物联网助推环境监测信息化

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1、2010.11/ 世界电信Industry Application 行业应用 中国环境监测总站工程师谭丽 工业和信息化部电信研究院泰尔实验室夏骆辉 物联网助推环境监测信息化 物联网被誉为继计算机、 互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮， 2010 年 政府工作报告 中特别提出要 “加快物联网的研发应用” 。 物联网在环境监测方面已经进 行了重点污染源监控、 环境在线监控和环境卫星遥感等方面的应用， 是实现环境信息化 的重要形式， 极大地提高了环境监测手段。 物联网渐趋成熟 物联网概念从 1999 年美国麻省 理工学院首次提出，到 2009 年 8 月， 温家宝总理提出启动“感知中国” 建

2、 设， 经历了 10 年的发展， 物联网概念 逐渐清晰，建设目标更加明确（见图 1 ） 。 物联网在我国 2010 年 政府工作 报告中进行了这样的注释：“物联网 是指通过信息传感设备，按照约定的 协议， 把任何物品与互联网连接起来， 进行信息交换和通讯，以实现智能化 识别、 定位、 跟踪、 监控和管理的一种 网络。它是在互联网基础上延伸和扩 展的网络。” 物联网是由多学科高度交叉的新 兴前沿研究热点领域，它综合了传感 器技术、 嵌入式计算技术、 现代网络及 无线通信技术、分布式信息处理技术 等,能够通过各类集成化的微型传感器 协作地实时监测、感知和采集各种环 境或监测对象的信息，通过嵌入式系

3、 统对信息进行处理，并通过随机自组 织无线通信网络以多跳中继方式将所 感知的信息传送到用户终端。 物联网的架构可分为三层：感知 层、 网络层和应用层。感知层以 RFID、 传感器、 二维码、 GPS、 传感器、 终端、 传 感器网络等为主， 实现 “物” 的识别； 网 络层主要通过现有的三网 （互联网、 广 电网、 通信网） 或下一代网络， 实现对 感知层获取的信息进行传输和计算， 应用层是物联网与行业专业技术的深 度融合，与行业需求结合实现行业智 能化 （见图 2 ） 。 物联网未来需要重点研发、完善 的核心技术主要包括：无线射频识别 （RFID ） 技术、 泛在传感技术、 纳米嵌入 技术以

4、及智能运算技术。无线射频识 别是一种非接触式的自动识别技术,通 图 1物联网概念发展 1999 麻省理工 学 院首次提出物 联网的概念 中科院启 动 传感网的研究 1999 美国 技术评 论把传感网络 技术评为是未来 改变人类生活的 十大技术之首 2005 ITU 互联网 报告 2005： 物 理网 ， 首次正 式提出了物联 网的概念 2008 2008 年 11 月， IBM 提出 “ 智 慧 的 地 球” 概念 2009 2009 年 6 月， 欧盟提出针对物 联网行动方案 2009 年 8 月， 温总理提出高动 “感知中国” 建设 物联网概念发展 70 Industry Applicat

5、ion 行业应用2010.11/ 世界电信 过射频信号自动识别目标对象并获取 相关数据,可在各种恶劣环境下识别高 速运动物体并可同时识别多个标签； 传感技术的重点是利用各种传感器， 将现实世界中各种事物的变化进行量 化， 形成数据， 并通过各种技术手段传 送到指定的位置，而泛在传感更强调 的是 “泛在” ， 而要实现 “泛在” ， 则必须 利用纳米嵌入技术；纳米嵌入技术通 俗地讲就是用单个原子、分子来制造 物质和器件， 因此， 可以利用纳米嵌入 技术制造超微型的传感器，可以嵌入 到任何物品之中并对使用不造成影 响， 构建看不见的传感网络； 智能运算 需要泛在计算、 普适计算， 即无论何时 何地

6、，只要需要就可以通过各种设备 访问到所需的信息并实现智能化的计 算和控制。 物联网技术应用 提高环境监测手段 物联网技术应用到环境监测领 域， 将使我们实时、 准确、 连续、 完整地 获取到环境信息，在信息手段的辅助 下更加科学有效地管理环境，将对环 境问题由事后监管转为事先预防。目 前，物联网的相关技术已经应用到了 污染源监控、环境在线监控和环境卫 星遥感等方面，极大地提高了我国环 境监测手段。 污染源自动监控 重点污染源自动监控系统是在 1997 年西安市进行联网监控取得初步 成功的基础上，原国家环境保护局委 托开发的以污染源自动监控为核心内 容的环境监理信息系统。 2007 年年初， 为

7、全面完成主要污染物减排任务， 经 温家宝总理批准， 中央财政安排 20 亿 元资金专项用于建设科学完善的污染 减排指标、 监测和考核 “三大体系” ， 其 中之一是在占全国主要污染物工业排 放负荷 65%的企业约 7000 个重点排 污单位安装自动监控设备， 建设国家、 省、市三级 336 个重点污染源监控中 心，通过网络连接构成国控重点污染 源自动监控系统。目前，全国共建成 省、 市级污染源监控中心 306 个， 共对 12665 家企业实施了自动监控， 工作已 经从建设期转入运行应用期。 污染源自动监控系统由自动监控 设备和监控中心组成。自动监控设备 是指在污染源现场安装的用于监控、 监测

8、污染物排放的仪器、 流量 （速） 计、 图 2物联网架构分层 工业和制造业 环境保护智能交通运输智能建筑和家居 医疗公共事业 金融和服务 应用层 网络层 感知层 固定通信网络 移动通信网络 其他网络互联网 M2M 网关M2M 模组 RFID 读写器 RFID 标签 传感器网络 传感器 读码器摄像头 71 2010.11/ 世界电信Industry Application 行业应用 污染治理设施运行记录仪和数据采集 传输仪等仪器、 仪表。监控中心是指环 境保护部门通过通信传输线路与自动 监控设备连接用于对重点污染源实施 自动监控的软件和硬件。 环境在线监控 环境保护部从 1997 年开始环境 在

9、线监控系统的起步试验， 从 1999 年 开始第一次在全国范围内推广环境在 线监控系统， 在 2008 年又第二次在全 国 31 个省/自治区/直辖市、 6 个督查中 心和 333 个地级市部署国控污染源在 线监控系统，这些成果是物联网在环 保领域的规模建设和行业级实践。 图 3 所示为全国三级环境在线监 控互联互通的结构框架（源自环保部 污染源监控中心建设规范 （暂行） 环 函 【2007】 241 号） ， 该结构框架规定了 原始数据的流向和数据交换的方式， 环保部按此结构框架在全国 31 个省/ 自治区/直辖市、 6 个督查中心和 333 个地级市进行了部署。 从物联网的精确定义和环境在

10、线 监控的内涵来看，目前环保部在全国 开展的环境在线监控网是物联网在环 保领域的具体应用。环保总局环监发 （1999 ） 216 号文、 环监发 （1999 ） 220 号 文、环监发 （2000 ） 33 号文和环监发 （2000 ） 44 号文；环保部环函 （2009 ） 17 号文、 环函 （2009 ） 32 号文、 环办 （2009 ） 79 号文和环发（2009 ） 88 号文；以及 HJ/T212-2005 污染源在线自动监控 （监测） 系统数据传输标准和 HJ/T 352-2007 污染源自动监控信息传输、 交换技术规范等，都说明环保部是最 早开始物联网探索和实践并大力推进 的

11、单位之一。 环境卫星遥感 2009 年中国环境一号 A、 B 卫星 在轨交付。环境一号 A、 B 星均为光学 卫星， 拥有 CCD 相机、 热红外相机、 超 光谱成像仪等多种遥感探测设备， 具 有中高空间分辨率（CCD 相机空间分 辨率达到 30 米） 、 较高时间分辨率、 高 光谱分辨率，是目前民用卫星中最先 进的对地观测系统。环境一号卫星在 沙尘暴检测、区域生态环境动态变化 检测、 地震、 泥石流等环境风险排查方 面发挥了重要作用。卫星拓展了人类 监控视野，在物联网时代将成为构建 天地一体化系统的重要组成部分。 三方面问题亟待解决 虽然物联网在环境监测方面已经 有了一些应用，物联网时代的全

12、面到 来给环境保护和监测带来了美好的前 景，但物联网在环境监测领域进一步 发展仍有大量需要解决的问题。 环境传感器功能单一 对照物联网感知层、网络层和应 用层三个层面，环境监测的感知层包 括各种环境传感器、 在线监测仪器、 传 感器网络等，是制约物联网在该领域 应用的主要因素。目前， 各种环境传感 器功能仍比较单一、可以监测的污染 物不多， 可靠性不高； 各种在线监测仪 器主要以化学分析类的为主，大部分 依靠进口， 价格和维护成本较高。环境 监测的网络层主要依靠现有通信系统 实现，需要与电信运营商充分合作才 能发挥优势效果。环境监测对现有信 息通信的大量成熟先进的技术没有充 分应用， 并且对下

13、一代网络、 云计算等 技术参与程度不高。在应用层面， 由于 以前缺乏的整体规划和顶层设计， 致 使 “信息烟囱” 林立， 信息整合难度大， 无法综合应用， 实际作用有限。 在技术层面，需要针对各个层面 的问题进行解决，感知层需要加快研 图 3 环境在线监控互联互通结构框架 原始数据 国 家 级 省 级 地 市 级 企 业 端 国家级 监控中心 省级 监控中心 地市级 监控中心 监控设备监控设备 监控设备 原 始 数 据 GPRS/CDMA 或有限传输 数据传输标准 （HJ/T212-2005） 原始数据 原始数据 本地局域网连接 本地局域网连接 本地局域网连接 污染源自动监控数据交换技术规范

14、（HJ/T352-2007） 污染源自动监控数据交换技术规范 （HJ/T352-2007） 本级应用 本级应用 本级应用 政务外网 原始 数据 原始数据 原始数据 原始数据 政务外网 原始 数据 信息 中心 信息 中心 信息 中心 72 Industry Application 行业应用2010.11/ 世界电信 WT 发， 生产出多功能、 可适应各种环境条 件、 可靠性高、 成本低廉的传感器； 网 络层需要积极探索现有信息通信的成 熟先进技术与环境监测的结合点， 积 极参与新兴技术的研发；应用层需要 加大原有系统的整合力度，并注重未 来系统的一体化建设， 按照整体规划、 顶层设计的思想进行建

15、设。 政策和立法支持尚未明确 我国在国家中长期科学与技术 发展规划 （2006-2020 年） 和 “新一代 宽带移动无线通信网”等重大专项中 将传感网列为重点研究领域，但是产 业政策制定和专利和行业立法保障方 面还没有明确政策和立法支持，将导 致进入物联网领域的各个行业企业之 间各自为政， 无法进行适配和协作。在 环境监测领域，目前环保部虽已经制 定一些了技术、政策方面的规范和文 件，但是现有的规范和文件大部分是 针对单个系统或现有突出问题制定 的， 在未来发展、 问题预防、 行业合作 方面考虑较少。另外，现有的发展理 念、 方法、 体制、 机制与技术手段的发 展脱节， 对信息化、 物联网的

16、基本特征 和规律性认识还不能适应技术进步的 要求。 在政策方面，国家层面对物联网 应给予良好的政策支持，鼓励打破部 门、 行业界限， 以建设 “感知中国” 为目 标，大力发展物联网产业；在部委层 面， 物联网涉及到行业的方方面面， 需 要各个行业管理部门充分合作，信息 共享， 以服务社会、 服务用户为最终目 标，共同促进物联网在各行业中的深 度应用； 在行业企业层面， 需要加快技 术创新， 结合行业自身特点， 同时又考 虑其他行业企业的参与，推进物联网 应用进一步发展。 人才相对匮乏 物联网在环境监测方面的应用是 一个系统工程， 涉及到法律法规、 环境 管理、 化学分析、 仪器仪表、 自动化控 制、 信息通信、 软硬件技术等多个学科 领域。我国的环境保护工作经过十几 年的努力虽然已经培养了大批人才队 伍， 但随物联网、 云计算等新兴技术的 发展和科学技术的不断提高，各种专 业型、 复合型的人才比较匮乏， 新技术 研发、 行业应用开发等没有形成规模， 这将直接制约环境监测的进一步发展。 加大人才培养是物联网时代环