物联网技术在水工建筑物安全监测数字化建设应用趋势

'物联网技术在水工建筑物安全监测数字化建设应用趋势中水科技监测中心朱赵辉、孙建会、田振华、易广军1学科方向随着我国社会经济的发展，包括水利工程在内的基础设施建设发展迅速。据统计，截至2011年底，共有水库98002座，总库容9323.12亿立方米，水闸267486座，泵站424451座，这些水利设施在防洪、灌溉、发电、城乡供水、航运和水产养殖等方面发挥了巨大的经济效益。然而，有些大坝由于建设较早或受当时坝工技术的限制已出现安全隐患；有些大坝由于运行管理过程中不能及时发现缺陷并采取相应措施，导致安全风险增大。据水利部和原国家电力公司对所属大坝的安全定期检查，发现有三分之一是病险坝，还有一些大坝正在老化和病变。这不但影响了工程效益的发挥，也直接威胁着下游群众的生命财产安全。特别是现在在建或将建的大坝中高坝大库越来越多，一旦失事将带来重大灾难。因此除了进一步完善大坝的设计和施工外，做好大坝安全管理和安全监测工作至关重要。为监测大坝安全状况，大坝内一般都布置了变形、渗流、应力应变等多种监测仪器，监测点多达成百上千个，甚至上万个，数据采集、处理、分析工作量很大。为此借助计算机建立大坝安全监控系统对采集的数据进行快速的处理、分析已成为大坝安全管理不可缺少的方面。随着现代通信、网络、计算机技术的发展，大坝安全监控也逐渐由单机的简单数据分析评价系统，向局域网或远程网络的分布式综合远程评价系统方向发展。利用这些先进技术建立起大坝群安全监控和管理的远程网络系统，对水库大坝进行统一安全管理、监控、分析评价和远程诊断，可以充分利用各种资源和条件，更加及时、准确、有效的评估大坝安全状况，可以充分利用现有的监测设备和数据资料实现资源共享，使监控系统的维护管理和升级变得方便，并可实现远程管理，能够充分利用异地专家的知识和经验对各大坝安全状况和异常险情做出客观、专业的评价，提高大坝安全的管理决策水平，推进大坝安全管理的现代化和信息化。因此，如何充分利用现代信息和通信技术，实现大坝尤其是大坝群的安全监控和管理的信息化、网络化是当前的发展趋势。随着信息通信技术的不断进步，通信网络作为信息通信技术的重要基础，已经从人到人的通信发展到人与物以及物与物（M2M），并逐渐趋向于从纵向的局部物物相连过渡到横向的跨应用、321 跨地域的物联网（InternetofThings，IOT）。物联网是指物品通过各种信息传感设备如射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起，方便识别和管理。“物联网”的概念是在1999年提出的。“物联网”就是“物物相连的互联网”。物联网有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。如果说互联网实现了人与人之间的交流，那么物联网可以实现人与物体的沟通和对话，也可以实现物体与物体互相间的连接和交互。图1-1物联网概念图解通过物联网，未来我们可以将世界上所有的物品都连接起来，并对远程物体加以识别与管理，从而对经济社会发展产生重大影响。毫无疑问，物联网将成为继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理和个人健康等多个领域，如图1-1所示。根据2008年3月欧洲智能系统集成技术平台（EPOSS）在《InternetofThingsin2020》报告中分析预测，未来物联网的发展将经历四个阶段，2010年之前RFID被广泛应用于物流、零售和制药领域，2010-2015年物体互联，2015-2020年物体进入半智能化，2020年之后物体进入全智能化。据美国权威咨询机构Forrester预测，到2020年，物物互联业务将是现有人人互联业务的30倍，成为一个极具吸引力的万亿级信息产业。同传统大坝安全监控系统相比，将物联网技术与大坝安全监控系统相结合具有以下特点：322 1）建立大坝安全监控区域中心，借助远程计算机网络，对若干座大坝实现统一安全监控和管理；2）可以集中人力、物力和信息资源以及其它便利条件对大坝安全实行有效的管理；3）提供远程诊断分析和决策支持，对大坝安全状况做出更准确、及时的评价，有助于对可能出现的险情及时做出决策，及时采取相应措施；4）有利于实现大坝安全管理的层次化、制度化和正规化。2调研背景概述本次调研总结报告查阅相关文献数百篇，最终参考71篇文献，其中包括专著；InternationalSeminarBusinessandInformationManagement（商务信息管理国际研讨会）、thesixthInternationalSymposiumonLandSubsidence（第六届地面沉降国际研讨会）等学术研讨会的会议论文；全国优秀博士、硕士学位论文；以及国内国外优秀期刊，刊名如下。国外期刊：WirelessPersCommun、Groundwater、WaterResourcesDevelopment、EnvironmentalGeology、JournalofHydrology、PervasiveComputing、IeteTechnicalReview、IEEEInternetComputing、ComputerLaw&SecurityReview、IEEETransactionsonServicesComputing。国内期刊：通信学报、人民黄河、数字通信、仪器仪表学报、森林工程、计算机应用研究、中国流通经济、中国安全科学学报、北京师范大学学报（自然科学版）、机电一体化、通信企业管理、水利信息化、内蒙古水利、电子测量与仪器学报、信息通信技术、大坝与安全、中国科学院院刊、.科技资讯、华北电力技术、南京邮电大学学报（自然科学版）、工业控制计算机、地球科学进展、地理科学、地理学报、科学通报、地震学报。3当年学科发展新动向和值得关注点物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、智能消防、工业监测、环境监测、老人护理、个人健康、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。目前已经建立的物联网应用有上海浦东国际机场和世博园防入侵系统；济南园博园ZigBee路灯控制系统；智能交通系统（ITS）；广州闪购通过手机扫描条形码、二维码等方式，可以进行购物、比价、鉴别产品等功能。323 图3-1物联网发展领域然而，出于水利枢纽在国防安全中重要性的考虑，在物联网应用突飞猛进的今天，物联网在水工建筑物安全监测领域发展却非常缓慢。水利枢纽的安全关系到下游人民生命财产的安全问题，一旦发生事故，其政治影响和经济影响非常之大，但任何问题总会有解决的办法，不能因为先进事物某一方面的弊端而限制其发展，我们应积极努力的面对问题，解决问题。水工建筑物安全监测包括：外观监测、内观监测、水力学监测、振动监测以及机组运行等，涵盖的范围广，监测的种类繁多。目前各种监测项目相互独立，而大坝作为一个整体，必须分析各种因素对大坝安全的影响，仅通过人工或者单一监测项目分析，很难全面反映大坝实际的工作性态。通过物联网技术把水工建筑物安全监测传感器及其相应的机械设备（闸门、阀门、开关等）连接成一个有机整体，通过实时在线综合分析系统，一旦发现异常或者需要对相应的机械设备进行调整和控制，通过物联网技术将各监测项目或者监测设备建成一个长效的整体分析模式，及时做出反映，对造成异常的因素进行控制，防止发生更大的事故。结合监测自动化设备采集监测数据，传输至智能控制系统进行整体分析，对异常数据建立预警机制，并根据预警级别，通过物联网系统智能地自动调整观测频次、扩大观测区域、开关阀门等，以此达到控制异常的目的，将能更加确保水工建筑物的安全。3.1物联网发展动态物联网不是另起炉灶的新概念，拥有悠久历史的互联网是物联网最重要的网络基础。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324 网是千真万确的。由计算机网、通信网、信息网、到数字化虚拟世界的通用计算机互联网和CAN总线、现场总线、无线传感网络等组成的各种总线的嵌入式系统局域网以及各种类型的物联单体相互融合，共同构成了物联网的网络源头。互联网本质上是通过简单的数字代码、人机交互实现人与人中间的交流，构建了一个特别的电子社会，而“物联网”则是多学科高度交叉的前沿研究领域，综合了传感器、嵌入式计算、网络及通信、分布式信息处理等技术。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。由于国外大规模水利工程不多，而中小型水利工程由于结构简单，技术成熟，大坝所有者对安全监测方面并不重视，因此安全监测仪器埋设的数量较少，对于实现自动化监测乃至应用物联网技术发展缓慢，没有查到物联网与水利方面相结合的相关文献，仅有部分对水质监测的实例，相反国外发达国家在市政、交通、通信方面的物联网技术应用远比水利工程安全监测方面成熟得多。近些年我国正处于水利工程建设高潮期，众多大型水利工程纷纷上马开工，在各个大型水利工程结构内部埋设了大量安全监测仪器，如果靠人力来逐个进行观测和分析不仅浪费大量人力物力，而且无法做到在第一时间得到实时监测成果，因此，对水利工程实时自动化监测，并实现对水利工程相关设备进行远程控制具有广泛的应用前景和实际意义。智慧地球、智慧交通、智慧物流早已不是新鲜词汇，而且物联网在这些方面的应用已经非常成熟，虽然也提出了智慧水利，但其应用仅局限于简单的测量、监控和分析水文、水情等信息，对于水利工程安全监测方面没有成功实例的代表，物联网技术在水工建筑物安全监测数字化建设方面的应用还有很长的路要走。3.1.1国外物联网发展情况（1）美国作为物联网发展排头兵的RFID技术，早在二战时期就出现了，后来在美国对伊拉克战争中得到大量使用，用于管理军需后勤物资。1991年由美国提出普适计算的概念，它具有两个关键特性：一是随时随地访问信息的能力，二是不可见性，通过在物理环境中提供多个传感器、嵌入式设备，在用户不察觉的情况下进行计算和通信。普适计算总体来说是概念性和理论性的研究，但首次提出了感知、传送、交互的三层结构，是物联网的雏形。1999年，在美国召开的移动计算和网络国际会议提出了传感网的概念，认为“传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇”。美国IBM公司2008年11月对外公布了“智慧地球（SmarterPlanet）”战略，其中提到，在信息文明的下一个发展阶段，人类将实现智能基础设施与物理基础设施的全面融合，实现IT与325 各行各业的深度融合，从而以科学和智慧的方式对社会系统和自然系统实施管理。“智慧地球”提出把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成所谓“物联网”，并通过超级计算机和云计算将“物联网”整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。“智慧地球”其本质是以一种更智慧的方法，利用新一代信息通信技术来改变政府、公司和人们相互交互的方式，以便提高交互的明确性、效率、灵活性。2009年2月17日奥巴马签署生效的《恢复和再投资法案》（RecoveryandReinvestmentAct）（即美国的经济刺激计划），批准推进“智慧地球”中两个领域的发展——智慧的电网和智慧的医疗，前者批准投资为110亿美元，后者为190亿美元；同时批准宽带网络投资72亿美元。“智慧的地球”得到美国各界的高度关注，并上升至美国的国家战略，由此引发了世界各国对物联网的追捧。（2）欧盟2000年3月在葡萄牙的里斯本举行的欧洲首脑特别会议上，欧洲理事会提出了一个未来十年的战略目标——使欧盟成为世界上最有竞争力、经济最活跃的知识经济体。为了实现这个目标，需要一个全球性的战略，即建设“为所有人的信息社会（InformationSocietyforall）”。在这个过程中，欧盟具体实施了一个行动计划——“e-Europe”行动计划，旨在充分利用欧洲的整个电子潜力、依靠电子业务和互联网技术及其服务，使欧洲在核心技术领域例如移动通讯方面保持领头羊的地位。2005年6月1日，欧盟委员会在比利时的布鲁塞尔公布了一个新的战略计划——Initiative“i2010：EuropeanInformationSociety2010”，其目的在于促进欧盟经济增长和创造就业。i2010-Initiative是一个全面的战略计划和目标，是继2000年欧洲理事会制定的里斯本战略目标“到2010年把欧洲建设成世界上经济最活跃、最有竞争力的知识经济体”后，提出的又一个重要的战略计划，是欧盟为了应对现代信息社会的巨大挑战的一个产物。2006年3月，欧盟召开会议“FromRFIDtotheInternetofThings”，对物联网做了进一步的描述。2008年在法国召开的欧洲物联网大会的重要议题包括未来互联网和物联网的挑战、物联网中的隐私权、物联网在主要工业部门中的影响等内容。欧盟委员会和欧洲技术专家们则将目光重点放在EPCglobal网络架构在经济、安全、隐私和管理等方面的问题上，希望能够建立一套公平的、分布式管理的唯一标识符。2009年，欧盟发布了下一代全欧移动宽带长期演进与超越以及ICT（informationandcommunicationstechnology）研发与创新战略，欧盟计划在未来10年将欧洲ICT研究与创新投资326 加倍。为确保欧洲在物联网发展过程中起到主导作用，欧洲联盟力图掌握未来信息社会竞争的主动权，希望借助物联网的发展，实现“弯道超车”，改变互联网的发展上落后于美国的局面。2010年6月，欧盟委员会推出了《数字议程》（DigitalAgenda）五年行动计划，该议程是《欧盟2020战略》七项旗舰举措中的一项，该议程提出了七个优先行动领域，分别是：统一数字市场的建立、更强的互操作性、增强互联网的信任度和安全性、更快的互联网接入、更多的研发投资、增强数字化文化技能和包容性、更多地应用信息和通信技术以应对气候变化和人口老龄化。（3）日本2000年7月，日本政府召开了IT战略会议，创立了IT战略总部，将其作为国家信息化的集中研究组织。2001年1月，这个成立不到一年的IT战略总部便喊出了推行“e-Japan”战略的响亮口号，其中的“e”是“electronic”（电子的）的首字母。2004年5月，日本提出了u-Japan战略计划，用“u”（ubiquitous，意指“无所不在的”）取代“e”，虽然只有一个字母之差，却蕴含了战略框架的转变。“u-Japan”战略的理念是以人为本，实现所有人与人、物与物、人与物之间的连接（即4U，Ubiquitous、Universal、User-oriented、Unique），希望在2010年将日本建设成一个“实现随时、随地、任何物体、任何人均可连接的泛在网络社会”。2008年，日本总务省提出“u-JapanxICT”政策。“x”代表不同领域乘以ICT的含义，一共涉及三个领域——“产业xICT”、“地区xICT”、“生活（人）xICT”。将u-Japan政策的重心从之前的单纯关注居民生活品质提升拓展到带动产业及地区发展，即通过各行业、地区与ICT的深化融合，进而实现经济增长的目的。2009年7月6日，日本IT战略本部发表了“I-Japan战略2015”，目标是“实现以国民为主角的数字安心、活力社会”。I-Japan战略中提出重点发展的物联网业务包括：通过对汽车远程控制、车与车之间的通信、车与路边的通信，增强交通安全性的下一代ITS应用；老年与儿童监视、环境监测传感器组网、远程医疗、远程教学、远程办公等智能城镇项目；环境的监测和管理，控制碳排放量。通过一系列的物联网战略部署，日本针对国内特点，有重点地发展了灾害防护、移动支付等物联网业务。从“e-Japan”到“u-Japan”再到“i-Japan”，随着时代的变化，日本的信息化建设也实现了“三级跳”。（4）韩国韩国是目前全球宽带普及率最高的国家，同时它的移动通信、信息家电、数字内容等也居世界前列。自1997年起，韩国政府出台了一系列推动国家信息化建设的产业政策，包括IFRD先导计划、IFRD前面推动计划、USN领域测试计划等。实现建设u化社会的愿景，韩国政府持续327 推动各项相关基础建设、核心产业技术发展，RFID/USN（传感器网）就是其中之一。1999年，韩国信息通信部出台了《2000年国家社会信息化推进计划》，围绕“十大知识信息强国”的目标，提出了“网络韩国21世纪”的核心课题和近期实施计划。韩国于2002年4月提出了e-Korea（电子韩国）战略，其关注的重点是如何加紧建设IT基础设施，使得韩国社会的各方面在尖端科技的带动下跨上一个新的发展台阶。2004年，韩国信息通讯产业部（MIC）主导成立了u-Korea策略规划小组，并于2006年确立了u-Korea的政策方针。u-Korea主要分为发展期与成熟期两个执行阶段。发展期（2006至2010年）的重点任务是基础环境的建设、技术的应用以及u社会制度的建立；成熟期（2011至2015年）的重点任务为推广u化服务。2009年6月，韩国通信委员会（KCC）决定促进未来物体通信网络建设，实现用户随时随地安全方便的进行人与物、物与物之间的智能通信。2009年10月13日，韩国出台了《物联网基础设施构建基本规划》，将物联网市场确定为新增长动力，提出到2012年实现“通过构建世界最先进的物联网基础实施，打造未来广播通信融合领域超一流信息通信技术强国”目标，并确定了构建物联网基础设施、发展物联网服务、研发物联网技术、营造物联网扩散环境等4大领域、12项详细课题。从2010年年初开始，韩国政府陆续出台了推动RFID发展的相关政策，为使其成为RFID和传感网行业世界前三强进行努力。2010年1月，韩国首尔市表示将耗资27亿韩元，建设RFID公共自行车系统示范项目。2010年9月，韩国通信委员会（KCC）确立了到2012年“通过构建世界最先进的传感器网基础实施，打造未来广播通信融合领域超一流ICT强国”的目标。3.1.2国内研究进展在中国，“物联网”最早被称为“传感网”，中国的传感网发展起步较早，中科院早在1999年就启动了传感网研究，先后投入数亿元，在无线传感网络、智能微型传感器、现代通信技术等方面取得了重要进展。2004年，国家金卡工程办公室把RFID产业发展与行业应用列入国家金卡工程的重点工作，启动RFID的试点，并强调RFID应用的一个终极结果就是要形成一个物与物、人与物之间互通互联的物联网。2009年6月10日，中国科学院发布的“创新2050：科学技术与中国的未来，中国至2050年信息科技发展路线图”描述了物联网的发展路线图，指出：“传感网是典型的多学科交叉的综合研究，涉及到计算机、半导体、网络、通信、光学、微机械、化学、生物，航天、医学、农业等众多领域。2009年8月7日，国务院总理温家宝到无锡微纳传感网工程技术研发中心视察并328 发表重要讲话，指出“在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术”；“在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展”；“尽快建立中国的传感信息中心，或者叫‘感知中国’中心”。温总理的号召进一步开启了中国全面关注和研究传感网的序幕。2009年如果是中国物联网元年，2010年是中国物联网产业发展最关键的一年，各级政府的政策出台、各高校院所的技术研发、标准化进展以及重大专项的设立都将对未来几年中国物联网产业发展的走向产生至关重要的影响。2010年首个工作日，无锡物联网产业研究院在iParkⅡ江苏软件外包产业园正式揭牌，包括市民中心、机场安检等首批三个示范项目同时签约，“感知中国”中心率先走出“科研实验室”，标志着物联网正式向民用市场普及。2010年6月22日，在上海开幕的2010中国国际物联网大会上，工业和信息化部称，物联网已正式列入国家重点发展的五大战略性新兴产业之一。我国作为全球互联网大国，未来将围绕物联网产业链，在政策市场、技术标准、商业应用等方面重点突破。2010年7月，中国电信物联网应用和推广中心等60多家单位加入国内首个物联网联盟。2013年6月19日，在由江苏省科协主办，江苏省科技工作者活动中心、江苏省高校科协、南京理工大学科协承办的第二期江苏青年科学家沙龙上，与会专家就“物联网技术”在水利行业的应用展开了热烈讨论。通过物联网技术，利用传感器等设备在泵站收集水位、开关量、水泵电流、电压、温度等数据信息，监控中心利用软件对这些数据一方面进行监控，有异常出现立即预警，另一方面进行数据处理，生成各种分析曲线和生产报表，再利用有线或无线方式，将数据上传到公共网上，相关部门负责人即可通过网站了解泵站信息。目前这样的智慧农业水利已成为现实，一款“南京智慧水利信息管理系统”已经陆续在南京江宁区、六合区、浦口区和高淳区开始洽谈和部分实施。只要登录系统，就可以在系统里看到各地泵站的分布情况，具体点击某一泵站，实时数据、水位信息、查看天气、云况信息便一目了然，不但可以实时监控泵机开启后的状态、工作情况，有利于相关水利部门了解当前的排灌情况，泵站出现运行问题还会及时报警。河海大学云计算专家叶枫告诉记者，目前该校在南京六合区的“智慧滁河”项目已被省水利厅正式立项，建设期2年。“智慧滁河”以滁河流域六合段为应用研究对象，综合利用物联网、云计算等信息技术手段，建立广泛覆盖和深度互联的信息网络，全面感知并智能化处理各类水利要素。2013年9月17日，国家发展改革委和财政部办公厅联合报送了《2013年国家物联网应用示范工程工作方案的通知》（发改办高技[2013]2193号），文中指出，按照《国务院关于推进物联网有序健康发展的指导意见》（国发[2013]7号）、《国务院关于促进信息消费扩大内需的若干意见》（国发[2013]32号）中关于在重点行业和重点民生领域开展物联网重大应用示范工程的工作部329 署，国家发展改革委、财政部决定2013年继续组织实施国家物联网应用示范工程，其中，2013年国家物联网应用示范工程的主要工作任务有7项，分别是：（1）国家警用装备管理物联网应用示范工程。（2）国家监外罪犯管控物联网应用示范工程。（3）国家特种设备安全监管物联网应用示范工程。（4）国家快递物流可信服务物联网应用示范工程。（5）国家智能养老物联网应用示范工程。（6）国家精准农业物联网应用示范工程。（7）国家远洋运输管理物联网应用示范工程。（8）国家危化品管控物联网应用示范工程。（9）国家水库安全运行物联网应用示范工程。其中第九项，国家水库安全运行物联网应用示范工程由水利部组织实施。组织中国长江三峡集团公司开展试点工作，依托物联网技术，选择长江中上游部分库区，重点开展第三方专业化水库设施安全运行维护，对流域内中小型水库提供实时监控、远程监控、智能预警和区域水利设施联调联控等专业化服务。3.2物联网的应用物联网与其说是网络，不如说是应用。对物联网的定义、内涵及特征的梳理让我们认识到，物联网是一整套立体的、丰富的、适应性很强的概念体系。在推进物联网发展的时候，需要依据不同时期不同的出发点，规划一条既符合科技创新规律，又适应我国工业、信息通信业当前发展水平和一个时期的发展潜力，并有利于在激烈的国际竞争中快速建立起竞争优势的发展道路，以更好地满足经济社会发展对物联网的总体需求。3.2.1物联网在智能城市中的应用国内的一些地方已经开始对物联网进行了应用性开发，运用物联网技术，上海移动已为多个行业客户度身打造了集数据采集、传输、处理和业务管理于一体的整套无线综合应用解决方案。最新数据显示，上海移动目前已将超过10万个芯片装载在出租车、公交车上，形式多样的物联网应用在各行各业大显神通，确保城市的有序运作。在上海世博会期间，车务通全面运用于上海公共交通系统，以最先进的技术保障世博园区周边大流量交通的顺畅；面向物流企业运输管理的“e物流”，将为用户提供实时准确的货况信息、车辆跟踪定位、运输路径选择、物流网络设计与优化等服务，大大提升物流企业综合竞争能力。3.2.2物联网在能源管理与公共事业中的应用预计到2020年，中国将成为世界上最大的能源消费国。由于电网系统效率低下，发电和输电过程中浪费非常严重。现在，我们可以利用高科技对事物有更透彻的感知和度量，不管是安装330 在室内的计量器还是发电厂里的涡轮。所有这些感知和度量支持我们更好的收集信息和数据，透过先进的分析工具产生智能洞察，再以此实时地做出更好的决策。仪表管理技术的进步使个人和企业可以选择使用能源的方式和时间，这就为使用风能和太阳能等利于环保的能源奠定了基础。对于电力提供商而言，智慧的电力意味着更高的电力的可靠性和电力质量，更短的停电恢复时间，进而实现更高生产率和对电力潜在障碍的防护，从而更精确地预测需替换的资产设备及支出。智能电表与停电智能管理已经应用。3.2.3物联网在物流业中的应用物流供应链，中国物流成本所占GDP百分比一直都高于发达国家，这反映出供应链运营效率低下的体制性问题。仅以2006年为例，中国物流成本占整个GDP的18%，而日本为11%，美国为8%，欧盟仅为7%。在这18%中，运输成本总计超过55%，而存储成本达30%。法规、基础设施和运营等三大瓶颈是中国供应链低效的深层原因，这不仅削弱了中国企业的竞争力，也会妨碍内部货物流以及国内需求的扩大。智慧的供应链将促使物理网络和数字网络融合，将先进的传感器、软件及相关知识整合到系统中。智慧的供应链的价值在于我们可以从各种数据中抽取有价值的信息。包括基于地理空间或位置的信息、关于产品属性的信息、产品流程、条件、供应链关键业绩指标等，以及数据流的速度。智慧的供应链可以满足21世纪的需求，它可以提高效率（如动态供求均衡、预测事件检测和解决、旨在降低库存的库存水平和产品位置高度可视性）、降低风险（例如降低污染和召回事件的发生频率及其影响、减少产品责任保金、减少伪劣消费产品），也能减少供应链的环境保护压力（如降低能源和资源消耗、减少污染物排放）。3.2.4物联网在通信行业的应用通信行业，在“2009年中国国际信息通信展览会”上，中国移动展出了手机支付，这就是典型的物联网概念应用。手机支付实际上主要是手机SIM卡的更换，由普通SIM卡更换为RFID-SIM卡，而不需要对手机进行更换。用户在消费时，只需要将手机从接收器上轻轻一扫，就可以方便进行各种购物，以及获得详细的费用清单。中国电信一直在推介自己的全球眼技术，其实就是远程监控的物联网应用。比如上海海关都采用中国电信的远程监控系统，通过画面可以对货物进行通关检查，也减少人力。中国联通日前在上海推出了公交卡手机，通过刷手机可以实现公交车票支付，这些都是典型的应用。物联网在各个领域的应用现状和未来的发展状况表明，各个行业对于物联网的需求程度不331 一，侧重点更是千差万别。基于目前物联网技术的发展状况，可以预见，物联网正在快速地走进人们的生活，它的实际应用将分以下三个步骤实现：实现物体的自我感知功能；物与物之间相互联系，交换信息；系统通过分析物联节点的信息，做出最优化的调整策略，控制整个系统超优化方向做出改变。目前物联网的发展正处起步阶段，仍然面临技术完备性不足、产品成熟度低、成本偏高等诸多制约因素，但目前良好的外部环境，将有利于这些问题的解决。相信在不久的将来我们一定会看到一个充满生机与活力的物联网。3.3物联网在水利方面的应用传感器在水利行业应用广泛，使用种类丰富，积累了丰富的传感器使用和数据甄别处理的经验，为物联网应用的引入和建设创造了良好基础。温总理提出在无锡建立“感知中国”的物联网研究中心之后，先期实施的两个应用示范工程之一就是“感知太湖智慧水利”项目。水文采集具有安全要求高、空间跨度大、野外作业等特点，因此，现代水利工作中大量使用自动化以及半自动监测逐步代替人工操作，发展了类型丰富、性能可靠、各具特点的传感器监测系统。监测系统包括：工程安全监测、水质监测、水文监测、水土保持监测等，监测物理数据囊括了水位、雨量、风力风向、位移、温度、压力、视频以及多种水质参数。这些应用已经契合了物联网在信息采集末端的应用方式。长期对水文信息的处理积累了大量经验数据和模型，并且形成了一定程度上固有的处理方式和流程，这将成为物联网应用中人工智能系统建设的依托。物联网相关的传感器技术、网络技术等并不是全新的技术，而且水利行业很久以前就已经开始广泛使用各种自动化或半自动化的信息采集监测设备，对雨量、水位、水量、水质等信息进行实时的采集，通过无线网络、有线网络进行传输汇集，从而应用于防汛抗旱、水资源管理等多项业务管理中。因此，典型的水利行业应用具有基本的物联网应用特征，如下图所示：现代水利行业对于计算机人工辅助的应用已经有了很好的基础，从水文信息的搜集检索、整332 理归纳，到处理应对，积累了大量的甄别方式、汇总类别、数学和物理模型以及处理流程规范。未来物联网需要做的是进一步提高计算机的综合处理和响应，逐步减少人工干预，将人为操作的经验逐步转换成计算机应用系统的流程。目前在水利部门广泛使用的移动数据查询应用系统（即PDA应用系统），充分发挥了多途径数据实时同步采集分类的特点。水利工作人员通过手机系统中嵌入的相关菜单，即可实现水利信息的查询、录入、上传、共享、告警等应用操作，使水利信息能够及时登记和共享，有效提高了水利部门的办公效率；卫星云图、水文地理、远程监控等功能，为防汛减灾预警工作提供了有效手段，节省了大量的人力和物力资源。在我国水利系统中，传感监测网络和计算机应用已经成为重要支撑，并带动了相关软硬件产业的飞速发展。目前，我国水利行业已经形成了从传感器应用到二次采集设备、网络设备、中央监控设备的需求分析、研发、测试、应用直至系统集成的完整产业链，涌现出一批产品过硬、技术先进、有独立知识产权的创新企业和科研单位，为未来物联网在水利系统的产业化发展奠定了坚实基础。水利行业发展物联网的先发优势具体体现在以下几个方面。一是专业传感器技术得到了长足发展。水利行业具有安全要求高、空间跨度大、野外作业多等特点，我国无论是在水工建筑物数量还是在规模上都居世界前列，为了保障安全和提高效率，在几十年前就已经开始使用自动化以及半自动监测逐步代替人工操作，发展了类型丰富、性能可靠、各具特点的多种传感器。例如，从传感原理上可以分为应变式、振弦式、差阻式、光栅式等，从应用范围上可分为工程安全监测、水质监测、水文监测、水土保持监测等，监测物理量包括位移、温度、压力、视频以及多种水质指标等。国外大型水工建筑物很少，且多为私人所有，因此在水工建筑物安全监控领域的投入和研究有限，在这方面我国已经走在世界前列。二是传感网络系统的实际应用已有相当规模。目前，水利、交通、公安等是使用传感网络较多的部门，其中尤以水利行业历史最悠久、应用最广泛，涉及工程安全、防汛抗旱、水文水质、水土保持、农田水利等各个方面。在传感网络的支撑下，水利部门建成了覆盖全国的实时水情计算机广域网、水利信息骨干网等通信网络，并开展了水量调度、水文预报、水利电子地图、决策支持、自动化办公等方面的深入研究。可以说，水利部门已经初步建立了行业物联网的雏形。三是形成了完整的传感网络产业链。受益于国家主管部门的高度重视和持续支持，传感监测网络已经成为水利行业的重要支撑力量，并带动了相关软硬件产业的飞速发展。目前，我国水利行业已形成了从传感器到二次采集设备、网络设备、中央监控设备的研发、封装、测试、生产、应用和系统集成的完整产业链条，涌现出一批产品过硬、技术先进、有独立知识产权的创新型企业和科研单位，为未来行业物联网的产业化发展奠定了坚实基础。333 3.3.1基于物联网的灌浆监测系统的应用研究灌浆为水电站基础处理的重要手段之一，灌浆工作隐蔽性强，很难通过直观的办法进行检验，因此灌浆的过程控制非常重要。目前国内的小型水电站工程仍旧用手工记录原始资料和通过管理人员的个人经验来控制和检验灌浆过程，大中型电站采用的独立的灌浆记录仪来进行灌浆过程的记录和检验，这种监测方案比较落后，监理工程师不能够及时地掌握和控制所有作业点的质量和进度，而且灌浆记录仪由施工方进行采购，不同的施工方往往采用不同的仪器，所提供的施工资料格式也不同，这些都不便于管理人员进行分析。随着网络技术、计算机技术、测控技术和通信技术的迅速发展，都为研制基于物联网的灌浆监测系统提供了技术支撑。基于物联网的灌浆监测系统针对大中型的基础处理工程施工而设计，能够实时的收集系统中的所有灌浆记录仪的现场灌浆数据，主要用来实现施工过程、质量和成果管理功能。本系统的应用能大大提高管理人员在灌浆管理过程中的规范性和成果整理的工作效率，并保证施工、检查等灌浆资料的完整性。基于物联网的灌浆监测系统就是每个灌浆记录仪都具有唯一的识别码，多台灌浆记录仪通过无线技术连接起来，并能够将各台灌浆记录仪的实时数据融合到一起的物联网。通过该系统管理人员能够读取每台灌浆记录仪的数据信息，了解到灌浆过程数据，并且能够对数据进行统计分析，帮助管理人员进行决策。物联网中多种无线技术的运用降低了布线成本、简化了工程设计、实施了灌浆记录仪的全面监测。3.3.2基于物联网的智慧水利工程信息管理系统水利工程具有地域分布广、管理部门分散、信息量大的特点，加之运行管理部门、水资源调度部门、工程维护部门、上级决策部门的分别建立和独立运行，导致采用通信专网、计算机网络、图像监控等的信息自动化系统很难完全满足各部门管理人员实时、准确、全面地了解和掌握整个水利工程运行的需求。334 图3-2水利工程决策支持系统数据流建设一个能够适应水利工程特点的综合集成型业务应用平台，是解决“信息孤岛”问题的有效措施。为探索提高水利工程信息化管理水平的新途径，云南省临沧市水利水电勘测设计研究院与国内的一家软件公司合作，在某水利项目上，进行了智慧水利工程管理方法的研究与实践，形成了一套基于物联网技术的智慧水利工程信息管理系统。该系统的应用为水利工程的运行管理提供了安全、可靠、经济、科学、先进的技术手段，同时也为安全、科学、合理的运营管理提供了实时数据和决策支持功能。各模块建设内容及数据流关系如图3-2所示。图3-3安全评价流程335 工程安全评估模型包含评估方法的研究及相关计算机模型的建立，大多选用综合性较强的模糊综合评价法中的嵌套层次分析法，建立多层次的模糊综合评估模型，进行水利工程的风险评估。在深入分析水利工程运行机制的基础上，依据国家规范、行业标准和专家意见等，将各有关因素自上而下地分解为若干层次。在单个建筑物、机电设备等安全的情况下对整体进行评价，安全评价流程如图3-3所示。3.3.3基于物联网技术的智慧水利系统基于物联网技术的智慧水利系统将各种前沿物联网技术综合运用到一个系统中，并且能有机结合发挥出各子系统的最大效能。在系统中，物联网的感知、传输与可视化应用由3个部分组成。1）无线水闸测控仪。本次项目应用的闸门开度仪采用低功耗设计，具有物联网传输功能的无线水闸测控仪，测控仪读取传感器测得的各类数据，经过必要的处理后通过嵌入设计的无线通信接口，将数据传输到水闸PLC无线路由节点，再由无线网桥与主控制中心联接；同时，图像信息采集后也通过同样信道传至中心，构成水闸监控物联网典型应用结构。2）无线网桥。无线网桥可在2个或多个网络之间搭起无线网络的桥接，比其它有线网络设备更方便部署。由于北偏泓闸地处偏僻，与控制中心被新沂隔开（近2000m），不适宜光缆敷设，因此采用无线网桥进行网络联接。3）可视化应用。可视化是物联网应用的重要内容，水利工程管理都需要更加直观有效的监测和管理系统。偏远地区水利工程可视化物联网对于真实场景与环境的还原功能具有现实意义。336 图3-4某水利枢纽自动化系统结构3.3.4基于物联网理念的流域智能调度技术体系近年来，我国按照可持续发展治水思路的要求，成功实施了黄河、黑河、塔里木河、珠江等流域为代表的多项流域水量统一调度工作，在维护经济社会可持续发展、生态修复和保护、发展民生水利等方面发挥了显著作用。以物联网技术作为支撑，构建流域智能化调度系统，建立完备的监测、仿真、诊断与预警、调度与处置和控制体系，集成建设智能综合指挥平台，提高应对气候变化的能力，保障“六大安全”，为促进流域调度向数字化、信息化、现代化、自动化和智能化等（简称“五化”）方向发展奠定了基础，并引领未来水利信息化发展的潮流。物联网技术是一项综合性的技术，具体实现步骤分为感知层、传输层、应用层3个层次。以流域应用为例，物联网层次结构如图3-5所示。流域的智能化调度系统是“智慧地球”在流域调度方面的具体应用，以坚实的科学基础和技术手段保障防洪、供水、生态、能源、航运和工程的安全。鉴于流域问题的复杂性，流域智能调度系统作为解决现实水问题的方法之一，仍然无法满足新时期水利可持续发展的需要，那么，“智慧地球”在流域层次的“智慧化”方案规划就迫在眉睫，从而催生了“智慧流域”的概念，为应对全球气候变化和人类活动加剧情景下的流域问题，实现最严格的水资源管理制度，推动流域的信息化、现代化和可持续发展提供了全新的流域综合管理理念。337 图3-5流域调度物联网层次结构图3-6基于物联网技术的流域智能调度技术体系框架3.3.5基于物联网的阀门智能系统研究与开发在水电厂，进水阀门是重要的辅助设备之一，其中最具有代表性的就是球阀。球阀作为水轮机的重要部件，具有截断水流、防止机组发生事故的作用。球阀的开、关是否正常直接关系到机组的自动开、停机是否安全，一旦球阀发生事故，轻则影响机组的正常运行，重则造成机组的破坏，甚至影响电网的安全和稳定。据相关资料统计，每年世界上引起的重大事故，其中，1/3是由于阀门质量事故所造成的。338 由于阀门不能正常工作带来的经济损失相当惊人，因此对阀门进行“严格”的监控和维护，减少事故发生率、降低维修费用至关重要。同时，随着制造业的全球化趋势，阀门的分布范围越来越广，而且大多数大型阀门都应用在较为偏僻的水电厂中，仅仅依靠维修人员进行现场维修耗时耗财，已不适应市场要求。如何实现阀门远程维护，降低维修成本将是阀门制造企业面临的一项十分艰巨的任务。阀门智能系统的主要目标是利用物联网技术，实现广域范围的知识集成和共享，提供阀门全生命周期内的维护服务，包括基本信息管理，设备健康状况的跟踪监视，以及设备的及时维护等多个方面。为了实现上述目标，在阀门控制系统设计中，应增加状态信息采集这一功能。实践表明，基于ARM的远程数据采集与传输，可满足这一要求。该系统的主要设计目标是实现阀门运行状态的远程监测并将阀门的故障分析结果告知客户和企业，确保阀门及时维修，提高阀门的制造质量，增强企业竞争力。具体实现的功能主要有：1）立足与现场监测层面，建立阀门监测系统，采集阀门的状态信息。2）基于通用分组无线服务（GPRS）无线通信的远程数据传输功能。2）基于客户/服务器（C/S）架构的数据传输中心系统，实现数据的远程传输、中转和存储。4）基于浏览器/服务器（B/S）架构的网络框架，实现异地用户的远程访问、查询；阀门地理位置的数字地图显示；通过远程实时数据监测，实现阀门报警提示，维修决策等功能。根据国际电信联盟的建议，按照系统的功能需求，确定了基于物联网的系统总体设计结构，自底向上可以分为3个层次：感知层（现场监测系统）、网络层（基于C/S模式的数据传输中心软件系统）和应用层（基于B/S模式的网络监测系统）。涵盖了信息的获取、挖掘、存储、表达和交互的全过程。3.4物联网亟待解决的几个关键问题与计算机、互联网不同，我国在物联网技术研发方面处于世界前列，具有重大的影响力，与德国、美国、英国一起成为国际标准制定的主导国，而且是世界上少数能实现产业化的国家之一。目前北邮、南邮、东大等知名院校是物联网研究的高校聚焦点。南邮还成立了物联网与传感网研究院和物联网学院。虽然我国在此项研究中取得一些成就，但还存在如下问题：（1）国家安全问题物联网产业将是万亿元级规模的产业，也是把“双刃剑”。物联网推动经济和社会发展的同时，将对国家安全问题提出挑战。因为物联网将涵盖的领域包括电网、油气管道、供水等民生和339 国家战略，甚至包括军事领域的信息与控制。物联网让世界上的万事万物都能参与“互联互通”，不能再采取物理隔离等强制手段来人为地干预信息的交换，对于一个国家或单位而言，也就意味着没有任何家底可以隐藏。在网络社会里，任何一个都可以通过一个终端进入网络，网络中的不法分子和网络病毒已严重威胁着我们网络的安全，黑客恶意攻击政府网站，导致信息泄露，危害国家利益。物联网络是全球商品联动的网络，一旦出现商业信息泄露，将造成巨大的经济损失，危及国家经济安全。如何保证商业机密、地方政府乃至国家的机密不被泄漏已成为一道难题，这将严重威胁国家的安全。由于发达国家在技术人才储备、基础设施建设和技术利用上往往占有优势，因此，虽然理论上世界上各个国家在物联网面前都是平等的，但实际上存在着发展上的不平衡，彼此面临的国家安全问题并不对等，发展中国家有更多的忧患。（2）标准体系问题标准是对于任何技术的统一规范，如果没有这个统一的标准，就会使整个产业混乱、市场混乱，更多时候会让用户不知如何去选择应用，从互联网的发展历程来看，统一的技术标准和一体化的协调机制是导致现在互联网能遍布全球的重要原因，标准化体系的建立将成为发展物联网产业的首要先决条件。物联网，谁掌握标准谁主动。国际标准方面，物联网的国际标准化工作分散在不同的标准组织。不同标准组织的工作侧重点不同，也有少量重叠和交叉，标准化工作也处于不同的阶段。2008年6月，首届ISO/IEC传感网国际标准化大会在中国召开，中国代表提出的传感网体系架构、标准体系、演进路线、协同架构等代表传感网发展方向的顶层设计被ISO/IEC国际标准认可，已纳入ISO/IECSGSN总体技术文档中。物联网是一个多设备、多网络、多应用、互联互通、互相融合的一个大网，这里面既有传感器、计算机，又有通信网络，需要把所有这些系统都联在一起，因而，所有的接口、通信协议都需要有国家标准来指引。由于各行业应用特点及用户需求不同，国内目前尚未形成统一的物联网技术标准规范，这成为了物联网发展的最大障碍。从技术上讲，物联网应用包括三个层次：一是传感网络，即以二维码、RFID、传感器为主，实现“物”的识别。二是传输网络，即通过现有的互联网、广电网络、通信网络或未来的NGN网络，实现数据的传输与计算。三是应用网络，即输入输出控制终端，可基于现有的手机、PC等终端进行。由此可以看到，物联网是建立在多种行业多种标准共存的异构网之上，实现各种不同需要的数据、图像和声音间的通信。目前，我国物联网技术的研发水平已位于世界前列，在一些关键技术上处于国际领先，与德国、美国、日本等国一起，成为国际标准制定的主要国家，逐步成为全球物联网产业链中重要的一环。（3）信息安全问题340 信息是有价值的，物联网中所包含的丰富信息也不例外。随着物联网为代表的新技术的兴起，信息安全也正告别传统的病毒感染、网络黑客及资源滥用等阶段，迈进了一个复杂多元、综合交互的新时期。基于射频识别技术本身的无线通信特点和物联网所具备的便捷信息获取能力，如果信息安全措施不到位，或者数据管理存在漏洞，物联网就能够使我们所生活的世界“无所遁形”。我们可能会面临黑客、病毒的袭击等威胁，嵌入了射频识别标签的物品还可能不受控制地被跟踪、被定位和被识读，这势必带来对物品持有者个人隐私的侵犯或企业机密泄漏等问题，破坏了信息的合法有序使用的要求，可能导致人们的生活、工作完全陷入崩溃，社会秩序混乱，甚至直接威胁到人类的生命安全。因此，有关部门要吸收互联网发展过程的经验和教训，做到趋利避害，未雨绸缪，尽早研究物联网技术推广应用和物联网产业发展过程中可能遇到或发生的新问题、新情况，制定有关规范物联网发展的法律、政策，通过法律、行政、经济等手段，有效调节物联网技术引发的各种新型社会关系、社会矛盾，规范物联网技术的合法应用，为我国物联网产业的发展提供有效的法律、政策保障，使我国的物联网真正发展成为一个开放、安全、可信任的网络。（4）商业模式完善问题物联网召唤着新的商业模式。物联网作为一个新生事物，虽然前景广阔、相关产业参与意愿强烈、发展很快，但其技术研发和应用都尚处于初级阶段，且成本还较高。虽然已出现了一些小范围的应用实践，如国内在上海建设的浦东机场防入侵系统、停车收费系统以及服务于世博会的“车务通”、“e物流”等项目，但是物联网本身还没有形成成熟的商业模式和推广应用体系，商业模式不清晰，规模难形成。要建立有效的物联网只有具备了规模才能使物品的智能发挥作用。如果一个城市有几百万辆汽车，只有1万台装上智能系统，就不可能形成智能交通系统。而且物品通常不是静止的，要随时保持物品在运动状态下甚至在高速运动状态下都实现对话也需进一步努力。3.5物联网-云计算-大数据一体化技术物联网是一个多设备、多网络、多应用、互联互通、互相融合的一个大网，这里面既有传感器、计算机，又有通信网络，还有诸多的渠道带来了庞大的数据，物联网迫切需要一个平台将这个庞大的系统有机地联系在一起，完美的运作下去。正是基于物联网技术进一步发展的需要，云计算、大数据等新理念、新技术风起云涌，日渐成熟。云计算技术为物联网运作提供了一个数据存储、管理、访问的场所和渠道；大数据技术盘活了数据资产，通过对数据的分析、计算、判断、决策，使其为国家治理、行业优化、企业决策乃至个人生活服务，使智慧型城市成为现实。此外，341 各省、流域机构及水利行业也在计划构建基于云计算和大数据的区域和全国数据中心。物联网-云计算-大数据三位一体的技术应用将是未来构建安全监测领域甚至水利行业信息一体化的发展趋势。3.5.1云计算云计算（英语：CloudComputing），是一种基于互联网的计算方式，通过这种方式，共享的软硬件资源和信息可以按需求提供给计算机和其他设备，主要是基于互联网的相关服务地增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。（1）云计算发展动态1）美国经过最初几年的普及和市场预热后，近一年多来全球的云计算开始逐步迎来规模化发展。云计算产业链逐渐形成了软硬件平台提供商、系统集成商、服务提供商、应用开发商的产业架构，价值链上、下游各个部分都已经有了自己的代表群体。最先在企业内部进行云计算部署实践的几家企业，如谷歌、亚马逊、微软，在云计算方面投入最大的前若干名公司，如HP、IBM等，都是总部设在美国的跨国企业。美国云计算的市场中也不乏众多中小企业，这些中小企业表现出了强劲的发展潜力，提供云计算产业上下游某个环节的产品服务，由此出现了诸多可行的云计算商业模式。2010年12月份发布了《改革联邦信息技术管理的25点实施计划》，要求联邦政府与数据中心整合相配合，实施“云首选”的策略等。与此同时，微软获得了美国政府有史以来最大的一份云计算软件供应合同，其内容是向美国农业部提供基于互联网的电子邮件及其他服务。2011年，美国政府发布了《联邦云计算战略》，确定了云迁移的三步走决策框架以及促进云计算发展的6方面措施，显示了更坚定的推动云计算发展的信心。联邦政府通过创造市场需求、政府采购的方式来刺激云计算产业发展，通过将政府IT系统安全性要求、性能要求等写入采购合同来规范云服务内容，督促云服务质量的不断提高。在美国联邦政府大力推进云计算的同时，美国政府大力研究和制定云计算安全策略。2012年2月成立了FedRAMP项目联合授权委员会（JAB）并发布了《FedRAMP概念框架（CONOPS）》、《FedRAMP安全控制措施》。2）日本日本OSS推进联盟专门成立了云计算战略研究小组（CloudStrategyResearchTeam），研究342 云计算发展，领导开展相关云计算项目。图3-7日本OSS推进联盟云计算战略研究组结构图目前，日本云计算发展可分为三个主要趋势：超高可靠性与高可靠性，面对中小型企业和大型企业，高成本和低成本。如图3-7所示，OSS云计算的发展方向趋向于面向中小型企业的高可靠性和低成本趋势；使用商业软件的企业云计算解决方案也主要面向中小型企业，具有超高可靠性，但需要高成本；而云计算服务商提供的云计算服务主要面向大型企业，可靠性与成本居中。图3-8短期战略组分小组目标范围3）韩国2008年，韩国举办了“TheClouds2008”大会，注册公司350多家，注册人员1000余人，这标志着云计算在韩国正式开始发展。其中“TheClouds”是指以云计算为基础的各种应用及其基础设施建设。云计算是韩国绿色发展战略（GreenGrowthStrategy）的一部分，也是IT未来战略（ITFutureStrategy）（2009~2013）的一部分，其中IT未来战略涵盖5个领域，即IT融合，S/W，IT建设，广播电信，互联网。343 为发展云计算，韩国政府成立了联合计划组（CombinatoryPlanningGroup），包括：名称职责韩国通信委员会KCC互联网政策、私有信息安全政策、电信政策、联合服务、电子广播政策U计算研发计划（U-ComputingR&DPlan）、电子工商业政策知识经济部MKE（e-Commercialindustrialpolicy）公共管理与安全部电子政务、国家档案服务MOPAS绿色发展委员会云计算是其绿色IT的核心项目韩国的第一个云计算研发项目是数字化广播的云计算环境（CloudComputingEnvironmentforDigitalBroadcasting）。此外，韩国云服务协会（KoreaCloudServicesAssociation）是韩国云计算领域的重要组织之一。该协会分为政策部、云技术部、云服务部、云安全部和云试验平台预研（CloudTestBedTF）：名称职责政策部云政策研究、政府计划、Billing&SLA合同研究讨论云技术：虚拟、平台栈、IaaS栈、内容交付网络，全球loadbalance，分布式云技术部系统监控和管理，网格中间件云服务部云服务模式、web2.0、SLA、政策研究、政府计划、Billing&SLA合同研究云试验平台KT，SKT，SUN，IBM，DigitalHenge，RedHat，Citrix，Clunet，InnoGrid，预研KISTI4）中国在云计算发展过程中，我国政府正在成为产业发展壮大的支撑和推动力量，主要表现在：一是在市场推动方面，政府正在大力建设面向社会公共信息服务的“中国云”；二是在政策制定方面，针对数据规范、安全等制约云计算发展的瓶颈问题，政府正在研究出台前瞻性的立法和标准；三是在产业规划方面，政府正在加大“政企合作”的力度，促进云计算落地开花。2010年5月12日，国家发展和改革委员会办公厅发布《关于当前推进高技术服务业发展有关工作的通知》，提出要在部分省市先期开展高技术服务业创新发展工作，从实践中探索高技术服务业的发展规律，为今后全面部署高技术服务业工作奠定基础。2011年1月1日，由工业和信息化部软件与集成电路促进中心建设和运营的平台，从而开创了企业信息化服务的全新模式。该平台以“互联互通、资源共享”为建设方针，以国家中心建设和管理的云服务平台为依托，通过共性技术的资源采集和汇聚，来系统实现各级、各类地方（专344 业）平台的全国实时联动，实现全国公共服务资源的统一管理和统一配置，形成了一个完善的服务网络，从而为全国数千万中小企业提供覆盖其全部业务流程、整个生命周期的一站式信息化服务。2012年6月，国家科技部推出《中国云科技发展“十二五”专项规划》征求意见并报批国务院。这一规划的总体目标是，到“十二五”末期，在云计算的重大设备、核心软件、支撑平台等方面突破一批关键技术，形成自主可控的云计算系统解决方案、技术体系和标准规范，在若干重点区域、行业中开展典型应用示范，实现云计算产品与服务的产业化，积极推动服务模式创新，培养创新型科技人才，构建技术创新体系，引领云计算产业的深入发展，使我国云计算技术与应用达到国际先进水平。在市场趋动下，中国云行业正在形成。浪潮、联想、用友等一批IT软硬件企业，正转型为云服务商；中国电信、移动、联通三大电信运营商也在大举向云计算转型，成为“云管端”企业（包括华为）。在这一背景下，许多ICT企业都制订了本企业的云计算规划，行业云也即将形成。（2）云计算的应用云计算在中国主要行业应用还仅仅是“冰山一角”，但随着本土化云计算技术产品、解决方案的不断成熟，云计算理念的迅速推广普及，云计算必将成为未来中国重要行业领域的主流IT应用模式，为重点行业用户的信息化建设与IT运维管理工作奠定核心基础。1）医药医疗领域医药企业与医疗单位一直是国内信息化水平较高的行业用户，在“新医改”政策推动下，医药企业与医疗单位将对自身信息化体系进行优化升级，以适应医改业务调整要求，在此影响下，以“云信息平台”为核心的信息化集中应用模式将孕育而生，逐步取代各系统分散为主体的应用模式，进而提高医药企业的内部信息共享能力与医疗信息公共平台的整体服务能力。2）金融与能源领域金融、能源企业一直是国内信息化建设的“领军性”行业用户，在未来3年里，中石化、中保、农行等行业内企业信息化建设已经进入“IT资源整合集成”阶段，在此期间，需要利用“云计算”模式，搭建基于IAAS的物理集成平台，对各类服务器基础设施应用进行集成，形成能够高度复用与统一管理的IT资源池，对外提供统一硬件资源服务，同时在信息系统整合方面，需要建立基于PAAS的系统整合平台，实现各异构系统间的互联互通。因此，云计算模式将成为金融、能源等大型企业信息化整合的“关键武器”。3）电子政务领域345 未来，云计算将助力中国各级政府机构“公共服务平台”建设，各级政府机构正在积极开展“公共服务平台”的建设，努力打造“公共服务型政府”的形象，在此期间，需要通过云计算技术来构建高效运营的技术平台，其中包括：利用虚拟化技术建立公共平台服务器集群，利用PAAS技术构建公共服务系统等方面，进而实现公共服务平台内部可靠、稳定的运行，提高平台不间断服务能力。4）教育科研领域未来，云计算将为高校与科研单位提供实效化的研发平台。云计算应用已经在清华大学、中科院等单位得到了初步应用，并取得了很好的应用效果。在未来，云计算将在我国高校与科研领域得到广泛的应用普及，各大高校将根据自身研究领域与技术需求建立云计算平台，并对原来各下属研究所的服务器与存储资源加以有机整合，提供高效可复用的云计算平台，为科研与教学工作提供强大的计算机资源，进而大大提高研发工作效率。5）电信领域在国外，Orange、O2等大型电信企业除了向社会公众提供ISP网络服务外，同时也作为“云计算”服务商，向不同行业用户提供IDC设备租赁、SAAS产品应用服务，通过这些电信企业创新性的产品增值服务，也强力的推动了国外公有云的快速发展、增长。因此，在未来，国内电信企业将成为云计算产业的主要受益者之一，从提供的各类付费性云服务产品中得到大量收入，实现电信企业利润增长，通过对不同国内行业用户需求分析与云产品服务研发、实施，打造自主品牌的云服务体系。（3）云计算未来发展趋势第一、云安全与快捷。云计算的安全主要体现在操作的安全性和商业风险问题。信息安全受到越来越多的关注，云计算服务提供商有责任实施严格的数据监控和归档级别，并对数据安全负有法律责任；云计算提供商会使用SSL来保护传输中的数据，数据传输的安全性是否能够得到保证；云计算服务提供商保存有大量的数据，如何保证用户快捷与方便地提取和使用数据；当出现数据灾难时，你的提供商有能力进行全面恢复吗？需要多少时间才能完成全面恢复？你的提供商会被收购吗？或者更糟糕的是，会破产吗？如果是这样，对方需要多久才能把数据交还给你、而且采用的格式让你可以导入到另一家提供商的基础设施上？提供商是否帮助你的管理人员设置监控政策？又采取了哪些措施来防范恶意软件和网络钓鱼？第二、云计算跨行业的开放标准。云计算的发展必须坚持跨行业的开放标准，互联网的成功就是因为它坚持了开放的标准。不可能只有一朵云，肯定有很多云结合在一起。如果要实现在任346 何地方都能够访问云计算中应用程序的能力，采用开放的标准对于云计算来说是非常重要的。任何厂商都应该能够在云计算中提供服务。就像你用手机给任何地方的任何人打电话都不受GSM网络或者CDMA网络、900MHz或者1800MHz频率以及世界上的任何服务提供商的影响一样，不管是Airtel、AT&T、Reliance、Orange、T-Mobile、DoCoMo还是沃达丰，都没有影响。云计算的需求正在增长（经济衰退加快了这种需求的增长），因此，他们没有理会这个标准的问题。这种鸵鸟式的立场促使厂商用节省昂贵的硬件和软件开支为由吸引用户，没有考虑由于缺乏标准而产生的长期的风险。第三、公共服务平台的建立。现阶段云的概念和应用是各个云计算提供商按照自己的产品理念和技术方案来加以推广的，很多企业建立了自己的云计算应用，但很难实现资源共享和服务与基础设施的分离，而在一些行业由于巨大的资金投入也阻碍了云计算在这些领域的应用推广。另一方面，正如我们在前文所述现阶段云计算的局限性中讨论的，安全性的困扰也妨碍了云计算的应用，特别是在一些诸如政府、军工或其它安全敏感的行业，很难想象这样一个重要的信息基础平台掌握在某个公司甚至是外国公司的手中。那么在一些领域由第三方或企业联合建设云计算的公共平台成为我们解决这一问题的有效途径。这一点对中国发展云计算，推动中小企业的信息化建设尤为重要。3.5.2大数据大数据是规模非常巨大和复杂的数据集，传统数据库管理工具处理起来面临很多问题，比如说获取、存储、检索、共享、分析和可视化，数据量达到PB、EB或ZB的级别。大数据的4个“V”特征，或者说特点有四个层面：第一，数据体量巨大。从TB级别，跃升到PB级别；第二，数据类型繁多，如网络日志、视频、图片、地理位置信息等等；第三，价值密度低，商业价值高。以视频为例，连续不间断监控过程中，可能有用的数据仅仅有一两秒。第四，处理速度快。1秒定律。最后这一点也是和传统的数据挖掘技术有着本质的不同。业界将其归纳为4个“V”——Volume（大量）、Velocity（高速）、Variety（多样）、Veracity（精确）。物联网、云计算、移动互联网、车联网、手机、平板电脑、PC以及遍布地球各个角落的各种各样的传感器，无一不是数据来源或者承载的方式。大数据是物联网和云计算发展的必然，大数据技术的战略意义不在于掌握庞大的数据信息，而在于对这些含有意义的数据进行专业化处理。大数据的真谛是删除，而删除的真谛是不删除，也就是保留有用的东西。所以，大数据的处347 理，也就是在海量数据中淘金的过程。大数据的处理方法有很多，普遍适用的大数据处理流程，可以概括为四步，分别是采集、导入和预处理、统计和分析，最后是数据挖掘。1）采集。大数据的采集是指利用多个数据库来接收发自客户端（Web、App或者传感器形式等）的数据，并且用户可以通过这些数据库来进行简单的查询和处理工作。比如，电商会使用传统的关系型数据库MySQL和Oracle等来存储每一笔事务数据，除此之外，Redis和MongoDB这样的NoSQL数据库也常用于数据的采集。在大数据的采集过程中，其主要特点和挑战是并发数高，因为同时有可能会有成千上万的用户来进行访问和操作，比如火车票售票网站和淘宝，它们并发的访问量在峰值时达到上百万，所以需要在采集端部署大量数据库才能支撑。并且如何在这些数据库之间进行负载均衡和分片是需要深入的思考和设计。2）导入/预处理。虽然采集端本身会有很多数据库，但是如果要对这些海量数据进行有效的分析，还是应该将这些来自前端的数据导入到一个集中的大型分布式数据库，或者分布式存储集群，并且可以在导入基础上做一些简单的清洗和预处理工作。也有一些用户会在导入时使用来自Twitter的Storm来对数据进行流式计算，来满足部分业务的实时计算需求。导入与预处理过程的特点和挑战主要是导入的数据量大，每秒钟的导入量经常会达到百兆，甚至千兆级别。3）统计分析。统计与分析主要利用分布式数据库，或者分布式计算集群来对存储于其内的海量数据进行普通的分析和分类汇总等，以满足大多数常见的分析需求，在这方面，一些实时性需求会用到EMC的GreenPlum、Oracle的Exadata，以及基于MySQL的列式存储Infobright等，而一些批处理，或者基于半结构化数据的需求可以使用Hadoop。统计与分析这部分的主要特点和挑战是分析涉及的数据量大，其对系统资源，特别是I/O会有极大的占用。4）挖掘。与前面统计和分析过程不同的是，数据挖掘一般没有什么预先设定好的主题，主要是在现有数据上面进行基于各种算法的计算，从而起到预测（Predict）的效果，从而实现一些高级别数据分析的需求。比较典型算法有用于聚类的Kmeans、用于统计学习的SVM和用于分类的NaiveBayes，主要使用的工具有Hadoop的Mahout等。该过程的特点和挑战主要是用于挖掘的算法很复杂，并且计算涉及的数据量和计算量都很大，常用数据挖掘算法都以单线程为主。348 （1）大数据发展动态大数据的快速发展，使它成为IT领域的又一大新兴产业。据中央财经大学中国经济管理研究院张永力博士估算，国外大数据行业约有1000亿美元的市场，而且每年都以10%的速度在增长，增速是软件行业的两倍。我国2012年大数据市场规模大约4.7亿元，2013年增速达到138%，达到11.2亿元，产业发展潜力非常巨大。1）政府扶持情况2009年，联合国启动“全球脉动计划”，借大数据推动落后地区发展。2012年1月，世界经济论坛年会把“大数据、大影响”作为重要议题。同年发布了大数据政务白皮书，指出大数据对于联合国和各国政府来说是一个历史性的机遇，人们如今可以使用极为丰富的数据资源，来对社会经济进行前所未有的实时分析，帮助政府更好地响应社会和经济运行。2012年3月22日，奥巴马政府宣布推出“大数据的研究和发展计划”。该计划涉及美国国家科学基金、美国国家卫生研究院、美国能源部、美国国防部、美国国防部高级研究计划局、美国地质勘探局等6个联邦政府部门，承诺将投资两亿多美元，大力推动和改善与大数据相关的收集、组织和分析工具及技术，以推进从大量的、复杂的数据集合中获取知识和洞察的能力。奥巴马政府将数据定义为“未来的新石油”，并表示一个国家拥有数据的规模、活性及解释运用的能力将成为综合国力的重要组成部分，未来，对数据的占有和控制甚至将成为陆权、海权、空权之外的另一种国家核心资产。为应对大数据革命带来的机遇，联邦政府制定计划，推进相关研究机构进一步进行科学发现和创新研究。2）企业大数据发展现状大数据的热潮下包括航空、金融、电商、政府、电信、电力甚至F1赛车等各个行业的企业都在纷纷掘金大数据。在推动大数据企业应用方面，真正看到大数据潜在商业价值的企业正积极占领未来大数据市场。2011年，Teradata先后收购了云计算软件公司Aprimo及高级分析和管理各种非结构化数据领域的AsterData公司。2012年5月8日，Aprimo收购了基于云的数字营销欧洲领导厂商eCircle，进一步加强并拓展了Teradata大数据市场的业务。与Teradata一样看好的大数据的还有IBM、甲骨文、惠普（微博）、EMC、微软等传统IT厂商，他们也在通过自主研发或者收购的方式进入大数据领域。IBM在过去五年里，已经斥资超过140亿美元进行了20多笔与数据分析相关的收购交易。349 甲骨文这家以结构化数据库起家的IT公司，推出了大数据机及智能分析解决方案。IBM的大数据战略以其在2012年5月发布智慧分析洞察“3A5步”动态路线图作为基础。所谓“3A5步”，指的是在“掌握信息”（Align）的基础上“获取洞察”（Anticipate），进而采取行动（Act）。除此之外，还需要不断地“学习”（Learn）从每一次业务结果中获得反馈，改善基于信息的决策流程，从而实现“转型”（Transform）。2011年8月，惠普以100亿美元收购英国软件公司Autonomy，其实也是为了扩大商业分析软件的市场份额。Autonomy通过独有的算法可以提取出非结构化信息中的含义。谷歌搜索、Facebook的帖子和微博消息使得人们的行为和情绪的细节化测量成为可能。挖掘用户的行为习惯和喜好，凌乱纷繁的数据背后找到更符合用户兴趣和习惯的产品和服务，并对产品和服务进行针对性地调整和优化，这就是大数据巨大商业价值的所在。未来Facebook、苹果、谷歌等这样的平台型公司将是大数据产业的主要竞争力。3）国内大数据发展现状大数据的火爆，也带动了国内学术界、产业界和政府对大数据的热情。2011年以来，中国计算机学会、中国通信学会先后成立了大数据委员会，研究大数据中的科学与工程问题，科技部的《中国云科技发展“十二五”专项规划》和工信部的《物联网“十二五”发展规划》等都把大数据技术作为一项重点予以支持。其中工信部发布的物联网“十二五”规划上，把信息处理技术作为4项关键技术创新工程之一被提出来，其中包括了海量数据存储、数据挖掘、图像视频智能分析，这都是大数据的重要组成部分。而另外3项关键技术创新工程，包括信息感知技术、信息传输技术、信息安全技术，也都与“大数据”密切相关。大数据的热潮触发了一场思想启蒙运动，使得“大数据是资产，不是包袱”、“要拿数据说话”等观念逐步深入人心，改变了以往不重视数据积累，不相信数据分析等认识。（2）大数据的应用大数据受到越来越多行业的关注，使得大数据渗透到更广阔的领域，无论是政府、公共服务、科技医疗，还是制造业、零售业、服务业等领域都有巨大的社会价值和商业空间。政府领域洛杉矶警察局和加利福尼亚大学合作利用大数据预测犯罪的发生。麻省理工学院利用手机定位数据和交通数据建立城市规划。西雅图市最近最近与微软和埃森哲试点大数据节能项目，该项目基于微软的Azure云计算平台，将手机和分析来自四个城区建筑管理系统的数百个数据集，通过预测分析工具，大数据系统将能找出可行的节能措施，目标是将耗电量降低25%。医疗卫生350 领域通过建立电子病历数据中心实现了病患信息共享，提升了医疗水平，方便了患者就医。商业应用沃尔玛的搜索。这家零售业寡头为其网站Walmart.com自行设计了最新的搜索引擎Polaris，利用语义数据进行文本分析、机器学习和同义词挖掘等。根据沃尔玛的说法，语义搜索技术的运用使得在线购物的完成率提升了10%到15%。快餐业的视频分析。该公司通过视频分析等候队列的长度，然后自动变化电子菜单显示的内容。如果队列较长，则显示可以快速供给的食物；如果队列较短，则显示那些利润较高但准备时间相对长的食品。水利大数据应用经济社会和技术的发展扩展了水利数据服务的领域，现代水利数据的应用早已不局限于防灾减灾、工程设计等传统应用范畴。遥感、GIS、传感网和射频技术等现代信息技术的发展与应用，全面拓展了水利信息的时空尺度和要素类型，水利数据的种类和数量急剧膨胀，逐渐呈现出多源、多维、大量和多态的大数据特征。有效存储和应用水利大数据，已经成为水利信息化发展面临的重要关键技术问题之一。黄河水利委员会建立的“数字黄河”平台就是大数据在水利行业的的应用案例。“数字黄河”平台成功解决了跨平台异构应用系统的数据共享与集成问题，黄河水利委员会各部门随时获取其权限范围内的最新数据，而无需将其存储在本部门系统中，有效地消除了各业务系统和各组织结构之间的信息孤岛，简单获取黄河数据资源的单一视图，并确保了数据的完整性、及时性、准确性和一致性，同时首次实现了可视化统一管理。（3）大数据未来发展趋势CCF大数据专家委员会秘书长，中科院计算所研究员程学旗宣布《大数据热点问题与发展趋势》&《大数据白皮书》发布。并预测了大数据发展的10大趋势：第一、大数据从概念化走向价值化。在每个应用领域里面都会涉及到大数据，比如大数据金融、大数据安全、大数据制造、大数据物流，几乎每个领域都提到大数据。中国大数据从2012年概念炒作到2013年走入务实可持续发展的阶段，正是大数据从概念走向价值化的必然之路。第二、大数据处理架构多样化模式并存。hadoop与大数据之间的关联和差异，反映了大数据处理多样化模式并存。hadoop的一些新的GPU的处理架构并存，大数据存储和管理未来会推动存储与管理能力技术提升。第三、大数据安全与隐私越来越重要。随着大数据的融合，一是带来一些安全上的挑战，351 同时为安全提供了新的机会。安全与隐私将越来越受到人们的重视。第四、大数据分析与可视化成为热点。可视化成为很多专家讨论议题，有了大数据以后大规模多角度多视角多手段的数据可视化，贯穿了整个数据分析和数据展示过程，还有实时处理分析和大数据的处理方法。第五、数据的商品化和数据共享的联盟化。数据共享联盟能够逐步壮大，成为产业、科研和学术一个环环相扣的支撑环节和产业发展的核心环节。同时，由于数据变成了资源，数据私有化和独占问题是客观存在的，在客观上存在如何界定数据传输以及让数据有数据传输保护的情况下，数据商品化是未来一个重要的发展趋势。第六、基于大数据推荐和预测逐步流行。大数据推荐和预测是中国大数据科研和产业真正开始落到实地的体现，也是数据资源化的进一步落实。大数据预测和精确个性化推荐系统以及精确网络营销将逐步进入大众视野。2014年大数据委员会预测最令人瞩目应用六个，网络大数据、金融大数据、健康医疗大数据、企业大数据、政府管理大数据、安全大数据。在大数据快速发展的过程中也必须注意一些问题，将是未来大数据技术需要突破的环节：容量问题这里所说的“大容量”通常可达到PB级的数据规模，因此，海量数据存储系统也一定要有相应等级的扩展能力。与此同时，存储系统的扩展一定要简便，可以通过增加模块或磁盘柜来增加容量，甚至不需要停机。LSI公司的全新Nytro™智能化闪存解决方案，采用Nytro产品，客户可以将数据库事务处理性能提高30倍，并且超过每秒4.0GB的持续吞吐能力，非常适用于大数据分析。延迟问题“大数据”应用还存在实时性的问题。特别是涉及到与网上交易或者金融类相关的应用。有很多“大数据”应用环境需要较高的IOPS性能，比如HPC高性能计算。此外，服务器虚拟化的普及也导致了对高IOPS的需求，正如它改变了传统IT环境一样。为了迎接这些挑战，各种模式的固态存储设备应运而生，小到简单的在服务器内部做高速缓存，大到全固态介质可扩展存储系统通过高性能闪存存储，自动、智能地对热点数据进行读/写高速缓存。安全问题某些特殊行业的应用，比如金融数据、医疗信息以及政府情报等都有自己的安全标准和保密性需求。虽然对于IT管理者来说这些并没有什么不同，而且都是必须遵从的，但是，大数据分352 析往往需要多类数据相互参考，而在过去并不会有这种数据混合访问的情况，大数据应用催生出一些新的、需要考虑的安全性问题，确保企业级闪存性能和可靠性，实现简单、透明的应用加速，既安全又方便。成本问题对于那些正在使用大数据环境的企业来说，成本控制是关键的问题。想控制成本，就意味着我们要让每一台设备都实现更高的“效率”，同时还要减少那些昂贵的部件。重复数据删除等技术已经进入到主存储市场，而且还可以处理更多的数据类型，这都可以为大数据存储应用带来更多的价值，提升存储效率。在数据量不断增长的环境中，通过减少后端存储的消耗，哪怕只是降低几个百分点，这种锱铢必较的服务器都能够获得明显的投资回报，当今，数据中心使用的传统引导驱动器不仅故障率高，而且具有较高的维修和更换成本。如果用它替换数据中心的独立服务器引导驱动器，则能将可靠性提升多达100倍。并且对主机系统是透明的，能为每一个附加服务器提供唯一的引导镜像，可简化系统管理，提升可靠性，并且节电率高达60%，真正做到了节省成本的问题。数据的积累许多大数据应用都会涉及到法规遵从问题，这些法规通常要求数据要保存几年或者几十年。比如医疗信息通常是为了保证患者的生命安全，而财务信息通常要保存7年。而有些使用大数据存储的用户却希望数据能够保存更长的时间，因为任何数据都是历史记录的一部分，而且数据的分析大都是基于时间段进行的。要实现长期的数据保存，就要求存储厂商开发出能够持续进行数据一致性检测的功能以及其他保证长期高可用的特性。同时还要实现数据直接在原位更新的功能需求。灵活性大数据存储系统的基础设施规模通常都很大，因此必须经过仔细设计，才能保证存储系统的灵活性，使其能够随着应用分析软件一起扩容及扩展。在大数据存储环境中，已经没有必要再做数据迁移了，因为数据会同时保存在多个部署站点。一个大型的数据存储基础设施一旦开始投入使用，就很难再调整了，因此它必须能够适应各种不同的应用类型和数据场景。3.5.3物联网-云计算-大数据一体化技术“十二五”期间中国将有600至800个城市建设智慧城市，加上后期各种数据中心、分析设备和服务设备的投资，市场总规模将达2万亿元人民币。如此大规模的投资到底能产生多少价值353 回报，或者说能否兑现“城市让生活更美好”，能否缓解或者解决诸如“交通拥堵”，“空气污染”，“灾难应急”，“医疗服务”，“食品安全”等日益严峻的城市化问题，才是中国版智慧城市的核心价值所在。智慧型城市的构建实质就是信息数据采集传感器的物联网-云计算-大数据一体化技术，构建云计算平台，存储和管理物联网采集的大数据，对数据进行深处理、挖掘、预测，实现城市管理的智能化。未来物联网-云计算-大数据一体化技术将在各行业、各领域逐步实施。IBM公司将实施一项名为“智慧城市挑战（SmarterCitiesChallenge）”的资助计划。在未来3年，IBM将把顶尖的专家派往选中的城市，针对各种当地问题，如医疗卫生、教育、安全、社会、交通、通信、可持续发展、预算管理、能源与公用设施等领域的问题，提出真知灼见，推动城市实现成功增长，帮助政府为市民提供更好的市政服务，以更高的效率获得更多民众的支持。巴尔的摩市成为IBM此项计划的首个城市。IBM探讨了使巴尔的摩市的市民服务更加高效的问题。通过IBM的技术力量，IBM真的很快为巴尔的摩市规划出未来愿景，并且提供了实现和强化这些未来计划的战略。这将是物联网-云计算-大数据一体化技术应用的开始。水利应用目前我国水利行业熟知的大坝数字化技术，是物联网技术发展的产物。大坝数字技术在糯扎渡和溪洛渡等水利建设中成功应用，通过物联网传感器技术，精确地监控到每辆机械设备的运行，极大地提高了施工质量和缩短了施工工期。依托物联网-云计算-大数据一体化技术的水利数据中心将是大坝数字化技术发展的必然。在荷兰，由于洪水及干旱带来的潜在影响，荷兰国内的民生与经济双双面临着严峻考验，荷兰政府每年划拨70亿欧元用于洪水治理并建立起一套由堤坝、运河、船闸、港口、水坝、河流、风暴潮汐屏障、水闸以及泵起组成的水利网络。通过物联网-云计算-大数据一体技术，将水文、地质、航运、建筑物结构安全等信息收集到一套“数字三角洲”系统中，希望进一步加深对大数据挖掘、不良事件的监测与模拟、各类数据的联合分析等，最终改进对灾害的理解与准确预测。4结论与建议4.1物联网技术在水工建筑物安全监测数字化建设领域的发展物联网作为继互联网之后的又一次信息技术革命，云计算和大数据技术是物联网技术发展的必然，都必将和互联网一样对水利行业产生深远影响。与传统的信息技术相比，物联网技术将使水利监测的广度、深度、密度和精确度都发生革命性的提升，云计算和大数据技术进而对更高层354 次的安全监测数据存储、管理、发掘、预测等方面的科学研究和生产应用产生深远影响，使从前做不了的事情做得成，从前做的粗的事情做得好。首先，水利行业监测能力将获得全方位的提升。在可预见的未来，传感器的精度、可靠性、监测频次、环境适应能力、集成度都会显著改进，而功耗则会大幅降低，形成更加细分的传感器家族。同时，由于市场需求的爆发式增长和核心技术的产业化，传感器成本将会大幅降低，从现在动辄几千上万元的工业品转变成价格低廉的民用品，将使同等预算下传感器的分布密度更高、覆盖面积更广、网络规模更大，真正形成无所不包无所不知的监控网络。其次，监测系统的建设模式将发生革命性的改变。目前典型的传感网络建设模式是在监测断面布设若干只传感器，由于信号传输距离所限往往要在现场建设监测站放置采集设备，同时配套供电和通讯设施，不仅施工难度大、工期长、成本高，而且还经常要现场维护和管理。物联网的建设将会彻底改变这一局面，自供电、自采集、自联网传感器的全面普及会大大简化监测系统的建设模式，并极少需要人员现场管理维护，显著提高工程建设的速度和效率。第三，物联网的上层应用将会取得重大进步。传感网络性能的全方位提升，会使以往仅仅停留在概念的应用成为可能，使误差较大的科技手段更加实用，全面带动行业技术进步。例如，各种水利模型参数能够更加精准的率定和修正，有效降低模型计算误差；工程调度将真正实现实时化和智能化；突发性事故的预测将更为精确和及时，处理能力显著增强；工程安全预警更为严密和全面等等。物联网产业的发展将形成RFID（电子标签）行业应用产业、移动支付产业、M2M（指机器与机器之间通信）产业和WSN（无线传感网络产业）四个子领域。无线传感网络WSN是涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。作为物联网感知层的终极形态，WSN将是未来主要的信息感知手段，必然成为物联网信息获取的主要方式。目前国内WSN还处于市场导入阶段，由于传感器技术是与大坝安全监测技术紧密相关的技术，同时也是其传统优势技术，今后，大坝安全监测技术实现与物联网技术接轨的最佳切入点就应该是WSN，这对大坝安全监测领域而言是一个良好的发展机遇。第四，安全监测数据的管理和发掘技术的发展。物联网技术提高了安全监测数据的精度和355 频次，同时也产生了大量的数据。传统技术对超大数据的读取较慢，大数据管理较粗浅；同时，更高精度的数据采集，也提出了更准确安全预警和预测要求，如何从繁杂的安全监测大数据中发掘出有用的信息。未来更便捷的安全监测数据管理系统和更多关联的数据发掘技术和预测模型将是推动水工建筑物安全监测发展的关键技术。但同时由于物联网对传感器技术提出了很高的技术要求，这促使大坝安全监测技术未来的发展必然做出适应性的技术调整。（1）传感器产品向高精度、高可靠性发展精度是传感器的关键指标，是精确实现信息感知的技术保证。无论大坝安全监测技术还是物联网技术，对信息来源精确性、准确性的要求均非常高。信息来源一个非常重要的渠道就是传感器的信息感知，因此对传感器精度提出了较高要求，是实现物联网技术的必然要求。随着精密制造技术、微电子技术的不断进步，通过科学设计、精密加工制造、合理编排生产工艺等手段，为实现高精度、高可靠性提供了技术保障手段。当然传感器产品的高精度、高可靠性也是大坝安全监测技术多年来一直追求的目标，在当前的技术手段或是未来的技术手段能确保实现这一目标的时候，必然推动大坝安全监测传感器产品向高精度、高可靠性方向发展。（2）传感器产品向小型化、微型化发展大坝安全监测领域的被测对象主要是大尺度的结构体，目前情况下，由于客观存在特殊性使用要求原因，行业内使用的传感器结构尺寸均比较大。但随着微电子技术、微细机械加工技术如MEMS技术的不断进步，有些类型的传感器产品（如温度传感器）已经具备向小型化、甚至微型化发展的条件，今后传感器产品向小型化、微型化发展是技术进步的必然趋势。在实现了小型化、微型化的目标之后，大坝安全监测仪器的应用领域也可以突破现有专业领域的局限性，实现向其它行业领域的推广渗透。其实国外已经有这样的实验室产品问世，日立制作所与YRP泛在网络化研究所于2004年11月24日宣布开发出了全球体积最小（2.3cm×2.0cm×1.5cm）的传感器网络终端。该终端包含了内置电池、测量电路、传感单元、射频电路，可以实现温度、亮度、红外线、加速度等各种传感功能，拟应用于智能楼宇的安全管理方面。（3）传感器技术向微功耗及无源化发展传感器是一种换能装置，目前的技术条件下，一般都需要实现非电量向电量的转化，在数据采集、数据通信的工作过程中均离不开电源。而大坝安全监测专业的应用环境一般是在野外空旷的工程应用环境，不容易实现常态电源供应条件。目前常用的办法是敷设远距离的电源电缆、电池供电、太阳能电池供电等，这势必增加了施工难度、设备投资成本、设备维护成本等。随着微356 电子技术的不断进步，实现测量电路、通信电路的微功耗，使用集成在新型传感器中的一块内置电池以支持传感器长期或终身工作，这将是传感器技术必然的发展方向。前面提及的日立制作所与YRP泛在网络化研究所开发的全球体积最小的传感器网络终端，采用内置150mAh的市售锂电池，能支持该传感器网络终端连续工作一年半时间。若传感器网络终端的功耗降低到最小极限值，甚至可能实现无源化的发展目标。（4）传感器产品向智能化发展随着大坝安全监测技术自动化程度的逐渐提高，传感器的功能必将突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号（如0~10mV），而是经过微电脑处理好后的数字信号，有的甚至带有控制功能，智能传感器因此成为未来发展的必然需求。智能传感器体现了人们不再满足于传感器最原始的探测信息功能的强烈愿望，未来的智能传感器将能够自动完成数据采集、数据加工、数据分析、数据优化等多项功能，形成可直接使用的有效信息，而不是原始数据或中间结果。目前大坝安全监测领域实现传感器智能的技术手段基本上是把传统意义的传感器与带数字总线接口的微处理器再加上信号调理电路进行组合而形成一个智能传感器系统，从功能来看基本上实现了智能化的技术要求，但相对于物联网技术而言，这样的技术现状在体积、功耗、可靠性、兼容性等技术指标方面都远远落后，无法真正满足物联网的技术要求。今后在传感器的智能化技术实现手段方面还需要继续努力，应该通过微电子技术把智能传感器系统集成到一块芯片上，在实现传感器系统功能的同时，实现低功耗、小体积、低成本、标准化和高可靠性。（5）传感器技术向无线传感网络方向发展物联网的设计构想是要把世界上的万事万物建立智能化的网络链接，实现物与物之间信息交流的功能。所以，传感器技术向网络化发展，特别是实现无线传感网是物联网对大坝安全监测技术的必然要求。受物联网技术的推动，传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化，正经历着一个从传统传感器（DumbSensor）→智能传感器（SmartSensor）→嵌入式Web传感器（EmbeddedWebSensor）的内涵不断丰富的发展过程。大坝安全监测技术目前正在实施的也是这样一个技术发展历程，目前的技术手段已经能可靠保证某一个特定项目指向的所有传感器实现网络化测量和管理。尽管在功能上还存在巨大的差距，但与无线传感器网络相关的应用性研究也已经开始并得到局部应用。由于存在专业领域的特殊性要求，大坝安全监测技术对于无线传感器系统的发展一直持谨慎的态度，但有些尝试还是在进行中，特别是本世纪初英国SOIL公司无线传感器网络的出现，无疑是无线传感网技术在大坝安全监测领域一种应用性实践。现在由于无线通信技术逐步走向成熟，更是加快了无线传感器网技术在大坝安全监测领域的应用性研究357 步伐，已有不少业内的制造企业推出了相关产品。尽管目前的产品在实际使用中还存在不少设计缺陷，但这是一个良好的开端。4.2对我院本专题发展的若干建议水利物联网的建设是大势所趋。目前物联网产业正在从萌芽期走向成熟期，通过由国家发展改革委和财政部办公厅联合报送的《2013年国家物联网应用示范工程工作方案的通知》可见我国对于发展物联网的重视程度已经提到了一个很高的高度，而与水利相关的关于监测水库安全运行的物联网建设工作已经明确被提出来，并且这项工作由与我单位有着很好合作关系的中国长江三峡集团公司来开展，这对于我单位来说，是紧跟时代科技步伐，增强科技实力，在未来物联网领域占有一席之地的重大机遇与挑战。我院应抓住机遇及早谋划，为率先实现行业物联网做好准备。由于我国水库大坝的数量巨大，溃坝率也位居世界前列，近年来大坝的安全已大有改进，对所有水库进行排查后，进行了病险水库的除险加固工作，而且对建国初期建设的部分大坝埋设了一定量的安全监测仪器，但目前大坝的安全状况还有待进一步改善。针对以上问题，《2013年国家物联网应用示范工程工作方案的通知》中重点提出了要依托物联网技术，选择长江中上游部分库区，重点开展第三方专业化水库设施安全运行维护，对流域内中小型水库提供实时监控、远程监控、智能预警和区域水利设施联调联控等专业化服务。对于此，我单位进行物联网方面的研究，并与水工建筑物安全监测数字化建设相结合具有较深远的意义。水利部于2008年发布《全国水利信息化规划纲要》，于2009年发布了《水利信息化顶层设计》，2012年又发布了《水利数据中心建设基本技术要求》，已对其重要性有了充分认识，水利数据中心的建设已迫在眉睫。水利数据中心是水利信息汇集、存储与管理、交换和服务的中心，即需要对水利业务数据进行集中采集、集中存储、集中管理、集中使用，并且在行业内建立统一数据模型及数据标准，一体化地解决信息资源整合与应用系统集成问题。其目标是要解决当前水利信息资源开发管理分散，基础数据存储零乱，标准化差，应用服务适用性单一，难以共享等问题；整合现有数据库和系统资源，深入开发新的数据库；建立和健全标准规范体系和安全体系，建立一个集中管理、安全规范、充分共享、全面服务的水利数据中心。从本质上来讲就是利用物联网-云计算-大数据一体化技术实现水利信息化。水工建筑物安全监测是大数据信息的主要来源，安全监测数据的采集、存储、发掘切实关系到水工建筑物的安全，将是水利数据中心建设的重要环节。358 针对物联网、云计算和大数据技术与水利工程安全监测数字化建设相结合方面现存的主要问题、根据自身基础条件，现提出我院在未来发展中在该领域应该着重关注的几个方向。第一，做好发展水利物联网的前期工作。从政策和技术两个层面积极开展水利物联网的先期筹划和储备，研究制定行业物联网建设规划，开展行业物联网的整体架构及子系统概念设计，紧密跟踪国内外核心技术的研究进展，组织开展核心器件与水利专业要求相结合的产业化科研攻关，并向有关部门申请筹备制定水利物联网技术标准。第二，稳步推进水利物联网-云计算-大数据一体化技术示范工程建设。示范工程建设是对行业物联网的技术验证和经验积累，有利于筛选出最佳技术方案，选取我单位正在实施的中小型水利工程进行安全监测数字化建设，基于最新的云计算技术，建立安全监测数据管理平台，嵌入更先进的数据发掘技术和预警、预测模型，使技术优势眼见为实，将直接调动建设单位对物联网技术应用的积极性，有利于推广应用。物联网的出现是当今时代技术进步的必然产物，现有的诸多实用技术一定会因为它的出现而发生变化。由于存在与物联网技术紧密相关的传感器技术优势，大坝安全监测技术一定能从物联网的发展过程中得到技术进步。与此同时，物联网的发展也对大坝安全监测技术提出了很高的技术要求，如何实现大坝安全监测技术与物联网技术的接轨、物联网发展产生的大数据存储、管理和数据深度发掘是大坝安全监测行业所有从业者必须努力去解决的问题。参考文献[1]温家宝.将物联网列入五大必争产业制高点之一[EB/OL].[2010-02-20].http：//www.cnii.com.cn/20080623/ca590122.htm[2]北京邮电大学电子商务研究中心.物联网研究报告[R].北京，2009年11月.[3]RANADIVEV.未来之路——预见力：全球化经济大变局下的企业思维革命[M].雷嬿恒译.北京：东方出版社，2008.[4]李晓维.无线传感器网络[M].北京：北京理工大学出版社，2007.[5]https：//www-900.ibm.com/innovation/cn/think/downloads/smart_China.pdf.[6]张杭烽.http：//www.zhanghangfeng.cn/post/1966.html.[7]任志宇，任沛然.物联网与EPC/RFID技术[J].森林工程，2006，22（1）：67~69.[8]梁英宏.RFID智能站点的研究与开发[J].计算机应用研究，2008，25（3）：820~825.359 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