“綠野千傳”感知林業

　　項目背景

　　綜觀國際上比較有代表性的無線傳感網系統，不難看出，當前實際系統可達的規模和運轉壽命，與當初無線傳感網被提出時的目標相去甚遠。我們曾經設想的傳感網，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模下的系統；而簡單殘酷的事實是，且不論真實系統，連演示系統都停留在“百”這個量級上；網絡存活的時間，更是短得看不到優勢。為了探尋大規模自組織網的挑戰的根源和解決方案，我們發起了“綠野千傳”項目。

　　項目介紹

　　綠野千傳的系統研發工作始于2008年下半年。系統的主要任務包括：一方面，“綠野千傳”用于森林生態環境的全年監測，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據。采集的信息為多種重要應用提供支持，如森林監測、森林觀測和研究、火災風險評估、野外救援等。另一方面，“綠野千傳”是無線傳感器網絡研究領域就建立長期大規模無線傳感器網絡系統而進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，還包括浙江農林大學周國模教授、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、清華大學顧明教授、北京郵電大學馬華東教授、哈工大李建中教授、同濟大學蔣昌駿教授等。此外，這個項目還得到了自然基金委、科技部、國家林業局等單位專家直接或者間接的指導。2009年5月，項目組成功部署了一個120個節點的原型系統，到2009年10月，原型系統擴充至330個點，至今已經運轉超過11個月。2009年8月，項目組在浙江省天目山脈實現了一個超過200個節點的實用系統，該系統至今已經連續運轉超過8個月。

　　項目提出了3個1的決心，即在一個野外的真實環境，部署超過一千個節點的無線傳感網系統，連續運轉一年以上。

　　項目意義

　　選擇林業為應用背景，一方面，林業在可持續發展戰略中占據重要地位，在生態建設中居于首要地位，在西部大開發中也意義重大，在應對全球氣候變化中，更是種戰略選擇。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”，強調通過森林恢復和增長，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——發展林業是應對全球氣候變化的戰略選擇。

　　另一方面，林業應用是在森林這個復雜系統的背景下展開的，森林物種繁多、類型多樣、分布地域廣闊、生長周期長，林業應用在時間上要求同步、持續性，在空間上要求范圍廣、測點多，還要求維持較低的人力和設備成本；林學已有的技術和方法難以滿足上述條件，遭遇精確描述刻畫系統結構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，世界范圍內也不能算有非常準的測量。因此，探尋新技術新方法勢在必行。無線傳感網低功耗、智能化自組織、大規模持續同步監測、低成本的諸多特點，是一個有效的解決林業應用瓶頸的可行方案。

　　無線傳感網與林業應用相結合，林業給予無線傳感網技術足夠強大的應用驅動力，而無線傳感網的先進技術能給林業學科在研究方法和思維方式層面帶來變革。基于這兩點考慮，我們選擇了林業作為著眼點。

　　項目收獲

　　通過一年多以來的觀察和對系統收集的大量傳感網數據的分析，我們對當前無線傳感網突破大規模應用壁壘面臨的根本挑戰有了一點認識。我們總結為3個主要方面。

　　首先，無線傳感網傳輸和感知兩大功能不匹配。主要表現為兩種形式：一方面，圖像、聲音、視頻等數據可以利用對應的圖像和聲音傳感器直接獲取，但這類數據量大，且經常要求實時傳輸，要通過帶寬非常有限的無線多跳網絡傳送，難度很高。另一方面，不同應用需要各種各樣的傳感器數據，比如在林業應用中，二氧化碳含量和光譜數據具有廣泛用途，地震波強度數據在防災減災中意義重大。這類數據量小，較易于傳輸，但現實的難題是，可以提供這些數據且適用于大規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，直接導致無線傳感網無法滿足真實應用領域的感知需求。要解決這個矛盾，有若干關鍵問題亟待研究，包括設計高性能低功耗傳感器以突破網絡傳輸帶寬瓶頸、設計與優化路由協議以提升可靠性和網絡吞吐率，以及多模態數據融合和非確定性數據處理、異構傳感網的體系結構和數據管理等等。我們把這個壁壘，稱作“傳感失諧”。

　　其次，是網絡管理方面的困難。與傳統企業網絡和因特網的節點多數在室內的環境相比，無線傳感器節點經常在惡劣環境當中，風吹日曬、雪打雨淋。同時傳感器節點的通信和計算資源極端有限，傳統網絡上類似SNMP類型的Agent匯報機制無法有效支持。更為嚴峻的是，傳統網絡即使斷了，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出了故障；而在傳感網這里，斷了就是斷了，很難找到問題根源，給修復帶來巨大困擾。我們把這個困難稱為“診判失據”。

　　第三，大多數現有研究工作都基于理想化的模型假設，比如UDG或者quasi-UDG模型，忽略了無線傳感網運行過程中伴隨的各種不確定物理因素和可能的環境動態性。例如，定位算法大多基于規則的信號強度到物理距離的映射模型，覆蓋算法設計很多是采用各向同性的確定性的感知模型，拓撲控制對傳輸半徑及其可控性做了很多假設，但實際上連拓撲邊的存在與否都要依賴于對link評估方式的定義。由此產生的研究成果，當系統規模小的時候還不明顯，一旦規模大了，立刻顯現出巨大的反差，無法直接應用于指導和仿真實用系統。我們稱為“模型失用”。