物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用--鄔賀銓

1 物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用 鄔賀銓 中國(guó)工程院 2010.03.26 2 物聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用 互聯(lián)網(wǎng)的演進(jìn)與應(yīng)用拓展 物聯(lián)網(wǎng)的概念與支撐技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)在重要領(lǐng)域的應(yīng)用 物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵 3 需要連網(wǎng)的物件 物理對(duì)象 (不論是智能的或非智能的物體 )數(shù)量非常巨大，需要聯(lián)網(wǎng) 互動(dòng) 、 通信 、 控制 以便 參與業(yè)務(wù)流程 或管理的物件其數(shù)量也比人口多百倍 微處理器與微控制器 500億 控制器與智能傳感器 17.5億 靜態(tài)設(shè)備 4.25億 機(jī)動(dòng)設(shè)備 5億 靜態(tài)信息設(shè)備 12億 移動(dòng)信息設(shè)備 35億 嵌入式控制器，溫度 /壓力 /流量傳感器，斷路器，衡器等 醫(yī)療器械， HVAC，工業(yè)機(jī)械，分布式設(shè)備等 汽車，集裝箱，油輪，火車，城鐵，供應(yīng)鏈設(shè)備等 臺(tái)式機(jī)，服務(wù)器，交換機(jī)，存儲(chǔ)設(shè)備 手機(jī)， MID，智能手機(jī)， 上網(wǎng)本， GPS等 4 5 RFID（射頻標(biāo)簽）及其應(yīng)用 Antenna HF Tag UHF Tag Chip 從 RFID到傳感器 Gen 1 RFID Gen 2 RFID Gen 5 Interacting RFID Gen 4 Acting RFID Gen 3 Sensing RFID Class 1 Class 5 性能、復(fù)雜性、集成度 Time RFID 有利于改進(jìn)庫(kù)存從而增加銷售 3%，減少商店人力消耗 65%，降低庫(kù)存消耗 7.5% (Precursor Analysis). Wal-Mart 全部上萬(wàn)個(gè)供貨商都使用RFID貼在容器和貨盤(pán)上 ,每年節(jié)約成本 84億美元 Gartner公司報(bào)告 2009年 RFID系統(tǒng)在全球供應(yīng)鏈?zhǔn)袌?chǎng)規(guī)模將達(dá)到 100億美元 6 傳感器節(jié)點(diǎn)的組成 7 電源單元 電源發(fā)生 定位系統(tǒng) 移動(dòng)器 傳感器 模數(shù)轉(zhuǎn)換 處理器 存儲(chǔ) 收發(fā)單元 傳感器敏感物理?xiàng)l件或化學(xué)成分并且傳遞與被觀察的特性成比例的電信號(hào)的電子設(shè)備。 傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器和可選的能夠檢測(cè)數(shù)據(jù)處理及聯(lián)網(wǎng)的執(zhí)行元件組成的設(shè)備。 -ITU-T Recommendation Y.2221 ITU(國(guó)際電信聯(lián)盟）關(guān)于傳感網(wǎng)的定義 傳感器網(wǎng)包含互聯(lián)的傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)有線或無(wú)線通信交換傳感數(shù)據(jù)。 泛在傳感器網(wǎng)（ USN)-在現(xiàn)有物理網(wǎng)上構(gòu)造的概念性的網(wǎng)絡(luò)，它使用傳感數(shù)據(jù)并在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)向任何物件提供服務(wù)，而且在USN中通過(guò)使用上下文感知產(chǎn)生信息。 8 -ITU-T, Rec.Y.2221 (Y.USN-reqts), Requirements for support of Ubiquitous Sensor Network (USN) applications and services in the NGN environment 傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)基本要素： 傳感器節(jié)點(diǎn)，感知對(duì)象，觀察者 傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能： 協(xié)作地感知、采集、處理和發(fā)布感知信息。 9 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) C N G I 骨干網(wǎng)SensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensor城市城鎮(zhèn)城鎮(zhèn)監(jiān)控中心IPv4/IPv6網(wǎng) 關(guān)I P v 6 節(jié)點(diǎn)I P v 6 節(jié)點(diǎn)I P v 6 節(jié)點(diǎn)10 傳感器網(wǎng)絡(luò)和 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的比較 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，節(jié)點(diǎn)的配置非常密集 傳感器節(jié)點(diǎn)的位置并不一定需要預(yù)先設(shè)計(jì)和計(jì)算，傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓诸l繁 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的部分或全部節(jié)點(diǎn)可以移動(dòng) 傳感器網(wǎng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是終端，也可能又是路由器 傳感器節(jié)點(diǎn)不一定有全球性的標(biāo)識(shí) 傳感器節(jié)點(diǎn)的電能，計(jì)算能力及存儲(chǔ)器容量都很有限 傳感器網(wǎng)絡(luò)主要用廣播方式通信，而大部分 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是基于點(diǎn)到點(diǎn)通信方式的 對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議要求 物理層： 工作在 915 MHz （ 工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）或其他頻段，發(fā)送功率和傳輸距離的 2 4次方成正比，使用上往往需要接力 數(shù)據(jù)鏈路層： MAC 協(xié)議的作用是節(jié)點(diǎn)公平和有效地共享通信資源，現(xiàn)有 MAC 協(xié)議以提高網(wǎng)絡(luò)的性能和帶寬利用率為主要目標(biāo)，而傳感器網(wǎng)絡(luò)需優(yōu)化節(jié)能、移動(dòng)管理和故障恢復(fù) 網(wǎng)絡(luò)層： 需要適應(yīng)拓?fù)漕l繁改變和可擴(kuò)展性的協(xié)議、基于節(jié)能優(yōu)先的路由選擇、基于屬性的尋址、數(shù)據(jù)匯聚（將來(lái)自多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，具有相同屬性的數(shù)據(jù)匯聚，解決數(shù)據(jù)破碎和重復(fù)） 傳送層： 有限的電能和存儲(chǔ)量限制使傳感器節(jié)點(diǎn)不能存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)， 而且 TCP方式開(kāi)銷太大，需要有適合傳感器網(wǎng)的協(xié)議 應(yīng)用層： 傳感器管理協(xié)議、任務(wù)分配和數(shù)據(jù)通告協(xié)議、傳感器詢問(wèn)和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議等 11 12 傳感器網(wǎng)的管理平面功能 電源管理平面 管理傳感器節(jié)點(diǎn)的電源使用方式 可以使傳感器節(jié)點(diǎn)在收到一個(gè)消息后關(guān)閉接收器 當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)電量低時(shí)，可以向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播電量不足消息，并不再參與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù) 移動(dòng)管理平面 檢測(cè)和登記傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng) 了解誰(shuí)是自己的相鄰節(jié)點(diǎn) 任務(wù)管理平面 在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)均衡及調(diào)度傳感任務(wù) 在一個(gè)區(qū)域內(nèi)并非所有的傳感器節(jié)點(diǎn)都要同時(shí)執(zhí)行傳感任務(wù) 物聯(lián)網(wǎng)概念的提出和定義 關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的含義與其概念提出背景 （來(lái)源： Wikipedia） 在計(jì)算領(lǐng)域， the Internet of Things 指的是物件的網(wǎng)絡(luò)，諸如家用器具。它通常是自配置的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。 the Internet of Things 的概念歸因于 MIT大學(xué)在 1999年創(chuàng)建的 Auto-ID Center。 歐盟關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的定義 （ Internet of Things: Strategic Research Roadmap, CERP-IoT SRA , first presentation 16 September 2009) 物聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)的一部分，能夠被定義為基于標(biāo)準(zhǔn)和交互通信協(xié)議具有自配置能力的動(dòng)態(tài)全球網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，在物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)物理和虛擬的“物件”具有身份、物理屬性、擬人化、使用智能接口并且無(wú)縫綜合到信息網(wǎng)絡(luò)中。 13 物聯(lián)網(wǎng)（ Internet of Things)的主要特征 每一物件 均可尋址 每一物件均可控制 每一物件 均可通信 14 15 A symbiotic interaction among the real/physical, the digital, virtual worlds and society + Ubiquitous any-ware 物聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)調(diào)的是認(rèn)知 匯聚 計(jì)算 收集 通信 連接 內(nèi)容 數(shù)字世界 虛擬網(wǎng)絡(luò)世界 實(shí)際物理世界 語(yǔ)義綜合 物聯(lián)網(wǎng)的功能 從感知平臺(tái)到數(shù)據(jù)挖掘 泛在化的傳感單元及網(wǎng)絡(luò) 異構(gòu)性的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施 普適性的數(shù)據(jù)分析與服務(wù) 更透徹的感知 利用任何可以隨時(shí)隨地感知、測(cè)量、捕獲和傳遞信息的設(shè)備、系統(tǒng)或流程，便于立即采取應(yīng)對(duì)措施和進(jìn)行長(zhǎng)期規(guī)劃。 更全面的互聯(lián)互通 將個(gè)人電子設(shè)備、組織和政府信息系統(tǒng)中儲(chǔ)存的信息交互和共享，從而對(duì)環(huán)境和業(yè)務(wù)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控 。 更深入的智能化 使用數(shù)據(jù)挖掘和分析工具、科學(xué)模型和功能強(qiáng)大的運(yùn)算系統(tǒng)處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析、匯總和計(jì)算，整合和分析海量的跨地域、跨行業(yè)的信息，以更好地支持決策和行動(dòng) 。 “智慧地球”是 IBM對(duì)運(yùn)用信息技術(shù)構(gòu)建新的世界運(yùn)行模型的愿景。 “感知中國(guó)”是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)在中國(guó)泛在應(yīng)用效果的概括。 物聯(lián)網(wǎng)的功能 從物聯(lián)網(wǎng)到 Cyber-Physical System（ CPS) Cyber Physical System (CPS) 是計(jì)算與物理過(guò)程的綜合 CPS的發(fā)展使得計(jì)算資源與物理資源 間的緊密連結(jié)并完成現(xiàn)實(shí)社會(huì)與虛擬空間的有機(jī)協(xié)調(diào) CPS的目標(biāo)是 突破傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的框架， 使物理系統(tǒng)具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程合作和自治等能力， 通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)組成各種相應(yīng)自治控制系統(tǒng)和信息服務(wù)系統(tǒng) ，實(shí)現(xiàn) 被動(dòng)數(shù)據(jù) 主動(dòng)信息 可靠服務(wù) 17 Computation Communication Control Information CPS is the co-joining of computation and communication with physical processes. 物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系 物聯(lián)網(wǎng)的底層借助 RFID和傳感器等實(shí)現(xiàn)對(duì)物件的信息采集與控制，通過(guò)傳感網(wǎng)將一組傳感器的信息匯集，并連到核心網(wǎng)絡(luò)；基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，用于承載物物互聯(lián)或物與人互聯(lián)的信息傳遞；物聯(lián)網(wǎng)的上層實(shí)現(xiàn)信息的處理和決策支持。 物聯(lián)網(wǎng)可用的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)可以有很多種，根據(jù)應(yīng)用的需要，可以采用公眾通信網(wǎng)絡(luò)，或者采用行業(yè)專網(wǎng)，甚至新建專用于物聯(lián)網(wǎng)的通信網(wǎng)。 互聯(lián)網(wǎng)既可以連接人也可以連接物，既可以連接虛擬世界也可以連接實(shí)際世界。通常互聯(lián)網(wǎng)最適合作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，特別是當(dāng)物物互聯(lián)的范圍超出局域網(wǎng)時(shí)，以及當(dāng)需要利用公眾網(wǎng)傳送需處理和利用的信息時(shí)。 18 物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系 物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)上傳統(tǒng)業(yè)務(wù)相比有不同的特點(diǎn)： 在物聯(lián)網(wǎng)以公眾網(wǎng)絡(luò)（例如互聯(lián)網(wǎng)）作為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的情況下，物聯(lián)網(wǎng)相當(dāng)于互聯(lián)網(wǎng)上面向特定任務(wù)來(lái)組織的 VPN； 互聯(lián)網(wǎng)是全球性的，但物聯(lián)網(wǎng)往往是行業(yè)性的或區(qū)域性的； 一些物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用例如智能電網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)承載平臺(tái)的可靠性有很高的要求； 物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)應(yīng)用的多樣性與承載平臺(tái)的通用性之間需要有中間件來(lái)適配； 物聯(lián)網(wǎng)的上層即智能信息處理、數(shù)據(jù)挖掘與決策支撐等是傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)不一定需要的功能。 19 Future Internet 20 Society Future Internet IoT IoM IoS IoE IoT Internet of Things IoM Internet of Media IoS Internet of Services IoE Internet of Enterprises 物聯(lián)網(wǎng)的核心網(wǎng)絡(luò)既可以是下一代互聯(lián)網(wǎng)，也可以是現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng) 。 在未來(lái)的互聯(lián)網(wǎng)中，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用仍然是主要目標(biāo)之一。 傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)與泛在網(wǎng) 傳感網(wǎng) 物聯(lián)網(wǎng) 泛在網(wǎng) 定義 終端 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò) 通信對(duì)象 標(biāo)準(zhǔn)化組織 傳感網(wǎng) 實(shí)現(xiàn)傳感器的互聯(lián)和信息的收集 傳感器 物對(duì)物 ISO/IEC 物聯(lián)網(wǎng) 將各種信息傳感設(shè)備如 RFID、紅外感應(yīng)器、 GPS、激光掃描器等與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有物品的智能化識(shí)別與管理 傳感器、 RFID、二維碼、內(nèi)置移動(dòng)通信的各種模塊 一個(gè)或多個(gè) 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò) 物對(duì)物、 物對(duì)人 IEEE、 ETSI、EPCGlobal、 泛在網(wǎng) 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的泛在互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人、人與人之間按需的的信息獲取、傳遞、儲(chǔ)存、認(rèn)知、分析、使用等服務(wù)，強(qiáng)調(diào)人機(jī)自然交互、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合和智能應(yīng)用。 傳感器、 RFID、二維碼、內(nèi)置移動(dòng)通信的各種模塊、手機(jī)、上網(wǎng)卡等 所有的網(wǎng)絡(luò) 物對(duì)物、 物對(duì)人、 人對(duì)人 ITU、 3GPP、GSMA、OMA 21 22 物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用 物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域 23 制造、后勤、服務(wù)、銀行、金融監(jiān)管機(jī)構(gòu)、媒體等 農(nóng)牧業(yè)、循環(huán)利用、環(huán)境管理服務(wù)、能源管理等 面向公眾和社會(huì)的政府服務(wù) 物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用 24 物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用 制造業(yè)供應(yīng)鏈 智能化采購(gòu)、零部件庫(kù)存管理、儲(chǔ)存運(yùn)輸參數(shù)監(jiān)測(cè)、物流跟蹤； 生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè) 溫度等環(huán)境條件監(jiān)測(cè)、無(wú)線遙測(cè)地震儀、井下生產(chǎn)控制系統(tǒng)； 生產(chǎn)過(guò)程用料與工藝優(yōu)化 生產(chǎn)線過(guò)程檢測(cè)、實(shí)時(shí)參數(shù)采集、生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控、材料消耗監(jiān)測(cè)； 設(shè)備管理 設(shè)備操作使用記錄、設(shè)備故障診斷、資產(chǎn)管理； 產(chǎn)品全生命周期監(jiān)測(cè) 產(chǎn)品銷售管理、產(chǎn)品交付管理、產(chǎn)品運(yùn)輸容器安全監(jiān)測(cè)、管道監(jiān)測(cè)、產(chǎn)品處置監(jiān)測(cè)、產(chǎn)品回收再利用； 環(huán)保監(jiān)測(cè) 排放監(jiān)測(cè)、污染監(jiān)測(cè)、能耗監(jiān)測(cè)； 對(duì)員工的管理 關(guān)鍵情況下對(duì)員工崗位的無(wú)線跟蹤 25 生產(chǎn)制造過(guò)程的全壽命管理 通過(guò)使用智能設(shè)備或唯一的識(shí)別器以及可與智能支持網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和信息系統(tǒng)交互的數(shù)據(jù)載體鏈接物品，能夠優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程和監(jiān)視從生產(chǎn)到處置的全壽命過(guò)程。 通過(guò)標(biāo)簽物品和容器能獲得關(guān)于車間位置、存放和處置地點(diǎn)、生產(chǎn)裝備的狀態(tài)。 精細(xì)的信息用作完善生產(chǎn)計(jì)劃和改進(jìn)后勤的輸入數(shù)據(jù)。 圍繞可識(shí)別物品設(shè)計(jì)自組織和智能制造解決方案。 從生產(chǎn)到壽命期結(jié)束，物品與附加的信息處理元件不可分，物品的歷史和它目前的狀況能夠被持續(xù)監(jiān)視和儲(chǔ)存在標(biāo)簽或信息系統(tǒng)中。 所獲得的數(shù)據(jù)反映了產(chǎn)品的使用歷史，其中包含了對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、市場(chǎng)和與產(chǎn)品有關(guān)服務(wù)以及從安全、環(huán)保、循環(huán)利用、再制造或丟棄對(duì)壽命終了的決定。 26 智能電網(wǎng) 因發(fā)電與用電量不匹配，電網(wǎng)利用率很低，美國(guó)也僅有 55。每年美國(guó)因電網(wǎng)擾動(dòng)與斷電損失 790億美元。 2009年 11月 3日奧巴馬宣布美國(guó)政府出資 34億美元帶動(dòng)民間投資 47億美元建立“智能電網(wǎng)投資基金”。 智能電網(wǎng)使用健壯的雙向通信、高級(jí)傳感器和分布式計(jì)算機(jī)來(lái)改善電力交換和使用的效率，提高可靠性。以前因發(fā)電量不平穩(wěn)難以接入電網(wǎng)的風(fēng)電、太陽(yáng)能等分布式能源可以用于補(bǔ)助主網(wǎng)發(fā)電。 智能電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶的電力負(fù)荷，賦予消費(fèi)者選擇電價(jià)和能源類型的權(quán)力。 27 智能電網(wǎng)定義 一個(gè)完全自動(dòng)化的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)，能夠監(jiān)視和控制每個(gè)用戶和電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，保證從電廠到終端用戶整個(gè)輸配電過(guò)程中所有節(jié)點(diǎn)之間的信息和電能的雙向流動(dòng)。 （見(jiàn)美國(guó)能源部“ Grid2030”) IntelliGrid是一個(gè)由眾多自動(dòng)化的輸電和配電系統(tǒng)構(gòu)成的電力系統(tǒng)，以協(xié)調(diào)、有效和可靠的方式實(shí)現(xiàn)所有的電網(wǎng)運(yùn)作 ；具有自愈功能；快速響應(yīng)電力市場(chǎng)和企業(yè)業(yè)務(wù)需求；具有智能化的通信結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、安全和靈活的信息流，為用戶提供可靠、經(jīng)濟(jì)的電力服務(wù)。 （美國(guó)電力科學(xué)院） 一個(gè)可整合所有連接到電網(wǎng)用戶所有行為的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)，以有效提供持續(xù)、經(jīng)濟(jì)和安全的電力。 （歐洲技術(shù)論壇） 28 高 壓 母 線配 電 線 路輸 電 線 路1 0 k V母 線1 0k V母 線用 戶發(fā) 電輸 電 變 電 配 電 用 電調(diào) 度堅(jiān) 強(qiáng)電 網(wǎng)業(yè) 務(wù)處 理管 理決 策供 電 方 案 風(fēng) 險(xiǎn) 評(píng) 估 采 集與 控制S C A D A / E M S 配 網(wǎng) 自 動(dòng) 化 系 統(tǒng) 用 戶 監(jiān) 控 系 統(tǒng)以 提 高 供 電 能 力 與 可 靠 性 為目 的 的 城 網(wǎng) 改 造 與 建 設(shè)高 可 靠 性 配 網(wǎng) 改 造電 網(wǎng) 運(yùn) 行 方 式 風(fēng) 險(xiǎn) 評(píng) 估 與 監(jiān) 測(cè)應(yīng) 急 預(yù) 案 制 訂供 電 系 統(tǒng) 風(fēng) 險(xiǎn) 評(píng) 估應(yīng) 急 處 處 置 組 織 與 管 理輸 電 系 統(tǒng) 風(fēng) 險(xiǎn) 辯識(shí) 、 評(píng) 估 、 跟 蹤 、控 制 與 消 除 主 動(dòng) 服 務(wù)變 電 系 統(tǒng) 風(fēng) 險(xiǎn) 辯 識(shí) 、 評(píng) 估 、跟 蹤 、 控 制 與 消 除配 電 系 統(tǒng) 風(fēng) 險(xiǎn) 辯識(shí) 評(píng) 估 、 跟 蹤 、控 制 與 消 除智能電網(wǎng) 29 智能電網(wǎng) 奧巴馬在 2009年 10月 27日宣布將斥資 34億美元發(fā)展智能電網(wǎng) 新計(jì)劃將建設(shè) 700家自動(dòng)變電站，替換 20萬(wàn)臺(tái)變壓器，安裝智能電表 4000萬(wàn)個(gè)，覆蓋1/41/3美國(guó)家庭，全部工程將在三年內(nèi)完成。 預(yù)計(jì)到 2020年可使美國(guó)再生能源利用率提高至 20， 2030年智能電網(wǎng)技術(shù)將為美國(guó)節(jié)約 4的電力，約 204億美元。 SmartSynch Customers： 15 million AMI transactions a day，35,000 MW of peak demand， $15+ billion of billing revenue 30 智能電網(wǎng)效益與發(fā)展存在問(wèn)題 智能電網(wǎng)發(fā)展的效益： 丹麥的 DONG Energy采取智能電網(wǎng)措施后，可以將停電時(shí)間縮短 25-30%，將故障搜索時(shí)間縮短 1/3。 據(jù)測(cè)算，到 2020年我國(guó)每年可減少 4.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗，減排二氧化碳 13.8億噸。 發(fā)展智能電網(wǎng)存在問(wèn)題： 美國(guó)能源部 2009年 7月公布了“智能電網(wǎng)系統(tǒng)報(bào)告”，指出美國(guó)僅智能電網(wǎng)測(cè)量體系就需要投入 270億美元，到 2030年全美智能電網(wǎng)投入需要 1.5萬(wàn)億美元。此外，智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的互操作性以及發(fā)展過(guò)程中相關(guān)政策的變化也是智能電網(wǎng)發(fā)展面臨的問(wèn)題。 31 智慧物流 2006年物流成本占 GDP的比例：日本為 11%，美國(guó)為8%，歐盟為 7%，中國(guó)為 18%（其中運(yùn)輸成本占 55%，存儲(chǔ)成本占 30%）。 使用分析和模擬軟件可以優(yōu)化從原材料至成品的供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)。幫助企業(yè)確定生產(chǎn)設(shè)備的位置，優(yōu)化采購(gòu)地點(diǎn)，亦能幫助制定庫(kù)存分配戰(zhàn)略，降低成本、減少碳排放，改善客戶服務(wù)。 中遠(yuǎn)物流公司采用信息化管理成功將分銷中心的數(shù)量從100減少至 40，分銷成本降低了 23%，燃料使用量降低了 25%，也將碳排放量減少了 10-15%。 32 電子標(biāo)簽（ RFID)在集裝箱運(yùn)輸中應(yīng)用 集裝箱電子標(biāo)簽自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng) 電子封條 標(biāo)簽 tag 讀寫(xiě)器 reader 電子標(biāo)簽 系統(tǒng)中間件 Middleware 信息實(shí)時(shí)交換系統(tǒng) 制定標(biāo)準(zhǔn) 天線 antenna 箱信息、貨物信息、運(yùn)輸信息（如船、港口，貨代）、開(kāi)關(guān)箱時(shí)間及位置、箱的溫度、濕度等信息 物流公司 船公司 港口 客戶 貨代、船代 海關(guān) 邊檢、商檢 33 在建筑物中安裝 2萬(wàn)個(gè) 傳 感器并使用 IPv6連 網(wǎng)， 節(jié)約 運(yùn)行能耗 30 物聯(lián)網(wǎng)在節(jié)能降耗中的應(yīng)用 Wiring the sensor nodes Temperature Node 2469 / 1744 / 29.4% Reduction Heat A/C Light Oth Hiroshi ESAKI, Ph.D Univ.of Tokyo 30% 美國(guó)辦公用建筑物在壽命期間的電能消耗成本與建筑物初次建設(shè)成本相當(dāng)。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑能耗目前占我國(guó)一次能源消耗總量的 27.8，我國(guó)的建筑能耗是世界上同緯度國(guó)家的三倍左右。 34 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用存在問(wèn)題 缺乏標(biāo)準(zhǔn)化，涉及的標(biāo)準(zhǔn)化組織太分散，權(quán)威性不足 行業(yè)性太強(qiáng)，公眾性與公用性不足 產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)但分散，每一環(huán)節(jié)規(guī)模效益不夠 行業(yè)進(jìn)入門(mén)檻高 商業(yè)模式不清晰 安全性、可靠性、可管理性薄弱 目前我國(guó)使用的傳感器 80依靠進(jìn)口！ 35 36 物聯(lián)網(wǎng)的支撐技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)的支撐技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化方向 37 識(shí)別技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)體系技術(shù) 通信技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn) 軟件與算法 硬件技術(shù) 數(shù)據(jù)與信號(hào)處理技術(shù) 發(fā)現(xiàn)與搜索引擎技術(shù) 關(guān)系網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù) 電源與能量存儲(chǔ)技術(shù) 安全與隱私技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn)化 識(shí)別技術(shù) 識(shí)別技術(shù)需要支持現(xiàn)有的和未來(lái)的識(shí)別方案，能夠與在互聯(lián)網(wǎng)和 WWW中已經(jīng)使用的諸如統(tǒng)一的資源識(shí)別（ URI）結(jié)構(gòu)所互通 需要研究全球識(shí)別方案、識(shí)別管理、識(shí)別編碼 /加密、匿名、使用識(shí)別和尋址方案的認(rèn)證和儲(chǔ)存管理、認(rèn)證和尋址方案、全球查號(hào)業(yè)務(wù)和發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)。 38 體系技術(shù) 在異構(gòu)物品及其環(huán)境中的可擴(kuò)展性、模塊化和交互性是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求 物聯(lián)網(wǎng)的體系應(yīng)當(dāng) ： 支持事件與附加的語(yǔ)義信息的通信而無(wú)需知道它們?nèi)绾萎a(chǎn)生的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié) ； 提供有效的雙向信息更新的存儲(chǔ)與同步，以支持缺乏可靠持久網(wǎng)絡(luò)連接性的物品和應(yīng)用 ； 有利于增加競(jìng)爭(zhēng)和參與的市場(chǎng)機(jī)理的使用。 需要研究分布開(kāi)放體系，該體系具有端到端特征、異構(gòu)系統(tǒng)可交互性、隨遇接入、清楚的分層和應(yīng)對(duì)物理網(wǎng)障礙的可生存性；研究基于節(jié)點(diǎn)對(duì)等通信的無(wú)中心自治體系；研究云計(jì)算技術(shù)、事件驅(qū)動(dòng)體系、斷連操作與同步。 39 通信技術(shù) 需要研究以下方面： 物聯(lián)網(wǎng)能效優(yōu)化的通信； 多頻無(wú)線前端和協(xié)議； 通信頻譜及頻率分配； 當(dāng)加入新協(xié)議時(shí)無(wú)需硬件升級(jí)的軟件定義無(wú)線電； 認(rèn)知無(wú)線電； 具有協(xié)議間通信能力（例如 ZigBee-6LoWPAN-WiFi混合）的能效無(wú)線傳感器網(wǎng)； 后 IP的無(wú)連接通信； 高性能可擴(kuò)展算法和協(xié)議。 40 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)注在多樣性的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)間的安全性、可擴(kuò)展性和跨平臺(tái)兼容性，目前 IP提供了在設(shè)備間的端對(duì)端通信而無(wú)需中間的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，但可能還需要新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。 需要研究 ： 固定、無(wú)線和移動(dòng)網(wǎng)及 Ad-hoc網(wǎng)技術(shù)、自治計(jì)算與連網(wǎng) ； 動(dòng)態(tài)支持小區(qū)域無(wú)尺度連接的“網(wǎng)中網(wǎng)”（例如社會(huì)）能力的設(shè)施的開(kāi)發(fā)； 網(wǎng)絡(luò)級(jí)的口令和身份分配機(jī)理、匿名連網(wǎng) ； IP和后 IP技術(shù)等。 41 網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn) 在物聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)變化的，新的物品的加入將改變網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?，而且物品的特征還會(huì)隨自治程度而變，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)機(jī)理和映射能力對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理至關(guān)重要。 目前可參考使用的在 LAN級(jí)別的發(fā)現(xiàn)協(xié)議有 WS-Discovery (作為 WS-DD的一部分 ), Bonjour和 SSDP (作為 UPnP的一部分 ) 42 軟件與算法 需要研究 ： 開(kāi)放中間件平臺(tái)； 能效微操作系統(tǒng)； 能量感知的操作系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)； 實(shí)現(xiàn)自優(yōu)化、自配置、自愈的分布自適應(yīng)軟件； 基于交互單元 /模塊抽象的資源和網(wǎng)絡(luò)功能的輕型開(kāi)放中間件； 目標(biāo)交互的語(yǔ)言、仿生算法（例如自組織）和游戲理論； 避免增加復(fù)雜性和節(jié)能的自管理技術(shù)； 提高安全性和隱私性的口令分配機(jī)理； 在普適和動(dòng)態(tài)環(huán)境中優(yōu)化資源分配的算法； 庫(kù)存管理、產(chǎn)品調(diào)度和數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)學(xué)模型及算法等。 43 硬件 技術(shù) 硅 IC技術(shù)、納電子與高分子聚合物電子支持超低功耗、低電壓和低漏電設(shè)計(jì)。 硬件可分為三種類型： 有限功能的超低成本標(biāo)簽，信息集中在由服務(wù)運(yùn)營(yíng)商管理的數(shù)據(jù)服務(wù)器中； 具有增強(qiáng)功能（例如額外的存儲(chǔ)和傳感能力）的低成本標(biāo)簽，信息分布在中央數(shù)據(jù)服務(wù)器和標(biāo)簽中； 智能固定 /移動(dòng)標(biāo)簽和嵌入系統(tǒng)，信息集中在標(biāo)簽中。 需要研究納技術(shù)、自配置自優(yōu)化自愈電路體系、天線、能效的射頻前端、嵌入的傳感器、激勵(lì)器、低成本制造技術(shù)等 。 44 數(shù)據(jù)和信號(hào)處理技術(shù) 需要研究 ： 語(yǔ)義互操作性、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、服務(wù)組合、語(yǔ)義傳感器 Web； 數(shù)據(jù)共享與合作；