一千四百公里與十萬感測器：南水北調背後的智能化力量

在這項令人驚嘆的工程學壯舉背後，還有另一項令人驚嘆的信息化壯舉。

編譯 | Rik R

作者 | Tracy Staedter

來源 | IEEE Spectrum

中國的大規模南水北調工程是一次工程學上的壯舉，令全世界嘆為觀止。這一項目共開鑿了 3 條人工運河，每條長度超過 1000 公里，3 條運河如今分處於不同的完成階段，負責把水從中國多雨的南方地區運到乾旱的北方地區。

南水北調的中線工程，一直由龐大到令人驚嘆的物聯網網路默默監控。1400 公里的水道上散布著 10 萬多個感測器，連接著丹江口水庫與京津兩地。在過去的一年中，這些感測器一直在掃描中線運河的結構損壞，跟蹤水質和流速，同時監視運河的「入侵者」們——無論是人類還是動物。

「該系統每日惠及 5000 多萬人，這還沒算上運河沿岸的居民，」系統物聯網網路技術總監楊暘說到，他同時也是中科院上海微系統與信息技術研究所無線感測網與通信重點實驗室的實驗室主任。楊暘介紹到，他們在該物聯網工程中積累的成功經驗可以被應用到其它大規模基礎設施項目中，比如南水北調的東西線工程，也可以應用到摩天大樓玻璃外牆監控等相對較小的工程中。

這一物聯網工程規劃始於 2012 年。楊暘和他的團隊，包括國科學院物理系副教授張武雄博士，花了兩個星期的時間勘察了運河全段，對需求做出評估。

他們發現了許多嚴峻的挑戰。運河流經的區域屬於地震多發區，自然災害非常容易損害基礎設施建設。需要人為控制水流以避免浪費水資源。還需要定期檢查水質，以確保污染物或毒素不會進入城市飲用水供應系統。在一些地區，當地村民會爬上籬笆釣魚或在水中游泳，這些行為造成了安全隱患。

楊暘及其團隊將面臨的挑戰分為三大類：基礎設施、水質和安全。經過一番討論後，他們決定在運河沿線安裝 130 多種不同類型的聯網感測器。基礎設施感測器被嵌入在運河附近的土地中、混凝土護坡和橋樑中，以及用來控制水流的 50 座水壩中，用來測量應力、應變、振動、位移、土壓力和滲水等參數。

運河上安裝的聯網感測器包括：攝像機（左）、入侵檢測感測器（右上）和水位感測器（右下）。

測量水質和流速的探頭被安裝在橋樑底架的鋼支撐柱上。運河沿線每隔 500 米安裝有一個攝影機。

這些感測器帶來了一個問題：收集到數據之後，如何將它們發送出去？雖然運河的一些路段可以用光纖互聯網來連通，但不是所有區域都如此，且一些地方位置偏遠，那裡的蜂窩網路服務時好時壞，或根本就不存在。為了解決這個問題，楊暘和他的團隊開發了所謂的智能網關（Smart Gateway），從本地感測器連續接收數據，然後使用當前可得的任何信號將其傳輸到雲伺服器。這種雲伺服器可能是光纖、乙太網、2G、3G、4G、Wi-Fi 或 ZigBee。

「智能網關可以學習與雲伺服器的連接的可用性。在成功傳輸一次之後，它在下一次就會跟蹤該網路，不成功再嘗試使用另一個網路。」張武雄說。

智能網關將單個感測器收集到的數據傳輸給 47 個區域分支伺服器之一，例如位於河北省沂水北部的這個控制室。

智能網關會定期向最近的伺服器發送數據，它可能是運河沿線的 47 個區域分支伺服器中的任何一個。在正常情況下，傳輸時間間隔為 5 分鐘、32 分鐘或每天一次，這取決於該地區的位置和水資源情況。如果發生地震或化學泄漏等特殊事件，數據將被即時連續地發送到雲端。數據將在雲端被存儲起來，或被轉發到五個管理伺服器（位於丹江口水庫和北京之間的幾個省級城市）中的任意一個，最終到達北京的主伺服器中心。

楊暘和他的團隊設計了一個網頁平台和用戶界面，允許伺服器站的工作人員通過網站讀取數據，並對任何類型的警報作出響應，也使北京的中央管理團隊能夠隨時了解遠程站點的最新情況，並及時做出正確的決策。張武雄說，由於該網路是與萬維網相隔離的，因而受到外部黑客攻擊的風險更小。

「對我來說，這是物聯網在關鍵基礎設施應用方面的一個絕佳案例，」IEEE 物聯網活動委員會主席兼互聯網安全諮詢公司 Open Tech Works 總裁 Adam Drobot 說道。「你在一開始就建立好防護措施，不用事後再亡羊補牢。」

楊暘說，南水北調工程所面臨的最大挑戰，是在黃河下方建造一條長約 4 公里、直徑約 7 米的巨大隧道。他希望最終可以利用水下機器人來更有效和高效地對其進行監測。

楊暘還致力於將更多在實驗室開發的物聯網技術轉變成新的產品和服務。例如，他的團隊正在開發一個物聯網網路，用來監控摩天大樓玻璃幕牆的完整性。如果玻璃面板變得脆弱或出現裂縫，物聯網就能夠感覺到並通知維修人員，還可以告知他們所需更換的玻璃面板的確切大小和形狀，從而面板破裂或掉落之前進行維修。

「現在，感測器正變得越來越豐富，技術手段也越來越多樣，智能化環境的發展空間也會越來越大，」楊暘如是說。

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