综合应用层

第15‐19章

综合应用层

内容提要

物联网丰富的内涵催生 出更加丰富的外延应用。

本篇将介绍物联网的

综合应用层 ^，

通过五个典型的应用领

域呈现物联网应用多样

化、规模化和行业化的

特点。

•第10‐14章介绍了管理服务层

•数据库系统

•海量信息存储

•搜索引擎

•智能决策

•信息安全与隐私保护

•本篇重点介绍物联网的应用，包括 智能电网 ， 智能交 通 ， 智能物流 ， 智能绿色建筑 和 环境监测 ，突出更

透彻的感知，更全面的互联互通和更深入的智能化的特点。

内容回顾

15  智能电网

16 智能交通 17 智能物流

18 智能绿色建筑 19 环境监测

智能电网有哪些特征？国家发展智能电网的方向是什 么？

本篇内容

15.1 智能电网的起源与发展

典型的 电力系统 组成部分

什么是智能电网？

• 电力系统

^是由

发电

、

输电

、

变电

、

配电

和

用电

等环节组成的电能生 产与消费系统。

• 电力网络

为电力系统中除发电设备和用电设备以外的部分（

输电

、

变 电

和

配电

）。

• 智能电网

的核心内涵是实现电网的

信息化

、

数字化

、

自动化

和

互

动化

，具有

电网自愈

，

用户交互

，

设备兼容

，

质量管理

，

系统

安全

，

信息集成

，

管理优化

，

资产优化

，

市场协调

9大特征。

欧美智能电网的特征

美国智能电网特征

欧美智能电网的特征（续）

欧洲智能电网特征

智能电网最新发展

美国的智能电网

主要在

配网层

，特别强调的是用电智能化，

智能电表 系统

的构建是重中之重。

欧洲的智能电网

主要强调

分布式能源的接入

，包括新能源和储能系 统的使用，

电力电子技术

的发展是关键。

中国的智能电网

覆盖面更为全面，是调度、发电、输电、变电、配电、

用电六大环节的

整体升级

。

新能源下游应用

分为

并网发电

、

离网发电

与

可再生燃料

等领域。

智能电网与物联网：新能源发展与利用

新能源发展与应用：并网发电

新能源发展与应用：离网应用

• 长期以来我国电力系统采用

定期检修

方式。

• 状态检修

，即根据设备运行状态决定检修时机，可以克服定期维修的局 限性，提高检修的针对性。

• 在线监测技术

（实时检测设备运行状态）是物联网在电网系统中的重 要应用，是状态检修的基础。

• 油色谱在线监测系统

是集控制、测量分析技术于一体的精密设备。

智能电网与物联网：输变电检测与控制

• 配用电管理的目标是

节省电能的无效开销

。

智能电网与物联网：配用电管理

• 电能表

是电能计量的法定计量器 具，分为

机械表

和

电子表

两大 类。

• 用电子表代替机械表，载波

通信

是主流发展方向，也是节省 开销的重要环节。

智能电表应用

智能电网与物联网：配用电管理（续）

• 实时电网调度自动化系统

是一个总称，由于各个电网的具体情况 不同，可以采用不同规格、不同档次、不同功能的电网调度自动化系 统。

• 智能调度是物联网技术的又一重要应用。理想的智能调度与现有的调 度自动化相比有六大特点：

数字化

、

集成化

、

网络化

、

标准化

、

市场化

、

智能化

。

智能电网与物联网：实时电力调度

• 传感器网络

作为

智能电网末梢信息感知

不可或缺的基础环节，

在电力系统中有广阔的应用空间。

• 传感器网络在

安全监控领域

的应用可以更高效的保护电网的安全。

如在部署杆塔和防护线路解决线路故障问题的同时，通过在线路上配 置传感设备检测线路的实时情况保证设备安全和电到位等。

智能电网与物联网：电网安全

• 更加深入的环境感知

：设备嵌入包含其信息的可识别智能芯片，并 利用无线/有线技术，对各设备进行联网，从而实现全面的在线监控。

• 更加全面的信息互通

：物联网技术可将供电方、输配电管理方及电 力用户有效连结，并通过互联网技术，实现电网系统中各参与者间的 信息交换与共享，使分布式电网系统成为可能。

• 更加智能的电网建设

：基于互联网技术而建设的智能电网体系，可 实现从能源接入、输配电管理、安全监控、继电保护到用户计费计量 的全过程智能化网络化控制。

15.3 智能电网的未来前景

2020年

• “两纵两横”特高 压交流后续工程开 工建设，跨区直流 工程投产规模达到 1290万千瓦，配电 网建设加大投入，

智能化试点工程按 期建成，关键技术 研究、设备研制和 标准制定取得新进 展

• 以特高压为核心的 坚强国家电网初步 形成，电网的信息 化、自动化、互动 化水平明显提升，

满足大规模可再生 能源接入和输送

• 智能电能表广泛应 用，电动汽车充放 电站布局基本满足 需要

• 形成以“三华”特 高压同步电网为受 端，东北特高压、

西北750千伏电网 为送端，联接各大 煤、水、核电、大 型可再生能源基地 的电网结构

• 特高压及跨区电网 输送能力满足各大 能源基地接入和负 荷中心用电需求

智能电网的未来前景

2010年 2015年

电网规划

• 支持和引导电源结 构优化调整，逐步 提高水电、核电、

风电、太阳能等非 化石能源的装机比 重

• 与ABB和西门子签署 了智能电网设备合 作谅解备忘录

• 设立研究小组开展 智能电网技术攻关

• 智能电网相关规划 正在进一步制定中

智能电网的未来前景

新能源领域 智能电网设备

15 智能电网 16  智能交通

17 智能物流

18 智能绿色建筑 19 环境监测

什么是智能交通？智能交通中应用了哪些物联网技术？

有那些典型应用？

本篇内容

什么是智能交通？

智能交通系统

(Intelligent Transportation Systems, ITS) 通过在基础设施和 交通工具当中广泛应用信息、通讯技术来提高交通运输系统的安全性、可 管理性、运输效能同时降低能源消耗和对地球环境的负面影响。

“智慧的地球”

在IBM提出的智慧地球概念中，智慧的交通需要具备以下特征。

• 环保的交通

：大幅降低温室气体和其他各种污染物的排放量以及能 源的消耗。

• 便捷的交通

：通过泛在移动通信提供最佳路线信息和一次性支付各 种方式的交通费用等服务，改善旅客体验。

• 安全的交通

：实时检测危险、事故并及时通知相关部门。

• 高效的交通

：实时进行跨网络交通数据分析和预测，优化交通调度 和管理，最大化交通流量。

• 可视的交通

：将所有公共交通车辆和私家车整合到统一的数据管理，

提供单个网络状态视图。

• 可预测的交通

：持续进行数据分析和建模，改善交通流量和基础设 施规划。

• 无线通讯

 短距离无线通信可使用IEEE 802.11系列协议来实现，其中美国智能 交通协会以及美国交通部主推WAVE和DSRC两套标准。

 长距离无线通信方案通过基础设施网络实现，如 WiMAX /GSM/3G。

• 计算技术

 未来车辆将配备数量更少但功能更为强大的处理器。

 新的嵌入式系统平台将支持更加复杂的软件应用，包括基于模型的 过程控制、人工智能和普适计算，其中人工智能技术的广泛应用将 有望为智能交通系统带来质的飞跃。

16.2 智能交通中的物联网技术

• 感知技术

 交通基础设施中的传感器嵌入在道路或者道路周边设施例如建筑之 中。

 车辆感知系统包括了部署道路基础设施至车辆以及车辆至道路基础 设施的电子信标来进行识别通信，同时利用闭路电视技术和车牌号 码自动识别技术对热点区域的可疑车辆进行持续监控。

• 视频车辆监测

 利用视频摄像设备进行交通流量计量和事故检测属于车辆监测的范 畴。

16.2 智能交通中的物联网技术

• 全球定位系统 GPS

 车载嵌入式GPS接收器能接收多个不同卫星的信号并计算车辆当前 位置，定位误差一般是几米。

 由于GPS信号接收需要车辆具有卫星的视野，因此该技术在城市中 心区域可能由于建筑物遮挡而受限。

• 探测车辆和设备

 探测车辆通常是出租车或政府所有的车辆，需配备无线通信设备。

 探测车辆向交通运营管理中心汇报其速度和位置，管理中心整合分 析得到广大范围内的交通流量情况以检测交通堵塞的位置。

16.2 智能交通中的物联网技术

• 不停车收费系统

 电子收费 (Electronic toll collection, ETC)系统能够在车辆以正常速度 驶过收费站的时候自动收取费用，降低了收费站附近产生交通拥堵 的概率。

 之前大部分电子收费系统都基于使用私有通讯协议的车载无线通讯 设备。目前很多国际组织希望将此类协议标准化。

16.3 智能交通应用

• 挪威ETC系统应用

 挪威政府启用AUTOPASS项目实现“开放式收费”，，采用DSRC技 术对车辆进行识别，并利用视频图像抓拍技术对没有安装电子标签 或电子标签非法的车辆事后追讨通行费。

 电子收费车道上安装有DSRC读写设备和摄像机，省略了传统的交 通灯、收费显示牌和栏杆等装置，车辆通过速度可达60公里/小时。

• 德国ETC系统应用

 德国高速公路启用卫星卡车收费系统，几十万辆卡车装置了车上记 录器 (OBU)，这种记录器能够记录卡车行驶情况与自动缴费，需要 依赖卫星才能运作。

 该系统部署了300个高架控制桥的红外线监视系统，阅读车牌号码，

同时有大量带有监视器和装置电脑的监控车来回巡逻。

不停车收费系统

• 新加坡ETC系统应用

 新加坡的城市道路电子动态收费系统 (Electronic Road Pricing, ERP) 是专门的小范围无线信息系统，包括三个主要组成部分，车 载单元，ERP显示牌，和控制中心。

• 法国ETC系统应用

 由于道路基础设施往往由不同的公司运营，各家公司之间的电子标 签和收费系统往往并不通用。因此各大公司开始协商在所有的高速 公路路网上提供统一服务，即“一卡通”收费的可能性。

 “一卡通”系统的技术考虑包括国际标准的制定、服务车型的选择、

发票的出具、交易的组织、如何利用和改建现有的收费站点以及成 本的控制。

不停车收费系统（续）

• 实时交通信息服务

 实时的交通信息服务是智能交通系统最重要的应用之一，能够为驾 驶员提供实时的信息例如

交通线路

，

交通拥堵

可能造成的时间 延误，

交通事故

，

安全提示

，

天气情况

，前方

道路修整工 程

等。

 智能交通系统还可以为乘客提供进一步的信息服务，例如车内的

Internet访问服务

^以及

音乐电影的下载和在线观看

。

16.3 智能交通应用

• 实时交通信息服务（续）

 提供实时的交通信息服务包括三个主要的组成部分，

信息的收集

，

信息的处理

以及

信息的散布

。每一个部分都需要不同的平台和 技术设备支持。

 目前美国的车辆当中已经越来越普遍的配备了信息设备，2009年已 经有28%的车辆携带有各类先进的信息设备，分析家预计到2012年 这一比例可达到40%。

16.3 智能交通应用

• 智能交通管理

 智能交通管理主要包括

交通控制设备

例如交通信号、匝道流量 控制和公路上的动态交通信息牌（为司机提供实时的交通流量和公 路状态信息）。

 同时一个城市或者一个省份交通管理中心需要得到整个地区的

交 通流量状况

以便及时检测事故、危险天气事件或其它对车道具有 潜在威胁的因素。

16.3 智能交通应用

• 智能交通管理（续）

 自适应的交通信号控制技术

能够对交通信号进行动态控制，

智能调整信号开关的时间。

 如果交通信号装置能够检测到等待车辆的信息或者车辆能够与信号 装置通信将此信息发送给信号装置，我们就能够

优化交通信号 的时间控制方案

，并提高道路的交通流量，缓解交通拥堵状况。

 智能的匝道流量控制

也能够为交通管理带来巨大收益。

 大概有20个美国的大城市已经使用各种形式的匝道流量控制技术。

16.3 智能交通应用

15 智能电网 16 智能交通 17  智能物流

18 智能绿色建筑 19 环境监测

物流的发展历程如何？智能物流运用了哪些物联网技 术？

本篇内容

什么是物流？

物流 （Logistics）

是满足顾客需要为目的，从物品的源点到最终消费点，

为有效的物品流通和存储，服务及相关信息而进行企划、执行和控制的过 程。

物流发展阶段

•粗放型物流 （20世纪 50 ~ 70年代）

•系统化物流 （20世纪 70 ~ 80年代）

•电子化物流 （20世纪 80年代 ~ 20世纪末）

•物联化物流 （21世纪初 ~ ）

粗放型物流 ^{物流发展阶段}

粗放型物流 系统化物流 电子化物流 物联化物流

背景:

二战后世界经济迅速复苏

特点:

大型零售企业涌现 大量生产、大量消费

缺点：

库存量大、效率低下、缺乏部门间配合

系统化物流 ^{物流发展阶段}

粗放型物流 系统化物流 电子化物流 物联化物流

起因：

物流成为一门综合型科学

企业开始注重物流的成本和效益

新型物流技术

实时生产系统 集装箱技术

新型物流业务

航空快递

电子化物流 ^{物流发展阶段}

粗放型物流 系统化物流 电子化物流 物联化物流

•现代物流的开始

•关键技术

EDI

条形码

•典型应用

UPS 世界港 （World Port）

电子数据交换（EDI） ^{物流发展阶段}

_{粗放型物流}

系统化物流 电子化物流 物联化物流

•需求背景

统一的计算机数据格式

无纸贸易

•初期标准

X12

UN/EDI FACT

•关键支撑

互联网

物联化物流 ^{物流发展阶段}

粗放型物流 系统化物流 电子化物流 物联化物流

现代物流面临的问题

•互联互通不充分

标准难以统一、发展滞后

网络与设备的异构、信息共享不充分

•感知不及时、不彻底

缺少实时感知手段

信息采集手段单一、采集的信息种类有限

•缺少智慧型计算支持与服务

应用程度低

协同性不足

物联化物流 ^{物流发展阶段}

粗放型物流 系统化物流 电子化物流 物联化物流

智能物流

•发展契机

物联网

•特点

精准化：成本最小化，零浪费

智能化：软件智能化，设备及网络智能化

协同化：资金流、物流、信息流三流合一

智能物流典型应用 ：EPC

•商品物流首先需要解决的问题：我是谁？（Tagging）

•电子产品码 Electronic Product Code 

目标：“互联网地址系统”

每个物体或电子设备都有一个独立唯一的EPC Code 对象名称解析系统（Object Naming Service，ONS）

整个物流领域连成EPC 物联网

EPC物联网架构

智能物流典型应用 ： 美军的RF‐ITV系统

•海湾战争中美军后勤部门的问题

缺乏有效准确的物流管理，效率低下

物资堆放无序，浪费严重

•解决方案：

在运物资可视化 In‐Transit Asset Visibility

准确定位，减少堆积，及时递送

帮助决策，把握态势

合理供应，优化采购配给方案

RF‐ITV 关键技术：RFID技术

•联合全资产可视化系统 （JTAV）

RFID 标签

大量运用主动式标签、传感器标签

•全球化读写识别设备部署架构 （Global Interrogator Infrastructure）

•国际运输信息跟踪系统 （International Transportation Information Tracking）

智能物流典型应用：食品物流

•食品物流的特殊性

保存、运输条件多、要求高

•智能物联技术与食品物流

传感器搜集需监测的各种参数

条形码、RFID标签支持安全回溯

电子耳标方便快速通关

•发展方向

丰富感知手段

提高智能化程度

15 智能电网 16 智能交通 17 智能物流

18  智能绿色建筑

19 环境监测

物联网背景下的绿色建筑有哪些？

本篇内容

什么是绿色建筑？

传统意义

的绿色建筑：

•绿地、花园

现代意义

的绿色建筑：

•不破坏生态环境的建筑→制造美好环境的建筑

绿色建筑的目标

：

•提供舒适、环保的工作或居住环境（基本需求）

•减少建筑物在使用维护中的耗能，缓解能源危机（生存需求）

•减少城市发展对地球生态的影响（发展需求）

什么是绿色建筑（续）？

建筑学角度

的绿色建筑：

•建筑结构单一

•建筑材料：太阳隔热膜，净水系统，防火材料，外墙保温，植物建材

→这样的绿色建筑还停留在表面

物联网角度

的绿色建筑：

•从单一到综合

•物联网为绿色建筑提供评价依据

•是绿色建筑融入自然的唯一渠道

绿色建筑的评价标准

国别 标准名称 年份

英国 BREEAM 1990

美国 LEED 1995

香港 HK-BEAM 1996

加拿大 GBC 1998

日本 CASBEE 2002

中国 GB/ T 50378 -2006 2006

绿色建筑典型应用

•建筑管理

：建筑建设的智能化管理

建筑结构监测

建筑工地监控

建筑质量控制

建设过程的异常处理

•低碳建筑

建筑低碳技术：低辐射玻璃，中水处理，内、外墙保温，太阳能，新 风系统，雨水循环系统

绿色建筑典型应用

•智能楼宇

^{：建筑内的设备互联}

实现智能化节能

提供楼宇的智能安防

为楼宇内人员提供智能服务

楼宇设施的智能管理

•智能办公室

智能办公平台，无线互联互通

视频会议系统，人性化服务

绿色建筑典型应用

•智能家居

^：

以住宅为平台，兼备 建筑、网络通信、信 息家电、设备自动化，

集系统、结构、服务、

管理为一体的高效、

舒适、安全、便利、

环保的居住环境。

绿色建筑的挑战与机遇

•优势

市场规模庞大

政府大力支持

•挑战

认识程度低

技术门槛高

建筑成本增加

15 智能电网 16 智能交通 17 智能物流

18 智能绿色建筑 19  环境监测

什么是环境监测传感网？什么是环境监测物联网？

本篇内容

环境监测的概念

•环境监测宗旨：

检测状态参数，跟踪质量变化，确定质量水平

•环境监测目标：

为环境管理、污染治理、防灾减灾等工作提供基础信 息、方法指引和质量保证。

•环境监测的对象：

自然因素，人为因素，污染危害环境的其他因素，

以及生物、生态的变化。

•环境监测的不同阶段：

系统工程角度：

信息技术角度：

环境监测的发展

•基于经验的观察

由自然因素认识自然规律；

反映自然规律不全面、不准确、不客观。

•系统科学的监测

50年代，对污染严重地点的被动监测；

70年代，监测范围延伸为包含其他物理因素的离散测量。

•自动监测

 电子计算机控制和辅助处理；

 监测环境有广度、有频度、有深度。

•无线传感器网络

环境监测传感网：典型应用系统部署

•加州大学伯克利分校 2002年

•美国大鸭岛（Great Duck Island）

•32个MICA节点

•数据采集内容：温度、湿度、光照和大 气压力

•监测目的：持续监测海燕在繁殖季节的 习性，收集相关环境数据供动物学家分 析。

环境监测传感网：典型应用系统部署

•哈佛大学 2004年

•厄瓜多尔活火山周围

•16个节点

•19天捕捉229次地震、火山爆发和其他 地震波事件。

•数据采集内容：100赫兹频率持续采集 地震波和声波强度等。

•监测目的：对高频数据采集过程中传输 可靠性、数据验证和校准等问题的探索。

环境监测传感网：典型应用系统部署

•瑞士巴塞尔大学、苏黎世大学与苏黎世 联邦理工学院 2006年

•瑞士阿尔卑斯山

•数据采集内容：气候状况、地质结构和 地表环境。

•监测目的：研究气候对环境造成的影响，

提前预测雪崩、山体滑坡等自然灾害。

环境监测传感网：模式和特征

•监测过程：单向的、一维的；

•可完成局部的、有针对性的采集和测量；

•不满足深度监控、全面测量和智能化利用。

环境监测物联网：应用动机

环境监测物联网：模式和特征

•监测过程：立体的、进化的，双向的；

•环境信息反作用于计划制定；

•监测结果对客观环境的反映全面、真实；

•传递环节信息传递与存储相结合，在网际实现异构网络融合。

环境监测物联网应用：森林生态物联网

•应用目标：对以森林生态为中心的地球环境进行长期大规模监测

•单位：

清华大学

香港科技大学

西安交通大学

浙江农林大学

•组成：

无线传感器网络

车载网

移动3G

互联网

森林生态物联网：应用背景

•应对全球气候变化和保持自然生态平衡。

 2005年2月16日，《京都议定书》正式生效，明确提出通过森林等生 态系统的有效管理提高固碳潜力，可以抵消碳减排份额 。确定森林缓 减全球CO2中的作用。

2009年9月22日，胡锦涛主席在纽约G20气候变化峰会提出用“森林 碳汇”来减缓气候变化。

2009年12月18日，温家宝总理在哥本哈根气候变化会议。

森林生态物联网：典型应用场景

森林生态物联网：典型应用场景

•森林生态安全监测

•森林生态旅游导航与安全保障

•林业生产智能管理和城市森林规划

环境监测物联网应用：Planetary Skin

发起单位：思科（CISCO）公司和美国国家航空航天局

项目宗旨：应对全球气候变化的挑战，为人类提供环境信息量化评估和决 策支持系统。

环境监测物联网应用：Planetary Skin

应用背景:

•资源紧缺和信息富集主导当今世界发展和社会进步

•节能减排的责任和义务难以界定

典型应用场景：

•陆上碳汇经营

•食品安全

•水资源管理

•燃料、食品、纤维制品和饲料生产用地的冲突协调

本章小结

内容回顾

本篇举例介绍了物联网的综合应用层，包括智能电网，智能交通，智能物流，

智能绿色建筑和环境监测五个典型应用领域。

重点掌握

•了解电力系统，电力网络和智能电网的基本概念，掌握智能电网的核心内 涵和九大特征。

•举例说明物联网背景下智能电网的应用（新能源发展与应用，输变电检测 与监控，配用电管理，实时电力调度，电网安全）。

本章小结

重点掌握（续）

•理解智能交通的概念，举例说明智能交通中的物联网技术和典型的智能交 通应用。

•了解物流的发展历程（粗放型→系统化→电子化→物联化），举例说明现代 物流需要借助物联网技术实现（EPC，RF‐ITV，食品物流）。

•举例说明绿色建筑环保技术、节能技术、信息技术、网络技术的综合应用。

•比较环境监测传感网和环境监测物联网的监测过程，主要特点和典型应用。

Thank you!