呂錫民:水下物聯網如何實現智能海洋
【大紀元2019年12月09日訊】對人類而言,海洋不僅擁有大量石油、天然氣和魚類資源,而且還是國際貿易的重要渠道和潛在能源,如潮汐能和洋流發電。然而,由於水下環境的複雜性和水下設備的昂貴,海洋仍然缺乏智能和方便上的應用。
隨著物聯網(IoT)往水下環境擴展,水下物聯網(UIoT)日益成熟,已成開發智能海洋(SmartOcean)強大技術背景。我們將UIoT定義為一種具有自我學習和智慧運算的智能網絡。UIot通過有線或無線通信,來感測、監視和識別水下物體,從而構建智能海洋。
儘管具有獨特特徵的海洋可給人類帶來許多好處,但也對UIoT發展帶來限制。UIoT無法直接採用陸基IoT模型來設計,例如,洋流對UIoT的干擾,構成實際部屬上的不可忽視問題。洋流引起的UIoT水下節點移動,會影響網絡覆蓋範圍和數據傳輸質量。此外,水下聲學通信模式由於成本高、帶寬窄、誤碼率高、傳輸速度慢、能耗高等缺點,從而嚴重限制數據傳輸效率。尤其是,由於海水腐蝕和海水壓力影響,無法方便為節點電池充電,UIoT傳感器節點電池電量因此受到嚴格限制。未來UIoT應該智能地連接水下實體,就像目前陸基互聯網一樣。更重要的是,未來需要將人工智慧(AI)和霧運算結合在一起,帶給UIoT網絡一定的自我學習和智慧計算功能,使其能夠適應複雜水下環境,同時滿足海洋應用上的不同需求。
UIoT模型通常包括水下感應和傳輸組件(如,水下傳感器節點和水面節點)、水下計算和傳輸組件(如,自主水下航行器-AUV)、地面計算和傳輸組件(如,地面基地站-BS、水面艦艇和水面節點)和海岸控制組件(如,海岸BS和海岸控制中心)。
UIoT的簡單操作程序如下。首先,水下傳感器節點收集大量有價值海洋數據。然後,經由節點和AUV傳輸,完成相應數據融合和智慧計算。接著,數據透過水下節點和AUV,使用各種水下通信技術,傳輸到水面計算和傳輸組件。邊緣伺服器在地面上對水下有價值數據進行分析,用於水下網絡和海洋應用(如,資源勘探平台和深度範圍偵測等),其餘則通過無線電通信,傳輸到Internet雲伺服器或海岸控制中心。海岸控制中心從海洋和Internet雲伺服器收集數據,生成一系列智能決策,以促進人類海洋活動。此外,水下無線傳感器網絡(UWSN)可以提供海洋信息,實現用戶監視和預測水下環境事件,這也是UIoT的重要組成。
UIoT功能和結構與陸基IoT相似。但是,與IoT相比,UIoT還具有自己的網絡特性;例如,它是一個動態網絡,密度稀疏,本身是一個大型網絡,但水下通信通道質量較差。這些特性反而使得UIoT成為需要作更進一步研究的新型網絡。
眾所周知,目前UIoT採用大量異構設備,如,水下節點、水面艦艇和水下機器人,從而產生大量水下感知數據。從這些數據中提取知識時,需要使用雲運算和霧運算,以進行快速而準確的複雜計算。與IoT陸地環境相比,複雜的海洋環境使得UIoT水下網絡拓撲易受破壞。因此,需要人工智慧來優化網絡拓撲。也就是說,通過使用雲運算、霧運算和人工智慧,UIoT可在水下網絡中,建設更加實用的服務。
UIoT是一個包含多異構網絡的複雜系統,主要分為水下和非水下兩大部分,架構則細分五層:應用、融合、網絡、通信和傳感,其中每一層都具有獨立功能和可伸縮性。應用UIoT系統架構時,經由雲運算、霧運算和人工智慧等智能技術,可對IoT發展產生巨大影響。
其中的雲運算被定義為一種模型,可對配置計算資源共享池,提供無處不在、方便、按需網絡存取功能。該資源可通過最少管理工作或服務,進行交互而快速的配置與釋放。作為雲運算的擴展,霧運算對時間更加敏感,它是一個高度虛擬化平台,可在終端設備與傳統雲伺服器之間提供計算、存儲和聯網服務。另一方面,AI中的機器學習可以解決UIoT許多挑戰,例如,對象定位、事件檢測、數據傳輸、網絡安全和服務品質,透過檢測和訓練數據,機器學習是一種在一致性模式下提高機器性能的演算法。
實現UIoT願景並非易事,因為我們必須解決許多問題。構建UIoT主要理論隸屬四大部門:海洋學、通信理論、網絡理論、計算理論。在海洋學當中,有幾個重要理論影響著UIoT系統的架構設計,如海洋光學、海洋聲學、海洋電磁學、海洋動力學。通信理論包括水下編碼技術、水下聲學通信協定和各種水下通信技術。在構建UIoT水下網絡時,應該考慮主要水下網絡理論,如水下拓撲控制、水下路由協議、水下網絡設計、水下網絡修復。最後,計算理論包括演算法設計,以及可以智能處理水下數據的人工智慧。上述這些理論在建立UIoT水下網絡、設計思路與分析模式上,可以提供強健的研發基礎。
UIoT當前面臨另一主要挑戰和開放性問題是,脆弱的水下頻道會干擾水下無線通信品質。在水面環境下,無線電信號吸收速度非常快,而且會被嚴重干擾。水下光通信和磁感應通信不能實現長距離通信。因此,水下聲學通信(UAC)目前是大規模UIoT主要通信方法。但是,UAC的主要缺點在於,傳輸速度慢、多徑效應、時變效應、帶寬窄、誤碼率高、以及聲音信號容易受到各種因素影響。
水下無線通信技術,如聲學、無線光學、磁感應通信,已在全球許多研究機構研究多年。但是,當前大多數緊急海洋應用都依賴海底電纜進行數據傳輸,這是因為在水下長距離傳輸上,無線通信的性能比有線通信差,因此,對於UIoT的水下數據傳輸,基本上是以多種水下無線通信技術的水下多模態通信為主。
洋流移動性是UIoT水下傳感器網絡中不可避免的問題,UIoT水下網絡很容易發生中斷,進而嚴重破壞網絡拓撲的可靠性。此外,水下定位準確性也很容易受到洋流運動影響。儘管在UIoT模擬中已經應用某些洋流模型,但是這些模型不能準確描述海洋實際環境,因為洋流受許多因素(例如風和溫度)影響,這大大增加水下聯網難度。UIoT所有網絡元素優化有利於通信遂行,而最大化水下網絡效率也是當前研究人員研究熱點。
由於水下環境複雜、水下通信技術效率低且不可靠,所以,水下網絡可靠性很差。特別是,當水下網絡規模很大時,現有聯網策略已經不適用。基於機器學習的聯網和路由策略,在強大自我適應和計算能力驅動下,學者已針對IoT中大型地面無線傳感器網絡進行廣泛研究。但是,另一方面,UIoT各種水下網絡性能難以陸基IoT傳統方法來進行控制和優化,因為海洋環境比陸地環境要為複雜和多變。在未來UIoT研究當中,研究人員應關注大型水下網絡的可靠性和安全性,以確保及時、完整海量感知數據的傳輸。
展望未來,在大型UIoT網絡層的水下多模式下,網絡路由設計和AUV路徑規劃,使得機器學習前景看好。另外,具有自我學習功能的水下拓撲控制、拓撲重構和惡意節點檢測等方法至關重要。由於洋流的不規則動態運動,使得水下拓撲生成和網絡部署,需要有效的水下節點定位策略。
另一方面,為了取得高效、快速處理功能,其他主要挑戰尚有大數據(尤其是UAC傳輸來自不同水下網絡的數據)的計算協作。由於,海洋數據龐大且UAC帶寬狹窄,因此,數據收集間隔通常太長,往往不能保證協同運算的實時性能。此外,水下環境特別容易受到惡意攻擊,UIoT傳感器節點始終部署在無法接觸、無人看管、甚至是敵對的環境中,使得它們極易遭受各種類型破壞和威脅,即,協作運算準確性受到嚴厲挑戰。
除了上述挑戰之外,UIoT還面臨著與IoT相同的安全性和標準化問題。在UIoT建設早期階段,全球尚無統一標準來規範大型異構水下設備之間的傳輸和通信。因此,其有必要建立通用的UIoT全球標準,以簡化水下設備之間的傳輸和互動行為。
智能海洋被廣泛應用於與人類密切相關的海洋活動當中,例如智能海洋污染監測、智能深度監視、智能水下導航、智能水下資源勘探、智能水下旅遊、智能災難預警和智能水下入侵檢測。它可以幫助人們更全面了解海洋,更充分利用海洋能資源潛力,更方便管理海洋,從而更佳為人類提供服務。智能海洋要求UIoT在海洋中傳輸、計算、處理和保護各種有價值數據。也就是說,智能海洋實現取決於UIoT以下五項研究特點:水下無線通信、水下網絡、協作運算、安全性、標準化。如何加快UIoT這些研究,對於智能海洋發展尤具特殊意義。
(作者為台灣工研院能環所前研究員)
資料來源:http://www.epochtimes.com/b5/19/12/9/n11711158.htm?fbclid=IwAR07hKXlcrGV6WN1GaoFShl8T8Cr3Reo5A2-c0-b76mib99FvRjOAQswOi0
同時也有1部Youtube影片,追蹤數超過7萬的網紅大海旅人吳威毅,也在其Youtube影片中提到,終於從墾丁出發前往小琉球啦,從高雄東港搭船前往,人生第一次踏上小琉球,在船上看著海水從灰色、綠色再到深藍色,心裡的興奮也隨之高漲! 前往小琉球的第一個潛點就是位於島嶼北方的花瓶岩,聽說這裡的海龜要看不到都難! 水的清澈度當然也不用說,喜歡Freediving的我也只想待著水深只有不到10米的地方,因...
「海水密度深度」的推薦目錄:
- 關於海水密度深度 在 台灣物聯網實驗室 IOT Labs Facebook 的最佳貼文
- 關於海水密度深度 在 林于凱 高雄市議員 Facebook 的精選貼文
- 關於海水密度深度 在 林于凱 高雄市議員 Facebook 的最佳解答
- 關於海水密度深度 在 大海旅人吳威毅 Youtube 的最佳貼文
- 關於海水密度深度 在 海化問題與答案- 精華區NTUOCChe 的評價
- 關於海水密度深度 在 現場海水鹽度(S)、溫度(T)以及壓力(P)的狀態方程式( ... 的評價
- 關於海水密度深度 在 第二次期中考高二基礎地球科學試卷卷別 的評價
- 關於海水密度深度 在 海洋海水溫度與鹽度隨深度變化圖與海水分層 - YouTube 的評價
- 關於海水密度深度 在 網路上關於海水壓力計算-在PTT/MOBILE01/Dcard上的升學 ... 的評價
- 關於海水密度深度 在 網路上關於海水壓力計算-在PTT/MOBILE01/Dcard上的升學 ... 的評價
- 關於海水密度深度 在 網路上關於海水壓力計算-在PTT/MOBILE01/Dcard上的升學 ... 的評價
海水密度深度 在 林于凱 高雄市議員 Facebook 的精選貼文
【守護海龜 從減少垃圾開始】
台灣很美,只是沒被看見。
我們有著密度很高的3,000公尺高山,也有全世界密度最高的海龜(世界海龜專家認證,蓋章!)
上個週末,我舉辦了小琉球單身聯誼旅遊兼環境深度旅遊,在見證幸福的同時,我們也要關注環境議題!小琉球擁有清澈海水及美麗風光,還有隨處可見的可愛海龜,但大量的垃圾,卻也成為小島嶼的大負擔!
以前的小琉球垃圾量非常的可觀,在地政府跟民眾也意識到了這個問題,開始重視生態以及環境的維護,為了讓海龜不受威脅,禁止漁網的使用,為了減少垃圾量,也有很多的店家,陸陸續續開始減少使用一次性餐具。
小琉球的垃圾全部都是要載去本島,為了環境著想,我們晚餐的燒烤店,完全不用一次性餐具,如果盤子髒了,也提供工具給客人洗碗,這樣的做法或許有些客人會反彈,甚至有一些客人因此不願意消費,但有店家願意做這樣的改變,讓我眼睛為之一亮,也希望未來台灣有更多店家可以導入這樣的模式。
民宿老闆帶我們體驗完潮間帶後,呼籲大家回程可以幫忙撿一些垃圾。我們短短一分鐘撿的垃圾量就多到無法一次抱走,看了一下寶特瓶上面的LOGO,發現寶特瓶來自四面八方,有中國、越南、菲律賓等,這些垃圾可能是藉由洋流漂進小琉球,要解決跟減少這些垃圾最重要的是,要先知道這些垃圾的來源到底是哪裡,然後從源頭去減量。
小琉球的轉型,是從禁止使用漁網開始,而遊客量所帶來當地的生活及環境衝擊,也看到在地人有意識的從觀光行為(潮間帶總量管制、主動告知海龜不能觸摸餵食、減少一次性餐具...等等)來保護環境。
我相信如果更多人有意識的保護台灣海洋生態,我們的觀光,能夠走的更深度,更高值。我會辦一系列的深度旅遊活動,更希望能匯集各方力量,把這些台灣之美,推到國外!
#小琉球
#海龜
海水密度深度 在 林于凱 高雄市議員 Facebook 的最佳解答
【守護海龜 從減少垃圾開始】
台灣很美,只是沒被看見。
我們有著密度很高的3,000公尺高山,也有全世界密度最高的海龜(世界海龜專家認證,蓋章!)
上個週末,我舉辦了小琉球單身聯誼旅遊兼環境深度旅遊,在見證幸福的同時,我們也要關注環境議題!小琉球擁有清澈海水及美麗風光,還有隨處可見的可愛海龜,但大量的垃圾,卻也成為小島嶼的大負擔!
以前的小琉球垃圾量非常的可觀,在地政府跟民眾也意識到了這個問題,開始重視生態以及環境的維護,為了讓海龜不受威脅,禁止漁網的使用,為了減少垃圾量,也有很多的店家,陸陸續續開始減少使用一次性餐具。
小琉球的垃圾全部都是要載去本島,為了環境著想,我們晚餐的燒烤店,完全不用一次性餐具,如果盤子髒了,也提供工具給客人洗碗,這樣的做法或許有些客人會反彈,甚至有一些客人因此不願意消費,但有店家願意做這樣的改變,讓我眼睛為之一亮,也希望未來台灣有更多店家可以導入這樣的模式。
民宿老闆帶我們體驗完潮間帶後,呼籲大家回程可以幫忙撿一些垃圾。我們短短一分鐘撿的垃圾量就多到無法一次抱走,看了一下寶特瓶上面的LOGO,發現寶特瓶來自四面八方,有中國、越南、菲律賓等,這些垃圾可能是藉由洋流漂進小琉球,要解決跟減少這些垃圾最重要的是,要先知道這些垃圾的來源到底是哪裡,然後從源頭去減量。
小琉球的轉型,是從禁止使用漁網開始,而遊客量所帶來當地的生活及環境衝擊,也看到在地人有意識的從觀光行為(潮間帶總量管制、主動告知海龜不能觸摸餵食、減少一次性餐具...等等)來保護環境。
我相信如果更多人有意識的保護台灣海洋生態,我們的觀光,能夠走的更深度,更高值。我會辦一系列的深度旅遊活動,更希望能匯集各方力量,把這些台灣之美,推到國外!
#小琉球
#海龜
海水密度深度 在 大海旅人吳威毅 Youtube 的最佳貼文
終於從墾丁出發前往小琉球啦,從高雄東港搭船前往,人生第一次踏上小琉球,在船上看著海水從灰色、綠色再到深藍色,心裡的興奮也隨之高漲! 前往小琉球的第一個潛點就是位於島嶼北方的花瓶岩,聽說這裡的海龜要看不到都難! 水的清澈度當然也不用說,喜歡Freediving的我也只想待著水深只有不到10米的地方,因為在這裡深度已經不是重點了,而是真正能感受到為什麼小琉球能成為全世界海龜密度最高的地方,也別擔心不會潛水怎麼辦? 這裡只要浮潛甚至面鏡一戴往水裡看就看得到海龜啦!!
溫馨提醒:海龜是受保育的,禁止觸摸與驚嚇牠們,如果被拍照檢舉是會罰錢的喔!
(記得別留下您的垃圾,也別奪走屬於這裡的東西。)
#海龜太可愛啦
#台灣最棒了
#潛得不要不要的
--------------------------------------------------------------------------------
訂閱我的Youtube : http://bit.ly/2wnwf4l
追蹤我的Instagram : http://bit.ly/2wEvILk
按讚我的Facebook : http://bit.ly/2xcuUuP
--------------------------------------------------------------------------------
音樂: By Audio Grab
--------------------------------------------------------------------------------
攝影器材
Gopro Hero 5 : http://pics.ee/127b8
![post-title](https://i.ytimg.com/vi/eHCaqMpgyV4/hqdefault.jpg?sqp=-oaymwEbCKgBEF5IVfKriqkDDggBFQAAiEIYAXABwAEG&rs=AOn4CLAw-l9ITbApvxlVS8mUkeLtAeMsbg)
海水密度深度 在 現場海水鹽度(S)、溫度(T)以及壓力(P)的狀態方程式( ... 的推薦與評價
在上層海洋中,海水密度隨溫度、鹽度與壓力變化「大致上」關係﹕ 溫度每減少5°C 時,σ增加1 鹽度每增加1 0/00 時,σ增加1 深度(壓力)每增加200公尺(約20 個大氣壓) ... ... <看更多>
海水密度深度 在 第二次期中考高二基礎地球科學試卷卷別 的推薦與評價
(A)可測出特定深度下的海水溫度 (B)藉由導電度大小,得知其鹽度. (C)直接得到深度資料 (D)利用測得的數據,可得知海水密度大小。 13. 下列何處的海洋最可能呈現「藍 ... ... <看更多>
海水密度深度 在 海化問題與答案- 精華區NTUOCChe 的推薦與評價
不用懷疑...I'm 盈君...
我來整理海化問題與答案囉,如果答案有出入,請大家幫我修正唷..
謝啦~*^^*~
1. 全球大洋的海水平均密度為1027,請問單位為何?
A:單位為kg/m3。
Density:因溫度、鹽度、壓力而變化,但是海水的密度變化從1018到1027 kg/m3變化很小
,海洋界為了方便,常將密度減去1000,即為海水密度的簡化型。
2. What are sigma-t and sigma-thita?
A:(1)sigma-t是大氣壓下以現場之S,T所得出之密度,故 sigma-t或可稱為條件密度,這是物理海洋學表示海水密度經常使用的單位,st=[(rs,t,0/999.975)-1]*1000,式中 rs,t,0或可寫成r(s,t,0),為以現場鹽度與現場溫度代入海水的狀態方程式,壓力定為一大氣壓,如此算出海水的密度(999.975 kg/m3是海水的最大密度)。
sigma-t不能代表海水現場真正的密度偏差,但是可以用來作為(a)穩定性的判斷、
(b)水團混合追蹤、(c)表面混合層和水下的溫度躍層間有極大的密度梯度、
(d)地轉流 等四項的判斷指標。
(2)對深度在1000公尺以內的海域,海水之條件密度(sigma-t)與其位密度(s,
Potential density)數值相差不大,可以直接用來作估算海水穩定度之根據。
但如需要精確的數值,則得先計算出位溫(Potential temperature, thita),然後將q、
現場鹽度以及參考壓力等數值代入海水的狀態方程式計算。
(位溫:海水在深海受到壓力,體積會縮小,外界對水體作功,使水體的內能增加,
內能使分子動能增加溫度上升,溫度計測量之,會得到較高的現場溫度。)
3. 為什麼不可以用剛製造好的蒸餾水做實驗?
A: 剛製造好的蒸餾水,由於加熱使水分子動能增加,水分子之間的距離較大,在還沒有在室溫下完全冷卻前,水的密度未能確定,故不能用來做實驗。
而且剛製造好的蒸餾水,水溫尚高,容易破壞實驗器材,所以不宜做實驗。
更重要的是,我們以水來做實驗,剛製造好的蒸餾水,水中氣體因為得到能量而散逸,
水的密度沒有穩定,所以不適宜做定量實驗。
--
※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc)
◆ From: 140.112.69.178
... <看更多>