劉巍巍 范秋丹/中國氣象局公共氣象服務(wù)中心

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在氣象行業(yè)中的應(yīng)用研究淺析

劉巍巍 范秋丹/中國氣象局公共氣象服務(wù)中心

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第3次浪潮。目前，美國、日本、韓國、歐盟等都在投入巨資深入研究探索物聯(lián)網(wǎng)，我國政府也高度重視物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)在氣象行業(yè)也已得到了廣泛的應(yīng)用。本研究的重點(diǎn)是從物聯(lián)網(wǎng)的定義及發(fā)展歷程為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)氣象物聯(lián)網(wǎng)的基本內(nèi)涵、發(fā)展過程、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在氣象中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景等方面進(jìn)行全面、深入的歸納、總結(jié)和淺析。

物聯(lián)網(wǎng)；物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展；氣象

1.物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)[1]被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第3次浪潮。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)一方面可以提高經(jīng)濟(jì)效益，另一方面可以大大節(jié)約成本。目前，美國、日本、韓國、歐盟等都在投入巨資深入研究探索物聯(lián)網(wǎng)，我國政府也高度重視物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與應(yīng)用。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)定義

物聯(lián)網(wǎng)就是通過射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。它的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，其本質(zhì)特征就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”,是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通訊。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)，人類可以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的管理生產(chǎn)和生活，達(dá)到“智慧”狀態(tài)，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平，改善人與自然的關(guān)系。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過程

物聯(lián)網(wǎng)的理念最早出現(xiàn)于比爾蓋茨1995年《未來之路》一書。1999年，美國Auto-ID首先提出“物聯(lián)網(wǎng)”的概念，即把所有物品通過射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。此后在2003年，美國《技術(shù)評(píng)論》提出傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將是未來改變?nèi)藗兩畹氖蠹夹g(shù)之首。2004年，物聯(lián)網(wǎng)因其能實(shí)現(xiàn)人與物、物與物之間的即時(shí)交流，被美國《商業(yè)周刊》評(píng)為全球十大熱門技術(shù)。2005年11月17日，在突尼斯舉行的信息社會(huì)世界峰會(huì)(WSIS)上，正式提出了物聯(lián)網(wǎng)概念。同時(shí)也拉開了物聯(lián)網(wǎng)在當(dāng)今社會(huì)快速發(fā)展的序幕。而2008年席卷全球的金融危機(jī)后，世界各國正在試圖通過發(fā)展與“物聯(lián)網(wǎng)”概念相關(guān)的新技術(shù)作為應(yīng)對(duì)國際金融危機(jī)，振興經(jīng)濟(jì)的重點(diǎn)領(lǐng)域，讓其成為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)走出危機(jī)的重大力量，將本國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展從泥沼中拉回到正軌。2009年6月,歐盟委員會(huì)提出針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)方案，方案明確表示在技術(shù)層面將給予大量資金支持，在政府管理層面將提出與現(xiàn)有法規(guī)相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管方案。目前，國際上對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)、應(yīng)用主要集中在美、歐、日、韓等少數(shù)國家，相應(yīng)啟動(dòng)了以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的“智慧地球”、“物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)計(jì)劃”、“U-Japan”、“U-Korea”等國家性區(qū)域戰(zhàn)略規(guī)劃[2]。

我國早在上世紀(jì)90年代就已經(jīng)開始了無線傳感領(lǐng)域的研究。1999年，中國科學(xué)院就啟動(dòng)了傳感網(wǎng)研究，組成了2000多人的團(tuán)隊(duì)，投入數(shù)億元，已擁有從材料、技術(shù)、器件、系統(tǒng)到網(wǎng)絡(luò)的完整產(chǎn)業(yè)鏈。2004年開始在軍民兩個(gè)領(lǐng)域展開標(biāo)準(zhǔn)化研究工作，2009年以來開始積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。

據(jù)新華社發(fā)布的《2009－2010中國物聯(lián)網(wǎng)年度發(fā)展報(bào)告》[3]顯示，2009年我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模1700多億元，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)遍布公眾業(yè)務(wù)、平安家居、電力安全、公共安全、健康監(jiān)測、智能交通、重要區(qū)域防入侵、環(huán)保等諸多行業(yè)和領(lǐng)域，市場規(guī)模均超百億元。據(jù)中國物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心、中國科學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)研究中心、江蘇中科物聯(lián)網(wǎng)科技發(fā)展有限公司聯(lián)合出版的《中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展年度藍(lán)皮書（2010）》顯示，2010年我國物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用中，安防、電力、交通3大行業(yè)位居前列。安防行業(yè)的應(yīng)用更是遙遙領(lǐng)先，占據(jù)了43％的市場份額，規(guī)模接近900億元，電力行業(yè)和交通行業(yè)分別占據(jù)15％和9％的市場份額，市場規(guī)模分別約為300億元和190億元。物流、醫(yī)療、手機(jī)支付等行業(yè)發(fā)展也較為迅速，并正日漸滲透到其他各行業(yè)和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。

2.氣象物聯(lián)網(wǎng)研究

2.1 氣象物聯(lián)網(wǎng)基本內(nèi)涵

什么是氣象物聯(lián)網(wǎng)？簡而言之，就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在氣象中的應(yīng)用，是專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的一種。具體地說，就是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、智能技術(shù)，把氣象觀測、氣象預(yù)報(bào)、氣象預(yù)警信息傳播、氣象服務(wù)產(chǎn)品發(fā)布等多個(gè)系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，對(duì)各種氣象信息和相關(guān)非氣象信息進(jìn)行智能收集、識(shí)別、處理、存儲(chǔ)、交互與分發(fā)，以實(shí)現(xiàn)大范圍、大容量數(shù)據(jù)集中統(tǒng)一管理，提供數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和信息服務(wù)的一種網(wǎng)絡(luò)。其核心和基礎(chǔ)是氣象信息通信網(wǎng)，涵蓋氣象信息感知采集系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)、信息存儲(chǔ)與信息共享服務(wù)系統(tǒng)。

2.2 氣象物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷程

早在20世紀(jì)70年代中期，隨著國家氣象局開發(fā)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)通信、自動(dòng)填圖軟件和氣象公報(bào)庫、報(bào)告庫、要素庫和數(shù)值預(yù)報(bào)場庫的建立，氣象信息感知、傳輸、存儲(chǔ)、應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，這也標(biāo)志著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在氣象中已經(jīng)開始進(jìn)行了初步的應(yīng)用。隨后歷時(shí)8年，發(fā)展的“氣象衛(wèi)星綜合應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)”（代號(hào)“9210”工程），建成了衛(wèi)星廣域網(wǎng)、話音網(wǎng)、數(shù)據(jù)廣播網(wǎng)、接收網(wǎng)、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)、CHINAPAC地面迂回備份網(wǎng)和氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)，創(chuàng)建了由一個(gè)國家級(jí)主站、6個(gè)區(qū)域級(jí)站、25個(gè)省級(jí)站、300多個(gè)地市級(jí)站、2000多個(gè)縣級(jí)站組成，以空中與地面相結(jié)合，專網(wǎng)與公網(wǎng)相結(jié)合，以衛(wèi)星通信為主，地面通信為輔，以專網(wǎng)為主，公網(wǎng)為輔，覆蓋全國，集中控制，分級(jí)管理的五級(jí)氣象信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了氣象信息領(lǐng)域和部分氣象服務(wù)領(lǐng)域的自動(dòng)傳感、網(wǎng)絡(luò)傳輸、智能處理，氣象物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用也得到了明顯的發(fā)展。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著我國地面氣象通信寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、地市級(jí)以上氣象部門新一代衛(wèi)星氣象數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)（DVB-S）、全國天氣預(yù)報(bào)電視會(huì)商與電話會(huì)議系統(tǒng)的先后建成，我國氣象通信步入了氣象衛(wèi)星、雷達(dá)網(wǎng)和光纖、通訊衛(wèi)星互相配合的時(shí)代，特別是區(qū)域自動(dòng)站的研發(fā)并廣泛投入使用，使氣象信息感知、傳輸和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了的全面的自動(dòng)化和部分的智能化，將氣象物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用推向了快速發(fā)展的通道，并取得了部分領(lǐng)域的應(yīng)用成果。

截止目前，全國每個(gè)氣象單位都實(shí)現(xiàn)了任意點(diǎn)到點(diǎn)的直接通信和數(shù)據(jù)共享，并實(shí)現(xiàn)了在中國氣象頻道音、視頻天氣預(yù)報(bào)節(jié)目的實(shí)時(shí)廣播，基本實(shí)現(xiàn)了天氣預(yù)報(bào)無時(shí)不有、無處不有，全天候跟隨式貼心服務(wù)。由此可見，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在氣象行業(yè)中的應(yīng)用早于其它行業(yè)，并伴隨著氣象通信技術(shù)的發(fā)展，得到了較快的發(fā)展，發(fā)展速度和水平明顯超前于其它行業(yè)。

3.國內(nèi)氣象物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析

3.1 國內(nèi)氣象物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，我國氣象物聯(lián)網(wǎng)已廣泛覆蓋到氣象信息監(jiān)測、信息發(fā)布、氣象災(zāi)害防御、氣象科學(xué)管理等方方面面。截止目前，我國擁有的2419個(gè)地面氣象觀測站、34427個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站、172部新一代天氣雷達(dá)、6顆極軌氣象衛(wèi)星、5顆靜止氣象衛(wèi)星組成的集天基、空基、地基相結(jié)合的綜合氣象觀測系統(tǒng)構(gòu)成的立體監(jiān)測網(wǎng)，廣泛應(yīng)用氣象物聯(lián)網(wǎng)智能感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸和智能處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)氣象信息的監(jiān)測、傳輸和處理整個(gè)流程的自動(dòng)化、智能化。

發(fā)展氣象物聯(lián)網(wǎng)，與通信運(yùn)營商合作，通過 GPRS、GSM、3G 等形式把氣象信息發(fā)送到用戶手機(jī)、小區(qū)電子顯示屏等信息接收終端，擴(kuò)大氣象信息發(fā)布人群覆蓋面、增強(qiáng)災(zāi)害預(yù)警能力，在我國氣象防災(zāi)減災(zāi)中得到了初步的應(yīng)用。隨之物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)和其他M2M相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展，也加速了我國氣象物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)程，顯著提升了信息監(jiān)測、智能控制能力。

3.2 氣象物聯(lián)網(wǎng)前景分析

隨著氣象物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)基本氣象要素的全面感知、觀測點(diǎn)實(shí)景信息的全面感知、農(nóng)業(yè)氣象要素的全面感知、交通氣象要素的全面感知、旅游氣象要素的全面感知、氣象裝備信息的全面感知，將形成成熟的氣象物聯(lián)網(wǎng)感知體系。

根據(jù)中國氣象局《氣象信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展規(guī)劃（2011-2015）》，到2015年我國將建成結(jié)構(gòu)合理、集約高效、技術(shù)先進(jìn)、功能完備、穩(wěn)定可靠的氣象信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，總體達(dá)到同期國際先進(jìn)水平。這無疑將是氣象物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵性突破，依托先進(jìn)的氣象信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將顯著提高氣象信息數(shù)據(jù)收集、傳輸、分析及各種氣象產(chǎn)品分發(fā)效率，氣象物聯(lián)網(wǎng)整體性能將更加優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)氣象信息收發(fā)的及時(shí)高效、氣象服務(wù)的及時(shí)高效。

隨著氣象物聯(lián)網(wǎng)感知層全面覆蓋，網(wǎng)絡(luò)層效率不斷提升，遠(yuǎn)程控制技術(shù)不斷進(jìn)步，必將帶動(dòng)氣象物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的飛速發(fā)展，使氣象服務(wù)在智慧城市、智能城市建設(shè)中的不斷深入，實(shí)現(xiàn)氣象裝備管理智能化、氣象觀測設(shè)備管理維護(hù)智能化、氣象觀測內(nèi)容管理智能化、專業(yè)觀測設(shè)備管理智能化、預(yù)警設(shè)備發(fā)布終端管理智能化、公共氣象服務(wù)智能化、人工影響天氣作業(yè)智能化、專業(yè)氣象服務(wù)智能化、農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)智能化、城市氣象服務(wù)智能化、交通氣象服務(wù)智能化。

[1] 物聯(lián)網(wǎng):概念、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述 北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications Jun. 2010 Vol. 33 No. 3.

[2] 物聯(lián)網(wǎng)——開啟全新生活的智能時(shí)代.張福生.山西人民出版社.

[3]《2009-2010中國物聯(lián)網(wǎng)年度發(fā)展報(bào)告》.新華社.

[4] 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用周刊.2010年1月.第八期.北京溪谷信息咨詢有限公司.