60、智能城市中的移动内河导航与物联网新型控制范式

浮生若梦622

于 2025-10-20 11:12:37 发布

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分类专栏： ICIST 2019精华解读文章标签：智能城市移动内河导航 MobiNav

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智能城市中的移动内河导航与物联网新型控制范式

在当今科技飞速发展的时代，智能城市的建设涵盖了多个领域，其中移动内河导航和物联网控制范式的发展尤为引人注目。

移动内河导航系统

移动内河导航系统旨在满足旅游和非专业用户在城市河流和运河上轻松、惬意航行的需求。以下是该系统的一些关键信息：
- 传感器数据利用 ：一些传感器，如回声测深仪、AIS、雷达或气象站，通常无法直接与移动设备集成。但如果船只配备了这些设备，并通过标准化的 Wi-Fi 网络广播数据，MobiNav 应用程序就可以将其用于导航，只要数据以 NMEA 0183 字符串的形式提供。对于内河导航，雷达、回声测深仪和内河 AIS 是最重要的外部传感器。这些数据字符串可以轻松解码，用于增强导航功能，例如显示水深或根据 AIS 数据显示附近航行的船只。
- 空间数据集成 ：为了提供合适的功能，系统需要集成所需的空间数据。利用城市中现有的用于地籍和其他目的的空间数据库是个不错的选择。在测试实现中使用了波兰的本地数据库，而实现其他数据库只需提供其他属性映射规则，数据可以在开发的数据交换中轻松提供。
- 与 ECDIS 系统比较 ：将 MobiNav 与商业的 Periscal 内河 ECDIS（电子海图显示与信息系统）进行了比较。两者有许多共同特征，如都与导航所需的外部传感器（GNSS 天线、AIS 系统、气象站和回声测深仪）合作，都能以各种方向模式显示地图，并能根据外部光照条件改变颜色。然而，MobiNav 应用程序相比 ECDIS 有了扩展，增加了许多新的地图图层，主要与旅游元素有关，如兴趣点 POI 和港口点的扩展属性信息。此外，MobiNav 还实现了导航助手功能，类似于汽车导航中的音频信息模块，在水体上也能很好地工作，为用户提供信息的同时不影响其视线。

mermaid 格式的 MobiNav 传感器数据流图如下：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(WI - FI 通信模块):::process --> B(MobiNav 应用程序):::process
    C(i NMEA 设备):::process --> B
    D(i + 1 NMEA 设备):::process --> B
    E(Sensor 1, e.g. geolocator):::process --> F(数据处理模块: 内部传感器):::process --> B
    G(Sensor j):::process --> F --> B
    H(Sensor j + 1):::process --> F --> B
    I(AIS reciever):::process --> J(数据处理模块: 外部传感器):::process --> B
    K(Echosounder):::process --> J --> B
    L(NMEA to WiFi 转换器):::process --> A
    M(Sensor 2, e.g. acelrometer):::process --> F --> B

物联网中的新型控制范式

物联网（IoT）是一个不断发展的网络基础设施，它将网络物理系统（CPS）连接起来，以解决工业 4.0 的任务。CPS 可以看作是嵌入式系统的扩展，可用于创建各种复杂程度的应用程序。CPS 是一个由“物理实体”和其“数字孪生”连接在一起的整体系统，“数字孪生”是物理实体的“计算关系模型”，可以虚拟复制物理机器的行为，并提供机器在不同操作下的反应信息。

以下是基于高层体系结构（HLA）的 CPS 实体的模型导向控制（MOC）新范式的相关内容：
- 高层体系结构（HLA） ：HLA 是分布式建模中最有前途的技术，它是一套用于构建分布式系统的方法和标准，包括确保地理上分布的不同类型建模参与者之间的交互。HLA 由美国国防部在 90 年代后期开发，自 2000 年起由 IEEE 1516、1516.1 和 1516.2 标准定义。HLA 的主要组件包括对象模型模板（OMT）、HLA 规则和接口规范。其关键概念是联邦成员（federates）和联邦（federation），联邦成员可以是模拟模型、模拟器或真实参与者，联邦是为解决特定任务而相互作用的联邦成员的集合。HLA 通过实时基础设施（RTI）支持高速通信和实时数据交换，所有联邦成员之间的数据交换都通过 RTI 进行。与分布式交互仿真（DIS）协议相比，HLA 具有多种优势，如允许在仿真过程中采用各种时间管理方案，选择性地在交互模型之间分配信息等。然而，HLA 技术也存在一个显著缺点，即缺乏对联邦所代表的模型进行形式化的方法，这使得模型验证过程变得复杂。
- 控制 E - 网络（CEN） ：为了构建联邦成员的形式化模型，提出了控制 E - 网络（CEN）。CEN 是 E - 网络的扩展，用于控制目的。形式上，CEN 由集合 (CEN = (P, T, F, V, U, M_0)) 定义，其中：
- (P = {P_S, P_R}) 是有限非空的位置集合，由不相交的子集 (P_S)（简单位置）和 (P_R)（关键位置）组成。
- (T) 是有限非空的转换集合，可能由五种类型的转换（“TT”、“TF”、“Tj”、“TX”、“TY”）以及两种额外的转换队列（“TQL”和“TQF”）组成。
- (F: P \times T \cup T \times P \to {0, 1}) 是关联函数。
- (V = V_I \cup V_O) 是有限的网络变量集合，由不相交的子集 (V_I)（输入信号）和 (V_O)（输出信号）组成。
- (U = {r, \rho, \alpha, s, z}) 是一组控制映射，定义了转换触发的规则。
- (M_0: P \to {0, 1}) 是初始标记函数，指定位置中标记的存在或不存在。

CEN 的动态特性由网络标记的变化决定，并取决于控制映射组件的值。控制 E - 网络的标记是向量 (M = (M(p_1), M(p_2), \ldots, M(p_n)))，其中 (n = |P_S|)。位置 (p_i \in P_S) 如果 (M(p_i) = 0) 则为空，否则为占用。对于给定的标记 (M)，标记位置的集合定义为 (P_M = {p \in P_S | M(p) > 0})。

mermaid 格式的 HLA 组件交互图如下：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(联邦):::process --> B(运行时基础设施 - RTI):::process
    C(联邦成员 A):::process --> B
    D(联邦成员 B):::process --> B
    E(联邦成员 C):::process --> B
    B --> C
    B --> D
    B --> E

综上所述，移动内河导航系统和物联网中的新型控制范式都在不断发展和创新，为智能城市的建设和发展提供了有力的支持。移动内河导航系统通过集成传感器数据和空间数据，为用户提供了更便捷、更丰富的导航体验；而物联网中的新型控制范式则通过 HLA 和 CEN 等技术，实现了对网络物理系统的有效控制和管理。未来，这些技术有望在更多领域得到应用和推广，为人们的生活和工作带来更多的便利和创新。

智能城市中的移动内河导航与物联网新型控制范式

移动内河导航系统的优势与特点总结

移动内河导航系统在满足用户需求和提升导航体验方面具有显著优势，以下为详细总结：
- 数据集成优势 ：系统能够有效集成来自多种传感器的数据，包括回声测深仪、AIS、雷达等，通过 Wi - Fi 网络将这些数据传输到 MobiNav 应用程序中。这种数据集成方式使得用户可以获取更全面、准确的导航信息，例如通过 AIS 数据了解附近船只的位置和动态，借助回声测深仪获取水域深度信息，为航行安全提供了有力保障。
- 空间数据利用 ：利用城市现有的空间数据库，如地籍数据库等，为导航提供了丰富的地理信息。这种数据利用方式不仅减少了数据收集和处理的成本，还提高了导航信息的准确性和可靠性。用户可以在导航过程中查看周边的地理环境、港口位置等信息，更好地规划航行路线。
- 功能扩展与创新 ：与传统的 ECDIS 系统相比，MobiNav 应用程序增加了许多新的地图图层和功能。旅游元素的加入，如兴趣点 POI 和港口点的扩展属性信息，为旅游和非专业用户提供了更丰富的导航体验。导航助手功能的实现，类似于汽车导航中的音频信息模块，在不影响用户视线的情况下提供导航提示，提高了航行的便利性和安全性。

mermaid 格式的移动内河导航系统优势展示图如下：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(数据集成优势):::process --> B(移动内河导航系统):::process
    C(空间数据利用优势):::process --> B
    D(功能扩展与创新优势):::process --> B
    B --> E(更全面准确的导航信息):::process
    B --> F(丰富的地理信息):::process
    B --> G(便捷安全的导航体验):::process

物联网新型控制范式的应用前景与挑战

物联网中的新型控制范式，基于 HLA 和 CEN 技术，在工业 4.0 和智能城市建设中具有广阔的应用前景，但也面临一些挑战：
- 应用前景
- 工业自动化 ：在工业生产中，通过 HLA 实现不同设备和系统之间的实时数据交换和协同工作，提高生产效率和质量。CEN 可以对生产过程进行精确控制和优化，实现智能化生产。
- 智能城市管理 ：在智能城市建设中，该控制范式可以用于城市基础设施的管理和监控，如交通系统、能源系统等。通过实时数据的采集和分析，实现城市资源的合理分配和高效利用。
- 智能家居 ：在智能家居领域，利用 HLA 和 CEN 技术实现家居设备之间的互联互通和智能控制，为用户提供更加便捷、舒适的生活环境。
- 面临挑战
- 模型形式化问题 ：如前文所述，HLA 技术缺乏对联邦所代表的模型进行形式化的方法，这使得模型验证和系统设计变得复杂。在实际应用中，需要进一步研究和开发有效的形式化方法，以确保系统的可靠性和稳定性。
- 数据安全与隐私 ：随着物联网的发展，数据安全和隐私问题日益突出。在数据交换和共享过程中，需要采取有效的安全措施，保护用户的隐私和数据安全。
- 技术兼容性 ：不同的设备和系统可能采用不同的技术标准和协议，这给 HLA 和 CEN 技术的应用带来了一定的挑战。需要解决技术兼容性问题，实现不同系统之间的无缝集成。

下面是物联网新型控制范式应用前景与挑战列表：
- 应用前景
- 工业自动化
- 智能城市管理
- 智能家居
- 面临挑战
- 模型形式化问题
- 数据安全与隐私
- 技术兼容性

mermaid 格式的物联网新型控制范式应用与挑战关系图如下：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(物联网新型控制范式):::process --> B(应用前景):::process
    A --> C(面临挑战):::process
    B --> D(工业自动化):::process
    B --> E(智能城市管理):::process
    B --> F(智能家居):::process
    C --> G(模型形式化问题):::process
    C --> H(数据安全与隐私):::process
    C --> I(技术兼容性):::process

综上所述，移动内河导航系统和物联网中的新型控制范式在智能城市建设中具有重要的作用。移动内河导航系统为内河航行提供了更便捷、安全的导航解决方案，而物联网新型控制范式则为工业自动化、智能城市管理等领域带来了新的发展机遇。尽管面临一些挑战，但随着技术的不断进步和创新，这些问题有望得到解决，未来这些技术将在更多领域发挥更大的作用，推动智能城市的建设和发展迈向新的高度。