10萬個傳感器正密切監視中國龐大的引水工程

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作為一項杰出的技術成就，中國龐大的南水北調工程堪稱人類史上的一次壯舉。3條處于不同完工階段的人工運河，正將水源源不斷地從南部多雨地區輸送至干旱的北方，為2億人口提供豐富的水資源。

龐大的物聯網悄然監控著已完工的中間路線，這著實令人嘆服。超過10萬個獨立傳感器分散在長達1400公里的水路上——這條水路將丹江口水庫至北京和天津的廣闊區域連為一體。在過去一年里，這些傳感器不停掃描以尋找結構性損壞，跟蹤水質和流量，并密切留意入侵者。

“到目前為止，物聯網監控系統已發現并跟蹤了十幾名入侵者，并在第一時間向當地警方提供了所有證據。”物聯網技術負責人兼中國科學院上海微系統與信息技術研究所教授楊旸表示。系統甚至還挽救了幾名溺水者的生命。他的團隊將吸取從該網絡中獲得的經驗，并將其應用到其他大型基礎設施項目上，例如東線和西線工程。

楊旸及其團隊——包括上海微系統與信息技術研究所副教授張武雄，用了兩周時間沿河而行，評估了相關需求，于2012年正式開始規劃中央運河的物聯網。

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他們看到了許多挑戰，包括：水路橫貫地區為地震多發區；必須對水流加以控制，以杜絕浪費；必須定期檢查水質，以預防污染物或毒素；在一些地方，當地村民為了抓魚或游泳，還會攀爬運河圍欄，造成一定安全隱患。

楊旸和他的團隊將這些挑戰分為3類——基礎設施、水、安全性，并決定在運河沿岸及120個隧道內安裝130多種聯網傳感器。

技術人員使用嵌入式傳感器來測量地下、混凝土堤壩、橋梁，以及50座控制水流量的大壩的應力、張力、振動、位移和滲水。他們還將用于測量水質和流速的探頭連接到橋梁的鋼支撐柱上，并在整條運河沿岸以500米的間隔安裝攝像頭。傳感器部署就緒后，如何將數據傳回控制室就成了令團隊工作人員備感頭疼的問題。運河的某些流域已接入光纖互聯網，但另一些無網絡覆蓋，且位于無蜂窩網絡服務或服務質量低下的偏遠地區。為了解決這一問題，楊旸和他的團隊開發了智能網關，它是一種定制無線設備，可不間斷地從本地傳感器接收數據，并使用任一可行方式——光纖、以太網、2G、3G、4G、Wi-Fi或無線個域網——定期將數據傳輸至云服務器。

“智能網關可獲悉云連接的可用性。成功傳輸后，它在下一次仍會連接至該網絡，如連接失敗，它還會嘗試連接其他網絡。” 張武雄說。智能網關可將數據傳輸到最近的服務器——該服務器可能是47個區域分支服務器中的任何一個。正常情況下，它會根據分支位置有關機構的建議，每5分鐘、每30分鐘或每天傳輸1次。（如果發生地震或化學品溢漏等事故，設備還會持續向云端發送數據。）

這些數據將被存儲或轉發到丹江口水庫至北京之間各省市的5個管理服務器中的任一個，直到它們抵達北京主服務器中心。另外，楊旸及其團隊還設計了一個平臺和接口，可讓服務器工作站的工作人員通過網站及時響應任何警報。該平臺還能幫助北京的中央管理團隊了解遠程站點的情況并實時做出決策。張武雄說，由于這一網絡獨立于互聯網，因此數據遭受黑客襲擊的可能性較低。

“在我看來，這是物聯網應用于關鍵基礎設施的典范。”IEEE物聯網活動委員會主席兼互聯網安全和IT咨詢公司OpenTechWorks的董事會主席亞當?德羅伯特（Adam Drobot） 表示，“一項工程自修建伊始就需要好好養護，而不能出了問題后再著手解決。”

楊旸說，監測南水北調工程過程中的一項艱巨挑戰是從黃河河床下的一條綿延4公里的龐大隧道內獲取傳感器數據，因為無線信號在這樣的深度非常微弱。他希望能開發一款水上機器人，作為移動中繼器將數據傳輸到地表。