南水北调背后的智能化力量

2018-01-13 11:57:25 来源：腾讯科技

　　中国的大规模南水北调工程是一次工程学上的壮举，令全世界叹为观止。这一项目共开凿了 3 条人工运河，每条长度超过 1000 公里，3 条运河如今分处于不同的完成阶段，负责把水从中国多雨的南方地区运到干旱的北方地区。

　　南水北调的中线工程，一直由庞大到令人惊叹的物联网网络默默监控。1400 公里的水道上散布着 10 万多个传感器，连接着丹江口水库与京津两地。在过去的一年中，这些传感器一直在扫描中线运河的结构损坏，跟踪水质和流速，同时监视运河的「入侵者」们——无论是人类还是动物。

　　「该系统每日惠及 5000 多万人，这还没算上运河沿岸的居民，」系统物联网网络技术总监杨旸说到，他同时也是中科院上海微系统与信息技术研究所无线传感网与通信重点实验室的实验室主任。杨旸介绍到，他们在该物联网工程中积累的成功经验可以被应用到其它大规模基础设施项目中，比如南水北调的东西线工程，也可以应用到摩天大楼玻璃外墙监控等相对较小的工程中。

　　这一物联网工程规划始于 2012 年。杨旸和他的团队，包括国科学院物理系副教授张武雄博士，花了两个星期的时间勘察了运河全段，对需求做出评估。

　　他们发现了许多严峻的挑战。运河流经的区域属于地震多发区，自然灾害非常容易损害基础设施建设。需要人为控制水流以避免浪费水资源。还需要定期检查水质，以确保污染物或毒素不会进入城市饮用水供应系统。在一些地区，当地村民会爬上篱笆钓鱼或在水中游泳，这些行为造成了安全隐患。

　　杨旸及其团队将面临的挑战分为三大类：基础设施、水质和安全。经过一番讨论后，他们决定在运河沿线安装 130 多种不同类型的联网传感器。基础设施传感器被嵌入在运河附近的土地中、混凝土护坡和桥梁中，以及用来控制水流的 50 座水坝中，用来测量应力、应变、振动、位移、土压力和渗水等参数。

　　运河上安装的联网传感器包括：摄像机（左）、入侵检测传感器（右上）和水位传感器（右下）。

　　测量水质和流速的探头被安装在桥梁底架的钢支撑柱上。运河沿线每隔 500 米安装有一个摄影机。

　　这些传感器带来了一个问题：收集到数据之后，如何将它们发送出去？虽然运河的一些路段可以用光纤互联网来连通，但不是所有区域都如此，且一些地方位置偏远，那里的蜂窝网络服务时好时坏，或根本就不存在。为了解决这个问题，杨旸和他的团队开发了所谓的智能网关（Smart Gateway），从本地传感器连续接收数据，然后使用当前可得的任何信号将其传输到云服务器。这种云服务器可能是光纤、以太网、2G、3G、4G、Wi-Fi 或 ZigBee。

　　「智能网关可以学习与云服务器的连接的可用性。在成功传输一次之后，它在下一次就会跟踪该网络，不成功再尝试使用另一个网络。」张武雄说。

　　智能网关将单个传感器收集到的数据传输给 47 个区域分支服务器之一，例如位于河北省沂水北部的这个控制室。

　　智能网关会定期向最近的服务器发送数据，它可能是运河沿线的 47 个区域分支服务器中的任何一个。在正常情况下，传输时间间隔为 5 分钟、32 分钟或每天一次，这取决于该地区的位置和水资源情况。如果发生地震或化学泄漏等特殊事件，数据将被即时连续地发送到云端。数据将在云端被存储起来，或被转发到五个管理服务器（位于丹江口水库和北京之间的几个省级城市）中的任意一个，最终到达北京的主服务器中心。

　　杨旸和他的团队设计了一个网页平台和用户界面，允许服务器站的工作人员通过网站读取数据，并对任何类型的警报作出响应，也使北京的中央管理团队能够随时了解远程站点的最新情况，并及时做出正确的决策。张武雄说，由于该网络是与万维网相隔离的，因而受到外部黑客攻击的风险更小。

　　「对我来说，这是物联网在关键基础设施应用方面的一个绝佳案例，」IEEE 物联网活动委员会主席兼互联网安全咨询公司 Open Tech Works 总裁 Adam Drobot 说道。「你在一开始就建立好防护措施，不用事后再亡羊补牢。」

　　杨旸说，南水北调工程所面临的最大挑战，是在黄河下方建造一条长约 4 公里、直径约 7 米的巨大隧道。他希望最终可以利用水下机器人来更有效和高效地对其进行监测。

　　杨旸还致力于将更多在实验室开发的物联网技术转变成新的产品和服务。例如，他的团队正在开发一个物联网网络，用来监控摩天大楼玻璃幕墙的完整性。如果玻璃面板变得脆弱或出现裂缝，物联网就能够感觉到并通知维修人员，还可以告知他们所需更换的玻璃面板的确切大小和形状，从而面板破裂或掉落之前进行维修。

　　「现在，传感器正变得越来越丰富，技术手段也越来越多样，智能化环境的发展空间也会越来越大，」杨旸如是说。

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