物聯(lián)網(wǎng)助力“智能”基礎(chǔ)設(shè)施

試想一下高速公路可以及早提醒駕車人士交通擁堵，橋梁可以報告何時面臨倒塌的危險，或者電網(wǎng)遇到停電時可以自我恢復(fù)。

這個藍(lán)圖被稱為“智能”基礎(chǔ)設(shè)施，有望提高整個國家的生產(chǎn)力和競爭力，同時保護(hù)環(huán)境、拯救生命。更不說可以省錢了，因為它讓我們現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施更高效地運作、少出故障。

智能基礎(chǔ)設(shè)施的支持者們警告，如果不進(jìn)行升級改造，整個國家可能在未來幾十年仍然沿用原來的建造方法。

美國智能交通協(xié)會（Intelligent Transportation Society of America）是一家大力推廣智能道路技術(shù)的組織。該協(xié)會主管政府事務(wù)的副總裁Paul Feenstra說：“目標(biāo)不是僅僅為項目提供資金，以獲得短期促進(jìn)就業(yè)的好處，而應(yīng)該是建造從長遠(yuǎn)來看提高生產(chǎn)力的智能化系統(tǒng)。”

支撐智能基礎(chǔ)設(shè)施的是傳感器、無線通信和計算能力等，互聯(lián)網(wǎng)將這幾個方面緊密地聯(lián)系起來。這樣一來，技術(shù)界巨頭（IBM、通用電氣公司及其他公司）在不遺余力地建造智能基礎(chǔ)設(shè)施，眾多民間規(guī)劃人員和研究人員加入這個陣營，也就不足為奇了。

不過，盡管各大公司支持這類項目，不太可能立馬獲得成效。一些智能技術(shù)項目“隨時準(zhǔn)備動工”，部署起來可能相當(dāng)快，而許多技術(shù)還是處于測試或開發(fā)階段，可能至少五年內(nèi)無法到位。

考慮到這一點，不妨看一下哪幾種技術(shù)進(jìn)步有望將我們用了幾十年的基礎(chǔ)設(shè)施帶到新的智能化程度。

智能交通

交通堵塞降低了員工生產(chǎn)力，延遲了貨物發(fā)送，增加了耗油量，加大了空氣污染，實在很煩人。

幾十年來，專家們認(rèn)為，治理交通堵塞最有效的方式是采用智能交通系統(tǒng)。比如測流量的路邊傳感器以及控制車流量的同步交通信號燈。但這些技術(shù)的普及受到成本的制約。現(xiàn)在有望改變這一切。

一個大有希望的途徑是發(fā)布路況、交通堵塞及其他路況方面的信息。人們可以借助谷歌地圖等服務(wù)，越來越方便地在網(wǎng)上找到這些數(shù)據(jù)。但是下一代技術(shù)有望將這些數(shù)據(jù)、甚至更詳細(xì)的信息直接發(fā)送給駕車人士。有了這些信息，駕車人士就能更合理地決定走哪些路線，這會給交通帶來重大的積極影響。

第一步是收集車流量方面更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。美國加利福尼亞州交通局（Caltrans）已在舊金山灣區(qū)的幾條高速公路兩邊安裝了無線電接收器，可以讀取過往車輛里面的電子收費標(biāo)簽。加州交通局使用這些信息，就能跟蹤每一輛車的速度，確定從一個點到另一個點的行程時間。然后，行程時間會發(fā)布在電子路標(biāo)上。

最終，來自路邊傳感器的數(shù)據(jù)有助于交通控制人員把司機(jī)引到其他可供選擇的出行路線：搭乘巴士或列車是不是比走高速公路還要快？為此，加州交通局和灣區(qū)的大都會交通委員會正在測試舊金山南部的三種電子路標(biāo)。除了高速公路行程時間外，路標(biāo)還顯示了搭乘加州列車（Caltrain）的預(yù)定行程時間和到達(dá)時間。司機(jī)就能知道，如果駛離車流量大的公路，前往車站，搭乘列車，是不是更合理。

將來，除了最近車站空閑停車位的數(shù)量外，規(guī)劃人員打算還顯示實時的列車行駛時間和到達(dá)時間。

緩解堵塞的另一種方法是及早預(yù)測交通堵塞。IBM開發(fā)出了軟件，可以分析當(dāng)前交通模式，最多提前45分鐘預(yù)測堵塞狀況。該系統(tǒng)已在新加坡進(jìn)行測試，事實證明預(yù)測中央商務(wù)區(qū)的車流量和行駛速度時，準(zhǔn)確性可達(dá)到90%左右。然后，這些信息用于調(diào)整1700組交通信號燈，確保車流量平穩(wěn)。

一些研究人員正在應(yīng)對造成交通堵塞的另一個根源：交通事故。縮短撞車后清理道路所用的時間有助于緩解交通堵塞。減少事故數(shù)量那就更好了，可以減少傷亡以及與事故有關(guān)的成本。

這時，一種名為車輛基礎(chǔ)設(shè)施一體化（VII）的概念應(yīng)運而生。這種系統(tǒng)可以讓道路、交通信號和車輛彼此聯(lián)系，自動共享重要信息，關(guān)鍵在于使用一系列技術(shù)，比如GPS導(dǎo)航、無線通信、先進(jìn)的傳感器和車載計算機(jī)。比如說，遇到事故的汽車可以將撞車時間、地點和嚴(yán)重程度等方面的信息，自動發(fā)送給道路兩旁的接收器，然后接收器就能自動調(diào)派應(yīng)急車輛。

加州交通局在測試一種左轉(zhuǎn)信號，系統(tǒng)檢測到某輛車從對面方向迅速駛近時，就會閃現(xiàn)一個帶斜杠的大大的紅色箭頭。眼下，箭頭只在路標(biāo)上面閃現(xiàn)；目的是可以將警告信號直接發(fā)送到轉(zhuǎn)向車輛上。

智能電網(wǎng)

美國電網(wǎng)大概是20世紀(jì)最重要的科技成果之一。然而，智能化程度相當(dāng)?shù)汀ｋ娏蜗騻魉停娏精@得的電力如何使用方面的信息少之又少。電網(wǎng)在處理來自風(fēng)力發(fā)電場等非傳統(tǒng)能源的電力時差強(qiáng)人意。

新技術(shù)有望為電網(wǎng)系統(tǒng)大大提高智能化程度。

第一步是安裝先進(jìn)電表，可以將源源不斷的信息發(fā)回給電力公司。有了先進(jìn)電表，就可以遠(yuǎn)程抄表，更精確地確定停電位置。它們還讓用戶得以更詳細(xì)地了解用電情況。

總部位于休斯頓的CenterPoint能源公司已經(jīng)準(zhǔn)備在五年內(nèi)安裝200萬多只智能電表。在歷時兩年的技術(shù)測試期間，消費者可以打開門戶網(wǎng)站，每戶家庭主要家電的耗電情況一目了然。消費者還可以算出不同情況下的電費。在夏季，如果將房間溫度調(diào)到24度而不是20度，會有什么影響？如果將夏季電費控制在200美元以下，需要在哪些方面進(jìn)行調(diào)整？

其次，新一代智能家電有望幫助消費者減少耗電量，并且?guī)椭娏緶p輕對電網(wǎng)的壓力。

在美國能源部太平洋西北國家實驗室進(jìn)行的一項測試中，華盛頓州和俄勒岡州的75戶家庭領(lǐng)到了可以響應(yīng)電流微小變動的熱水器或干衣機(jī)。如果檢測到電流頻率變低——這是表明有可能停電的預(yù)警信號，這些家電就會自動減少耗電量。比如說，干衣機(jī)（惠而浦公司為該項目制造的一款特殊機(jī)型）會繼續(xù)轉(zhuǎn)動，但不散發(fā)熱量。參與測試的家庭大多表示沒有注意到用電量減少。

智能電網(wǎng)還有助于管理用得越來越多的風(fēng)能和太陽能。由于這些非傳統(tǒng)能源可能突增或突減，電力公司的操作人員只好迅速增加其他能源或迅速減少需求，以彌補(bǔ)不足。

夏威夷大學(xué)與當(dāng)?shù)仉娏竞虶E合作，最近啟動了一個研究項目，測試各種智能電網(wǎng)技術(shù)如何處理風(fēng)力發(fā)電。毛伊島有一個大型風(fēng)力發(fā)電場；風(fēng)力突然減小時，該島的總耗電量中多達(dá)15%的電量會從電網(wǎng)消失，得由來自礦物燃料發(fā)電廠的電力取代。

GE將部署這種可充電電池：風(fēng)力很大時，可以儲存電能；風(fēng)力減弱時，又可以將電能送回到電網(wǎng)。研究人員還將測試可以由電力公司遠(yuǎn)程控制的智能電表和家電，以便必要時減少用電需求。

智能電網(wǎng)甚至在一定程度上具有自愈功能。如今，風(fēng)暴將樹枝刮落在電線上后，電力公司通常依賴客戶來電話，找到損壞的部位，評估停電范圍。CenterPoint公司正在測試裝在電線沿路的特殊傳感器和開關(guān)，它們可檢測到通過電線的電流大小出現(xiàn)的突然變化。然后，電力公司可以迅速找到繞過故障部位的線路，幾秒鐘內(nèi)為停電區(qū)的大部分區(qū)域恢復(fù)供電，減少受影響住戶的數(shù)量。

智能橋梁

查找全美60萬座橋梁存在的結(jié)構(gòu)性問題基本上仍然需要目測，而目測可能缺乏一致性，費用高昂。工程師們表示，一種更好的辦法是，使用傳感器網(wǎng)絡(luò)，以電子化手段持續(xù)監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)。這些設(shè)備可以提供相關(guān)數(shù)據(jù)，比如橋梁在遇到車流量很大、大風(fēng)或其他環(huán)境下狀況如何。它們還能早在檢測員察覺之前，發(fā)現(xiàn)可能很嚴(yán)重的問題。

以明尼阿波利斯取代2007年倒塌的I-35大橋的那座橋梁為例。新橋梁裝有300多個傳感器，可測量腐蝕、溫度變化和冬季除冰對橋梁造成的影響。除了幫助交通部官員監(jiān)控橋梁健康狀況外，明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究人員還在分析數(shù)據(jù)，幫助設(shè)計出更能夠應(yīng)對各種壓力的橋梁。

明尼蘇達(dá)大學(xué)的土木工程學(xué)教授Catherine French表示，“我們想達(dá)到擁有真正智能橋梁技術(shù)的地步，還有很長一段路要走——到時橋梁可以告訴你哪里有問題，而不是僅僅收集數(shù)據(jù)供分析。”

智能供水系統(tǒng)

由于人口不斷增長，全球氣候變暖造成的農(nóng)業(yè)和環(huán)境變化對淡水的需求越來越大，全球淡水供應(yīng)以及管道、堤壩及其他水處理系統(tǒng)面臨著巨大壓力。但我們對那些系統(tǒng)的了解不夠全面、不夠及時。

以滲漏檢測為例。在美國，市政供水中大約15%因滲漏、會計差錯或其他未計費的消耗而損失。雖然用于檢測并查找滲漏的技術(shù)已變得更先進(jìn)，但這仍然基本上是個手動、費時的過程。整個供水系統(tǒng)檢測下來可能需要好幾周。

即將會出現(xiàn)什么新技術(shù)？來自英國初創(chuàng)企業(yè)Syrinix Ltd.的傳感器可不斷監(jiān)測用來從水庫和水處理廠往外引水的主要干線有無滲漏。該公司的傳感器可測量通過水和管道本身的聲波出現(xiàn)的微妙變化。如果檢測到細(xì)小滲漏的聲音——這可能會導(dǎo)致更重大的管路故障，相關(guān)信息就會通過高速電話線傳送，系統(tǒng)會自動發(fā)送電子郵件或文本消息提醒。該系統(tǒng)目前部署在倫敦和伯明翰的大約16英里長的管路。監(jiān)測的部分還沒有出現(xiàn)任何滲漏現(xiàn)象。

另一個重大研究領(lǐng)域是保護(hù)堤壩，尤其是在卡特里娜颶風(fēng)過后。荷蘭政府在開展一項計劃，積極防備海平面上升和大風(fēng)暴頻發(fā)。為此，幾個政府部門和幾家企業(yè)用智能堤壩建立了一個測試場地——這個堤壩上面裝有眾多傳感器，可以測量水位、水壓變化、地面運動和堤壩狀況。研究人員有意破壞堤壩后，堤壩生成了大量數(shù)據(jù)，最終可以用來及早預(yù)測故障。

IBM公司參與了荷蘭的這個測試項目，綠色創(chuàng)新工程副總裁Sharon Nunes說：“如果你能在物理基礎(chǔ)設(shè)施上搭建智能基礎(chǔ)設(shè)施，就可以在一定程度上獲得堤壩方面的深入信息，更清楚地了解要不是撤離人員或其他什么。”

該公司正與紐約州北部的環(huán)境研究組織Beacon Institute合作，開展另一個水管理項目。研究人員在致力于搭建一個傳感器網(wǎng)絡(luò)，以便收集和監(jiān)測哈得遜河方面的數(shù)據(jù)。該項目之前測試了第一個浮動傳感器平臺，計劃最終將設(shè)備部署在長達(dá)300英里的整段河道。

比如說，Beacon Institute的首席執(zhí)行官John Cronin表示，哈得遜河沿岸的發(fā)電廠抽取大量的水用于冷卻，但在這個過程中，可能會殺死成千上萬的條紋鱸魚幼苗。所以，這些發(fā)電廠面臨不小的壓力，需安裝造價不菲的新型冷卻系統(tǒng)，以免抽取大量河水。

有了傳感器網(wǎng)絡(luò)，工作人員發(fā)現(xiàn)大批的條紋鱸魚幼苗后，可以告知發(fā)電廠轉(zhuǎn)而改由另一處發(fā)電，直到這些幼苗流過。因此，系統(tǒng)將保護(hù)這種魚，又讓發(fā)電廠沒必要購置新設(shè)備。

Cronin說：“這是一種目前相應(yīng)技術(shù)能力還沒有跟上的智能生態(tài)系統(tǒng)管理。”有了傳感器網(wǎng)絡(luò)，“我們一只腳邁入了認(rèn)識和保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的全新世界。”