滕以寧+王文東

摘要：認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和參與式感知是通過無線傳感器和移動(dòng)傳感器，從環(huán)境和智能傳感應(yīng)用中獲取數(shù)據(jù)的技術(shù)。在歐洲國家，物聯(lián)網(wǎng)和參與式感知已應(yīng)用在很多領(lǐng)域，市場(chǎng)發(fā)展迅猛。在瑞典，以智慧城市為目標(biāo)，并注重節(jié)能的綠色物聯(lián)網(wǎng)工程正在實(shí)施。在該工程中，提出了一個(gè)結(jié)合綠色網(wǎng)絡(luò)、智慧感知和云計(jì)算技術(shù)的綠色物聯(lián)網(wǎng)解決方案，以解決更具有交互性和響應(yīng)性的城市管理問題。通過對(duì)兩款針對(duì)醫(yī)療和安全駕駛參與式感知應(yīng)用的介紹，認(rèn)為智慧城市應(yīng)用需要結(jié)合從不同的來源得到的感知數(shù)據(jù)，以正確地提取特征并預(yù)測(cè)未來。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)；參與式感知；智慧城市

在世界大、中型城市中，機(jī)動(dòng)車輛的尾氣排放已經(jīng)成為主要空氣污染源。許多大型城市正遭受嚴(yán)重的空氣污染和溫室氣體排放（GHC），交通擁堵使情況更加惡化?？紤]到這些情況，歐盟正在向信息、通信和技術(shù)（ICT）行業(yè)的研究和創(chuàng)新投資，并且以歐洲20-20-20為目標(biāo)建立制度以提高生活質(zhì)量、確保城市可持續(xù)發(fā)展。

思科公司認(rèn)為許多組織正在使用由物聯(lián)網(wǎng)（IoT）相連接的物理對(duì)象，即物聯(lián)網(wǎng)[1]。國際數(shù)據(jù)公司（IDC）預(yù)測(cè)，截止2020年，將有300億連接的（自知式）事物成為物聯(lián)網(wǎng)的一部分。三分之一的公司正在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域積極探索。預(yù)計(jì)在2020年，物聯(lián)網(wǎng)潛在市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到3萬億美元[2]。諸如思科和IBM這樣的大公司認(rèn)為：公共部門持續(xù)增長的探索物聯(lián)網(wǎng)科技的需求和興趣能改善交通運(yùn)輸、減少污染和耗能，并且可以為管制提供數(shù)據(jù)。

1 歐洲的智慧城市

互聯(lián)網(wǎng)使信息共享實(shí)現(xiàn)了迅速增長，愛立信公司預(yù)測(cè)：智能設(shè)備的連接量在5年內(nèi)將達(dá)到500億?；谶@一物聯(lián)網(wǎng)模式，信息社會(huì)為個(gè)人、社會(huì)以及企業(yè)提供了獲取大量信息的新機(jī)遇，并且為創(chuàng)造更清潔的環(huán)境，降低能耗，提高社會(huì)效率引入了新的應(yīng)用和服務(wù)。瑞典馬爾默的Hyllie智能網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)利用手機(jī)和智能儀表調(diào)節(jié)能源消耗[3]來增加分離控制以及提高能源效率的典型例子。智能電網(wǎng)和智能能源的解決方案使得人們能夠測(cè)量、監(jiān)控并影響自身能耗并且獨(dú)立地生產(chǎn)能源。

目前，城市面臨著各種各樣的挑戰(zhàn)，包括就業(yè)問題、經(jīng)濟(jì)增長、環(huán)境可持續(xù)性和社會(huì)適應(yīng)力等。鑒于這些趨勢(shì)，了解我們?cè)诨ヂ?lián)網(wǎng)演進(jìn)中所處位置對(duì)未來的城市規(guī)劃至關(guān)重要。歐洲的智慧城市從公共領(lǐng)先行業(yè)和工業(yè)界中衍生出來，是其發(fā)展的必然趨勢(shì)。信息社會(huì)正迅速成為城市規(guī)劃者、建筑師、開發(fā)商、交通運(yùn)輸商以及公共服務(wù)的核心支柱。從公共部門領(lǐng)導(dǎo)的角度看，城市可以被看作是構(gòu)建清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展社會(huì)的互聯(lián)網(wǎng)縮影。在阿姆斯特丹，已經(jīng)啟用了以網(wǎng)絡(luò)為連接的LED街道照明系統(tǒng)[4]來減少城市的能源消耗和成本。在美國，思科以及芝加哥的一系列公共或私人的利益相關(guān)者已經(jīng)在推進(jìn)智能社區(qū)建設(shè)，以改善周邊服務(wù)和生活質(zhì)量[5]。

根據(jù)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì)（GSMA）的報(bào)告，由于政府優(yōu)先發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)，中國的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)很快達(dá)到了空前的規(guī)模。中國政府計(jì)劃在該領(lǐng)域投資至少6千億美元。機(jī)動(dòng)車輛的尾氣排放已經(jīng)成為了中國大中城市空氣污染的主要來源。根據(jù)2013年公安部的報(bào)告，2012年中國汽車的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了2.4億。中國私家車所有者和使用者的數(shù)量在快速增加。因此，許多中國大城市遭受著嚴(yán)重的空氣污染（如一氧化碳、氧化氫、碳?xì)浠衔锖皖w粒物）以及溫室氣體排放（GHC），交通堵塞使得這些問題變得更加嚴(yán)重。世界觀察研究所的一項(xiàng)新研究顯示，空氣污染對(duì)人類健康、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)有嚴(yán)重的影響。

由于空氣污染問題并無國界限制，所以加強(qiáng)國際合作至關(guān)重要。例如，歐洲經(jīng)濟(jì)共同體和歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)共同簽署了條約，以減少污染物的跨境流動(dòng)[7]。在荷蘭，新的發(fā)現(xiàn)表明：主干道附近的空氣污染（超細(xì)顆粒、可吸入顆粒物、臭氧、氮氧化物等）要比城市地區(qū)的一般污染對(duì)健康產(chǎn)生的不利影響要大得多。研究還表明：空氣污染與交通之間還有著密切的相關(guān)性。對(duì)于更好的交通管理和污染控制而言，物聯(lián)網(wǎng)解決方案是監(jiān)測(cè)空氣污染和城市交通的有效方式。

根據(jù)理特管理顧問有限公司顯示：瑞典現(xiàn)已有900萬個(gè)在線設(shè)備，并預(yù)測(cè)到2017年將會(huì)達(dá)到2 300萬。相同的報(bào)告指出：北歐國家在線產(chǎn)品和服務(wù)市場(chǎng)的迅速發(fā)展已處于前沿水平。在未來3年內(nèi)，北歐物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)預(yù)計(jì)以兩倍的增長速度超過全球市場(chǎng)。到2017年，瑞典市場(chǎng)預(yù)計(jì)將增長到20億歐元，北歐市場(chǎng)增長到61億歐元。與之相連的汽車和消費(fèi)品在北歐地區(qū)的增長最為強(qiáng)勁，年增長率分別為47%和42%。如果物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)之前主要是受企業(yè)解決方案需求的驅(qū)動(dòng)，那么這一點(diǎn)似乎會(huì)發(fā)生改變，因?yàn)樵絹碓蕉嗟南M(fèi)者友好型解決方案正變得可用。根據(jù)調(diào)研公司的國際業(yè)務(wù)監(jiān)控，瑞典電信的報(bào)告表明瑞典電信市場(chǎng)是世界上最為先進(jìn)的市場(chǎng)并且在機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）連接以及長期演進(jìn)（LTE）數(shù)量上處于領(lǐng)先地位[8]。

2 瑞典的綠色物聯(lián)網(wǎng)工程

瑞典為互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施做出了相當(dāng)大的努力，因此嵌入和參與式感知技術(shù)為我們建立信息社會(huì)的ICT區(qū)域性及世界范圍的解決方案提供了競(jìng)爭(zhēng)力。綠色物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)以智慧城市為目標(biāo)，注重節(jié)能的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新研究工程。這個(gè)工程已經(jīng)得到瑞典政府和工業(yè)界約20億瑞典克朗（約200萬歐元）的支持，用于讓烏普薩拉在未來兩年向智慧城市轉(zhuǎn)型。烏普薩拉是瑞典的第四大城市，是一個(gè)古老的大學(xué)城。1477年建立的烏普薩拉大學(xué)在科學(xué)研究和教育領(lǐng)域也有著悠久的歷史。在綠色物聯(lián)網(wǎng)工程領(lǐng)域，烏普薩拉大學(xué)與烏普薩拉市、瑞典皇家理工學(xué)院、瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所、愛立信研究院、IBM和3個(gè)中小型企業(yè)合作為城市可持續(xù)發(fā)展建立一個(gè)完備的綠色物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

在這項(xiàng)工程中，我們建立一個(gè)結(jié)合綠色網(wǎng)絡(luò)、智慧感知和云計(jì)算技術(shù)的綠色物聯(lián)網(wǎng)解決方案，以解決更具有交互性和響應(yīng)性的公私城市管理問題。綠色物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)能提供一個(gè)支持諸如環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通運(yùn)輸、工業(yè)進(jìn)程優(yōu)化和家庭安全的大范圍、具有普遍性的ICT解決方案。在烏普薩拉市的驅(qū)動(dòng)下，我們將建設(shè)并展示作為市空氣污染監(jiān)控和交通規(guī)劃測(cè)試平臺(tái)的綠色物聯(lián)網(wǎng)。因?yàn)闉跗账_拉的參與程度始終遠(yuǎn)超歐盟的標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)之一就是通過主動(dòng)監(jiān)控、交通規(guī)劃和城市規(guī)劃減少空氣污染。

現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)很大程度上歸功于硬件、軟件和協(xié)議的設(shè)計(jì)。但是，如何從智能設(shè)備產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)中提取出有價(jià)值的信息已成為物聯(lián)網(wǎng)面臨的主要挑戰(zhàn)（亦被稱為“大數(shù)據(jù)”問題）。綠色物聯(lián)網(wǎng)解決方案利用云計(jì)算支持智能數(shù)據(jù)管理，同時(shí)整合綠色網(wǎng)絡(luò)和感知技術(shù)以支持節(jié)能和可持續(xù)性運(yùn)作。烏普薩拉的綠色物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)將會(huì)向公眾開放并向工業(yè)界的新感知設(shè)備測(cè)試提供支持。由該平臺(tái)上智能設(shè)備產(chǎn)生的傳感器數(shù)據(jù)將促進(jìn)創(chuàng)新性應(yīng)用的發(fā)展。

綠色物聯(lián)網(wǎng)工程的一個(gè)主要目標(biāo)就是為環(huán)境感知系統(tǒng)提供一個(gè)完整的解決方案，該方案能夠開放環(huán)境數(shù)據(jù)并提供相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，還可以支持城市可持續(xù)發(fā)展和交通方面的規(guī)劃，如圖1所示。該綠色物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)將依據(jù)烏普薩拉的測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行操作，該傳感系統(tǒng)和應(yīng)用平臺(tái)的建設(shè)基于獨(dú)特技術(shù)，可以提供不同層面上的開放接口，并可以保證能源和資源效率及應(yīng)用程序的獨(dú)立性。四維可視化方法可以集成實(shí)時(shí)反饋的傳感器數(shù)據(jù)，以支持智慧城市的仿真。測(cè)試平臺(tái)和公開的數(shù)據(jù)可以使得三方建立并實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛳驀H市場(chǎng)出口的新傳感產(chǎn)品和服務(wù)，如圖2所示。

3 智慧城市的參與式感知

物流網(wǎng)技術(shù)的傳感和移動(dòng)設(shè)備可以從環(huán)境和人類活動(dòng)中收集數(shù)據(jù)，以支持智慧城市中的應(yīng)用。固定和移動(dòng)傳感器的結(jié)合能有效提升傳感器的覆蓋、傳感數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并能減少能耗[9-11]。目前，移動(dòng)傳感器的運(yùn)用越來越廣泛。例如，大范圍的傳感器和通信模型都已在智能手機(jī)上安裝。智能手機(jī)上的GPS能夠在城市中監(jiān)控行車位置、預(yù)測(cè)交通流量和行程時(shí)間。在歐洲，傳感器被安裝在巴士和有軌電車上以監(jiān)控城市中的空氣質(zhì)量[12]。由移動(dòng)傳感器在不同時(shí)間和地點(diǎn)收集到的傳感器數(shù)據(jù)匯總后可以用來建立用于城市規(guī)劃的城市空氣污染地圖。參與式感知亦可以被用來提供個(gè)人服務(wù)，如路徑規(guī)劃和衛(wèi)生保健服務(wù)。

瑞典位于高緯度的北方，居民受到的日常光照等級(jí)有著比較大的變化，人們受季節(jié)影響較多。智能手機(jī)上的先進(jìn)傳感技術(shù)能夠無干擾縱向監(jiān)控用戶的狀態(tài)，收集到的數(shù)據(jù)使得健康衛(wèi)生專家和個(gè)人診斷、糾正季節(jié)性成為可能。現(xiàn)在大部分智能手機(jī)都裝備了位置傳感器，如，GPS、移動(dòng)傳感器（加速度計(jì)和陀螺儀）和光傳感器，利用這些傳感器我們可計(jì)算人們的位置、活動(dòng)和曝光量。我們?cè)O(shè)計(jì)并開發(fā)了一個(gè)個(gè)人移動(dòng)傳感系統(tǒng)——SADHealth，該系統(tǒng)可以用來偵測(cè)個(gè)人的曝光量、情緒和活動(dòng)等級(jí)。它包括了一個(gè)可以收集并分享由智能手機(jī)交付數(shù)據(jù)的移動(dòng)應(yīng)用和云平臺(tái)，如圖3所示[13]。我們還實(shí)施了一個(gè)讓大量用戶測(cè)試系統(tǒng)功能和性能的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)歷時(shí)兩年時(shí)間。由結(jié)果可以看出，我們可以利用智能手機(jī)上的光傳感器精確地監(jiān)測(cè)個(gè)人的曝光量。傳感器數(shù)據(jù)可以幫助每個(gè)人監(jiān)控他們不同季節(jié)的健康狀況并為提升健康水平提出建議。收集到的數(shù)據(jù)可以幫助研究人員量化學(xué)習(xí)、分析季節(jié)與健康的關(guān)系，如圖4所示。

我們還將移動(dòng)感知技術(shù)應(yīng)用在汽車上來提高行車安全。安全駕駛一直以來都是避免傷亡和珍惜生命的重要課題。研究顯示：人們的失誤是造成交通事故的主要原因[14]。在歐洲，統(tǒng)計(jì)顯示：10%～20%的交通事故都是由于司機(jī)疲勞駕駛或消極情緒造成的警惕性下降引起的。適當(dāng)?shù)剡x擇音樂可以放松身心，也可以提升駕駛表現(xiàn)。在與英屬哥倫比亞大學(xué)的合作中，我們研發(fā)了一個(gè)名為SAfeDJ的移動(dòng)傳感平臺(tái)，它可以偵測(cè)駕駛員的情緒并自動(dòng)為其選擇合適的音樂。當(dāng)與車內(nèi)傳感器（如OBDII掃描儀）和智能手機(jī)的攝像頭相結(jié)合時(shí)，系統(tǒng)可以監(jiān)控駕駛員的表現(xiàn)和他們的疲勞度等級(jí)。收集到的數(shù)據(jù)將被傳向?qū)崟r(shí)狀態(tài)分析模塊，以推斷駕駛員的情緒并推薦合適的音樂。這款應(yīng)用也能讓駕駛員向其他人共享路況信息數(shù)據(jù)并為特殊的駕駛狀況推薦音樂[15]。

參與式感知系統(tǒng)使我們能夠通過移動(dòng)智能終端系統(tǒng)收集傳感數(shù)據(jù)，從而達(dá)到認(rèn)識(shí)環(huán)境或完成某些特定的任務(wù)的目的?；谖恢玫姆?wù)正變得越來越流行，但GPS定位也會(huì)產(chǎn)生大量的能耗。為了克服這個(gè)挑戰(zhàn)，我們研究了在多移動(dòng)設(shè)備參與式感知中的協(xié)同定位服務(wù)。這些移動(dòng)設(shè)備輪流打開它們的GPS并與周圍的移動(dòng)設(shè)備共享位置數(shù)據(jù)。這個(gè)機(jī)制通過避免一直打開GPS而使移動(dòng)設(shè)備節(jié)約大量能量。我們?cè)O(shè)計(jì)了一種協(xié)同定位機(jī)制中參與者選擇的機(jī)制，該機(jī)制能夠通過兩個(gè)新穎的算法達(dá)到協(xié)同定位機(jī)制中的總體耗能的最優(yōu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：我們提出的協(xié)同定位機(jī)制能夠節(jié)省全網(wǎng)多達(dá)88%的能量[16]。

4 結(jié)束語

智慧城市在歐洲是一個(gè)具有優(yōu)先度的研究領(lǐng)域，它集結(jié)了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界等共同研究的，可以使生活質(zhì)量提高的可持續(xù)、一體化解決方案。文章介紹了我們?cè)谌鸬涞木G色物聯(lián)網(wǎng)的研究項(xiàng)目，并介紹了SADHealth和SAfeDJ兩款用于季節(jié)性健康監(jiān)控和提升駕駛安全的移動(dòng)傳感應(yīng)用，這兩款應(yīng)用都運(yùn)用了移動(dòng)傳感和云計(jì)算來收集和分析感知數(shù)據(jù)，以偵測(cè)趨勢(shì)并智能地做出選擇。我們相信，大數(shù)據(jù)分析將會(huì)是未來智慧城市的一個(gè)主要趨勢(shì)，智慧城市應(yīng)用需要結(jié)合從不同來源得到的感知數(shù)據(jù)，以正確地提取特征并預(yù)測(cè)未來。另一個(gè)重要的問題關(guān)于無線傳感器和移動(dòng)設(shè)備的節(jié)能，隨著城市中移動(dòng)電話和傳感器的不斷增多，我們預(yù)測(cè)更多的協(xié)同傳感和計(jì)算可能將會(huì)投入使用以減少能耗。

致謝

感謝在瑞典創(chuàng)新局綠色物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目中與我們共事的瑞典合作伙伴，在英屬哥倫比亞大學(xué)通過STINT獲得啟動(dòng)資助的國際合作伙伴，以及在北京郵電大學(xué)就參與式感知和智慧城市項(xiàng)目共事的合作伙伴。

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