物联网关键技术在内河航道的应用探讨

引言

21世纪人类社会正步入信息时代。世界正处在一场新的技术革命之中，这场技术革命的中心就是物联网。物联网概念的本质就是将人类的经济生活与社会生活、生产活动与个人活动都放在一个智慧的物联网环境中运行。物联网为人们提供了感知中国与世界的能力，也为技术创新与产业发展提供了前所未有的机遇。

2011年1月21日国务院正式颁发《关于加快长江等内河水运发展的意见》，要求利用10年左右时间，建成畅通、高效、平安、绿色的现代化内河水运体系。为落实交通运输部“关于贯彻《国务院关于加快长江等内河水运发展的意见》的实施意见”，长江航道局2012年工作会议提出，加快数字航道和智能航道建设，到2015年基本建成长江干线数字航道，初步建成长江干线智能航道。随着长江“数字航道”建设的启动，长江航道信息化建设经历了一个快速的发展历程，在电子航道图建设、航道测量、信息基础设施建设等方面取得了一系列的成绩，已经初步具备由数字化向智能化转变的条件。要实现航道数字化向智能化的转变，就需要一系列诸如物联网、自动控制、人工智能等核心技术研究做支撑，其中物联网方面的部分关键技术尤为重要。

1物联网的概念

物联网的概念产生于20世纪90年代，其英文名为InternetofThings(IOT)，被视为互联网的应用扩展。应用创新是物联网发展的核心，以用户体验为核心的创新是物联网发展的灵魂。2005年，在突尼斯举行的信息社会世界峰会上，国际电信联盟发布了《ITU互联网报告2005:物联网》，正式提出了"物联网'‘的概念。

物联网概念的兴起，很大程度上得益于ITU的年度互联网报告，但截至目前确切的说还没有形成一个公认准确的定义。根据目前对物联网技术特点的认知水平，在比较各种物联网定义的基础上，比较普遍的一种定义是：物联网是在互联网、移动通信网等通信网络的基础上，针对不同应用领域的需求，利用具有感知、通信与计算能力的智能物体自动获取物理世界的各种信息，将所有能够独立寻址的物理对象互联起来,实现全面感知、可靠传输、智能分析处理，构建人与物、物与物互联的智能信息服务系统。

2物联网关键技术

物联网的多样化、规模化与行业化的特点，决定了物联网涉及的技术种类非常多，本文需要从物联网应用系统设计、组建、运行、应用与管理的角度，将多种技术归纳为几项共性的关键技术。

2.1智能感知技术

智能感知首先是RFID无线射频识别技术。RFID无线射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签，操作快捷方便。其关键技术主要包括产业化和应用两个方面。其中，RFID产业化关键技术主要包括标签芯片设计与制造、天线设计与制造、RFID标签封装技术与装备、RFID标签集成、读写器设计等；RFID应用关键技术主要包括RFID应用体系架构、RFID系统集成与数据管理、RFID公共服务体系、RFID检测技术与规范等。

其次是传感器与无线传感器网络技术。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器技术的发展主要表现在智能传感器与无线传感器两个方向。智能传感器的关键技术主要表现在传感器的系统结构设计方面。结构设计上除了需要具备自学习、自诊断与自补偿能力、复合感知的能力，还要具有灵活的通信能力。无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，有很多的关键技术有待发现和探索。从目前国内外研究现状来看，主要集中在以下几个方面：介质访问控制协议、网络拓扑控制与路由协议、节点定位、时钟同步、数据管理与数据融合、嵌入式操作系统和网络安全等。

2.2嵌入式技术

嵌入式系统是一种专用的计算机技术，常作为装置或设备的一部分。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑。嵌入式技术的关键研究点主要有专用芯片设计制造、嵌入式硬件结构设计与实现、嵌入式操作系统研究、嵌入式应用软件编程技术、微机电(MEMS)技术与应用等。RFID读写器、无线传感器网络节点就是目前比较流行的微小型嵌入式智能设备。随着信息技术的快速发展，嵌入式的尖端科技比如可穿戴计算机、智能机器人等应用将会为人类社会带来更大的便利。

2.3移动通信技术

移动通信是指通信的双方至少有一方是在移动中进行的通信，包括固定点与移动点、移动点与移动点之间的通信。例如，人们平时常见的一个用户在行进着的火车、汽车上用手机与一个固定电话或另一个手机通信，或者是两个移动的手机之间的通信都属于移动通信。移动通信系统的关键技术主要包括以下方面：宽带数字通信基础理论研究、宽带调制和多址技术、频谱利用率提升技术、无线资源管理、无线电技术、网络安全和QoS、基于Mesh自组织网络的接入网络架构体系、基于智能重叠网的核心网体系、移动通信网络协议、射频电路和电磁兼容等。4G通信技术是继3G之后的又一次无线通信技术演进，我国的自主知识产权的移动通信标准TD-LTE正式成为4G的两大国际标准之一，标志着我国首次在移动通信标准上实现从“追赶”到“引领”的重大跨越。移动通信的另一发展方向就是机器到机器(M2M)的终端通信，M2M的潜在市场不仅限于通信业，由于M2M是无线通信和信息技术的整合,它可用于双向通信，如远距离收集信息、设置参数和发送指令，因此M2M技术可以有不同的应用方案，如安全监测、自动售货机、货物跟踪等。在M2M中，GSM/GPRS/UMTS是主要的远距离连接技术，其近距离连接技术主要有802.11b/g、BlueTooth、Zigbee、RFID和UWB。此外，还有一些其他技术，如XML和Corba,以及基于GPS、无线终端和网络的位置服务技术。

2.4海量数据处理与融合技术[2]

面对物联网数据海量、多态、动态与关联的特征，物联网数据处理需要重点解决以下几个关键技术，分别是数据格式与标准化、信息融合技术、中间件与应用软件编程技术、海量数据存储与搜索技术、数据挖掘与知识发现算法。物联网的海量数据除了来自传感器节点、RFID节点以及其他各种智能终端设备全天候产生的数据外，各种物理对象在参与物联网事务处理的过程中也会产生大量数据，在进行海量数据存储时需要数据库、数据仓库、网络存储、数据中心和云存储技术的支撑。数据融合中心对来自多个传感器的信息进行融合,也可以将来自多个传感器的信息和人机界面的观测事实进行信息融合(通常是决策级融合)。提取征兆信息，在推理机作用下,将征兆与知识库中的知识匹配，做出故障诊断决策，提供给用户。在基于信息融合的故障诊断系统中可以加入自学习模块,故障决策经自学习模块反馈给知识库，并对相应的置信度因子进行修改，更新知识库。

同时，自学习模块能根据知识库中的知识和用户对系统提问的动态应答进行推理，以获得新知识。总结新经验，不断扩充知识库，实现专家系统的自学习功能。

2.5位置服务技术

位置服务(LocationBasedServices,LBS)又称定位服务,是由移动通信网络和卫星定位系统结合在一起提供的一种增值业务，通过一组定位技术获得移动终端的位置信息(如经纬度坐标数据),提供给移动用户本人或他人以及通信系统，实现各种与位置相关的业务。位置服务实质上是一种概念较为宽泛的与空间位置有关的新型服务业务。位置服务关键技术主要涉及位置信息的获取方法，GPS、GIS和网络地图应用技术,以及位置服务的方法。位置信息获取目前比较主流的方法有移动移动通信定位、基于无线局域网定位、基于RFID的定位、无线传感器网络定位等。

2.6信息安全技术

物联网信息安全技术研究目的是保证物联网环境中数据传输、存储、处理与访问的安全性。主要关键技术有以下方面:物联网安全体系结构研究、网络安全防护技术、密码学及在物联网中的应用、网络安全协议等。

物联网安全体系结构的研究主要包括网络安全威胁分析、网络安全模型与确定网络安全体系，以及对网络安全评价标准和方法的研究；网络安全防护技术的研究主要包括防火墙技术、入侵检测与防护技术、安全审计技术、网络攻击取证技术、防病毒技术以及业务持续性规划技术；密码应用技术的研究包括对称密码体制与公钥密码体制的密码体系，以及在此基础上研究消息认证与数字签名技术、信息隐藏技术、公钥基础设施PKI技术、隐私保护技术等；物联网的网络安全协议研究主要包括网络层的IP安全协议、传输层的安全套接层协议(SSL)、应用层的安全电子交易协议(SET)，以及它们在物联网环境中应用的技术。

3物联网关键技术在内河航道的应用探讨

首先，应用RFID技术可以进行通航船舶流量的统计叫内河航道尤其是长江中下游，船舶运量非常繁忙，如何有效地分析统计某时段通过的船舶数量、船型、吨位和实际载货量,成为一个重要课题。运用智能感知技术，在通航船舶上安装RFID电子标签，在航道上安装读卡器，RFID电子标签内记载船舶的基本信息数据，以此建立一个基于RFID射频技术的船舶状态信息采集平台，就可以很好地解决船舶流量统计问题。若将其与电子航道图系统集成，应用效果会更好。

其次，应用ZigBee无线传感器网络技术可以开展航道数据的采集，构建“感知航道”[3]。利用航道沿线的固定监控点作为基干，建立一个有线光纤基干网络，供视频数据传输。以基干网络的各监控点为中心，在每个监控点的航道沿岸周边，建立起由ZigBee技术构成的近地、自组织、低功耗的无线自组织网络(即无线传感网)。将各种传感设备(水位、值守传感器等)通过无线传感网络以无线方式进行连接，实现航段的无线覆盖和传感器热插拔。无线传感数据通过无线传感网络由最近的监控点传入有线基干光纤网络汇聚至设在指挥中心的传感前端服务器。这样，通过感知数据的自动采集和传输,就可以在航段构建一个航道感知网络，实现自动航道感知。

第三，应用位置服务技术可以实现航道维护船舶的动态监控。将GIS地图显示技术和GPS定位技术结合，利用位置服务技术对船舶当前所在的位置数据进行采集，通过GPRS/CDMA无线通信技术采集的数据发送到航道管理中心服务器，管理中心的航道船舶监控系统实时调用位置数据对航道船舶进行远程监控，在地图上实时了解辖区维护船舶的工作动态,可以达到很好的监管效果。

另外，应用云计算技术可以实现航道数据的分析和处理。随着物联网广泛应用于航道方方面面，各种传感器、船舶终端之间不可避免会产生大量动态数据。位于终端的数据处理单元配置相对较低，处理大量数据必然会力不从心，可能会达不到要求的时效性。通过应用云计算技术，让云端处理数据并将结果回传或直接传至航道数据中心，就可以快速准确地解决航道终端数据分析和处理的问题。

4结语

物联网的发展具有深厚的信息技术及相关专业的技术基础，有着强烈的社会需求，是社会信息化的深化和发展，是我国两化融合的切入点。随着物联网技术在内河航道应用的逐步深入，必将为推动数字航道向智能航道的转变提供强大的技术支撑，必将加快实现我国智能水运交通事业的发展进程，必将为内河流域百姓的生产生活带来更大的便利。

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