论文部分内容阅读
试想一下高速公路可以及早提醒驾车人士交通拥堵，桥梁可以报告何时面临倒塌的危险，或者电网遇到停电时可以自我恢复。
这个蓝图被称为“智能”基础设施，有望提高整个国家的生产力和竞争力，同时保护环境、拯救生命。更不说可以省钱了，因为它让我们现有的基础设施更高效地运作、少出故障。
智能基础设施的支持者们警告，如果不进行升级改造，整个国家可能在未来几十年仍然沿用原来的建造方法。
美国智能交通协会（Intelligent Transportation Society of America）是一家大力推广智能道路技术的组织。该协会主管政府事务的副总裁Paul Feenstra说：“目标不是仅仅为项目提供资金，以获得短期促进就业的好处，而应该是建造从长远来看提高生产力的智能化系统。”
支撑智能基础设施的是传感器、无线通信和计算能力等，互联网将这几个方面紧密地联系起来。这样一来，技术界巨头（IBM、通用电气公司及其他公司）在不遗余力地建造智能基础设施，众多民间规划人员和研究人员加入这个阵营，也就不足为奇了。
不过，尽管各大公司支持这类项目，不太可能立马获得成效。一些智能技术项目“随时准备动工”，部署起来可能相当快，而许多技术还是处于测试或开发阶段，可能至少五年内无法到位。
考虑到这一点，不妨看一下哪几种技术进步有望将我们用了几十年的基础设施带到新的智能化程度。
智能交通
交通堵塞降低了员工生产力，延迟了货物发送，增加了耗油量，加大了空气污染，实在很烦人。
几十年来，专家们认为，治理交通堵塞最有效的方式是采用智能交通系统。比如测流量的路边传感器以及控制车流量的同步交通信号灯。但这些技术的普及受到成本的制约。现在有望改变这一切。
一个大有希望的途径是发布路况、交通堵塞及其他路况方面的信息。人们可以借助谷歌地图等服务，越来越方便地在网上找到这些数据。但是下一代技术有望将这些数据、甚至更详细的信息直接发送给驾车人士。有了这些信息，驾车人士就能更合理地决定走哪些路线，这会给交通带来重大的积极影响。
第一步是收集车流量方面更准确的数据。美国加利福尼亚州交通局（Caltrans）已在旧金山湾区的几条高速公路两边安装了无线电接收器，可以读取过往车辆里面的电子收费标签。加州交通局使用这些信息，就能跟踪每一辆车的速度，确定从一个点到另一个点的行程时间。然后，行程时间会发布在电子路标上。
最终，来自路边传感器的数据有助于交通控制人员把司机引到其他可供选择的出行路线：搭乘巴士或列车是不是比走高速公路还要快？为此，加州交通局和湾区的大都会交通委员会正在测试旧金山南部的三种电子路标。除了高速公路行程时间外，路标还显示了搭乘加州列车（Caltrain）的预定行程时间和到达时间。司机就能知道，如果驶离车流量大的公路，前往车站，搭乘列车，是不是更合理。
将来，除了最近车站空闲停车位的数量外，规划人员打算还显示实时的列车行驶时间和到达时间。
缓解堵塞的另一种方法是及早预测交通堵塞。IBM开发出了软件，可以分析当前交通模式，最多提前45分钟预测堵塞状况。该系统已在新加坡进行测试，事实证明预测中央商务区的车流量和行驶速度时，准确性可达到90%左右。然后，这些信息用于调整1700组交通信号灯，确保车流量平稳。
一些研究人员正在应对造成交通堵塞的另一个根源：交通事故。缩短撞车后清理道路所用的时间有助于缓解交通堵塞。减少事故数量那就更好了，可以减少伤亡以及与事故有关的成本。
这时，一种名为车辆基础设施一体化（VII）的概念应运而生。这种系统可以让道路、交通信号和车辆彼此联系，自动共享重要信息，关键在于使用一系列技术，比如GPS导航、无线通信、先进的传感器和车载计算机。比如说，遇到事故的汽车可以将撞车时间、地点和严重程度等方面的信息，自动发送给道路两旁的接收器，然后接收器就能自动调派应急车辆。
加州交通局在测试一种左转信号，系统检测到某辆车从对面方向迅速驶近时，就会闪现一个带斜杠的大大的红色箭头。眼下，箭头只在路标上面闪现；目的是可以将警告信号直接发送到转向车辆上。
智能电网
美国电网大概是20世纪最重要的科技成果之一。然而，智能化程度相当低。电力单向传送，而电力公司获得的电力如何使用方面的信息少之又少。电网在处理来自风力发电场等非传统能源的电力时差强人意。
新技术有望为电网系统大大提高智能化程度。
第一步是安装先进电表，可以将源源不断的信息发回给电力公司。有了先进电表，就可以远程抄表，更精确地确定停电位置。它们还让用户得以更详细地了解用电情况。
总部位于休斯顿的CenterPoint能源公司已经准备在五年内安装200万多只智能电表。在历时两年的技术测试期间，消费者可以打开门户网站，每户家庭主要家电的耗电情况一目了然。消费者还可以算出不同情况下的电费。在夏季，如果将房间温度调到24度而不是20度，会有什么影响？如果将夏季电费控制在200美元以下，需要在哪些方面进行调整？
其次，新一代智能家电有望帮助消费者减少耗电量，并且帮助电力公司减轻对电网的压力。
在美国能源部太平洋西北国家实验室进行的一项测试中，华盛顿州和俄勒冈州的75户家庭领到了可以响应电流微小变动的热水器或干衣机。如果检测到电流频率变低——这是表明有可能停电的预警信号，这些家电就会自动减少耗电量。比如说，干衣机（惠而浦公司为该项目制造的一款特殊机型）会继续转动，但不散发热量。参与测试的家庭大多表示没有注意到用电量减少。
智能电网还有助于管理用得越来越多的风能和太阳能。由于这些非传统能源可能突增或突减，电力公司的操作人员只好迅速增加其他能源或迅速减少需求，以弥补不足。 夏威夷大学与当地电力公司和GE合作，最近启动了一个研究项目，测试各种智能电网技术如何处理风力发电。毛伊岛有一个大型风力发电场；风力突然减小时，该岛的总耗电量中多达15%的电量会从电网消失，得由来自矿物燃料发电厂的电力取代。
GE将部署这种可充电电池：风力很大时，可以储存电能；风力减弱时，又可以将电能送回到电网。研究人员还将测试可以由电力公司远程控制的智能电表和家电，以便必要时减少用电需求。
智能电网甚至在一定程度上具有自愈功能。如今，风暴将树枝刮落在电线上后，电力公司通常依赖客户来电话，找到损坏的部位，评估停电范围。CenterPoint公司正在测试装在电线沿路的特殊传感器和开关，它们可检测到通过电线的电流大小出现的突然变化。然后，电力公司可以迅速找到绕过故障部位的线路，几秒钟内为停电区的大部分区域恢复供电，减少受影响住户的数量。
智能桥梁
查找全美60万座桥梁存在的结构性问题基本上仍然需要目测，而目测可能缺乏一致性，费用高昂。工程师们表示，一种更好的办法是，使用传感器网络，以电子化手段持续监测桥梁结构。这些设备可以提供相关数据，比如桥梁在遇到车流量很大、大风或其他环境下状况如何。它们还能早在检测员察觉之前，发现可能很严重的问题。
以明尼阿波利斯取代2007年倒塌的I-35大桥的那座桥梁为例。新桥梁装有300多个传感器，可测量腐蚀、温度变化和冬季除冰对桥梁造成的影响。除了帮助交通部官员监控桥梁健康状况外，明尼苏达大学的研究人员还在分析数据，帮助设计出更能够应对各种压力的桥梁。
明尼苏达大学的土木工程学教授Catherine French表示，“我们想达到拥有真正智能桥梁技术的地步，还有很长一段路要走——到时桥梁可以告诉你哪里有问题，而不是仅仅收集数据供分析。”
智能供水系统
由于人口不断增长，全球气候变暖造成的农业和环境变化对淡水的需求越来越大，全球淡水供应以及管道、堤坝及其他水处理系统面临着巨大压力。但我们对那些系统的了解不够全面、不够及时。
以渗漏检测为例。在美国，市政供水中大约15%因渗漏、会计差错或其他未计费的消耗而损失。虽然用于检测并查找渗漏的技术已变得更先进，但这仍然基本上是个手动、费时的过程。整个供水系统检测下来可能需要好几周。
即将会出现什么新技术？来自英国初创企业Syrinix Ltd.的传感器可不断监测用来从水库和水处理厂往外引水的主要干线有无渗漏。该公司的传感器可测量通过水和管道本身的声波出现的微妙变化。如果检测到细小渗漏的声音——这可能会导致更重大的管路故障，相关信息就会通过高速电话线传送，系统会自动发送电子邮件或文本消息提醒。该系统目前部署在伦敦和伯明翰的大约16英里长的管路。监测的部分还没有出现任何渗漏现象。
另一个重大研究领域是保护堤坝，尤其是在卡特里娜飓风过后。荷兰政府在开展一项计划，积极防备海平面上升和大风暴频发。为此，几个政府部门和几家企业用智能堤坝建立了一个测试场地——这个堤坝上面装有众多传感器，可以测量水位、水压变化、地面运动和堤坝状况。研究人员有意破坏堤坝后，堤坝生成了大量数据，最终可以用来及早预测故障。
IBM公司参与了荷兰的这个测试项目，绿色创新工程副总裁Sharon Nunes说：“如果你能在物理基础设施上搭建智能基础设施，就可以在一定程度上获得堤坝方面的深入信息，更清楚地了解要不是撤离人员或其他什么。”
该公司正与纽约州北部的环境研究组织Beacon Institute合作，开展另一个水管理项目。研究人员在致力于搭建一个传感器网络，以便收集和监测哈得逊河方面的数据。该项目之前测试了第一个浮动传感器平台，计划最终将设备部署在长达300英里的整段河道。
比如说，Beacon Institute的首席执行官John Cronin表示，哈得逊河沿岸的发电厂抽取大量的水用于冷却，但在这个过程中，可能会杀死成千上万的条纹鲈鱼幼苗。所以，这些发电厂面临不小的压力，需安装造价不菲的新型冷却系统，以免抽取大量河水。
有了传感器网络，工作人员发现大批的条纹鲈鱼幼苗后，可以告知发电厂转而改由另一处发电，直到这些幼苗流过。因此，系统将保护这种鱼，又让发电厂没必要购置新设备。
Cronin说：“这是一种目前相应技术能力还没有跟上的智能生态系统管理。”有了传感器网络，“我们一只脚迈入了认识和保护生态系统的全新世界。”
这个蓝图被称为“智能”基础设施，有望提高整个国家的生产力和竞争力，同时保护环境、拯救生命。更不说可以省钱了，因为它让我们现有的基础设施更高效地运作、少出故障。
智能基础设施的支持者们警告，如果不进行升级改造，整个国家可能在未来几十年仍然沿用原来的建造方法。
美国智能交通协会（Intelligent Transportation Society of America）是一家大力推广智能道路技术的组织。该协会主管政府事务的副总裁Paul Feenstra说：“目标不是仅仅为项目提供资金，以获得短期促进就业的好处，而应该是建造从长远来看提高生产力的智能化系统。”
支撑智能基础设施的是传感器、无线通信和计算能力等，互联网将这几个方面紧密地联系起来。这样一来，技术界巨头（IBM、通用电气公司及其他公司）在不遗余力地建造智能基础设施，众多民间规划人员和研究人员加入这个阵营，也就不足为奇了。
不过，尽管各大公司支持这类项目，不太可能立马获得成效。一些智能技术项目“随时准备动工”，部署起来可能相当快，而许多技术还是处于测试或开发阶段，可能至少五年内无法到位。
考虑到这一点，不妨看一下哪几种技术进步有望将我们用了几十年的基础设施带到新的智能化程度。
智能交通
交通堵塞降低了员工生产力，延迟了货物发送，增加了耗油量，加大了空气污染，实在很烦人。
几十年来，专家们认为，治理交通堵塞最有效的方式是采用智能交通系统。比如测流量的路边传感器以及控制车流量的同步交通信号灯。但这些技术的普及受到成本的制约。现在有望改变这一切。
一个大有希望的途径是发布路况、交通堵塞及其他路况方面的信息。人们可以借助谷歌地图等服务，越来越方便地在网上找到这些数据。但是下一代技术有望将这些数据、甚至更详细的信息直接发送给驾车人士。有了这些信息，驾车人士就能更合理地决定走哪些路线，这会给交通带来重大的积极影响。
第一步是收集车流量方面更准确的数据。美国加利福尼亚州交通局（Caltrans）已在旧金山湾区的几条高速公路两边安装了无线电接收器，可以读取过往车辆里面的电子收费标签。加州交通局使用这些信息，就能跟踪每一辆车的速度，确定从一个点到另一个点的行程时间。然后，行程时间会发布在电子路标上。
最终，来自路边传感器的数据有助于交通控制人员把司机引到其他可供选择的出行路线：搭乘巴士或列车是不是比走高速公路还要快？为此，加州交通局和湾区的大都会交通委员会正在测试旧金山南部的三种电子路标。除了高速公路行程时间外，路标还显示了搭乘加州列车（Caltrain）的预定行程时间和到达时间。司机就能知道，如果驶离车流量大的公路，前往车站，搭乘列车，是不是更合理。
将来，除了最近车站空闲停车位的数量外，规划人员打算还显示实时的列车行驶时间和到达时间。
缓解堵塞的另一种方法是及早预测交通堵塞。IBM开发出了软件，可以分析当前交通模式，最多提前45分钟预测堵塞状况。该系统已在新加坡进行测试，事实证明预测中央商务区的车流量和行驶速度时，准确性可达到90%左右。然后，这些信息用于调整1700组交通信号灯，确保车流量平稳。
一些研究人员正在应对造成交通堵塞的另一个根源：交通事故。缩短撞车后清理道路所用的时间有助于缓解交通堵塞。减少事故数量那就更好了，可以减少伤亡以及与事故有关的成本。
这时，一种名为车辆基础设施一体化（VII）的概念应运而生。这种系统可以让道路、交通信号和车辆彼此联系，自动共享重要信息，关键在于使用一系列技术，比如GPS导航、无线通信、先进的传感器和车载计算机。比如说，遇到事故的汽车可以将撞车时间、地点和严重程度等方面的信息，自动发送给道路两旁的接收器，然后接收器就能自动调派应急车辆。
加州交通局在测试一种左转信号，系统检测到某辆车从对面方向迅速驶近时，就会闪现一个带斜杠的大大的红色箭头。眼下，箭头只在路标上面闪现；目的是可以将警告信号直接发送到转向车辆上。
智能电网
美国电网大概是20世纪最重要的科技成果之一。然而，智能化程度相当低。电力单向传送，而电力公司获得的电力如何使用方面的信息少之又少。电网在处理来自风力发电场等非传统能源的电力时差强人意。
新技术有望为电网系统大大提高智能化程度。
第一步是安装先进电表，可以将源源不断的信息发回给电力公司。有了先进电表，就可以远程抄表，更精确地确定停电位置。它们还让用户得以更详细地了解用电情况。
总部位于休斯顿的CenterPoint能源公司已经准备在五年内安装200万多只智能电表。在历时两年的技术测试期间，消费者可以打开门户网站，每户家庭主要家电的耗电情况一目了然。消费者还可以算出不同情况下的电费。在夏季，如果将房间温度调到24度而不是20度，会有什么影响？如果将夏季电费控制在200美元以下，需要在哪些方面进行调整？
其次，新一代智能家电有望帮助消费者减少耗电量，并且帮助电力公司减轻对电网的压力。
在美国能源部太平洋西北国家实验室进行的一项测试中，华盛顿州和俄勒冈州的75户家庭领到了可以响应电流微小变动的热水器或干衣机。如果检测到电流频率变低——这是表明有可能停电的预警信号，这些家电就会自动减少耗电量。比如说，干衣机（惠而浦公司为该项目制造的一款特殊机型）会继续转动，但不散发热量。参与测试的家庭大多表示没有注意到用电量减少。
智能电网还有助于管理用得越来越多的风能和太阳能。由于这些非传统能源可能突增或突减，电力公司的操作人员只好迅速增加其他能源或迅速减少需求，以弥补不足。 夏威夷大学与当地电力公司和GE合作，最近启动了一个研究项目，测试各种智能电网技术如何处理风力发电。毛伊岛有一个大型风力发电场；风力突然减小时，该岛的总耗电量中多达15%的电量会从电网消失，得由来自矿物燃料发电厂的电力取代。
GE将部署这种可充电电池：风力很大时，可以储存电能；风力减弱时，又可以将电能送回到电网。研究人员还将测试可以由电力公司远程控制的智能电表和家电，以便必要时减少用电需求。
智能电网甚至在一定程度上具有自愈功能。如今，风暴将树枝刮落在电线上后，电力公司通常依赖客户来电话，找到损坏的部位，评估停电范围。CenterPoint公司正在测试装在电线沿路的特殊传感器和开关，它们可检测到通过电线的电流大小出现的突然变化。然后，电力公司可以迅速找到绕过故障部位的线路，几秒钟内为停电区的大部分区域恢复供电，减少受影响住户的数量。
智能桥梁
查找全美60万座桥梁存在的结构性问题基本上仍然需要目测，而目测可能缺乏一致性，费用高昂。工程师们表示，一种更好的办法是，使用传感器网络，以电子化手段持续监测桥梁结构。这些设备可以提供相关数据，比如桥梁在遇到车流量很大、大风或其他环境下状况如何。它们还能早在检测员察觉之前，发现可能很严重的问题。
以明尼阿波利斯取代2007年倒塌的I-35大桥的那座桥梁为例。新桥梁装有300多个传感器，可测量腐蚀、温度变化和冬季除冰对桥梁造成的影响。除了帮助交通部官员监控桥梁健康状况外，明尼苏达大学的研究人员还在分析数据，帮助设计出更能够应对各种压力的桥梁。
明尼苏达大学的土木工程学教授Catherine French表示，“我们想达到拥有真正智能桥梁技术的地步，还有很长一段路要走——到时桥梁可以告诉你哪里有问题，而不是仅仅收集数据供分析。”
智能供水系统
由于人口不断增长，全球气候变暖造成的农业和环境变化对淡水的需求越来越大，全球淡水供应以及管道、堤坝及其他水处理系统面临着巨大压力。但我们对那些系统的了解不够全面、不够及时。
以渗漏检测为例。在美国，市政供水中大约15%因渗漏、会计差错或其他未计费的消耗而损失。虽然用于检测并查找渗漏的技术已变得更先进，但这仍然基本上是个手动、费时的过程。整个供水系统检测下来可能需要好几周。
即将会出现什么新技术？来自英国初创企业Syrinix Ltd.的传感器可不断监测用来从水库和水处理厂往外引水的主要干线有无渗漏。该公司的传感器可测量通过水和管道本身的声波出现的微妙变化。如果检测到细小渗漏的声音——这可能会导致更重大的管路故障，相关信息就会通过高速电话线传送，系统会自动发送电子邮件或文本消息提醒。该系统目前部署在伦敦和伯明翰的大约16英里长的管路。监测的部分还没有出现任何渗漏现象。
另一个重大研究领域是保护堤坝，尤其是在卡特里娜飓风过后。荷兰政府在开展一项计划，积极防备海平面上升和大风暴频发。为此，几个政府部门和几家企业用智能堤坝建立了一个测试场地——这个堤坝上面装有众多传感器，可以测量水位、水压变化、地面运动和堤坝状况。研究人员有意破坏堤坝后，堤坝生成了大量数据，最终可以用来及早预测故障。
IBM公司参与了荷兰的这个测试项目，绿色创新工程副总裁Sharon Nunes说：“如果你能在物理基础设施上搭建智能基础设施，就可以在一定程度上获得堤坝方面的深入信息，更清楚地了解要不是撤离人员或其他什么。”
该公司正与纽约州北部的环境研究组织Beacon Institute合作，开展另一个水管理项目。研究人员在致力于搭建一个传感器网络，以便收集和监测哈得逊河方面的数据。该项目之前测试了第一个浮动传感器平台，计划最终将设备部署在长达300英里的整段河道。
比如说，Beacon Institute的首席执行官John Cronin表示，哈得逊河沿岸的发电厂抽取大量的水用于冷却，但在这个过程中，可能会杀死成千上万的条纹鲈鱼幼苗。所以，这些发电厂面临不小的压力，需安装造价不菲的新型冷却系统，以免抽取大量河水。
有了传感器网络，工作人员发现大批的条纹鲈鱼幼苗后，可以告知发电厂转而改由另一处发电，直到这些幼苗流过。因此，系统将保护这种鱼，又让发电厂没必要购置新设备。
Cronin说：“这是一种目前相应技术能力还没有跟上的智能生态系统管理。”有了传感器网络，“我们一只脚迈入了认识和保护生态系统的全新世界。”