现代信息技术应用模式在土壤重金属污染测试中的发展展望

张建国，张植蓝宝

(1.山西省经济信息中心，山西 太原 030002；2.华为技术有限公司南京研究所，江苏 南京 210012)

现代信息技术应用模式在土壤重金属污染测试中的发展展望

张建国1，张植蓝宝2

(1.山西省经济信息中心，山西 太原 030002；2.华为技术有限公司南京研究所，江苏 南京 210012)

以土壤测试应用模式为切入点，介绍了比较适宜土壤测试物联网架构中的USN体系结构，绘制了基于易理的物联网和当前主流信息技术的关系图，提出了分析测试仪器、物联网、云计算、地理信息系统等与土壤重金属污染测试应用模式以及便于物联网查找的形式操作连接符号。提出了易计算的概念，认为云计算向易计算过度是必然趋势。

物联网；云计算；大数据；应用模式；土壤污染测试

2013年，媒体披露湖南省稻米镉超标事件，引起社会的广泛关注。国务院高度重视，召开专题会议进行了深入研究，作出了全面部署，提出了工作措施，并要求国务院有关部门会同湖南省抓紧制定落实方案。农业部组织有关专家进行了认真研究，提出了开展综合治理的总体思路和技术路线[1]。

对于解决这种大范围的污染或类似的问题的应用，急需找到一种新的可控的适宜市场化的应用模式。分析仪器和物联网、云计算等信息技术的融合应用是在大范围内解决污染测试、监控、决策管理的最好选择。

1 物联网

2005年11月国际电信联盟(ITU)发布了题为ITU Internet reports 2005—the Internet of things》的报告，正式提出了物联网(Internet of things，IoT)一词，引起了世界各国的广泛关注[2]。

物联网集成了多种感知、通信与计算技术，不仅使人与人(Human to Human，H2H)之间的交流变得更加便捷，而且使人与物(Human to Thing，H2T)、物与物(Thing to Thing，T2T)之间的交流变成可能，最终将使人类社会、信息空间和物理世界(人-机-物)融为一体。因此，物联网被认为是继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮[3]。

物联网就是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、以及各种信息传感设备采集物体的信息，按约定的协议，把这些信息与互联网相连，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种现代网络概念[4]。

随着物联网概念的兴起，以及传感技术的发展，利用物联网等信息技术监测土壤污染势必是将来土壤污染监测的发展方向。

1.1 两种代表性的物联网的架构

根据中科院陈海明博士等发表的《物联网体系结构与实现方法的比较研究》来看，目前物联网研究还在起步阶段。在几家主要研究机构的几种物联网体系结构中，通过物联网的各种评估指标比较分析，有两种结构：IoT-A和USN，具有更多符合物联网特征的属性。陈海明博士的研究认为可以将USN和IoT-A分别作为建立后端集中式和前端分布式物联网系统的参考体系结构。未来还可以基于这两个体系结构衍生出满足不同应用需求的物联网体系结构[3]。在选定的两种体系结构中，我们认为USN体系结构比较适合土壤测试的应用模式。

1.1.1 USN体系结构

USN体系结构是由韩国的电子与通信技术研究所(ETRI)提出的。该体系结构自底向上将物联网分为五层(如图1左边所示)：感知网、接入网、网络基础设施、中间件和应用平台。每一层的功能定义如下：1) 感知网用于采集与传输环境信息；2) 接入网由一些网关或汇聚节点组成，为感知网与外部网络或控制中心之间的通信提供基础设施；3) 网络基础设施是指基于后IP技术的下一代互联网(NGN)；4) 中间件由负责大规模数据采集与处理的软件组成；5) 应用平台涉及未来各个行业，它们将有效使用物联网以提高生产和生活的效率。由于USN体系结构按照功能层次比较清楚地定义了物联网的组成，因此目前被国内工业与学术界广泛接受[3]。

图1 USN体系结构及其演化结构

USN的五个功能都适应于土壤重金属污染测试及其测试数据的应用分析。在接入方式上采用无线或有线混合接入，如果在田野测试土壤污染要及时传输数据(在线测试)采用无线接入比较合理，如果样本需要送到实验室测试或离线测试，要批量传输测试数据采用有线接入比较经济。现在一些土壤重金属测试仪，象X射线荧光分析仪，配有GPS全球定位系统，可以以EXCEL格式保存数据，为离线或在线加载数据提供了方便或可能[5]。建议各种便携式仪器使用统一标准的数据线连接智能手机接入物联网，及时在线传输数据。

2 物联网和现代信息技术网络的形式关系

2.1 物联网和互联网的关系

我们知道起初的互联网基本属于免费服务，特点是用户要对信息技术设备进行大规模的投资，要对设备进行长期的维护，需要专门的技术开发人员。物联网和互联网的连接由于利益的关系，大部分也处于“封闭”、“各自为战”或“孤岛”的境地[6]。尽管技术成熟，但服务模式还不成熟，这是造成“封闭”的主要原因。图2给出的是一个没有云计算前物联网和互联网的关系图，这个时候现代网络中枢神经系统还不具有商业的头脑。多数服务是免费的。

图2 物联网和互联网的关系

2.2 物联网和“大数据”的关系

大数据(big data)，或称巨量资料，是相对于我们过去常用的样本数据而言的，它指的是所涉及的资料量规模巨大到无法通过目前主流软件工具，在合理时间内达到撷取、管理、处理、并整理成为帮助实体决策更积极目的的资讯。

大数据的价值必须透过云计算来实现，这是由于云计算的服务模式来决定的。物联网(气象、空气、水文、土壤等监测监控生成的数据)作为数据采集端，成为大数据的源泉，它促进了大数据的进步与发展，大数据技术也为物联网提供了更好的支持，当然大数据也为土壤污染的测试从抽样测试过渡到大面积全方位的数据测试提供了越来越好的技术保障。大数据就是要在数据迷茫中产生洞见。

2.3 物联网和云计算的关系

2006年，“云计算”的概念由谷歌首次提出以来，在业界引起了很大反响[10]。云计算作为技术和模式的创新，为物联网的开放与发展提供了保障。云计算就是信息技术服务和金融支付的绑定，即有偿服务，是一种新兴的商业计算模式[11]。但本人认为一切支付或交易都必须经过税收部门(可控性)的确认才算合法(过户)。

云计算主要解决了服务模式，使传统实体快速加入信息技术支持的新型市场成为现实，好比给传统实体插上了飞翔的翅膀。如果使用者，当他要使用一方的数据时就要支付劳动者的报酬。比如农民加入了污染土壤数据的测试，使用者就要给农民一定的支付，才能使用他们采集的数据，这样的应用模式就自觉不自觉地调动了参与人员的积极性。

图3就给出了物联网和云计算的关系图，实际上就是当物联网和云计算结合时，现代网络中枢神经系统就具有商业的头脑。对于消费者来说多数服务是收费的，对于国家来说还不是完全可控的，因而对于企业来说还不能保证其合法性和健康发展的基本条件。

图3 物联网和云计算的关系

3 易计算

云计算是易计算的技术过度，或者说易计算是各种计算的终结，只有朝着易计算方向发展才能保证互联网的健康成长。易计算就是将成熟的现代计算机网络的编码与指令等用中国传统的周易哲理的理念来指导，无极生太极，太极生两仪，两仪生四像，四像生八卦，八卦生六十四卦，然后生万物，二进制只是这种表示的一个子集。简单来说就是要用二进制(确切来说是用0、1代码)按照易理这种文化来表示我们这个世界，从而更好更合理的为决策与管理服务，这个服务的对象可以小到一个家庭大到一个国家。更为直观的说，易计算就是多位一体，以仁为本，体现劳动，分配公平，处事公正，环境优化，万物协调，政清民纯，国泰民安。多位一体就要统筹兼顾，以仁为本就是要以党和国家大的方针、政策、法规为基本依据，土壤测试就是环境优化的初步阶段。

新生的事物最终要落脚到传统轨道上，因此易计算要遵循五种观念，就是以革新为手段(辛金)、数据为中心(土)、环保或清洁为条件(水)、发展为理念(木)、安全为保障(火)。万物土上生，所以其他四个方面要依靠数据说话，通过数据挖掘来评估其它四个方面的好坏或成败。五种观念如同五行，构成易计算的基本要素，他们之间互生互克，是矛盾的统一体，在立足人文的基础上，推动事物科学合理向前发展。

遵循了易计算这种模式，对于消费者来说他享受的服务就更合理、透明、可信，对于国家来说是可控、可调的，对于企业来说就具备了合法性和健康发展的基本条件。随着信息技术的不断成熟，让信息技术逐步由技术性发展为主走向以技术发展为辅以社会化发展为主，确切的说将基于信息技术的产品不断赋予为社会服务的功能(产品赋予了一定的社会责任)，是发展的必然趋势。

将信息技术中的硬件归纳到阴的部分，如图3左面的部分，将信息技术中的软件和数据归纳到阳的部分，如图3右边的部分，在从数据的传送和处理的角度概括和抽象，我们就可以把图3概化为如下的图4。

图4 概化后的云计算/易计算

4 分析测试仪器、物联网、地理信息系统等与土壤污染测试应用模式

和任何物体一样，土壤也有它本身的属性信息和时空位置，如常量元素、微量元素、有机物、无机物、容重、湿度、温度等等，这里研究的是利用分析测试仪器、物联网、地理信息系统等测试土壤中的重金属及其含量[12]。

利用物联网监测土壤重金属污染，其原理是通过土壤重金属分析仪器对土壤进行重金属含量的数据采集，按约定的协议，将采集的信息与互联网相连接，最终实现智能化定位、监控、管理决策和集中处理等。

利用物联网测试土壤重金属的主要硬件设备包括：

土壤(重金属)分析仪器、通信设备、计算机等。

利用物联网测试土壤重金属的主要软环境包括：

信息采集系统：

信息采集系统的主要环节有测试、传输、处理和存储等，以及全球定位系统、地理信息系统、空间数据库系统等。

现代网络系统：

物联网、互联网、云计算平台等。

土壤重金属污染数据测试属于地理信息采集的范畴，对于测试数据的采集、存储、查询、预测分析、图表显示、决策、控制、治理、管理等离不开分析仪器、全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、数据库管理系统以及现代网络环境。把它们的关系和应用模式理顺非常有必要，对于将来开展工作可以起到事半功倍的效果。

土壤有害物质测试仪器，首先具有和物联网的连接功能，然后通过数据库管理系统/云计算/互联网，将测试动态数据(分空间和时间)分配到空间数据库，并存入云存储或其他存储设备，等待被GIS系统和其他系统应用调用。最终被互联网上的用户使用。互联网上终端用户又通过终端/互联网/云计算/GIS等应用分析或决策系统，将空间数据库存储在存储设备上的数据调出来以各种形式(图表、数据等)下载给用户。在这一过程，云计算这种模式非常重要，它实现了整个土壤测试运作的商业化模式。这就是把数据看成水电一样花钱使用。

图5 地理信息系统、物联网、云计算、互联网等在土壤污染测试应用模式图

5 物联网形式操作

物联网是一个庞大复杂的系统，它包罗万象，遍布世界，在这样的集合里，要抓捕一个目标谈何容易。尽管如此，但每个人，一般情况下对物联网的需求是有限的，有时难免找一个自己突感兴趣的目标，这种无数的偶然加起来就成了必然与经常，就必须有一种方法，能方便快速把目标找到，这就是物联网的形式(逻辑)操作。通过对理论、实践和文化的研究，认为这种操作应该主要由字、词、数字、符号等与连接符号组成，常用的连接符号一般有：

&与：与操作，如：陕西&与河南，表示同时有陕西和河南。

&或：或操作，如：山西&或河北，表示有山西或者有河北。

&非：非操作，如：&非山西，表示除山西以外。

&到：连续操作，如：2&到5，表示有2，3，4，5。

&周：周围操作，如：&周(n1,n2,r)，表示以经度n1和纬度n2(n1,n2)为圆心，r为半径的周围内。

()：括弧操作。表示括弧内算一个集合。

如果在一操作命令中使用上述操作符，就可以把目标从海量的信息中快速缩小范围或直接找到。

[1] 李丽辉.我国启动重金属污染耕地修复治理[EB/OL].(2014-04-11)[2014-04-11].http://scite ch.people.com.cn/n/2014/0411/c1007-24878425.html.

[2] 李春若.物联网和计算思维[EB/OL].(2013-10-23)[2014-02-20]. http://www.doc88.com/p-147619224 9478.html.

[3] 陈海明,崔莉,谢开斌.物联网体系结构与实现方法的比较研究[J].计算机学报,2013,36(1):168-188.

[4] 物联网在土壤墒情监测中的应用(2013-01-11)[2014-04-11]http://www.docin.com/p-578144029.html.

[5] 美国Innov-X(伊诺斯)Delta DS4000土壤分析仪[EB/OL].(2013-05-30)[2014-04-09] http://detail.1688.com/offer/37781255717.html.

[6] 李卫忠.智慧城市助推新型城镇化[EB/OL].(2014-2-1)[2014-03-05]http://www.smartcities.com.cn/contents/3/992.html.

[7] (大数据)基本概念[EB/OL].http://www.21csp.com.cn/zhanti/DSJAF2013/article/article_10952.html 2014-03-27.

[8] 吴晶晶.我国自主研发的首台“云计算机”问世[EB/OL].(2013-12-12)[2014-04-09].http://cpc.people.com.cn/n/2013/1212/c87228-23816140.html.

[9] 刘锋.从脑科学的角度分析物联网、云计算、大数据和互联网的关系[EB/OL].http://www.Chuan ganwang.cn /iot-ne ws/2013/11/15/27766.html 2014-02-20.

[10] 薛正元.云计算与物联网的融合[EB/OL].(2011-04-18)[2014-04-09].http://wenku.baidu.com/ view/6dc af1acdd3383c4bb4cd2ae.html

[11] 云计算与系统监控研究综述[EB/OL].(2013-05-30)[2014-04-09].http://www.docin.com/p-659670634.html.

[12] 物联网在土壤墒情监测中的应用[EB/OL].(2013-01-11)[2014-04-09].http://www.docin.com/p-57814 4029.html.

Prospects for the Development of Modern Information Technology Application Mode in Soil Heavy Metal Pollution Test

Zhang Jianguo1, Zhang Zhilanbao2

(1.EconomicInformationCenterofShanxiProvince,TaiyuanShanxi030002,China；2.NanjingInstituteofHUAWEITechnologyCo.,Ltd.,NanjingJiangsu210012,China)

Taking the application mode of soil test as the breakthrough point, this paper introduces the USN architectures in the Internet of things which is suitable for soil test; draws the relationship map between the Internet of things and current mainstream information technology; proposes the joint mark among the analytical testing instrument, the Internet of things, cloud computation, geographic information system and the application mode of soil heavy metal pollution test as well as the operating mode which is convenient to search in Internet of things based on I Ching theory. The concept of eCalc is put forward, and it is a trend from cloud computing transit to eCalc.

Internet of things; cloud computing; big data; application model; soil pollution test

2016-08-08

张建国(1957- )，男，山西盂县人，成绩优异的高级工程师，主要从事互联网、数据检索、网络安全与信任等方面的研究和应用工作。

1674- 4578(2016)06- 0093- 04

TP391

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