術的孕育和蓄積，進入20世紀尤其是20世紀后半葉的世界，“科學技術是第一生產力”的論斷在世界范圍內得到不斷的印證，而計算機和網絡技術又在科學技術的發展中發揮著基礎和引領的作用，難怪IBM前CEO郭士納（Louis V. Gerstner）會提出類似于摩爾定律的“15周年定律”，認為計算模式每隔15年就會發生一次變革。只要我們簡單回顧一下歷史便可印證這種觀點的正確，顯然，1965年前后發生的變革是以大型機為標志的，而1980年前后發生的變革則是以PC機走進家庭給人們留下深刻的影響，記憶猶新的自然是1995年前后發生的變革，那就是可覆蓋世界任何一個角落的互聯網革命。按此定律推算，下一個變革的時間焦點應該是2010年，而這一新的變革或浪潮應該是蓄積有時、孕育已久了，爆發當然是自然而然的事情。
    物聯網是什么？站在變革時間焦點之前來談這個“圈內”熟稔的概念，不但必要，更具有現實意義。
    物聯網(IOT)是英文“The Internet of things”的中文翻譯，中英名意思很接近，但仍有極微細的差別。單詞“Thing”具有物、事物和事情三層意思，在“The Internet of things”中應該是指萬事萬物，即自然界和人類社會中的萬事萬物，也即自然界和人類社會中的所有對象（包括過程），而不單指涵蓋面已算極大的物品，物品僅僅是“things”的子集，把“things”譯成“物品”，“小”了。把“The Internet of things”翻譯成“物聯網”是可以的，不失簡練和準確，但在物聯網的詳細定義中，不能把“things”解釋成物品，而應該用專業技術術語“對象”才更精當。
    物聯網的定義很簡單。物聯網就是把所有對象（物品）通過射頻識別（RFID）等信息傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理的無漏網�！盁o漏”是佛教用語，這里的“無漏”是指“天網恢恢，疏而不漏”，包含比互聯網更多、更實、更泛的內容，是互聯網向實體對象和虛擬對象的延伸，這種延伸的深度和廣度前所未有。
    定義的簡單說明內涵小，而內涵小至極端便成內核，稱為內核性定義。這種內核性內涵必導致其外延的無限龐大，這從一方面說明了物聯網的無所不包性。
    把物聯網定義作一小小的拓展，便涉及了物聯網的簡單原理。物聯網就是在互聯網的基礎上，利用RFID、傳感、無線數據通信等技術，構造一個覆蓋世界上萬事萬物的無漏網。在這個無漏網中，對象（物品）能夠彼此進行“交流”，而無須人的干預，其原理是利用RFID等傳感技術，通過互聯網實現對象（物品）的自動識別和信息的共享。
    定義中涉及了傳感設備、互聯網、連接、識別和管理等關鍵詞，原理簡單描述中又涉及了自動識別和信息共享兩個術語，至此便可以作一個擴充性定義，也叫總結性、全面性、精確性的定義。
    物聯網就是指通過諸如射頻識別裝置、紅外感應器、GPS（全球定位系統）、激光掃描儀等各種信息傳感設備，按約定的協議，將任何對象與互聯網相連接，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、追蹤、監控和管理的一種網絡。
    那么物聯網有怎樣的表現形態和存在形式呢？形象的說，有了物聯網，當司機駕駛中出現誤操作時，汽車會自動報警，公文包會提醒主人忘帶了什么東西，衣服會告訴洗衣機其對顏色和水溫的要求，排放口會對污染物超標發出告警等等。具體來說，物聯網就是把感應器嵌入和裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、工廠排放口、大氣監測點、流域斷面、水庫浮臺、生態監測點、大壩、供水系統、油氣管道等人們日常工作、生活、娛樂、學習、活動的各種對象（物體）中，然后將它們與互聯網整合起來，實現人類社會與物理系統的融合。

2.物聯網的體系結構
    物聯網是一個新事物，研究其體系結構十分重要，只有把結構研究清楚了，才能了解其全貌，并理解其本質內涵，也才能更好地建設它、應用它。目前，紛雜的物聯網文章良莠不齊，大有盲人摸象的味道。
    物聯網不是另起爐灶的新網，互聯網是其最重要的基礎，雖然要有芯片技術、微型傳感技術、智能技術、納米技術作為其發展的前提，但沒有互聯網便沒有物聯網是千真萬確的。因而沿著“網而下、網而上”的思路研究其體系結構是可行的，是說得清楚的，也是合理科學的；這樣的思路是綱舉目張的思路，也是創新的思路，目前這種思路未見有關論文述及。
    “網而下、網而上”所說的“網”是互聯網。在物聯網體系結構中，互聯網處于“中軸”的位置，當然，以這種“中軸”分際的上下兩部分并不幾何對稱，也不內容對稱，而是邏輯分際，或者說是邏輯的、抽象的對稱。
    “網而下”部分涉及單元結構，或者說單元體，“網而上”部分涉及解析定向、鏈接綁定、內容提供等導航管控功能，簡稱為導控部分；把前者比喻成“經濟基礎”、把后者比喻成“上層建筑”是形象恰當的。這樣，三層模式便構成物聯網體系結構的總框架，這里的“分際線”便是互聯網，稱之為“馱載網”。為了研究方便，把馱載網當作“質點”或“質線”或“質塊”是合適的，也就是說物聯網的體系結構不涉及互聯網的結構，這種“刪繁就簡”的處理既說得清楚、明了，更能起到“綱舉目張”的效果。
2.1    單元結構
    單元結構涉及物聯網的神經部分，是最重要、最基礎的部分。
    單元結構由Savant服務器、解讀器、RFID節點和本地數據庫四部分構成(圖1)。RFID節點擁有EPC標簽（稱為電子標簽，E-tag），EPC為產品電子編碼，可以唯一標識單品，它是由一個版本號和另外三段信息（域名管理．對象分類．序列號）組成的一組數字。其中，版本號是EPC本身的版本號,域名管理描述與此EPC相關的生產廠商信息。目前EPC編碼有64位、96位和256位三種[4,6,8]。解讀器使用多種方式與EPC電子標簽交互信息，讀取距離取決于解讀器的能量和使用的頻率[7]。Savant服務器運行Savant軟件，該軟件是由Auto-ID實驗室（是研究物聯網的國際機構，前身叫Auto-ID中心，1999年成立于美國麻省理工大學，2003年更名為Auto-ID實驗室[13]）編寫的，是處在解讀器和互聯網之間的中間件。解讀器把從傳感器和EPC標簽上的數據讀取出來送到Savant，Savant具有數據平滑、校驗和暫存（數據存儲在本地數據庫）等功能，數據經過Savant處理后送上互聯網。Savant具有多個程序模塊和兩個接口（解讀器接口和應用程序接口），Savant利用了一個分布式的結構，以層次化方式對數據流進行組織和管理，不同安裝位置的Savant軟件的具體組成模塊可能不同，但都包含三個基本的模塊，即EMS（事件管理系統）模塊、RIED(實時內存數據結構)模塊和TMS(任務管理系統)模塊。每一個層次上的Savant系統都會完成數據收集、存儲和處理的任務，并與其它的Savant系統進行交流。Savant服務器是物聯網的中樞神經系統。圖中RFID節點與傳感器用虛線相連，表示傳感器不是所有RFID節點都帶的，帶傳感器的RFID節點稱為超級RFID節點，直接與Savant服務器相連的傳感器通常具有數采儀功能和無線通信功能（智能無線傳感節點通�？膳c數采儀直接通信，并可掛接多個傳感器）,或者通過數采儀實現與網絡的連接，傳感器可以提供連續、實時的數據[9,10]。

    本地數據庫存儲實時數據，現有的數據庫不具備在一秒內處理超過幾百萬條事務的能力，因此Savant系統的另一個任務就是維護實時事件數據庫（RIED），以保證系統取得實時產生的EPC編碼并將其及時存儲，以便其它應用程序有權訪問這些數據。
2.2    馱載網
    單元體是物聯網的“網而下”部分，無數的單元體通過互聯網的掛接和馱載，與“網而上”部分一起構成完整的物聯網。顯然，互聯網是物聯網的馱載網，因而互聯網是物聯網的根本基礎，具有“載波”作用，否則“皮之不存，毛將焉附”？因此，物聯網的實現除了核心的傳感器技術和射頻識別技術外，為實現人們隨時隨地的管理和控制各種對象信息，實現最終的無線物聯網，還需要統一的通訊協議、大量的V4/V6IP地址，以及各種WPAN(無線個域網)、WLAN（無線局域網）、NGBWA/3G/LTE(新一代寬帶無線接入/3G/3.9G)等無限通信技術。
2.3    導控部分
    物聯網的“網而上”部分即為解析定向、鏈接綁定、內容提供等導航管控部分，由ONS（Object Naming Service）服務器和PML服務器構成，前者稱為對象名解析服務器，類似于DNS服務器（域名解析服務器），主要用來把EPC編碼轉換成IP地址；后者稱為實體標識語言服務器，用來存儲每個生產商產品的原始信息（包括產品ＥＰＣ編碼、產品名稱、產品種類、生產廠商、產地、生產日期、有效期、是否是復雜產品，主要成分等）、產品在供應鏈中的路徑信息（包括單位角色，單位名稱、倉庫號、解讀器號、時間、城市、解讀器用途以及時間等字段）以及庫存信息等，有點類似于各種專題WEB服務器，但又不同，PML服務器可以提供實時數據，而傳統的WEB服務器則通常不能，當然實時數據的提供需要通過應用程序定向到Savant服務器[5]。
    當一個解讀器讀取一個EPC標簽的信息時，EPC編碼就傳遞給了Savant系統，Savant系統利用互聯網上的ONS服務器找到這個產品信息所存儲的位置，ONS服務器給Savant系統指明了一個服務器（即PML服務器），這個產品的有關信息以文件形式就存儲在這個服務器上，這樣，與這個產品相關的信息就能傳送到Savant系統中來，這樣就能看到所需產品的信息的頁面，從而滿足各種應用意圖。
    EPC編碼可識別產品單品，但為了達到低價的目的，標簽上僅僅存儲EPC編碼，產品其它有用信息都采用實體標識語言（PML）書寫而存放在PML服務器上。PML服務器由制造商維護，因為該服務器存儲著制造商生產的所有商品的文件信息。
2.4    三層邏輯結構
    圖2給出了物聯網的三層邏輯結構。圖中互聯網用質線表示，“網而下”部分是單元體的集合，“網而上”部分是導控系統，負責解析定向、鏈接綁定、內容提供等導控工作，是ONS服務器和PML服務器的集合，互聯網是上下兩部分的分際線。

    以Savant為核心組件構成的單元體是物聯網不同于互聯網的本質所在，也是物聯網所以能實時感知、“無限”感知對象世界的關鍵所在。
    之所以把PML服務器納入“網而上”部分，主要是PML服務器和ONS服務器一樣都具有公開、透明的特點，而不像訪問Savant服務器那樣，要通過相關的應用程序或相關的門戶（Portal）獲得授權訪問或有償訪問，當然，這種訪問可以獲取實時數據和感知對象的即時狀態。
2.5    從結構上看物聯網與傳感網的微細區別
    一套簡單易用有效的對象識別系統是至關重要的，只有這樣，對象的數據才能夠被收集和處理，射頻設別（RFID）技術提供了這樣的可能，RFID是物聯網的中樞；其次，數據收集需要借助于探測對象狀態改變的能力，采用傳感器技術便能滿足這一要求，傳感器是連接物理世界和虛擬世界的橋梁；最后，小型化技術和納米技術的優勢意味著體積越來越小的對象能夠進行交互和連接。
    所有這些技術的融合便形成了物聯網，這是從感官上和智能上將地球的各種對象連接在一起，借助于集成化信息處理，任何對象可獲得智能化的特征和性能。物聯網還能滿足遠程查詢的電子識別需要，并能通過傳感器了解周圍環境的變化，這樣,甚至于象灰塵那樣的微粒也能被標記和連入網中。
    通過物聯網結構的分析，可以清楚的知道，物聯網包含了兩個最關鍵的元素，即RFID和傳感器。通過RFID技術實現所有對象的標識，其目的是為了識別；通過傳感器實現對象狀態的即時了解，其目的是為了感知。傳感器形成的局部網成為傳感網。因此，物聯網概念大于傳感網，嚴格意義上兩者不能簡單等同。當然，把傳感網與互聯網相連，并在傳感網中采用RFID技術進行節點標識，這樣的傳感網（應該說是擴展了的傳感網）便就是物聯網。

3.     物聯網的本質、哲學意蘊和發展趨勢
    物聯網是一個外延極其寬泛的概念，幾乎可以說無所不包，但抽絲剝繭、高度抽象、無限簡約后，從本質上來看，物聯網實際上就是具有感知能力的RFID電子標簽網，全世界所有對象（物品）都可以加入這一網絡。通俗的說，物聯網就是萬事萬物都可以上網，通過對物體（對象）植入射頻識別設備、紅外感應器、全球定位系統等而使其具有“智能”（可被識別），然后接入到互聯網，最終形成智能傳感網絡，從而實現對物體（對象）的智能化管理和操作。
    物聯網和互聯網有本質的區別。大家知道，通過互聯網了解某個對象，必須由人去收集這個對象的相關信息，處理后放到網上才能供人們瀏覽，人要在其中做很多工作，且難以了解其動態變化。物聯網則不需要，它是對象（物體）自己“說話”，通過在對象（物體）上植入各種微型感應芯片，借助無線通信網絡，與現在的互聯網相連，就可以讓其“開口”。這樣一來，人們不僅可以和對象（物體）“對話”，對象（物體）和對象（物體）之間也能“交流”。所以說，互聯網實現的是虛擬世界網絡，物聯網實現的是物理的、真實的世界網絡。
    互聯網革命改變了世界的形態和格局，甚至完全改變了人類生存生活和溝通交流的方式，五大洲、七大洋雖然使人類相距天涯海角，但互聯網卻使人與人之間可以如此短距離的“接觸”和“面對面”的對話，甚至可以彼此合作、協同工作。2010年將是互聯網革命后的又一個15年，現在物聯網“暗潮涌動”，不待時日，物聯網必將席卷山川大地，直達地球的每個角落。面對傳感網技術前行的步伐，面對物聯網時代的到來，人類是否有必要做一個短暫的思辨“停留”，否則將讓歷史遺憾：人類在被物聯網“淹沒”后竟沒有留下一點“智慧”。
    以哲學思辨的方式看人類的進化、進步和文明，可以這么說，人類的文明主要就是建立在地球上的標識（記）系統，人類文明的總和就是標識系統的總和，不同地域、不同民族的文明就是不同的標識系統，不同質（Homogeneity）的文明就是異構(heterogeneity)的標識系統（不同文字、不同語言），當然，現在外太空也有一點人類文明的痕跡；同樣，人類的智慧就是一套識別系統，智慧的總和就是識別系統的總和，不同的智慧就是不同的識別系統，異質(heterogeneity)的智慧就是不同構（Homogeneity）的識別系統。今天，物聯網以電子標簽（E—Tag，EPC）標識萬事萬物，是人類的“壯舉”，文明的“大同”，物聯網當然是智慧的不漏之網。欣乎，物聯網革命將惠澤人類；悲乎，物聯網革命會使人類文明同質化？從此人類文明不生態？
    從哲學思辨角度看物聯網，可以說，物聯網從亙古時代起就開始“萌芽”了。
    技術的進步和爆發是不以人們的意志為轉移的，歷史證明了這一點，即將走來的歷史將再次驗證這個事實，物聯網的時代即將來臨，現在的地球人已經處在這個時代的最前夜。
    物聯網的發展將從兩個維度展現其趨勢：（1）從技術維度看，傳感、射頻識別（RFID）和無線自組通信三合一的融合技術和集成工藝技術將是一個重要的發展趨勢，（2）從經濟社會維度看，點狀分布的實體物聯網超市和虛擬的區域化、國際化物聯網超市將先后出現。

4.環境在線監控與物聯網
    1997年起步試驗、1999年環�？偩值谝淮卧谌珖_始推廣的環境在線監控系統是物聯網的最早探索和實踐，而2008年環保部第二次在全國31個省/自治區/直轄市、6個督查中心和333個地級市部署的國控污染源在線監控系統是物聯網在環保領域的規模建設和行業級實踐。環�？偩汁h監發（1999）216號文、環監發（1999）220號文、環監發（2000）33號文和環監發（2000）44號文，環保部環函（2009）17號文、環函（2009）32號文、環辦（2009）79號文和環發（2009）88號文，以及HJ/T212-2005 污染源在線自動監控（監測）系統數據傳輸標準和HJ/T 352-2007污染源自動監控信息傳輸、交換技術規范等，說明環保部是最早開始物聯網探索和實踐并大力推進的單位之一。
    圖3[11]是基于某級環保局的環保大系統邏輯框架,適合于縣地市、省/自治區/直轄市/督查中心環保局環境在線監控網建設，是環境在線監控網的核心結構，具有普適性。該框架包含了環境在線監控乃至環保信息化的全部內容，其中污染源監測數據走內網，環境質量數據處理后走外網（即Internet互聯網），公開向市民發布地表水質量類別和空氣質量等級的環境質量信息。

圖4給出了全國三級環境在線監控互聯互通的結構框架（源自環保部《污染源監控中心建設標準（暫行）》編制說明），該結構框架規定了原始數據的流向和數據交換的方式，環保部就是按此結構框架在全國31個省/自治區/直轄市、6個督查中心和333個地級市進行部署的[14]。

                  圖4 環境在線監控全國互聯互通結構框架
    比照物聯網的體系結構和構成要素，可以發現，環境在線監控中的通信服務器就是Savant，要求其滿足10萬個并發的性能指標說明通信服務器設計的難度，顯然，通信服務器是環境在線監控的中樞神經系統；數采儀相當于RFID節點，分配給數采儀的MN號（14位）相當于EPC電子標簽；各種在線監測儀器大多為化學傳感器，而最常用的流量計則是超聲波傳感器；環保局門戶網站中的WEB服務器相當于PML服務器，環保局門戶網站中的DNS服務器相當于ONS服務器；污染物超標會自動報警（中心警報響起，手機接到警報信息），排放總量用盡會自動關掉正常排放閘門，并開啟倒灌閘門[12]，相當于物聯網中對象的“開口說話”、告警和智能自動處理。
    從物聯網的精確定義和環境在線監控的內涵分析，可以嚴謹的說，目前環保部在全國開展的環境在線監控網是嚴格意義上的物聯網，如果考慮應用的規模的話，精準的說，環境在線監控網是領域物聯網�？茖W技術是第一生產力，也是管理力的一部分。按照生產力決定生產關系的原理，在物聯網時代即將到來的新一輪產業革命背景之下，環境在線監控等技術手段的應用不僅會改變“廢氣靠看、廢水靠聞、噪聲靠聽”的落后監管局面，也將會對環境管理理念、方法、體制、機制的變革形成推動力量。
    搞了10多年的環境在線監控，雙腳插在“泥沼”的環保物聯網中，不自覺的竟不是趕了回潮流，而是推了把潮流；回頭看艱辛，抬頭想詩境：“俏也不爭春，只把春來報。待到山花爛漫時，她在從中笑”。物聯網時代就要來臨了，得把環境在線監控進行到底；中國需要環境在線監控，環保需要領域物聯網。

5.物聯網的發展與環保信息化的梯次推進
    物聯網的發展將使人們迎來物聯網的時代，而環境在線監控或者說環保信息化已經完成了兩個梯次的推進；第一梯次的推進發生在1999年，當時環�？偩謳缀鯖]投錢，這一梯次算是科普了一次，積累了經驗，獲得了教訓，第二梯次的推進發生在2008年，目前尚未完成，環保部投了20個億，地方配套超過80個億，這一次共識多了，規模大了，噪聲少了，但仍有風險，有坎要過，有臺階要上。形勢所迫，大勢所趨，作為最重要的領域物聯網之一的環境在線監控網或者說環保信息化有必要巧借物聯網“東風”作第三梯次的推進。信息化不可能一蹴而就，環保信息化更難，尤其需要推進的梯次性。第三梯次的時間擬應選在2010年，辦法是投資、考核和創新，推進的內容就是按照物聯網的體系結構重新梳理環境在線監控和環保信息化，把物聯網的最新技術用到環境在線監控中來，建立運維體系，實施運維外包，把網（金環網）鋪起來，把數據拉起來(實現三級數據貫通)，把環境在線監控的規模做起來，筑就環保信息化的“大龍”。

6.結語
    物聯網時代的到來是不可避免的，無論從標準的研究、技術產品的開發等基礎性工作來看，還是從發達國家政府（包括中國政府）的重視來推測，抑或從風險資本的推崇和進入來分析，都說明物聯網正以勢不可當之勢向我們快速走來。環境在線監控或者說環保信息化是重要的領域物聯網，把握物聯網的發展趨勢，目的是為了更好地堅持10年來堅持不懈的方向，凝聚行業共識，去除環境在線監控或環保信息化的錯誤觀點，找尋政府和民間的各種動力，更好地推進環保領域物聯網的建設，從而借助技術手段實現中國污染的有效控制和環境的有效保護。環保利在當代，功在千秋，率先建設好環保領域物聯網——環境在線監控網是當下中國的迫切需要。

[1] 楊子江，國家環境保護部,環境在線監控應用組組長
[2] 林宣雄，西安交通大學
[3] 陸勵群，浙江省嘉善縣環保局