“綠野千傳”感知林業(yè)

　　項目背景

　　綜觀國際上比較有代表性的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)，不難看出，當(dāng)前實際系統(tǒng)可達(dá)的規(guī)模和運轉(zhuǎn)壽命，與當(dāng)初無線傳感網(wǎng)被提出時的目標(biāo)相去甚遠(yuǎn)。我們曾經(jīng)設(shè)想的傳感網(wǎng)，都是成千上萬的點，不論是面向路由的還是邊界檢測的，存在的意義都是龐大規(guī)模下的系統(tǒng)；而簡單殘酷的事實是，且不論真實系統(tǒng)，連演示系統(tǒng)都停留在“百”這個量級上；網(wǎng)絡(luò)存活的時間，更是短得看不到優(yōu)勢。為了探尋大規(guī)模自組織網(wǎng)的挑戰(zhàn)的根源和解決方案，我們發(fā)起了“綠野千傳”項目。

　　項目介紹

　　綠野千傳的系統(tǒng)研發(fā)工作始于2008年下半年。系統(tǒng)的主要任務(wù)包括：一方面，“綠野千傳”用于森林生態(tài)環(huán)境的全年監(jiān)測，通過傳感器收集包括溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度等多種數(shù)據(jù)。采集的信息為多種重要應(yīng)用提供支持，如森林監(jiān)測、森林觀測和研究、火災(zāi)風(fēng)險評估、野外救援等。另一方面，“綠野千傳”是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域就建立長期大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而進(jìn)行的前瞻研究與探索。

　　到今天為止，前后參與的單位和人員除了香港科技大學(xué)，還包括浙江農(nóng)林大學(xué)周國模教授、西安交大趙季中教授、杭州電子科大戴國駿教授、美國IIT李向陽教授、清華大學(xué)顧明教授、北京郵電大學(xué)馬華東教授、哈工大李建中教授、同濟大學(xué)蔣昌駿教授等。此外，這個項目還得到了自然基金委、科技部、國家林業(yè)局等單位專家直接或者間接的指導(dǎo)。2009年5月，項目組成功部署了一個120個節(jié)點的原型系統(tǒng)，到2009年10月，原型系統(tǒng)擴充至330個點，至今已經(jīng)運轉(zhuǎn)超過11個月。2009年8月，項目組在浙江省天目山脈實現(xiàn)了一個超過200個節(jié)點的實用系統(tǒng)，該系統(tǒng)至今已經(jīng)連續(xù)運轉(zhuǎn)超過8個月。

　　項目提出了3個1的決心，即在一個野外的真實環(huán)境，部署超過一千個節(jié)點的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)，連續(xù)運轉(zhuǎn)一年以上。

　　項目意義

　　選擇林業(yè)為應(yīng)用背景，一方面，林業(yè)在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中占據(jù)重要地位，在生態(tài)建設(shè)中居于首要地位，在西部大開發(fā)中也意義重大，在應(yīng)對全球氣候變化中，更是種戰(zhàn)略選擇。2007年9月8日，胡錦濤主席在悉尼APEC非正式會議上提出了“森林方案”，強調(diào)通過森林恢復(fù)和增長，增加碳匯，減緩氣候變化；2009年9月22日在紐約G20氣候變化峰會上，他提出用“森林碳匯”來減緩氣候變化——發(fā)展林業(yè)是應(yīng)對全球氣候變化的戰(zhàn)略選擇。

　　另一方面，林業(yè)應(yīng)用是在森林這個復(fù)雜系統(tǒng)的背景下展開的，森林物種繁多、類型多樣、分布地域廣闊、生長周期長，林業(yè)應(yīng)用在時間上要求同步、持續(xù)性，在空間上要求范圍廣、測點多，還要求維持較低的人力和設(shè)備成本；林學(xué)已有的技術(shù)和方法難以滿足上述條件，遭遇精確描述刻畫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的難度大的瓶頸。就拿碳匯來說，大家都知道森林能固碳，但到底什么樣的森林固多少二氧化碳，都是大致的估算，世界范圍內(nèi)也不能算有非常準(zhǔn)的測量。因此，探尋新技術(shù)新方法勢在必行。無線傳感網(wǎng)低功耗、智能化自組織、大規(guī)模持續(xù)同步監(jiān)測、低成本的諸多特點，是一個有效的解決林業(yè)應(yīng)用瓶頸的可行方案。

　　無線傳感網(wǎng)與林業(yè)應(yīng)用相結(jié)合，林業(yè)給予無線傳感網(wǎng)技術(shù)足夠強大的應(yīng)用驅(qū)動力，而無線傳感網(wǎng)的先進(jìn)技術(shù)能給林業(yè)學(xué)科在研究方法和思維方式層面帶來變革?；谶@兩點考慮，我們選擇了林業(yè)作為著眼點。

　　項目收獲

　　通過一年多以來的觀察和對系統(tǒng)收集的大量傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的分析，我們對當(dāng)前無線傳感網(wǎng)突破大規(guī)模應(yīng)用壁壘面臨的根本挑戰(zhàn)有了一點認(rèn)識。我們總結(jié)為3個主要方面。

　　首先，無線傳感網(wǎng)傳輸和感知兩大功能不匹配。主要表現(xiàn)為兩種形式：一方面，圖像、聲音、視頻等數(shù)據(jù)可以利用對應(yīng)的圖像和聲音傳感器直接獲取，但這類數(shù)據(jù)量大，且經(jīng)常要求實時傳輸，要通過帶寬非常有限的無線多跳網(wǎng)絡(luò)傳送，難度很高。另一方面，不同應(yīng)用需要各種各樣的傳感器數(shù)據(jù)，比如在林業(yè)應(yīng)用中，二氧化碳含量和光譜數(shù)據(jù)具有廣泛用途，地震波強度數(shù)據(jù)在防災(zāi)減災(zāi)中意義重大。這類數(shù)據(jù)量小，較易于傳輸，但現(xiàn)實的難題是，可以提供這些數(shù)據(jù)且適用于大規(guī)模部署的低成本傳感器尚未成熟。直白地說：就是易感不易傳、易傳不易感。這個根本矛盾，直接導(dǎo)致無線傳感網(wǎng)無法滿足真實應(yīng)用領(lǐng)域的感知需求。要解決這個矛盾，有若干關(guān)鍵問題亟待研究，包括設(shè)計高性能低功耗傳感器以突破網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬瓶頸、設(shè)計與優(yōu)化路由協(xié)議以提升可靠性和網(wǎng)絡(luò)吞吐率，以及多模態(tài)數(shù)據(jù)融合和非確定性數(shù)據(jù)處理、異構(gòu)傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)管理等等。我們把這個壁壘，稱作“傳感失諧”。

　　其次，是網(wǎng)絡(luò)管理方面的困難。與傳統(tǒng)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)的節(jié)點多數(shù)在室內(nèi)的環(huán)境相比，無線傳感器節(jié)點經(jīng)常在惡劣環(huán)境當(dāng)中，風(fēng)吹日曬、雪打雨淋。同時傳感器節(jié)點的通信和計算資源極端有限，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上類似SNMP類型的Agent匯報機制無法有效支持。更為嚴(yán)峻的是，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)即使斷了，也比較容易判斷是物理上斷了，還是物理上仍然連接而是軟件或者系統(tǒng)出了故障；而在傳感網(wǎng)這里，斷了就是斷了，很難找到問題根源，給修復(fù)帶來巨大困擾。我們把這個困難稱為“診判失據(jù)”。

　　第三，大多數(shù)現(xiàn)有研究工作都基于理想化的模型假設(shè)，比如UDG或者quasi-UDG模型，忽略了無線傳感網(wǎng)運行過程中伴隨的各種不確定物理因素和可能的環(huán)境動態(tài)性。例如，定位算法大多基于規(guī)則的信號強度到物理距離的映射模型，覆蓋算法設(shè)計很多是采用各向同性的確定性的感知模型，拓?fù)淇刂茖鬏敯霃郊捌淇煽匦宰隽撕芏嗉僭O(shè)，但實際上連拓?fù)溥叺拇嬖谂c否都要依賴于對link評估方式的定義。由此產(chǎn)生的研究成果，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模小的時候還不明顯，一旦規(guī)模大了，立刻顯現(xiàn)出巨大的反差，無法直接應(yīng)用于指導(dǎo)和仿真實用系統(tǒng)。我們稱為“模型失用”。