我想用科學(xué)的辦法，解決情侶牽手撞電線桿的困境 | 張晉

原創(chuàng) 張晉 我是科學(xué)家iscientist

在城市中，路燈是如此常見，以至于我們往往會忽略它們。但你有沒有想過，有一天，路燈會擁有智慧？擁有智慧的路燈會為我們的城市生活帶來哪些改變？粵港澳大灣區(qū)博士后科技創(chuàng)新（南沙）公共研究中心信息化專業(yè)委員會主任委員、廣東省農(nóng)科院特聘研究員張晉帶來分享《用智慧路燈，織就城市神經(jīng)網(wǎng)》。

張晉演講視頻：

以下為張晉演講實錄：

大家好，我是張晉，來自粵港澳大灣區(qū)博士后科技創(chuàng)新公共研究中心。

“物聯(lián)網(wǎng)”這個概念，大家并不陌生，我首先跟大家分享一個關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的愛情故事。

一個深情的小男孩愛上了一個漂亮的小女孩，每當(dāng)男孩思念女孩的時候，他就利用互聯(lián)網(wǎng)給女孩發(fā)信息：“親愛的，我想你了”。我們?nèi)伺c人之間的通訊可以用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來完成。

在物聯(lián)網(wǎng)時代，一個設(shè)備愛上了另一個設(shè)備，也會發(fā)信息：“我想你了?！痹O(shè)備之間的通訊靠什么來完成呢？答案是物聯(lián)網(wǎng)，于是就有了物聯(lián)網(wǎng)的誕生。

相比互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)最重要的是解決了物與物、人與物之間通信的問題。

1999年，美國麻省理工大學(xué)提出了“萬物皆可互聯(lián)”的概念，這是物聯(lián)網(wǎng)最早的雛形。國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)的研究大約從2015年開始，那時我剛剛博士畢業(yè)，我也是從那一年開始進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)的研究?？梢哉f，我把最美好的青春獻(xiàn)給了物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)。

提起物聯(lián)網(wǎng)，我們就不得不說一個概念，叫做“數(shù)字城市”。

數(shù)字城市由城市基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、城市海量應(yīng)用以及城市科學(xué)大腦三部分組成。其中，城市基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)對接了城市的海量應(yīng)用，然后將信息傳輸給城市科學(xué)大腦；城市科學(xué)大腦對收集到的信息進(jìn)行判斷、決策，最終完成整個智慧城市的運(yùn)營。所以，城市基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)是整個數(shù)字城市的信息通道，有了信息通道才形成了網(wǎng)絡(luò)。

我和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)緣其實源于我的“不務(wù)正業(yè)”。

為什么這么講呢？

我本科和碩士都就讀于哈爾濱工業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)，但我并沒有把所有的精力都集中在對數(shù)學(xué)的研究上，而是希望把數(shù)學(xué)應(yīng)用到生活中。所以在讀碩士時，我加入了學(xué)校一個激光衛(wèi)星通信的研究團(tuán)隊。

一個學(xué)數(shù)學(xué)的人要去進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)的研究，其實是一件難度非常大的事。

但作為一個科研工作者，我們需要用科學(xué)的辦法來解決問題。

我是怎樣解決這個問題的呢？

我學(xué)習(xí)了通信網(wǎng)絡(luò)大多數(shù)的基礎(chǔ)知識，差不多每天都在實驗室待16個小時以上，很快就成為了小組的一名核心成員。小組當(dāng)時一共有18位核心成員，我是唯一一位碩士研究生，這樣一來就奠定了我在小組的科研地位。我們研究的項目最終通過了國家的驗收，還取得了國家技術(shù)發(fā)明一等獎，可以說是一個非常偉大、非常有意義的項目。這個項目也成就了我，讓我對網(wǎng)絡(luò)更感興趣。

所以當(dāng)我再去讀博士的時候，就更加不務(wù)正業(yè)了，選了一個壓根跟數(shù)學(xué)完全不搭邊的專業(yè)——計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

在讀博士過程中，我就開始思考，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)究竟要研究什么？

是一個算法嗎？是一個局域網(wǎng)嗎？是一個路由協(xié)議嗎？

都不是。

我們真正要研究是和生活息息相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)，是我們城市中的網(wǎng)絡(luò)，是我們地球上的網(wǎng)絡(luò)，也就是今天講的數(shù)字城市。

數(shù)字城市究竟是怎么構(gòu)成的呢？

城市科學(xué)大腦連接了城市運(yùn)營大平臺、城市管理大平臺和城市應(yīng)用大平臺，這三個平臺再連接旅游、環(huán)境、農(nóng)業(yè)，工業(yè)、應(yīng)急指揮、大健康等等各方面行業(yè)和應(yīng)用。隨著應(yīng)用的增多，數(shù)字城市的內(nèi)容也越來越豐富。所以說，網(wǎng)絡(luò)的研究讓我重新認(rèn)識了整個城市，也重新認(rèn)識了我的生活。

經(jīng)過許多調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)城市級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最好載體是路燈，因為路燈在大街小巷隨處可見，在夜晚帶我們走過漫漫長路。如果我們把一些基站和設(shè)備部署在路燈上，就可以形成具有感知化、互聯(lián)化、智慧化的智慧路燈，建設(shè)起城市級的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

智慧路燈具備pm2.5檢測、光照度監(jiān)測、安全監(jiān)控、溫濕度檢測等環(huán)境因素收集的功能，也可以進(jìn)行停車位、沙井蓋、路燈信號的管理監(jiān)控。

借助智慧路燈，我們形成了城市級的管理和運(yùn)營平臺。通過路燈的充電樁，我們可以為停在路邊的新能源汽車充電；通過路燈上的一鍵呼叫系統(tǒng)，我們可以在發(fā)生危險的第一時間向急救人員求救；通過智慧路燈的人機(jī)交互系統(tǒng)，當(dāng)我們需要查找信息的時候，可以與數(shù)字世界、信息化的世界進(jìn)行溝通。因此，智慧路燈為搭建城市神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了非常寶貴的資源和載體。

我為什么會選擇智慧路燈進(jìn)行研究呢？這源于一次旅行。

當(dāng)時，我?guī)е笥讶ヒ粋€城市旅行，兩個人牽著手漫步在街頭，非常浪漫。但人行道上林立著各種桿子，有監(jiān)測環(huán)境的、有監(jiān)測噪聲的，還有采集街道視頻的。所以我沒有辦法一直牽著女朋友的手——

“為什么你跟我漫步的時候總要松開我的手？”

“不松開不行，不松開就撞電線桿上去了。”

這個問題引起了我的反思。

作為一個科研工作者，我們要學(xué)會用科學(xué)的辦法來解決問題。

我們希望把所有的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備聯(lián)到一個載體上，通過這個載體來收集整個城市的信息，就像我們身體每一處神經(jīng)會通過知覺和觸覺感受外界信息。智慧路燈也是一樣，它創(chuàng)造出一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，讓我們感受到城市每一個角落都在發(fā)出信息，最終把信息匯聚到城市大腦科學(xué)中心。

有了這樣的想法，我們就開始進(jìn)行智慧路燈的研究。隨著研究的深入，我們發(fā)現(xiàn)智慧路燈不僅僅是把所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備結(jié)合。我們希望城市的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸給城市大腦科學(xué)中心，讓城市大腦科學(xué)中心像人一樣思考。

但是在傳輸過程中，可能會出現(xiàn)非常嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)安全問題。

2015年，美國一輛吉普車在高速公路上奔馳。突然，司機(jī)發(fā)現(xiàn)汽車空調(diào)以最大的風(fēng)量、最低的溫度向他釋放冷氣，同時汽車電臺被調(diào)到了當(dāng)?shù)匚魳返碾娕_，接下來汽車失去了動力，也就是說他踩油門已經(jīng)不管用了。這時候司機(jī)就感到特別無助，因為他的汽車已經(jīng)被劫持了。

其實我覺得他不僅僅是無助，還有絕望。為什么？因為他行駛的不是高速公路，有可能要走完漫漫的人生路。當(dāng)這類危險來臨的時候，我們會感受到物聯(lián)網(wǎng)安全是多么重要，如果沒有一個安全的保護(hù)，我們的信息將有可能被泄露，會帶來非常嚴(yán)重的危害。

這個問題怎么解決呢？

現(xiàn)在整個智慧城市系統(tǒng)仍然在使用中心化存儲的方式，數(shù)據(jù)很可能被泄露、流失或篡改，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)的崩塌。

通過研究，我們發(fā)現(xiàn)區(qū)塊鏈技術(shù)和可信計算是解決安全問題最好的工具。

我們通過一些智能合約的手段，實現(xiàn)了數(shù)字城市物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的分享。我們團(tuán)隊在現(xiàn)有區(qū)塊鏈算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的算法可以抵御量子攻擊。因此，我們使用區(qū)塊鏈技術(shù)保護(hù)了數(shù)據(jù)的隱私，也使數(shù)據(jù)防篡改、更安全、更有效。

我們不僅在算法協(xié)議上進(jìn)行了研究，還利用可信計算的方式進(jìn)行了安全芯片的研發(fā)。大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備都是低功耗的設(shè)備，不支持高功率的安全算法芯片以及安全算法。這樣一來，我們?nèi)绻氡ＷC物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的安全，就要給它一個輕量級的安全算法和更有效的安全協(xié)議。

我們現(xiàn)在研究的物聯(lián)網(wǎng)安全芯片使用了大數(shù)乘法的方式，根據(jù)目前仿真實驗的結(jié)果，它不需要中間結(jié)果的存儲，在一個時鐘周期內(nèi)就可以完成一次大數(shù)乘法的運(yùn)算，同時所消耗的能源比傳統(tǒng)辦法節(jié)省了60~80%。因此，我們目前的安全芯片能保證物聯(lián)網(wǎng)終端傳輸信息的安全。

所以大家一定要相信，未來的數(shù)字城市，未來的物聯(lián)網(wǎng)，一定是一個安全的世界，能為大家提供一個便捷、有效、宜居的環(huán)境。

對于未來的數(shù)字城市，我們有很多種暢想：有5g網(wǎng)絡(luò)，有無人駕駛汽車，有自動送快遞的無人機(jī)，有可以監(jiān)控到城市各個角落的無人車、無人船等，但所有的這些都離不開城市的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。今天我們用智慧路燈搭建了一張城市的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，明天這張神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將會為未來的數(shù)字創(chuàng)造更大的價值，創(chuàng)造更美好的生活空間。

謝謝大家！

作者：張晉

編輯：yuki、凝音

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