我想用科学的办法,解决情侣牵手撞电线杆的困境
2020-03-25 12:24:00 来源:科普中国

在城市中,路灯是如此常见,以至于我们往往会忽略它们。但你有没有想过,有一天,路灯会拥有智慧?拥有智慧的路灯会为我们的城市生活带来哪些改变?粤港澳大湾区博士后科技创新(南沙)公共研究中心信息化专业委员会主任委员、广东省农科院特聘研究员张晋带来分享《用智慧路灯,织就城市神经网》。

以下为张晋演讲实录:

大家好,我是张晋,来自粤港澳大湾区博士后科技创新公共研究中心。

“物联网”这个概念,大家并不陌生,我首先跟大家分享一个关于物联网的爱情故事。

  

一个深情的小男孩爱上了一个漂亮的小女孩,每当男孩思念女孩的时候,他就利用互联网给女孩发信息:“亲爱的,我想你了”。我们人与人之间的通讯可以用互联网络来完成。

在物联网时代,一个设备爱上了另一个设备,也会发信息:“我想你了。”设备之间的通讯靠什么来完成呢?答案是物联网,于是就有了物联网的诞生。

相比互联网,物联网最重要的是解决了物与物、人与物之间通信的问题。

1999年,美国麻省理工大学提出了“万物皆可互联”的概念,这是物联网最早的雏形。国内物联网的研究大约从2015年开始,那时我刚刚博士毕业,我也是从那一年开始进行物联网的研究。可以说,我把最美好的青春献给了物联网事业。

  

  提起物联网,我们就不得不说一个概念,叫做“数字城市”。

数字城市由城市基础网络、城市海量应用以及城市科学大脑三部分组成。其中,城市基础网络对接了城市的海量应用,然后将信息传输给城市科学大脑;城市科学大脑对收集到的信息进行判断、决策,最终完成整个智慧城市的运营。所以,城市基础网络是整个数字城市的信息通道,有了信息通道才形成了网络。

我和网络的结缘其实源于我的“不务正业”。

为什么这么讲呢?

我本科和硕士都就读于哈尔滨工业大学数学与应用数学专业,但我并没有把所有的精力都集中在对数学的研究上,而是希望把数学应用到生活中。所以在读硕士时,我加入了学校一个激光卫星通信的研究团队。

一个学数学的人要去进行通信网络的研究,其实是一件难度非常大的事。

但作为一个科研工作者,我们需要用科学的办法来解决问题。

我是怎样解决这个问题的呢?

  

我学习了通信网络大多数的基础知识,差不多每天都在实验室待16个小时以上,很快就成为了小组的一名核心成员。小组当时一共有18位核心成员,我是唯一一位硕士研究生,这样一来就奠定了我在小组的科研地位。我们研究的项目最终通过了国家的验收,还取得了国家技术发明一等奖,可以说是一个非常伟大、非常有意义的项目。这个项目也成就了我,让我对网络更感兴趣。

所以当我再去读博士的时候,就更加不务正业了,选了一个压根跟数学完全不搭边的专业——计算机网络。

在读博士过程中,我就开始思考,计算机网络究竟要研究什么?

是一个算法吗?是一个局域网吗?是一个路由协议吗?

都不是。

我们真正要研究是和生活息息相关的网络,是我们城市中的网络,是我们地球上的网络,也就是今天讲的数字城市。

  

  数字城市究竟是怎么构成的呢?

城市科学大脑连接了城市运营大平台、城市管理大平台和城市应用大平台,这三个平台再连接旅游、环境、农业,工业、应急指挥、大健康等等各方面行业和应用。随着应用的增多,数字城市的内容也越来越丰富。所以说,网络的研究让我重新认识了整个城市,也重新认识了我的生活。

  

经过许多调研,我们发现城市级神经网络的最好载体是路灯,因为路灯在大街小巷随处可见,在夜晚带我们走过漫漫长路。如果我们把一些基站和设备部署在路灯上,就可以形成具有感知化、互联化、智慧化的智慧路灯,建设起城市级的神经网络。

  

智慧路灯具备PM2.5检测、光照度监测、安全监控、温湿度检测等环境因素收集的功能,也可以进行停车位、沙井盖、路灯信号的管理监控。

借助智慧路灯,我们形成了城市级的管理和运营平台。通过路灯的充电桩,我们可以为停在路边的新能源汽车充电;通过路灯上的一键呼叫系统,我们可以在发生危险的第一时间向急救人员求救;通过智慧路灯的人机交互系统,当我们需要查找信息的时候,可以与数字世界、信息化的世界进行沟通。因此,智慧路灯为搭建城市神经网络提供了非常宝贵的资源和载体。

  

  我为什么会选择智慧路灯进行研究呢?这源于一次旅行。

当时,我带着女朋友去一个城市旅行,两个人牵着手漫步在街头,非常浪漫。但人行道上林立着各种杆子,有监测环境的、有监测噪声的,还有采集街道视频的。所以我没有办法一直牵着女朋友的手——

“为什么你跟我漫步的时候总要松开我的手?”

“不松开不行,不松开就撞电线杆上去了。”

这个问题引起了我的反思。

作为一个科研工作者,我们要学会用科学的办法来解决问题。

我们希望把所有的物联网设备联到一个载体上,通过这个载体来收集整个城市的信息,就像我们身体每一处神经会通过知觉和触觉感受外界信息。智慧路灯也是一样,它创造出一个神经网络,让我们感受到城市每一个角落都在发出信息,最终把信息汇聚到城市大脑科学中心。

  

有了这样的想法,我们就开始进行智慧路灯的研究。随着研究的深入,我们发现智慧路灯不仅仅是把所有物联网设备结合。我们希望城市的神经网络将信息传输给城市大脑科学中心,让城市大脑科学中心像人一样思考。

但是在传输过程中,可能会出现非常严重的网络安全问题。

2015年,美国一辆吉普车在高速公路上奔驰。突然,司机发现汽车空调以最大的风量、最低的温度向他释放冷气,同时汽车电台被调到了当地嘻哈音乐的电台,接下来汽车失去了动力,也就是说他踩油门已经不管用了。这时候司机就感到特别无助,因为他的汽车已经被劫持了。

其实我觉得他不仅仅是无助,还有绝望。为什么?因为他行驶的不是高速公路,有可能要走完漫漫的人生路。当这类危险来临的时候,我们会感受到物联网安全是多么重要,如果没有一个安全的保护,我们的信息将有可能被泄露,会带来非常严重的危害。

这个问题怎么解决呢?

  

现在整个智慧城市系统仍然在使用中心化存储的方式,数据很可能被泄露、流失或篡改,甚至可能导致系统的崩塌。

通过研究,我们发现区块链技术和可信计算是解决安全问题最好的工具。

我们通过一些智能合约的手段,实现了数字城市物联网数据的分享。我们团队在现有区块链算法的基础上进行了改进,改进后的算法可以抵御量子攻击。因此,我们使用区块链技术保护了数据的隐私,也使数据防篡改、更安全、更有效。

  

我们不仅在算法协议上进行了研究,还利用可信计算的方式进行了安全芯片的研发。大多数物联网终端设备都是低功耗的设备,不支持高功率的安全算法芯片以及安全算法。这样一来,我们如果想保证物联网终端设备的安全,就要给它一个轻量级的安全算法和更有效的安全协议。

我们现在研究的物联网安全芯片使用了大数乘法的方式,根据目前仿真实验的结果,它不需要中间结果的存储,在一个时钟周期内就可以完成一次大数乘法的运算,同时所消耗的能源比传统办法节省了60~80%。因此,我们目前的安全芯片能保证物联网终端传输信息的安全。

  

所以大家一定要相信,未来的数字城市,未来的物联网,一定是一个安全的世界,能为大家提供一个便捷、有效、宜居的环境。

对于未来的数字城市,我们有很多种畅想:有5G网络,有无人驾驶汽车,有自动送快递的无人机,有可以监控到城市各个角落的无人车、无人船等,但所有的这些都离不开城市的基础网络。今天我们用智慧路灯搭建了一张城市的神经网络,明天这张神经网络将会为未来的数字创造更大的价值,创造更美好的生活空间。

谢谢大家!

  

  作者:张晋

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