歐洲智慧城市中的物聯(lián)網(wǎng)與參與式感知

滕以寧+王文東

摘要：認為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和參與式感知是通過無線傳感器和移動傳感器，從環(huán)境和智能傳感應(yīng)用中獲取數(shù)據(jù)的技術(shù)。在歐洲國家，物聯(lián)網(wǎng)和參與式感知已應(yīng)用在很多領(lǐng)域，市場發(fā)展迅猛。在瑞典，以智慧城市為目標，并注重節(jié)能的綠色物聯(lián)網(wǎng)工程正在實施。在該工程中，提出了一個結(jié)合綠色網(wǎng)絡(luò)、智慧感知和云計算技術(shù)的綠色物聯(lián)網(wǎng)解決方案，以解決更具有交互性和響應(yīng)性的城市管理問題。通過對兩款針對醫(yī)療和安全駕駛參與式感知應(yīng)用的介紹，認為智慧城市應(yīng)用需要結(jié)合從不同的來源得到的感知數(shù)據(jù)，以正確地提取特征并預(yù)測未來。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)；參與式感知；智慧城市

在世界大、中型城市中，機動車輛的尾氣排放已經(jīng)成為主要空氣污染源。許多大型城市正遭受嚴重的空氣污染和溫室氣體排放（GHC），交通擁堵使情況更加惡化?？紤]到這些情況，歐盟正在向信息、通信和技術(shù)（ICT）行業(yè)的研究和創(chuàng)新投資，并且以歐洲20-20-20為目標建立制度以提高生活質(zhì)量、確保城市可持續(xù)發(fā)展。

思科公司認為許多組織正在使用由物聯(lián)網(wǎng)（IoT）相連接的物理對象，即物聯(lián)網(wǎng)[1]。國際數(shù)據(jù)公司（IDC）預(yù)測，截止2020年，將有300億連接的（自知式）事物成為物聯(lián)網(wǎng)的一部分。三分之一的公司正在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域積極探索。預(yù)計在2020年，物聯(lián)網(wǎng)潛在市場規(guī)模將達到3萬億美元[2]。諸如思科和IBM這樣的大公司認為：公共部門持續(xù)增長的探索物聯(lián)網(wǎng)科技的需求和興趣能改善交通運輸、減少污染和耗能，并且可以為管制提供數(shù)據(jù)。

1 歐洲的智慧城市

互聯(lián)網(wǎng)使信息共享實現(xiàn)了迅速增長，愛立信公司預(yù)測：智能設(shè)備的連接量在5年內(nèi)將達到500億?；谶@一物聯(lián)網(wǎng)模式，信息社會為個人、社會以及企業(yè)提供了獲取大量信息的新機遇，并且為創(chuàng)造更清潔的環(huán)境，降低能耗，提高社會效率引入了新的應(yīng)用和服務(wù)。瑞典馬爾默的Hyllie智能網(wǎng)絡(luò)就是一個利用手機和智能儀表調(diào)節(jié)能源消耗[3]來增加分離控制以及提高能源效率的典型例子。智能電網(wǎng)和智能能源的解決方案使得人們能夠測量、監(jiān)控并影響自身能耗并且獨立地生產(chǎn)能源。

目前，城市面臨著各種各樣的挑戰(zhàn)，包括就業(yè)問題、經(jīng)濟增長、環(huán)境可持續(xù)性和社會適應(yīng)力等。鑒于這些趨勢，了解我們在互聯(lián)網(wǎng)演進中所處位置對未來的城市規(guī)劃至關(guān)重要。歐洲的智慧城市從公共領(lǐng)先行業(yè)和工業(yè)界中衍生出來，是其發(fā)展的必然趨勢。信息社會正迅速成為城市規(guī)劃者、建筑師、開發(fā)商、交通運輸商以及公共服務(wù)的核心支柱。從公共部門領(lǐng)導的角度看，城市可以被看作是構(gòu)建清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展社會的互聯(lián)網(wǎng)縮影。在阿姆斯特丹，已經(jīng)啟用了以網(wǎng)絡(luò)為連接的LED街道照明系統(tǒng)[4]來減少城市的能源消耗和成本。在美國，思科以及芝加哥的一系列公共或私人的利益相關(guān)者已經(jīng)在推進智能社區(qū)建設(shè)，以改善周邊服務(wù)和生活質(zhì)量[5]。

根據(jù)全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會（GSMA）的報告，由于政府優(yōu)先發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)，中國的物聯(lián)網(wǎng)市場很快達到了空前的規(guī)模。中國政府計劃在該領(lǐng)域投資至少6千億美元。機動車輛的尾氣排放已經(jīng)成為了中國大中城市空氣污染的主要來源。根據(jù)2013年公安部的報告，2012年中國汽車的數(shù)量已經(jīng)達到了2.4億。中國私家車所有者和使用者的數(shù)量在快速增加。因此，許多中國大城市遭受著嚴重的空氣污染（如一氧化碳、氧化氫、碳氫化合物和顆粒物）以及溫室氣體排放（GHC），交通堵塞使得這些問題變得更加嚴重。世界觀察研究所的一項新研究顯示，空氣污染對人類健康、環(huán)境、經(jīng)濟有嚴重的影響。

由于空氣污染問題并無國界限制，所以加強國際合作至關(guān)重要。例如，歐洲經(jīng)濟共同體和歐洲經(jīng)濟委員會共同簽署了條約，以減少污染物的跨境流動[7]。在荷蘭，新的發(fā)現(xiàn)表明：主干道附近的空氣污染（超細顆粒、可吸入顆粒物、臭氧、氮氧化物等）要比城市地區(qū)的一般污染對健康產(chǎn)生的不利影響要大得多。研究還表明：空氣污染與交通之間還有著密切的相關(guān)性。對于更好的交通管理和污染控制而言，物聯(lián)網(wǎng)解決方案是監(jiān)測空氣污染和城市交通的有效方式。

根據(jù)理特管理顧問有限公司顯示：瑞典現(xiàn)已有900萬個在線設(shè)備，并預(yù)測到2017年將會達到2 300萬。相同的報告指出：北歐國家在線產(chǎn)品和服務(wù)市場的迅速發(fā)展已處于前沿水平。在未來3年內(nèi)，北歐物聯(lián)網(wǎng)市場預(yù)計以兩倍的增長速度超過全球市場。到2017年，瑞典市場預(yù)計將增長到20億歐元，北歐市場增長到61億歐元。與之相連的汽車和消費品在北歐地區(qū)的增長最為強勁，年增長率分別為47%和42%。如果物聯(lián)網(wǎng)市場之前主要是受企業(yè)解決方案需求的驅(qū)動，那么這一點似乎會發(fā)生改變，因為越來越多的消費者友好型解決方案正變得可用。根據(jù)調(diào)研公司的國際業(yè)務(wù)監(jiān)控，瑞典電信的報告表明瑞典電信市場是世界上最為先進的市場并且在機器對機器（M2M）連接以及長期演進（LTE）數(shù)量上處于領(lǐng)先地位[8]。

2 瑞典的綠色物聯(lián)網(wǎng)工程

瑞典為互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施做出了相當大的努力，因此嵌入和參與式感知技術(shù)為我們建立信息社會的ICT區(qū)域性及世界范圍的解決方案提供了競爭力。綠色物聯(lián)網(wǎng)是一個以智慧城市為目標，注重節(jié)能的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新研究工程。這個工程已經(jīng)得到瑞典政府和工業(yè)界約20億瑞典克朗（約200萬歐元）的支持，用于讓烏普薩拉在未來兩年向智慧城市轉(zhuǎn)型。烏普薩拉是瑞典的第四大城市，是一個古老的大學城。1477年建立的烏普薩拉大學在科學研究和教育領(lǐng)域也有著悠久的歷史。在綠色物聯(lián)網(wǎng)工程領(lǐng)域，烏普薩拉大學與烏普薩拉市、瑞典皇家理工學院、瑞典計算機科學研究所、愛立信研究院、IBM和3個中小型企業(yè)合作為城市可持續(xù)發(fā)展建立一個完備的綠色物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

在這項工程中，我們建立一個結(jié)合綠色網(wǎng)絡(luò)、智慧感知和云計算技術(shù)的綠色物聯(lián)網(wǎng)解決方案，以解決更具有交互性和響應(yīng)性的公私城市管理問題。綠色物聯(lián)網(wǎng)平臺能提供一個支持諸如環(huán)境監(jiān)測、交通運輸、工業(yè)進程優(yōu)化和家庭安全的大范圍、具有普遍性的ICT解決方案。在烏普薩拉市的驅(qū)動下，我們將建設(shè)并展示作為市空氣污染監(jiān)控和交通規(guī)劃測試平臺的綠色物聯(lián)網(wǎng)。因為烏普薩拉的參與程度始終遠超歐盟的標準，其目標之一就是通過主動監(jiān)控、交通規(guī)劃和城市規(guī)劃減少空氣污染。

現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)很大程度上歸功于硬件、軟件和協(xié)議的設(shè)計。但是，如何從智能設(shè)備產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)中提取出有價值的信息已成為物聯(lián)網(wǎng)面臨的主要挑戰(zhàn)（亦被稱為“大數(shù)據(jù)”問題）。綠色物聯(lián)網(wǎng)解決方案利用云計算支持智能數(shù)據(jù)管理，同時整合綠色網(wǎng)絡(luò)和感知技術(shù)以支持節(jié)能和可持續(xù)性運作。烏普薩拉的綠色物聯(lián)網(wǎng)平臺將會向公眾開放并向工業(yè)界的新感知設(shè)備測試提供支持。由該平臺上智能設(shè)備產(chǎn)生的傳感器數(shù)據(jù)將促進創(chuàng)新性應(yīng)用的發(fā)展。

綠色物聯(lián)網(wǎng)工程的一個主要目標就是為環(huán)境感知系統(tǒng)提供一個完整的解決方案，該方案能夠開放環(huán)境數(shù)據(jù)并提供相關(guān)實驗平臺，還可以支持城市可持續(xù)發(fā)展和交通方面的規(guī)劃，如圖1所示。該綠色物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)將依據(jù)烏普薩拉的測試平臺進行操作，該傳感系統(tǒng)和應(yīng)用平臺的建設(shè)基于獨特技術(shù)，可以提供不同層面上的開放接口，并可以保證能源和資源效率及應(yīng)用程序的獨立性。四維可視化方法可以集成實時反饋的傳感器數(shù)據(jù)，以支持智慧城市的仿真。測試平臺和公開的數(shù)據(jù)可以使得三方建立并實驗?zāi)軌蛳驀H市場出口的新傳感產(chǎn)品和服務(wù)，如圖2所示。

3 智慧城市的參與式感知

物流網(wǎng)技術(shù)的傳感和移動設(shè)備可以從環(huán)境和人類活動中收集數(shù)據(jù)，以支持智慧城市中的應(yīng)用。固定和移動傳感器的結(jié)合能有效提升傳感器的覆蓋、傳感數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并能減少能耗[9-11]。目前，移動傳感器的運用越來越廣泛。例如，大范圍的傳感器和通信模型都已在智能手機上安裝。智能手機上的GPS能夠在城市中監(jiān)控行車位置、預(yù)測交通流量和行程時間。在歐洲，傳感器被安裝在巴士和有軌電車上以監(jiān)控城市中的空氣質(zhì)量[12]。由移動傳感器在不同時間和地點收集到的傳感器數(shù)據(jù)匯總后可以用來建立用于城市規(guī)劃的城市空氣污染地圖。參與式感知亦可以被用來提供個人服務(wù)，如路徑規(guī)劃和衛(wèi)生保健服務(wù)。

瑞典位于高緯度的北方，居民受到的日常光照等級有著比較大的變化，人們受季節(jié)影響較多。智能手機上的先進傳感技術(shù)能夠無干擾縱向監(jiān)控用戶的狀態(tài)，收集到的數(shù)據(jù)使得健康衛(wèi)生專家和個人診斷、糾正季節(jié)性成為可能?，F(xiàn)在大部分智能手機都裝備了位置傳感器，如，GPS、移動傳感器（加速度計和陀螺儀）和光傳感器，利用這些傳感器我們可計算人們的位置、活動和曝光量。我們設(shè)計并開發(fā)了一個個人移動傳感系統(tǒng)——SADHealth，該系統(tǒng)可以用來偵測個人的曝光量、情緒和活動等級。它包括了一個可以收集并分享由智能手機交付數(shù)據(jù)的移動應(yīng)用和云平臺，如圖3所示[13]。我們還實施了一個讓大量用戶測試系統(tǒng)功能和性能的實驗，該實驗歷時兩年時間。由結(jié)果可以看出，我們可以利用智能手機上的光傳感器精確地監(jiān)測個人的曝光量。傳感器數(shù)據(jù)可以幫助每個人監(jiān)控他們不同季節(jié)的健康狀況并為提升健康水平提出建議。收集到的數(shù)據(jù)可以幫助研究人員量化學習、分析季節(jié)與健康的關(guān)系，如圖4所示。

我們還將移動感知技術(shù)應(yīng)用在汽車上來提高行車安全。安全駕駛一直以來都是避免傷亡和珍惜生命的重要課題。研究顯示：人們的失誤是造成交通事故的主要原因[14]。在歐洲，統(tǒng)計顯示：10%～20%的交通事故都是由于司機疲勞駕駛或消極情緒造成的警惕性下降引起的。適當?shù)剡x擇音樂可以放松身心，也可以提升駕駛表現(xiàn)。在與英屬哥倫比亞大學的合作中，我們研發(fā)了一個名為SAfeDJ的移動傳感平臺，它可以偵測駕駛員的情緒并自動為其選擇合適的音樂。當與車內(nèi)傳感器（如OBDII掃描儀）和智能手機的攝像頭相結(jié)合時，系統(tǒng)可以監(jiān)控駕駛員的表現(xiàn)和他們的疲勞度等級。收集到的數(shù)據(jù)將被傳向?qū)崟r狀態(tài)分析模塊，以推斷駕駛員的情緒并推薦合適的音樂。這款應(yīng)用也能讓駕駛員向其他人共享路況信息數(shù)據(jù)并為特殊的駕駛狀況推薦音樂[15]。

參與式感知系統(tǒng)使我們能夠通過移動智能終端系統(tǒng)收集傳感數(shù)據(jù)，從而達到認識環(huán)境或完成某些特定的任務(wù)的目的?；谖恢玫姆?wù)正變得越來越流行，但GPS定位也會產(chǎn)生大量的能耗。為了克服這個挑戰(zhàn)，我們研究了在多移動設(shè)備參與式感知中的協(xié)同定位服務(wù)。這些移動設(shè)備輪流打開它們的GPS并與周圍的移動設(shè)備共享位置數(shù)據(jù)。這個機制通過避免一直打開GPS而使移動設(shè)備節(jié)約大量能量。我們設(shè)計了一種協(xié)同定位機制中參與者選擇的機制，該機制能夠通過兩個新穎的算法達到協(xié)同定位機制中的總體耗能的最優(yōu)。實驗結(jié)果顯示：我們提出的協(xié)同定位機制能夠節(jié)省全網(wǎng)多達88%的能量[16]。

4 結(jié)束語

智慧城市在歐洲是一個具有優(yōu)先度的研究領(lǐng)域，它集結(jié)了工業(yè)界和學術(shù)界等共同研究的，可以使生活質(zhì)量提高的可持續(xù)、一體化解決方案。文章介紹了我們在瑞典的綠色物聯(lián)網(wǎng)的研究項目，并介紹了SADHealth和SAfeDJ兩款用于季節(jié)性健康監(jiān)控和提升駕駛安全的移動傳感應(yīng)用，這兩款應(yīng)用都運用了移動傳感和云計算來收集和分析感知數(shù)據(jù)，以偵測趨勢并智能地做出選擇。我們相信，大數(shù)據(jù)分析將會是未來智慧城市的一個主要趨勢，智慧城市應(yīng)用需要結(jié)合從不同來源得到的感知數(shù)據(jù)，以正確地提取特征并預(yù)測未來。另一個重要的問題關(guān)于無線傳感器和移動設(shè)備的節(jié)能，隨著城市中移動電話和傳感器的不斷增多，我們預(yù)測更多的協(xié)同傳感和計算可能將會投入使用以減少能耗。

致謝

感謝在瑞典創(chuàng)新局綠色物聯(lián)網(wǎng)項目中與我們共事的瑞典合作伙伴，在英屬哥倫比亞大學通過STINT獲得啟動資助的國際合作伙伴，以及在北京郵電大學就參與式感知和智慧城市項目共事的合作伙伴。

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