“大规模”成传感网应用壁垒

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  我们曾经设想的传感网,都是有成千上万个节点,传感网存在的意义也是大规模的数据采集。而残酷的事实是,目前的传感网且不论真实系统,连演示系统都停留在“百”这个量级上; 网络存活的时间更是短得看不到优势。大规模长期部署的无线传感网系统到底面临什么挑战?
  1998年,当时我参加工作时间还不长,被作为临时翻译派到纽约,坐在卖烟草晋身的IBM总裁郭士纳一尺远的地方听他说理想中的E-service概念。那时我还不知道后来异常有名的“智慧尘埃”概念已经公之于众了,郭士纳先生也未必知道自己后来将因为所谓的15年周期定律被我们频频说起。大家抽空用中文悄悄交换着刚听到的传奇般的雅虎和免费的E-mail空间,真正在听郭士纳滔滔不绝讲解的,其实只有我这个翻译。
  在我第一次走进五星级饭店洗手间的时候,知道了传感器原来离我这么近。其实传感器的开发和使用有很多年了,但是给传感器附加通信功能,组成自组织、自我协同的智能化网络系统,是近十年才取得的巨大进步。在“智慧尘埃”之后,无线传感网的概念迅速拓展到民用当中。在一个无线传感网中,大量的传感器等微型化计算设备通过无线多跳网络自组织连接在一起,完成持续环境监控和大规模数据采集的任务,填补计算世界里数据来源这个木桶短边。
  
  传感网怎么了?
  
  世界范围内,无线传感网的应用很广泛,加州大学伯克利分校的大鸭岛动物监测与红木监测、哈佛的火山遥感、麻省理工的河流监控,都进一步推动了自组织传感网领域研究的热潮。国内外研究取得了显著进展,无线传感网应用延伸至众多领域,包括军事、工业控制、环境观测、生态安全、数字生活、交通监控。但是,综观国际上比较有代表性的无线传感网系统(见附表),不难看出,当前实际系统可达的规模和运转寿命,与当初无线传感网被提出时的目标相去甚远。我们曾经设想的传感网,都是成千上万的节点,不论是面向路由的还是边界检测的,存在的意义都是庞大规模下的系统; 而残酷的事实是,目前的传感网且不论真实系统,连演示系统都停留在“百”这个量级上; 网络存活的时间,更是短得看不到优势。我们不得不思考一下,大规模长期部署的无线传感网系统到底面临什么挑战?
  说到这里,明眼的读者可能会立刻问我一个尖锐的问题: 什么是大规模?因特网上亿节点,手机网也是上亿的节点,从广义上说都可算是传感网,到了你这里怎么“千”就成了大规模了?原来的方法就不好用了?
  
  这是个非常好的问题,也非常难以用几句话说到点子上,我试着用一个也许不大恰当的比喻解释一下。在自组织网络里,没有中心节点,通信又是多跳的,国际上认为几百个就是大规模了。这就好比国庆表演集体操,如果事先演练好了,大家按流程来,几万人跳整齐了也不算太难的事。如果事先没有演练,而是由某个人来指挥,大家都能直接听得见他的号令(类似单跳无线网络如移动手机网的情形),跳整齐了也不是多难的事。然而,事先没有演练,而指挥人不能同时给所有人发出他们直接听得见的号令,只能发给身边的几个人再慢慢一个个传开,临时碰上各种情况大家还要商量着来,那么可以想象要保证几百人整齐操练是多么困难。
  
  “绿野千传”
  感知林业
  
  为了探寻大规模自组织网的挑战的根源和解决方案,我们发起了“绿野千传”项目。当时提出了3个“1”的决心,即在一个野外的真实环境,部署超过一千个节点的无线传感网系统,连续运转一年以上。
  为什么选择了林业为应用背景呢?一方面,林业在可持续发展战略中占据重要地位,在生态建设中居于首要地位,在西部大开发中也意义重大,在应对全球气候变化中,更是战略选择。2007年9月8日,胡锦涛主席在悉尼APEC非正式会议上提出了“森林方案”,强调通过森林的恢复和增长,增加碳汇、减缓气候变化; 2009年9月22日在纽约G20气候变化峰会上,他提出用“森林碳汇”来减缓气候变化——发展林业是应对全球气候变化的战略选择。
  另一方面,林业应用是在森林这个复杂系统的背景下展开的,森林物种繁多、类型多样、分布地域广阔、生长周期长。林业应用在时间上要求同步性、持续性; 在空间上要求范围广、测点多,还要求维持较低的人力和设备成本。林学已有的技术和方法难以满足上述条件,遭遇了精确描述刻画系统结构与功能的的瓶颈。就拿碳汇来说,大家都知道森林能固碳,但到底什么样的森林固多少二氧化碳,都是大致的估算,世界范围内也没有非常准的测量。因此,探寻新技术、新方法势在必行。无线传感网低功耗、智能化自组织、大规模持续同步监测、低成本的诸多特点,是一个有效的解决林业应用瓶颈的可行方案。
  无线传感网与林业应用相结合,林业给予无线传感网技术足够强大的应用驱动力,而无线传感网的先进技术能给林业学科在研究方法和思维方式层面带来变革。基于这两点考虑,我们选择了林业作为着眼点。
  “绿野千传”的系统研发工作始于2008年下半年。到今天为止,前后参与这项工作的单位和人员除了香港科技大学,还包括浙江农林大学周国模教授、西安交大赵季中教授、杭州电子科大戴国骏教授、美国IIT李向阳教授、清华大学顾明教授、北京邮电大学马华东教授、哈工大李建中教授、同济大学蒋昌骏教授等。此外,这个项目还得到了自然基金委、科技部、国家林业局等单位专家直接或者间接的指导。2009年5月,项目组成功部署了一个120个节点的原型系统,到2009年10月,原型系统扩充至330个点,至今已经运转超过11个月(http://greenorbs.org/)。2009年8月,项目组在浙江省天目山脉实现了一个超过200个节点的实用系统,该系统至今已经连续运转超过8个月。
  为什么我们不一下子推到1000个节点呢?实际上,算上我们在浙江农林大学其他几个实验点部署的小型系统,总的节点数早已经超过1000个,通过Internet,它们之间的数据都是互联互通的; 而我们前前后后制造和测试的节点,已经超过2000个。但这还不是我们心目中真正的“千传”。虽然通过Sink(无线传感器网络网关、基站、接入点等)和Internet,它们之间可以交换数据,也可以被认为是一个系统,但是我们这里追求的,是要在一个Sink控制范围内的1000个节点。
  
  突破壁垒
  需直面三大挑战
  
  通过一年多以来的观察和对系统收集的大量传感网数据的分析,我们对当前无线传感网突破大规模应用壁垒面临的根本挑战有了一点认识,初步总结为三个主要方面。
  首先,无线传感网传输和感知两大功能不匹配。主要表现为两种形式。一方面,图像、声音、视频等数据可以利用对应的图像和声音传感器直接获取,但这类数据量大,且经常要求实时传输,要通过带宽非常有限的无线多跳网络传送,难度很高。另一方面,不同应用需要各种各样的传感器数据,比如在林业应用中,二氧化碳含量和光谱数据具有广泛用途,地震波强度数据在防灾减灾中意义重大。这类数据量小,较易于传输,但现实的难题是,可以提供这些数据且适用于大规模部署的低成本传感器尚未成熟。直白地说: 就是易感不易传、易传不易感。这个根本矛盾,直接导致无线传感网无法满足真实应用领域的感知需求。要解决这个矛盾,有若干关键问题亟待研究,包括设计高性能低功耗传感器以突破网络传输带宽瓶颈、设计与优化路由协议以提升可靠性和网络吞吐率,以及多模态数据融合和非确定性数据处理、异构传感网的体系结构和数据管理等等。我们把这个壁垒称作“传感失谐”。
  其次是网络管理方面的困难。与传统企业网络和因特网的节点多数在室内的环境相比,无线传感器节点经常在恶劣环境当中,风吹日晒、雪打雨淋。同时传感器节点的通信和计算资源极端有限,传统网络上类似SNMP类型的Agent汇报机制无法有效支持。更为严峻的是,传统网络即使断了,也比较容易判断是物理上断了,还是物理上仍然连接而是软件或者系统出了故障; 而在传感网这里,断了就是断了,很难找到问题根源,给修复带来巨大困扰。我们把这个困难称为“诊判失据”。
  第三,大多数现有研究工作都基于理想化的模型假设,比如UDG或者quasi-UDG模型,忽略了无线传感网运行过程中伴随的各种不确定物理因素和可能的环境动态性。例如,定位算法大多基于规则的信号强度到物理距离的映射模型,覆盖算法设计很多是采用各向同性的确定性的感知模型,拓扑控制对传输半径及其可控性做了很多假设,但实际上连拓扑边的存在与否都要依赖于对link评估方式的定义。由此产生的研究成果,当系统规模小的时候还不明显,一旦规模大了,立刻显现出巨大的反差,无法直接应用于指导和仿真实用系统。我们称之为“模型失用”。
  面临这些困难,我们当然有足够的理由怀疑传感网的实际应用到底还有多远。但是,不要紧,我们拍拍脑门想一想,如果把时间轴稍微拉得宽一点,很容易想到在不太远的未来,大多数日常物体都被连在网络上了,物理的Instrumented、互联的Interconnected、智能的Intellectual,应该就是这样的吧,有什么可以怀疑的呢?这样说来,我们今天做的探索,无论离正确还有多远,都在朝着未来走去。
  
  作者简介
  刘云浩毕业于清华大学自动化系,获工学学士学位; 在北京外国语大学获文学硕士学位; 在美国密歇根州立大学计算机系获得硕士和博士学位。目前刘云浩是香港科技大学计算机科学与工程系副教授、系研究生部主任(Post-Graduate Director),清华大学国家信息实验室特别研究员。
  
  联联看
  感知中国博览园5月1日开放
  感知中国博览园专业馆已于5月1日正式开放。感知中国博览园(传感网应用展示中心)占地面积230亩,分专业馆和综合馆,由震泽路、净慧东道、菱湖大道和清晏路合围而成。五大网络运营商、中国卫星以及华为、利奥等八家首批参展单位正陆续将它们独立的物联网解决方案布置在各自的展区。
  在国家电网展区中心,竖立着两个高大的电线杆塔,上面装着若干个传感器,分别感知温度、风向风速、日照、导线压力等参数,一旦有异常情况中心便能立刻知道。电线布点在四面八方,有的甚至在深山老林里,借助传感器能提高线路的输电质量,在不增加投入的前提下实现“动态增容”。
  在专业馆内,智能家居、智能厨房等更与人们生活息息相关。您下班回到家,只需坐在沙发上歇着,面前的茶几就能帮你完成开灯、开热水器等事情。这是一个“聪明”的茶几,上班离家就设置为“离家模式”; 回到家,打开“居家模式”,窗帘会自动拉上,吊灯、热水器、饮水机等就自动打开。看电视时,如果有人来访,电视屏幕上就会跳出个小窗口,直接看到门口的状况。智能幼儿园则充分考虑到了安全问题,通过传感器实现的实时监控连接到家中的机顶盒上,孩子在幼儿园里发生什么事情,家长都能知道。据悉,以后各类终端还能连到手机、互联网上。
  
  小天鹅物联洗衣机进驻世博馆
  小天鹅推出的新型物联网洗衣机已正式进驻世博会国家电网馆智能家电展区。入驻世博馆的小天鹅洗衣机,能通过电脑、移动终端等设备,实现洗衣机的远程控制、同时还能查询洗衣机的工作状态,通过控制系统传回洗衣机的相关信息。
  据了解,目前小天鹅已经开发了具有适应未来智能电网的物联洗衣机。该洗衣机除了实现物联远程控制之外,还可自动判断电网的波谷和波峰状态,适时调整洗衣机的运行状态,减少家电对于电网的干扰和影响,有利于提高电能质量和供电可靠性,同时也实现了洗衣机的高效使用。这无论是对用户还是社会而言,都将是具有非常重要意义的创新产品,新型产品或将于今年在美国率先上市,而这一技术,还可以应用于其他众多家电领域。
  
  手机按一按轻松找车位
  今年,一项名为“智能交通”的物联网技术将在福州鼓楼区试点,让车主无需再为找车位犯愁。
  近日,福州市公安局鼓楼分局局长黄作璋透露,今年内,鼓楼区将试行停车位“昼夜交换利用”的办法。例如,把一些单位的停车位在夜间开放,以缓解夜间闹市商圈停车位紧张的问题。但实现这个方案,除必须加强各单位的停车安全管理外,还要依赖技术手段,将停车位的数量变化及时汇总,并借助手机网络平台实时反馈给车主。
  去年12月份,福建省提出建设福州鼓楼物联网应用示范区,其中一项重要的举措———“智能交通”就包括“智能化停车”。
  据鼓楼区数字办有关负责人介绍,鼓楼区内很多停车场都有智能停车系统。就像高速路进出口一样,按一下智能停车岗的按钮,就会吐出一张停车卡,出门时,只要刷一下卡,停车场门口的电子杆就会自动竖起,停车场内车位的数量随着车辆的进出不断变化,实时统计到该停车场的数据库。而所谓的智能停车,就是通过鼓楼区各停车场的智能停车管理系统,统计出各停车场内的车辆进出登记数据,再把这些数据及时汇总,反馈到互联网或无线网络平台上。这样一来,车主只要在出门前或是到达目的地前,打开手机上网,就能查到整个鼓楼区内各停车场还有多少空车位。
  据了解,这项工程预计今年年底可正式启用。
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