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趣味数学

信息时代的最大野心

2013-09-17 来源:科学松鼠会 已有1429人阅读

关键字:趣味数学   信息时代   

  假如有一个全知全能的系统,能够实时掌握地球上发生的一切状况,并且迅速应对;假如有一天,地球上的每一块石头每一棵树木都能讲述它们的感受,每一栋建筑都能主动报告它的使用状况,每一辆汽车都会主动寻找最好的线路并且避免车祸的发生;那么这个世界将会变成什么样子?

  物联网,试图带给我们这样的未来。

  虽然听起来有些《黑客帝国》的味道,但是并不尽然。机器依然是我们的帮手,而依然需要我们做出判断。物联网需要做到的,只是让地球上的一切都连接在一起,为我们所感知和控制。我们将连接一切,我们将知道一切,我们将控制一切。

  这就是物联网,Internet of Things,由一切自然物和人造物连接成的信息网络。

  已经成熟的时机

  每台计算机都有个独一无二的名字,这可以让别的计算机知道如何找到它。手机也是如此,其他任何需要通信的设备也都是这样。我们将电子设备们连接起来,藉由它们之间的对话,表达我们自己的意图;这些网络将人连接在一起,无论身在何处,以光速传递的信息都可以即刻到达。而物联网则要将一切事物都连接在一起。通过为每一个事物命名和借助机器的感知,承载数据的网络将变成地球的神经系统,人类将会将自己的感官和手脚延伸到每一个角落。

  自从1999年物联网这个概念被提出之后,立即迅速发展起来。它尝试将那些早已开发出来的技术整合在一起,从无线射频识别、传感器直到无线宽带网络,再加上不断融入的新技术,让我们的生活更加方便、更加洁净、以及更加自由。

  作为物联网的核心技术之一的无线射频识别技术,已经有了七十年的历史。在今天,每个人身上都会有最少一张RFID卡,无论是二代身份证还是公交一卡通,甚至到许多学校或者公司的饭卡,都采用了这种方式。储存着唯一编号的芯片和天线封装在一起成为不带电源的“标签”,当其进入读卡器的磁场范围时,就会因为电磁感应而在天线上形成电流,继而激发芯片将编号回传给读卡器,并由和读卡器相连的计算机软件进行操作。现在我们已经有了相当多种类的RFID设备,人们已经能够制造出成本一美分的芯片,而封装后的标签成本也降到了可以接收的范围之内。让每件物品都拥有一个特别的名字,并不是件困难的事。

  只有名字是不够的。名字只像是一个入口,更重要的是它们的状态。在微机电和电子技术的帮助下,传感器就能够完成这样的工作。人们甚至不会意识到现在有多少传感器遍布在我们周围,从台灯的轻触式开关到手机上的摄像头,再到房间里的烟雾和煤气报警器。今天的智能手机中甚至可能安装了五种以上的传感器,树木上安装的温度传感器可以探测森林火灾,桥梁上安装的震动传感器可以监控桥梁强度,粉尘和瓦斯传感器已经为监控煤矿安全而运行了许多年。通过侦测温度、湿度、重力、声音和图像,人们可以得到所有的细节,从而拼出一副全景图片。

  显而易见,传感器接收到的信息,除了传递给机器本身之外,通过网络传输可能是更重要的方面。包括IEEE和ITU在内的许多专业组织一直在致力于开发更好地传输方式和协议,无论是数据传输质量还是速度,都可以用“日新月异”来形容。下一代移动通信技术已经能够达到理论上超过300M的下载速度,大量的数据传输瞬间就可以完成。自组织无线传感器网络的研究进展迅猛,这种网络将传感器和无线网络装置结合在一起,当其中一些传感器失效的时候,数据可以通过其他传感器的中继而传递出来。就像是互联网的传递方式一样,如果有某些网络节点出了故障,数据将会寻找其他更合适的路径来传输。

  当RFID和传感器结合的时候,我们就得到了一个微小的终端。它会标记出自己的身份和状态,而通过无线网络或者有线网络,千里之外的人也可以如临现场般掌控全局。现在,物联网的技术基础已经构建成形。

  正在变化的世界

  对一款手机来说,iPhone的成功几乎可以称得上是个传奇。这种只有两种颜色、几种外观的手机已经在全球卖出了超过一千万部,为它开发的软件多达十万种以上。开发者们绞尽脑汁地为iPhone制造更多软件和硬件,希望能够借助它实现更多的功能。Nike就是其中的一个。

  iPhone和iPod上已经有一个叫做Nike+的小系统。在鞋底安装一个小设备,运动鞋就可以和手机通信,在屏幕上显示跑步距离、步数、速度甚至消耗的热量。这套系统还可以将个人锻炼数据保存到自己的电脑上、传给自己的健身教练甚至上传到Nike的网站上,用以制定更适合的健身计划。这可以算是一个物联网的小小应用——通过传感器、软件和网络的协同工作,我们能够更好地达到目标。

  既然手机可以做到,那么其他电子设备也都能够做到。IBM在2005年提出了“智慧地球”计划,从电能、医疗、银行等诸多领域提出了“智慧化”的目标,试图通过软件和传感器的协调工作,让人们能够更快地应对突发状况、更好地享受生活;而惠普在去年提出了“地球中枢神经系统”计划,则试图将多种传感器和无线网络设备结合在一起,为所有的自然环境和人工建筑添加一套数字化的感官。在这类雄心勃勃的计划中,通过对数据的有效收集和整理,消灭各自为战的状况,人们可以做出更好的决策,进而降低成本和提高收益。遍布各处的传感器就像一大群随时相互交换信息的小蚂蚁,它们共享的信息将会成为管理者的决策依据。已经有了一些这样的例子:新加坡陆路交通管理局对安装在公路上的电子眼和扫描系统数据进行实时分析,对路况预测的准确率达到了85%,有效减少了堵车状况的发生;斯德哥尔摩通过自动拍照识别和自动扣款实现的不停车交费系统,将城区交通废气排放量减少了8%以上。德国和美国几家汽车公司正在开发中的车-车信息通讯系统,可以将其他汽车获知的信息传递到自己面前,从而帮助获取更好地行车路线,降低能耗和排放,甚至完全避免车祸的发生。

  而物联网对我们生活的影响,不止表现在这样宏观的方面。2005年,加拿大人马克·坎贝尔试着将建筑物中的家电连接起来协同工作。他使用自己发明的无线控制器来调控家电的工作时间,将之视为一个整体来运行。比方说,不再单独控制每一部空调,而只是输入一个目标温度就好。在传感器和控制器的协调下,空调们将会像蚂蚁一样群体工作,而不在只是完成独立的目标。这套系统可以为大型场所节省最高达30%的电费开支,也对降低碳排放做出了贡献。意大利通过对电表的改造,让用户随时了解用电状况而根据不同时段的电价安排用电计划,减少了25%的用电高峰期负荷;马耳他国家电力和水设施机构在2008年建立了世界上第一个全国性的智能电力水力系统,利用智能电表和安装在电力系统基础设施上的传感器,实施更有效的管理,以及当出现故障时可以快速排除。

  在上海,所有的宠物犬都已经安装了皮下植入的RFID标签,不仅可以让管理部门随时得知检疫信息,而且鉴定宠物归属和身份时也变得容易许多。已经有些省份将类似的方法应用在畜牧业中,农场主和管理部门可以随时了解每只动物的防疫检疫状况,甚至可以根据它们在发育和产奶的不同阶段供给精确数量的精饲料,以最低成本换来最高的收益;而通过给农产品加上标签,可以在从生产到销售的整个过程中实时监控,进而实现从产地到餐桌的全程可控管理,确保食品安全。

  这些都是我们目前生活中的物联网,只不过只能算是局域网的规模而已。将这样的思路推广,人们的确已经取得了不错的收益。虽然我们现在还不会像《生活大爆炸》中的物理天才谢尔顿·库珀一样,用RFID和计算机来管理自己的袜子,但是零售商早已开始这样的尝试。沃尔玛要求所有供货商都在包装上使用RFID标签,在入库时以机器而非传统的人工扫描,每年可以减少80亿美元的成本;而麦德龙在几年前开始的“未来商店”计划,通过RFID标签来标记每件商品,为每个货架上都安装了读卡器。当货物不足的时候,仓库会接到通知而自动补货,当顾客离开超市的时候,门口的读卡器将会自动计算出购物车里货物的总价,然后连接银行从信用卡里自动扣款。

  类似的例子还有很多。和十年前相比,我们生活的诸多方面都已经发生了变化,更方便、更智能、更强大的信息工具已经成为了我们生活中的一部分。而将这一切连接在一起的物联网,将会带给我们一个充满了无限可能的未来。

  激烈争夺的未来

  想象一下这样的场景:通过无处不在的高速网络,医生能够随时了解病患的身体状况、家长们随时知道自己的孩子的具体位置、冰箱会拟出你喜欢的的菜单,并且告诉你下班时记得在超市采购;在你快到家时大门前的灯会亮起、炉子会根据你的菜单而开始预先加温、热水器开始调节洗澡的水温,同时让浴室的显示器准备好播放昨晚错过的剧集;当你沉沉睡去的时候,洗碗机将会借助夜间便宜的电力开始工作,汽车也会自动开始充电。

  看起来有些科幻色彩,但是这的确可以实现。现在我们和这样的未来之间已经不再存在太多的技术障碍,物联网开始变得更像一个商业问题。

  虽然人们从几年前就开始对物联网寄予厚望,甚至有人引用IBM前任CEO郭士纳的话来试图证明,物联网将是下一代革命性的计算模式,就像计算机和互联网带来的革命一样。但是人们也同样意识到,物联网的建设将是一个巨大的工程,比互联网的规模要大得多。这是历史上最大的信息化工程,绝非任何一个团体、公司或者国家可以单独承担。虽然技术的门槛已经跨过,但是相关产品的成本因素,也决定了物联网企业几乎不可能在所有领域全面开花。就目前来看,厂商们都在试图采用从某个应用领域进入,试图占据稳固的地位以拉大与其他对手之间的差距,而许多企业使用的技术标准也有种种不同,这可能会为将来各个物联局域网的连接形成阻碍。

  与当年互联网发展的状况类似,只有在存在出现一个统一标准之后,物联网才能够更快地发展,网络之间相互连接将会带来指数级别的变化,而非一加一等于二那么简单。然而,这样的统一标准,也只有在漫长而激烈的市场争夺战之后才会出现。毕竟物联网牵扯到过多的技术、标准、商业乃至法律问题,要一步跨入物联网时代,只是不切实际的幻想。

  就像蓝光和HD-DVD之争一样,最终市场将会选择某个标准成为主流,而目前厂商们将不会放弃任何可能性。互联网基础设施重复建设的状况很可能会在物联网时代重现,物联网也许会像互联网一样,在经历过极度繁荣的泡沫后,才会获得冷静而长足的发展。物联网将在那之后才会成为我们生活中的一部分。

  目前国内关注的物联网概念,大多更像是传统流程的改造,无论是以RFID取代条形码还是以无线网取代固定网络,都并没有涉及到物联网的更深层次——通过对数据的挖掘和分析,以软件帮助人们更好地做出决策。欧盟网络企业和RFID司物联网总监彼得·弗里斯认为,物联网的迅速发展应该在2015年左右才会来临,现在只是那之前的预热阶段。

  去年,国务院总理温家宝和工业和信息化部部长李毅中的轮番讲话,使得物联网概念骤然升温;今年二月北京经信委发布涵盖十个领域的物联网需求,又进一步为物联网的发展奠定了基础。今年六月,2010中国国际物联网大会将会在上海召开,讨论内容包括从政策到技术、从软件到硬件的诸多领域;紧接着深圳物联网应用技术博览会也将开幕,参观者们将会看到物联时代的诸多可能。

  无论如何,物联网的未来,已经开始一步步走来。

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