时间：2023-07-13 17:23:21
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇云计算技术教程，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
显然，现在的云计算早已不再高高在上，它已经实实在在地作为一种IT资源的管理分配方式被部署和应用。
厂商推出云计算认证也是其落地的另一佐证。让云计算真正触手可及，自然离不开IT工程师的工作。IT厂商推出的认证体系，一方面帮助厂商推广自己的品牌和产品，一方面也为广大IT工程师提供了学习与能力提升的渠道，从而助推包括云计算在内的新技术顺利落地并应用。
云计算工程师三种能力
近日，H3C了面向云计算时代IT人才培养的“云计算实训室”解决方案及配套的实训教程，这也是H3C网络学院成立以来针对人才需求变化做出的最新举措。H3C网络学院推出的“云计算系统专家”属于H3C的云计算专项认证，将与H3C网络学院的现有课程关联，同时包括了部署云计算存储、服务器、网络，部署云计算虚拟化软件，部署云资源，部署虚拟机，部署高可用性、iMC、EVB，部署云服务等内容。
H3C培训中心云计算专家赵治东介绍，基于H3C的三层云计算产品技术体系H3Cloud，H3C制定了云计算工程师的能力模型。该模型覆盖了一个IT工程师要完成云计算系统的部署和维护所需要的知识与能力。首先是云计算基础设施的部署能力，其中包括云计算网络、存储和服务器的部署能力。第二部分是虚拟化能力。在基础设施硬件资源被配置完毕之后，可以用CVK和CVM进行资源划分、构建虚拟机以及虚拟机迁移、故障恢复等虚拟化的管理。第三部分是业务管理和运行维护。
“云计算的核心目标不是让用户把硬件服务器变成虚拟机，而是为用户提供透明化和定制化的IT资源，用户只需要告诉管理员需要多少资源，管理员结合用户的业务需求，为最终用户提供相应的业务管理和运行维护服务。H3Cloud在这方面提供了具有一定自动化程度的管控能力，即通过CIC和iMC等软件来完成，这也是云计算工程师需要具备的技能。”赵治东说。
认证提升就业率
作为IT工程师的摇篮，各个高校在推广云计算技术以及认证培训方面有着不可或缺的作用。H3C也与诸多高校在认证体系培训方面紧密合作，来自西南大学的朱老师告诉《中国计算机报》记者：“H3C的云计算认证培训是最贴近教学的，它的认证体系非常成熟。我们通过多方比较，最终选择了H3C的培训体系，这不仅是因为H3C提供了先进的云计算设备、技术和培训，更重要的是它拥有一套完整的培训专业体系，教材、幻灯片等都非常齐全。我们在保证日常教学的基础上，将该认证的部分课程（比如H3CNE）与日常教学结合起来。现在，我们学院的网络工程专业就业率排在全校第二位，得到了学生的认可，也激发了学生的学习兴趣。”
H3C全球技术服务部副总裁刘小兵表示，专业课程落后、缺乏实践经验、所学非所用是当前计算机相关专业就业形势严峻的重要原因之一。云计算作为最新的IT技术领域，在教学实践方面更加短缺。H3C助力教育信息化，推出云计算实训室解决方案，可促进学校基础教学工作，提升教师业务水平，并紧跟信息技术发展的最新动向，吸引高素质人才，形成良性循环。
“借助优良的师资力量、合理的课程设计、经典的教材辅助以及大量的实践机会，H3C云计算实训室将进一步保证学生的就业率和就业质量，形成教学、认证、就业一条龙的人才培养体系。”刘小兵说。
随着现代信息技术的发展和进步，图书馆服务呈现出数字化、智能化、网络化、多媒体化等发展趋势。而中小学图书馆是为学校师生们的学习提供信息服务的部门，传统的图书馆服务模式已显得力不从心，通过以云计算方式对传统的服务模式进行变革，将传统图书馆升级为数字图书馆，最大化的利用图书馆资源，可更方便快捷地满足师生们对图书馆服务的个性化需求。
《国家中长期教育改革与发展规划纲要（2010—2020年）》把教育信息化发展纳入国家信息化发展整体战略，并指出“信息技术对教育发展具有革命性的影响”，提出“建立开放灵活的教育资源公共服务平台，促进优质教育资源普及共享”。中小学数字图书馆是教师备课、上课，学生课前预习、课后复习，师生互动交流的多功能的资源平台，未来更有可能成为中小学的“信息资源中心”和“知识中心”。教育部明确指出，对建有或在建局域网或城域网的地区，应该以某个中心校或教育部门网络中心为依托，建设图书中心，辐射周边学校，实现资源共享；有条件的学校也可将校内局域网拓展至图书馆，实现信息互联。
当前，中小学图书馆的传统服务在持续减弱，用户对传统图书馆的利用在减少，与此同时，信息资源的表现形式却更加丰富，除了文字外，图像、音频、视频、网页、文档、软件等各种形式的信息已成为图书馆资源不可或缺的元素。而用户的需求却更加显现出个性化，对图书馆提出了更高效的服务需求。如教师在备课、制作微课件、课堂实时教学中，需要图书馆能够提供海量的馆藏资源快速检索、查询和调用，并能通过网络共享其他数字图书馆的资源。而学生在交互式学习和作业的过程中，也需要随时查阅馆藏和互联网上的相关资料。所以，用创新的服务方式、广泛的传播途径和现代信息手段来开发利用馆藏资源，发挥图书馆信息服务特性，保持高效的资源数据库系统，已成为中小学图书馆的当务之急。目前绝大部分中小学图书馆都存在着书刊购置费不足与出版物日益倍增化相矛盾、现有设备与信息传播日益高速化相矛盾、人员素质不高与图书管理日益复杂化等问题。因此，图书馆必须加快网络化、数字化建设，实现图书馆高质量服务和高效率管理。
云计算是一种基于Internet的计算，是分布式、并行、效用计算；网络存储、虚拟化、负载均衡等计算机和网络技术发展融合的一种新型商业计算模型。它是利用互联网将数万台电脑和服务器连接成远程的数据中心，并基于此提供各种计算服务，用户通过电脑、笔记本、手机等方式接入数据中心，使用户能够不受时间、空间的限制，享受各种便捷的信息服务。
云存储则是将互联网中大量各种不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作，共同对外提供数据存储和业务访问功能的一个系统。存储在网络上的数据可以随时随地访问读取，大大节省本地存储信息的成本，也不用考虑数据备份等维护问题，只需要选择合适的云存储服务提供商以及按需支付相关费用即可。
云计算和云存储的出现，为众多中小图书馆因受限于自身资源的有限而难以适应当前用户海量的个性化需求打开了一片广阔的天空。在互联网上，各种数字化图书馆的信息资源借由一片“图书馆云”统一起来形成信息高度融合的资源，使读者能够享受到全面快捷的信息服务，也为当前的中小学图书馆建设提供新的思路。
应用云计算技术，只要支付少量的费用，图书馆就可获得云模式中百万台服务器提供的综合运算服务，用户的各种需求可在毫秒级时间内获得响应 云计算对用户端的设备要求非常低，用户使用笔记本、手机、平板电脑等移动设备都可以享受到综合信息资源服务。随着“图书馆云”每天海量的更新信息，用户从图书馆数据库可获得世界上最新的资料和信息，而图书馆只需按照服务类型和实际的使用量付费。传统的图书馆需要人员经常对馆内的信息设备进行维护、升级和更新，而云计算模式对于用户终端的配置没有限制，而在“云”的另一端，有专业的技术管理人员在维护硬件系统，无须增加本地工作人员的工作强度；并且，云计算模式可以通过云端的大量服务器之间的联合来提供超强的计算能力和海量的数据存储空间，图书馆也不再需要购买服务器以及大容量的存储设备，IT维护费用可大为缩减，以付费方式从“云”服务提供商那里获取所需要的运算应用和信息服务，这样，图书馆就可实现以低成本投入来获得高质量的信息服务能力。
通过云计算模式，相关的各级各类数字图书馆之间可以实现信息共享 中小学的图书馆可以通过云技术来分享由国家级、省级、各名牌大学的图书馆系统连接在一起而形成的“图书馆云”资源，这可大大节省相关的硬件和软件的设备投资、更新、维护的费用，使图书馆能够以低成本运行的同时效率却大幅度的提高。
电子阅览室作为数字图书馆的阅览模式，以其便捷的信息检索方式吸引着大批师生读者，是数字图书馆信息服务的重要场所 充分应用云存储技术等各种新技术，为读者提供数字化的电子出版物、CD、DVD影视等多媒体资料，通过在线阅读、视频点播等手段为师生们提供多媒体的教学信息服务，使电子阅览室成为学生学习的第二课堂，教师教学科研的重要场所。
数字图书馆使信息服务手段与方式多样化，为师生们提供个性化的精准服务 当前，各种网络终端设备不断推出，读者可使用笔记本、手机、智能眼镜、平板电脑、智能手表等设备在任何时间、任何地点获取“图书馆云”的相关信息。云计算技术彻底改变了用户获取图书馆信息的方式和方法，图书馆信息服务系统可以根据用户对系统的搜索和浏览记录，通过云计算平台的人工智能处理、编辑后，为用户推荐出更接近其所需要的信息。同时，对中小学来说，图书馆系统也可为教师提供集体教学的平台和学生的实习基地，在基于移动互联的教育网络环境下，可充分发挥学生学习的主动性、积极性。学生可以查询和访问地理上分布在世界各地的多种知识信息库，对查找的信息资料进行分析、处理和存储；学生可以和教师以及其他同学进行各种交互活动，并共享或共同处理某个软件或文档资料的内容等；而教师还可进行网络环境下教育、教学新模式的探索。
万方数据库收录了涵盖中小学十多门学科的各种论文、试题、教案、图书、视频等学习资源，总量达600余万条。围绕中小学课程改革的新课标，它还以从小学到初中以及高中的知识点为主线，将海量的学习资源关联起来，创造性地实现了基于教学知识点的异构资源关联。而且它通过先进的检索引擎技术，提供了多种个性化信息检索服务，帮助用户轻松快捷的获取所需信息。在这里，老师可以追踪最新教学研究的发展动态，搜寻或查找相关教学资料，增强自身教学科研能力；学生可以通过学习知识难点，拓展学习范围，提高综合文化素质；而家长也可通过系统了解最新教育考试信息，更好地辅助孩子的学习。
综上所述，云计算技术为适应中小学图书馆面对当前教师和学生对教学资源的个性化，便捷性需求提供了可能，可为构建中小学信息服务系统提供可行的解决方案。
参考文献
关键词：计算机网络；多媒体技术；网络管理
中图分类号：TP393 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 11-0000-01
Talking about the Future Direction of Computer Networks
Zhao Qiang
(China Tietong Group Ltd,Baoding Branch,Baoding071000,China)
Abstract:Over the past fifteen years,in the world,faster than the development of computer networks for several decades before the development of faster,but also gain a lot of rich scientific and technological achievements.With 3G technology in China's development of applications,development of computer networks will be more diversified,more in people's daily life show the charm of the network.This paper briefly describes the historical development of computer network technology,and detailed description of the future direction of computer network,computer network concluded far-reaching impact on social development.
Keywords:Computer networks;Multimedia technology;Network management
一、计算机网络技术的发展历史
在上个世纪九十年代初兴起的因特网在过去的十几年中发展地异常迅速，其范围之广、影响之大、普及之快是其他任何新事物无法相比的，也是前所未有的。因特网是以TCP/IP协议为核心内容的一种计算机网络体系结构。在网络技术近三十年的发展进程中，曾经出现过很多种网络体系结构和技术，它们都试图提供一种类似于因特网的功能和服务，但最终结果都是失败的，因为没有一种网络体系技术能像因特网那样能够在网络技术上和应用实践上适应于各种变化，因此，只有因特网获得了世界的认可，取得了今天这样的巨大成就，并且正在对计算机网络技术的未来发展趋势产生深刻的影响。
二、计算机网络的发展方向
（一）计算机网络的开放性一体化。计算机网络发展的开放性是今后非常重要的研究方面，而能体现计算机网络发展开放性的就是基于统一网络通信协议标准的互联网结构。因特网之所以能成为全球最公认的网络技术，正是因为它的核心部分即TCP/IP协议已经成为计算机网络通信体系结构的国际标准。数字网络发展初期是计算机之间简单的互联方式，其功能也十分简单。但随着计算机网络在全球的应用范围不断扩大，人们渐渐地对计算机网络功能、性能以及其他要求越来越高，计算机网络中的很多原来的功能和性能都必须重新设计和分工，甚至在某些方面可能产生新的成分。“一体化”是指从系统整体性出发对系统重新设计、构建，以达到进一步增强系统功能、提高系统性能、降低系统成本和方便系统使用的目的。（二）计算机网络的高速信息处理。计算机网络信息爆炸式的增长趋势，要求我们在处理信息上采用的方法应该越来越高效，因此，我们需要一种能让计算机网络实现智能化处理信息的方法。随着全球互联网技术迅速发展起来，产生了专门针对复杂科学计算应用的一种新型计算模式网格技术。随着网格技术的快速发展和大量的应用，我们相信，未来的网格技术和应用将成为计算机网络实现智能化处理信息的方法之一，之所以这么看好此项技术，原因如下：第一，此技术具有高性能处理特征，在信息的处理方面具有高效性和准确性，第二此技术具有海量数据存储的功能，这是高效处理信息的前提，是此技术十分重要的一个方面。通过此项技术可以使人们汇聚因特网中分散异构的信息资源和动态变化的信息资源，将其中不同组织和机构的资源虚拟化，使我们能把因特网从信息交互平台提升到共享资源的平台。（三）多媒体技术与计算机网络相结合。当今年代，计算机网络应用已经广泛而又深入地融入我们生活每个部分。每个使用计算机网络的人都想从其网络系统得到各种自己需要的信息服务，网络技术的发展让每个人都能知道它的魅力所在，同时，人们也渴求网络技术能提供图像、文字、声音等多种信息模式，从而有效地推动网络与多媒体技术的完美结合。多媒体技术与网络的融合已经成为未来必然的发展趋势，这方面的技术的不断成熟会是计算机网络迈上更高的台阶，会对网络技术产生巨大的影响，也使得人们在网络这个新事物领域中有更好的服务和需求。（四）计算机网络高效安全的网络管理手段。计算机的网络安全管理涉及计算机网络的整体协同性和可控性，是计算机网络发展中十分重要的一个问题，也是决定计算机网络未来发展的瓶颈问题，因为任何一个计算机网络的设计，都必须对其网络的安全性提出很高的标准，没有良好的网络安全系统，任何好的计算机网络都有危险的那一天，所以，网络安全管理系统已成为现代计算机网络系统中不可分割的一部分。
三、计算机网络对社会发展的影响
计算机网络的迅速发展，给人们带来了极大地方便，它彻底颠覆了我们传统的搜集和浏览信息的模式，无论是在学习上，还是在工作和生活中，都彻彻底底的改变了人们的一些习惯和行为，它给人类带来的极大的益处。但是，在发展中也给人与人之间带来很多的麻烦和困扰，首先，各国政府出台的政策标准不同，有些政策根本不能跟上计算机网络飞速发展的步伐，知识产权的问题在各个国家都不断地产生，由于没有统一的标准，各个国家对待这个问题的态度也截然不同，使得国家与国家之间经常因为此事争论和谈判。其次，某些人通过计算机网络进行的非法盗用他人资料和信息的现象时有发生，使得个人、企业，甚至国家遭受到严重的损失和惨痛的代价。最后，计算机网络的发展已经打破时间与空间上的距离感，这种情况使得人们的集体意识淡薄，自我意识严重，社会意识慢慢变淡，这是十分危险的一件事情，所以，在人们充分利用计算机网络的同时，也要逐渐地解决这一些列的问题，只有这样，我们的计算机网络发展才是健康的，有益于人类社会发展的。
参考文献：
[1]谢希人.计算机网络教程[M].人民邮电出版社,2006,13-34
[2]黄传河.计算机网络[M].机械工业出版社,2010,6:7-12
[3]董立平.网格计算技术研究动向[J].高性能计算技术,2005,2
【关键词】电法勘探；岩土体；电阻率测试法；三维直流电法；高密度电法
电法勘探是根据岩、矿石电学性质的电性差异来找矿和研究地质构造的一种地球物理勘探方法，也是勘探行业应用比较广泛的一种勘探方法。它是通过仪器观测人工、天然的电场或交变电磁场，分析、解释这些场的特点和规律达到找矿勘探的目的。
1、三种电法勘探的主要方法及特色
1.1岩土体电阻率测试技术
对岩土体电阻率的测试，可以采用多种方法。下面主要介绍直流电测深中的温纳装置在岩土体电阻率测试中的具体应用。根据试验研究和工程实测结果知该法具有快速、准确地测定岩土体电阻率，并对不同岩性层划分做出客观解释的优点。
实施原理：由于温纳装置是等比装置，且MN/AB=1/3，所以视电阻率与电位差及电流强度的关系式为：ρs=kΔUAM/I现场观测施工方法：AB供电极距逐渐加大，以增加勘探深度，可以测得不同电极距下的视电阻率ρs。采取处理与解释采用现场作图的方式，快速测定电阻率及划分岩性层位。以MN为横坐标，计算MN/ρs，并以MN/ρs为纵坐标，在双对数坐标纸上绘制MN/ρs与MN的关系图。对各测深点依次作图解释，可求得各测点处分层的电阻率值，对获得的各层电阻率值进行数理统计，便可获得地层的平均电阻率值。物性层位的划分可以采用计算机数值模拟计算、量板法或其它手工解释方法。
该方法较传统的解释方法具有快速、准确的特点，相对于传统的解释方法而言更适合工程物探在解决地层划分和电阻率测试中的应用。另外，场地的岩土电阻率是工程设计接地装置的一个重要参数。它的确定对电流尽快地散入大地，达到足够小的接地电阻及接地装置地下部分的合理布局起到十分重要的作用，它沿地层深度的变化规律是选择接地装置型式设计的主要依据。
1.2三维直流电法
三维直流电法探测就是应用现有的直流电法仪器和勘探方法，在施工方法上优化改进，进行加密采样数据以取得三维数据体，然后采取电阻率层析成像技术进行资料处理和成图。该方法是传统直流电法的三维化，可使勘探精度得到很大提高，在原有仪器设备条件下提高了传统直流电法勘探的能力，其工作主体是测试工作，以“时间换取空间上的高分辨率”。
施工采取一次布极，多极距测量技术，本文主要介绍的三维直流电法勘探施工两极装置是：在勘探区域布置m条测线，每个测线布置n个测点（电极），测网密度根据探测对象及其探测深度而定，在城市建设和水利电力工程勘测中，一般选取测线距L=2～10米、测点距D=2～5米即可。
该法较传统直流电法勘探具有信息量大、精度高的优点，在工程勘察中有较好的应用效果，同时又拓展了老式电法仪的应用范围，延长了老式仪器的经济使用寿命；但又具有施工量大的缺点，性价比决定其适合于小区域的工程勘察。
1.3高密度电法
高密度电法实际上是集中了电剖面法和电测深法，其原理与普通电阻率法相同，即以岩石、矿物的电性差异为基础，通过观测和研究人工建立的电流场在大地中的分布规律，解决水文、环境和工程地质问题，所不同的是在观测中设置了高密度的观测点，是一种阵列勘探方法。
高密度电法野外测量时将全部电极（几十至上百根）置于剖面上，利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现剖面中不同电极距、不同电极排列方式的数据快速自动采集。现场测时，只需将全部电极布置在一定间隔的测点上，然后进行观测。
在设计和技术实施上，高密度电测系统采用先进的自动控制理论和大规模集成电路，使用的电极数量多，而且电极之间可自由组合，这样就可以提取更多的地电信息，使电法勘探能像地震勘探—样使用覆盖式的测量方式。
高密度电法勘探的前提条件是地下介质间的导电性差异，和常规电法一样，它通过A、B电极向地下供电（电流为I），然后测量M、N极电位差U，从而求得该记录点的视电阻率值ρs=K*U/I。根据实测的视电阻率剖面进行计算、处理、分析，便可获得地层中的电阻率分布情况，从而解决相应的工程地质问题。
电极排列布置在工作中最优先选用的是四极装置，它是公认的最稳妥的装置，虽然需要的场地开阔，但是能获得最大的测量电位，对节省外接电源，减少供电电压，特别是压制干扰，增强有效信号，有着重要意义，而且四极装置受地形的影响较小，电测剖面形态比较好判别。
高密度电法广泛应用于城市建筑等工程物探中，由于受场地范围、地形起伏的局限，高密度电法多选用AMN和MNB的三极装置，如同常规电法的三极装置一样在电性界面附近，因ρs电流密度呈现非线性变化，造成M N极的电位差的阶跃，从而使ρs出现规律性的畸变。对于三极装置在方法上可按照联合剖面的工作方法进行，即把测得的值作对称四极装置化处理。
2、结语
三维直流电法探测技术、岩土体电阻率测试技术等，它们在勘测中具有信息量大、准确、直观、经济、快速、便于分析等特点而具有广泛的应用前景。高密度电法由于其高效率、深探测和精确的地电剖面成像，成为地质勘察中最有效的方法。随着电子和数据处理技术的发展，利用电阻率的常规物探方法的应用范围和应用领域以及数据处理技术也不断进展和创新
在工程建设和实践中发挥着不可替代的作用，取得了良好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]傅良魁.电法勘探教程[M].北京：地质出版社，1990.
[2]李金铭.电法勘探方法发展概况[J].物探与化探，1996，20（4）.
[3]许新刚等.三维直流电法勘探在地下人防工程勘察中的应用[J].物探与化探，2004（2）.
[4]张赛珍，王庆乙，罗延钟.中国电法勘探发展概况[J].地球物理学报，1994，37（增刊1）.
[5]董浩斌，王传雷.高密度电法的发展与应用[J].地学前缘（中国地质大学）2003，10（1）.
[6]底青云，石昆法，王妙月，等.CSAMT法和高密度电法探测地下水资源[J].地球物理学进展，2001，16（3）.
[7]祁明星，白军会.高密度电法勘察地下防空洞的效果[J].石油仪器，2008，22（6）：56-59.
[8]江玉乐，张楠，周清强等.高密度电法在岩溶路基勘察中的应用[J].物探化探计算技术，2007，29（6）：511-516.
[9]董浩斌，王传雷.高密度电法的发展与应用[J].地学前缘（中国地质大学，北京），2003，10（1）：171-176.
关键词：计算机科学；智能电网；云计算；数字图像处理；数据挖掘；人工智能 文献标识码：A
中图分类号：TM76 文章编号：1009-2374（2016）21-0047-03 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.21.023
1 概述
随着信息技术的发展，人类逐渐步入信息化时代。在此过程中所引起的信息革命给许多传统行业带来了巨大的冲击，信息化时代的四大特点――智能化、电子化、全球化、非群体化成为了许多行业变革的风向标。而信息化时代的代表性象征――计算机在各行各业中的必要性与日俱增，在电力行业中也不可避免。
而电力行业作为关乎国计民生的传统行业，在信息化时代中也面临着如何更高效地利用能源、如何更安全可靠地供电、如何更好地了解用户需求等诸多方面的新挑战，于是“智能电网”的概念应运而生。
2 智能电网
2.1 智能电网的概念
智能电网是将信息技术，如通信技术、传感技术、计算机技术和控制技术等融入电力系统之中，使整个电力系统更加安全可控，成为高效智能的新型电网。由于各国的国情不同，因此各个国家对智能电网的具体要求也会有不同的侧重点。因为我国还是一个发展中国家，与国外发达国家的电力工业已步入成熟期不同，我国在发展智能电网的同时，还需要加强骨干电网建设。因此除了要建设能够充分满足用户对电力的需求和优化资源配置，确保电力供应的安全性、可靠性和经济性，满足环保约束，保证电能质量，适应电力市场化发展的坚强智能电网外，我国的智能电网建设还需要满足以特高压电网为骨干网架，各级电网高度协调发展。
2.2 智能电网的特点
智能电网一般包括有以下七个特点：
2.2.1 能量互联网：智能电网要求实现供电方和用户之间的交互，构建多向电力流，它主要由能量管理系统和配电管理系统组成。其中能量管理系统提供整个电网的实时状态信息，并根据实时信息选择最优发电方案，减少输电损耗，维护系统可靠性以确保供电稳定；配电管理系统提供配电网络的实时状态信息，允许供电方远程控制断电的隔离与恢复，管理可再生能源发电。
2.2.2 降低损耗：智能电网能够基于“能量互联网”中的实时信息，根据用户的需求来供电，通过电压控制来降低电力损耗。同时还可以沿输电线放置传感器和电容器，通过无功负载控制来减少电力损耗。减少电力损耗的同时还会降低二氧化碳的排放量，使电网系统更加低碳环保。
2.2.3 融入可再生能源发电：目前可再生能源发电的最大缺点在于可变性过大，产电不稳定。智能电网能够通过储电技术，在产电过剩时将多余电能存储起来，在供不应求时再通过智能电网的自动化技术供能，进而解决可再生能源产电不稳定的问题。
2.2.4 减少输电阻塞：智能电网能够检测输电线的实时度数，在可能发生输电阻塞时，传感器和控制器会及时地重新安排电力输送线路，使得电力能够最大限度地流过线路而不发生阻塞。
2.2.5 分布式发电：通过智能电网的双向电力流，用户自行通过太阳能、风能等可再生能源产生的电力可以出售给供电方，流入配电网络中，使电网系统在用电高峰期可以为用户提供更稳定的供电服务。
2.2.6 自愈：智能电网能够基于实时测量的概率风险评估确定最有可能失败的设备、发电厂和线路，及时进行隔离和恢复，从而减少大面积用电故障的出现。同时，智能电网还能实时分析电网的整体健康水平，及时触发可能导致电网故障发展的早期预警，并根据具体情况确定是否立即进行检查或采取相应措施。
2.2.7 用户需求管理：智能电网能够通过智能电表实时通知用户其电力消费成本、实时电价、电网的状况、计划停电信息等信息，使用户可以根据这些信息制定自己的电力使用方案，继而通过影响用户需求来促进电力供求平衡。
2.3 智能电网的相关技术
智能电网的关键基础技术主要包括集成的通信技术、先进的传感和测量技术、先进的电网设备技术、先进的控制技术以及决策支持和可视化技术。
3 计算机科学在智能电网中的应用
在电网智能化的过程中，计算机是必不可少的。而计算机科学在智能电网中也有诸多应用，其中云计算、数字图像处理、数据挖掘、人工智能和软件工程这些计算机科学相关技术在智能电网中尤为重要。
3.1 云计算
云计算是分布式计算的一种特殊形式，根据美国国家标准与技术研究院的定义，云计算可以实现随时随地、便捷、按需地从可配置计算资源共享池中获取所需的资源，资源可以快速供给和释放，使管理的工作和服务提供者的介入降低至最少。
云计算技术能够整合优化电网系统中的各种异构资源，如电力系统中的监控维护资源、配电管理资源和市场运营资源等。利用云计算支持广泛企业计算和普适性强的特点，能够构建更加高效的智能电网数据中心，实现基础设施资源的自动化管理。例如利用Google的Borg能够使大量服务器协调工作，继而实现大规模系统的可靠性管理。
而智能电网信息系统所产生的大量数据，更需要通过云计算来实现分布式存储和管理。利用云计算来实现海量数据的分布式存储，可以通过冗余存储和高可靠性软件来提高数据的可靠性，并能较好地达到成本、可靠性和性能的最佳平衡。例如利用Google的GFS文件系统可以实现数据的冗余存储，并大幅度降低主服务器的负担，使系统IO高度并行工作，从而提高系统的整体性能。智能电网所产生的数据种类众多，而云计算的数据管理技术能够较好地满足智能电网信息平台数据种类繁多的海量服务请求，因此云计算能够高效地管理智能电网信息平台中的多元数据。例如，利用Google的BigTable，通过一个巨大的分布式多维数据表，将数据都作为对象，并通过关键字、列关键字和时间戳来进行索引，满足各类数据的性能要求，进而实现多元数据的高效管理。
为了保证电网系统运行的安全稳定，智能电网需要通过大规模的电力系统计算来监控整个电网系统的运行状态，如暂态稳定计算、故障计算、拓扑分析、数据挖掘与智能决策等，计算量极大，而云计算可以为智能电网提供高性能的并行计算与分析服务。例如利用Google的MapRduce，可实现针对大规模数据集的并行计算。
3.2 数字图像处理
数字图像处理是指通过计算机对图像进行去噪、增强、复原、分割以及提取特征等处理，从而改善图示信息，以便人们解释或机器自动理解。
在智能电网系统所产生的海量数据中有不少的数据都是图像数据，例如对输电线路状态的远程监测常常通过线路图像/视频监控系统来实现。为了能够实现对输电线路状态全天候全方位的实时监控，采用智能化和自动化的手段来代替人工是必然的趋势。但原始图像中包含的噪声太多了，价值密度低，难以用于智能识别。在这种情况下，可以通过数字图像处理中的灰度变换、直方图修正、小波包去噪、图像锐化以及边缘检测等处理方式来增强图像对比度，去除噪声，加强图像的轮廓特征，以便于特征的提取和识别，进而产生价值密度较高的特征数据集，为输电线路状态的智能识别过程做好图像数据的预处理。
3.3 数据挖掘
数据挖掘是指从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的实际应用数据中，提取隐含在其中的、人们事先不知道的，但又是潜在有用的信息和知识的过程。数据挖掘的方法包括分类、聚类、关联分析、预测等。
由于智能电网系统中的数据具有数据量巨大、数据类型繁多、价值密度低以及处理速度快的特点，智能电网系统中的数据属于无法在一定时间内用传统数据库软件工具对其内容进行抓取、管理和处理的“大数据”，需要通过数据挖掘来提取其中隐含的有价值的信息，从而实现对整个电网系统多角度、多层次的精确感知。例如，通过对长期的、大量的用户用电数据进行数据挖掘，对不同地区以及不同用户进行分类，可以得到有助于优化配电调度的信息，并能为电费定价调整提供参考；由于在当今社会中各行业的发展都离不开能源的使用，因此对用电数据进行挖掘甚至还可以归纳总结出各种指标增长率与社会用电情况的一般规律，便于政府了解和预测社会各行业发展状况及用能情况，为政府决策提供参考。而通过对长期的、大量的电动汽车充电数据进行数据挖掘，可以为充电站的布点提供参考。通过对长期的、大量的可再生能源发电情况进行数据挖掘，有利于降低可再生能源产电不稳定对供电网络的影响，进而更好地融入可再生能源发电。此外，数据挖掘还有利于用户能效的分析管理、业务拓展分析、供电舆情监测预警分析、电力系统的故障预测和状态检修、短期电网负荷预测、城市电网规划等。智能电网系统的数据特性表明了数据挖掘在智能电网中有着广泛的应用。
3.4 人工智能
根据著名人工智能科学家Michael R.Genesereth和Nils J.Nilsson在1987年提出的定义，人工智能是研究智能行为的科学，它的最终目的是建立关于自然智能实体行为的理论和指导创造具有智能行为的人工制品。人工智能是一门研究如何将人的智能转化为机器智能或者用机器来模拟或实现人的智能的学科。
数据挖掘在智能电网中有着广泛的应用，而数据挖掘需要人工智能技术来提供数据分析的技术支持，因此人工智能在智能电网中也有着十分重要的应用。例如，通过构建人工神经网络来对经过数字图像处理所得的典型线路状态的监控图像特征数据集进行训练识别来实现输电线路状态的智能识别。除了故障诊断外，人工神经网络还可应用于智能控制、继电保护、优化运算等
方面。
除了为数据挖掘提供数据分析的技术支持外，人工智能还可以通过人类专家提供的经验和知识来构建相应的专家系统，如电网故障诊断和调度处理专家系统和操作票专家系统等，模拟人类专家解决问题的过程来进行决策，从而实现电网自动化和智能化。
而采用遗传算法、粒子群算法等进化算法求解诸如发电厂和输电线架设的规划问题以及电力系统中各种控制参数的最优解等问题或利用模糊集理论来处理电力系统中难以实现精确控制的复杂问题，也是人工智能在智能电网中的重要应用。
3.5 软件工程
根据Fritz Bauer在NATO会议上给出的定义，软件工程是建立和使用一套合理的工程原则，以便获得经济的软件，这种软件是可靠的，可以在实际机器上高效的
运行。
为了便于管理和使用，无论是供电管理方还是用户方都会希望通过一个稳定可靠，功能完备，并具有友好人机界面的软件来方便操作。因此在建设智能电网的过程中势必需要开发相应的软件，软件工程便应用于其中。尤其是对用户端而言，在移动设备使用越来越广泛的今天，开发相应的移动端的APP无疑能够更好地促进用户参与到交互过程中。一个针对用户个体，能够实时显示如电力消费成本、实时电价、电网状况、计划停电信息等的智能电表提示信息，结合数字家庭技术，能够远程控制家电开关以便于用户随时随地调整自己的用电情况，并整合线上业务申请、缴纳电费等功能的APP能够极大程度地减轻用户的操作负担，方便用户的使用，使智能电网更加高效智能。
4 结语
计算机科学在智能电网中的广泛应用使电力行业在信息化时代中能够更好地应对各种新挑战，为整个社会的发展带来深远的影响。
参考文献
[1] 肖世杰.构建中国智能电网技术思考[J].电力系统自动化，2009，33（9）.
[2] 李乃湖，倪以信，孙舒捷，等.智能电网及其关键技术综述[J].南方电网技术，2010，4（3）.
[3] 杨德昌，李勇，C.Rehtanz，等.中国式智能电网的构成和发展规划研究[J].电网技术，2009，33（20）.
[4] 王德文，宋亚奇，朱永利.基于云计算的智能电网信息平台[J].电力系统自动化，2010，34（22）.
[5] 彭小圣，邓迪元，程时杰，等.面向智能电网应用的电力大数据关键技术[J].中国电机工程学报，2015，35（3）.
[6] 宋亚奇，周国亮，朱永利.智能电网大数据处理技术现状与挑战[J].电网技术，2013，37（4）.
[7] 张东霞，苗新，刘丽萍，等.智能电网大数据技术发展研究[J].中国电机工程学报，2015，35（1）.
[8] 金华，王民，昝涛，等.基于数字图像处理的输电线路状态智能识别技术[J].微计算机信息，2012，28（4）.
[9] 韩祯祥，文福拴，张琦.人工智能在电力系统中的应用[J].电力系统自动化，2000，24（2）.
[10] 杨勇.人工神经网络在电力系统中的应用与展望[J].电力系统及其自动化学报，2001，13（1）.
［关键词］审计信息化；实验教学；教学体系
在以移动互联网、云计算、大数据为代表的新一轮信息技术浪潮下，信息技术在企业经营管理中广泛深入的应用，使得审计线索与审计证据的采集方式发生了重大变化，审计内容和审计范围不断扩展。在审计工作中，为获取充分有效的审计证据，必须采用计算机辅助审计技术，积极推进审计信息化工作，随着审计信息化工作的深入发展，不仅对审计人员的素质和审计职业体系产生了重大影响，也对高校审计信息化实验教学提出了新的要求，本文通过分析我国审计信息化实验教学的现状及问题，根据审计信息化发展对审计人才的培养需求，探讨审计信息化实验教学的优化策略，构建审计信息化实验教学体系的基本框架。
1审计信息化实验教学的现状分析
信息技术在审计工作中的应用，使审计环境发生了重大变化，导致审计实务工作呈现新的特征，审计信息化实践教学必须充分考虑审计信息化发展的要求，不断丰富与更新教学内容，以适应社会对审计信息化人才的需求。然而，目前我国高校对审计信息化理论与实践教学仍不够重视，师资力量薄弱，在本科教学培养方案中，审计信息化相关课程多为选修课，审计信息化实验教学未能紧跟企业管理信息化与审计信息化的步伐，尚未形成完整统一的审计信息化实验教学体系，主要体现在以下几方面：
1．1师资力量不足，对审计信息化实验教学不重视
开展审计信息化实验教学需要有相应的师资队伍，审计信息化不仅与会计学、审计学、信息技术科学深度交叉结合，又具有应用性的特点，对教师的知识结构及素质就提出了较高要求，目前我高校从事审计信息化教学的师资队伍缺乏，审计信息化师资来源渠道短缺，影响了审计信息化实验教学的开展。特别是一些高校在师资队伍建设与专业课程设置时，对审计信息化的重要性认识不足，在制定学科发展政策与人才培养方案时，对审计信息化实验教学不重视。
1.2课程设置不规范，教学内容体系不完善
就目前我国高校审计信息化相关实验教学课程设置来看，不同学校的培养方案课程名称各有差异，课程名称有审计软件应用、计算机审计实务、计算机辅助审计、审计信息化实务多种叫法，还没有统一的认识。在教学内容方面主要是IT环境下的财务审计，涉及信息系统控制与审计方面的内容较少，教学内容体系不完善，缺乏高质量的审计信息化实验教材，致使培养出来的学生难以达到较高层次，跟不上企业信息化发展的步伐。
1.3审计信息化实验室建设滞后，教学资源不充分
审计信息化具有很强的专业性，在一些综合类院校，审计信息化课程受众学生人数较少，审计信息化实验室建设滞后，经费投入少，配套教学资源不充分。借助审计软件开展审计信息化模拟实验教学需要软件商提供多个年度的审计数据，然而，在审计信息化实验室建设方案中，软件商往往难以提供多公司、多个年度的审计数据及相关教学课件，审计软件升级速度较慢，这在一定程度上也影响了审计信息化实验室的建设。
1.4侧重审计软件功能的应用，综合性审计业务模拟实验较少
熟练掌握审计软件应用是审计信息化实验教学的基本目标，在实验教学活动中，普遍侧重于审计软件功能的应用，现行审计信息化实验教学内容多为基础性和操作层面的实验，审计业务综合模拟实验较少，不利于提高学生的综合分析能力。在掌握审计信息相关基础性实验后，应从审计业务循环出发，按照审计信息化整体管理的要求，充分考虑审计信息系统的集成性和信息共享性，优化审计业务处理流程，进行综合性审计业务模拟实验。
1.5审计模拟实验数据不充分，缺乏案例库
开展审计信息化实验教学活动，不仅要有硬软件平台的支撑，而且还要结合各项审计业务和审计事项，设计科学合理的审计实验数据，建立审计实验数据案例库。目前，在审计信息化实验教学中，实验练习数据不充分，难以覆盖各种审计业务类型，同实验活动相关的配套案例更是寥寥无几，影响到审计信息化实验教学的效果与质量。因此，必须全面设计与完善审计信息化实验数据，加强审计信息化实验教学案例库的建设。
2审计信息化实验教学的优化策略
针对我国高校审计信息化实验教学的现状，应立足于先进的教育理念和教学模式，以科技进步和企业信息化发展对审计信息化人才的要求为背景，以基本能力训练为基础，以综合素质培养为核心，按照注重基础、强化训练、加强综合、培养能力的要求，全方位打造与优化审计信息化实验教学体系。
2.1树立先进教学理念与优化教学模式
开展审计信息化实验教学，要充分考虑企业信息化发展、审计行业对审计信息化人员知识体系、专业技能和综合素质的需求，秉承知识传授、能力培养、素质提高协调发展的教学理念，树立以能力培养为核心的实验教学观念，建立“优化课内、强化课外，融课内课外为一体”的实验教学模式，通过课堂实验教学、课后自主学习、校外参观体验多个环节开展审计信息化实验教学。坚持实践教学与理论教学并重，理论教学与实验教学统筹协调，注重对学生探索精神、科学思维、实践能力、创新能力的培养。
2．2完善实验教学体系与更新教学内容
建立课堂实验教学、课后自主学习、校外实习体验为一体的审计信息化实验教学体系。课堂实验教学以审计信息化实验室为依托，培养学生掌握审计信息化的基础理论和基本技能；利用审计信息化教学资源平台，学生课后自主学习，以巩固基础知识和拓展专业技能；通过校外实习体验，进一步提升学生的专业技能和综合素质。审计信息化实验教学体系强调厚基础、重应用、分层次、模块化的特点，坚持以学生能力培养为核心，融合理论教学与实践教学，涵盖从基础到提高，从单项训练到综合应用多个实验教学环节。同时应根据企业信息化的发展和审计业务的具体需求，不断更新教学内容，以适应审计信息化的发展。
2.3丰富实验教学资源与开放教学资原平台
加强审计信息化实验教学建设，为开展审计信息化实验教学提供硬件和软件资源支撑，建立功能齐全、实用性强的审计信息化实验教学资源平台，充分发掘和合理配置审计信息化教学资源，包括审计软件、教学课件、实验数据、审计信息化案例库与知识库等各项教学资源。实行开放式的教学机制，除了保证学生在课堂上的基础实验时间外，将开放审计信息化教学资原平台，以便于学生自主学习。
2.4探索实验教学方法与改进教学方式
在审计信息化实验教学过程中，根据该课程特点，不断探索适合高素质人才培养的实验教学方法，改变以往单一、被动式的教学方式，采用多样化和启发式的教学方法，树立以学生为主体，以教师为主导的教学理念，充分发挥学生的能动性。采用讲解演示法、上机模拟法、讨论互动法、案例分析法等教学方法，设计基本技能训练、学生自主实验设计、教师指导下的探索性实验等多元化、分层次的审计信息化实验项目与内容，调动学生的学习积极性，巩固学生的学习效果，提高学生的综合能力与素质。
2.5加强师资队伍建设与建立教学团队
开展审计信息化实验教学，必须要有能够胜任审计信息化教学的师资队伍，针对目前高校审计信息化师资缺乏的状况，结合审计信息化课程具有应用性与实践性强的特点，高校应积极营造宽松的学术环境，努力建成一支专职与兼职结合、教学科研能力强、教学效果好、工作责任心强的高素质审计信息化化师资队伍与教学团队。
2.6加强实验教材建设与网络课程建设
为了不断适应审计信息化实验教学的需要，鼓励教师根据教学实践经验，结合我国审计信息化的发展和审计行业对审计信息化人才知识体系与专业技能的要求，及时更新与出版审计信息化实验教材，注重网络课程建设，资助教师开发审计信息化相关网络课程，在教学过程中，不断改进与完善，进行内容升级与更新，以利于学生审计信息化知识、能力和素质的培养，同时又便于学生进行课后自主学习与模拟练习。
2.7完善实验课程考核方式与成绩评定方法
在审计信息化实验课程考核方面，着重加强对学生能力的考核，建立结构化实验成绩评定方法，采用平时成绩与期末考试成绩相结合的综合考核方式。平时成绩以课堂表现、实验过程、实验报告与实验分析为依据；期末考试以课堂考试为主要方式，检查学生的学习效果。通过完善审信息化实验课程考核方式与学生实验成绩评定方法，引导学生将审计信息化知识学习、能力培养和素质提高协调发展。
2.8加强实验教学过程控制与建立反馈机制
在审计信息化实验教学中，加强实验教学过程控制，一方面可以使实验教学活动按既定教学计划和目标进行，另一方面可以及时了解教师和学生执行实验教学计划的能力和效率，利用良好的反馈机制，及时研究和解决审计信息化实验教学活动中反映出的问题，合理调整实验教学计划，适时推陈出新，使实践验教学活动充满活力，提高学生的积极性，保证审计信息化实验教学的质量和教学效果。
3审计信息化实验教学体系的构建框架
基于上述分析，通过对审计信息化实验教学体系统进行优化设计，从教学理念、教学目标、教学模式、教学资源、教学团队、教学内容、教学方法多个维度出发，构建了审计信息化实验教学体系的基本框架。
（1）在审计信息化实验教学中，立足于企业信息化发展对审计信息化人才知识体系和综合素质的要求，充分体现以学生为本，秉承知识传授、能力培养、素质提高协调发展的教学理念，着眼于厚基础、精专业、重实践的审计信息人才培养目标。
（2）在移动互联网和云计算技术的支持下，采用课堂实验教学、课后自主学习、校外观摩体验为一体的教学模式，由校内专职教师和校外兼职教师构成的高素质审计信息化教学团队，共同承担审计信息化课程的实验教学。
（3）构建资源共享与开放服务的实验教学环境，搭建良好的实验教学资源平台，合理配置与开发各类审计信息化教学资源，包括审计信息化实验室、审计信息化教学资源共享平台、审计软件与工具、审计信息化实验教程、审计信息化案例库、审计信息化知识库和校外观摩体验中心等教学资源。积极探索审计软件供应商与高校合作的模式，建立审计信息化观摩体验中心，推广审计软件应用，共享审计教学资源，培养审计信息化人才。
（4）审计信息化实验教学设计应涉及基础性实验、综合性实验、探究性实验三个层面，综合考虑财务审计、内部控制审计、信息系统审计等各类审计业务，涵盖审计计划、审计实施和审计完成各个阶段的内容。在审计计划阶段，了解被审计单位的内部控制，进行风险评估，制定审计计划，对审计项目进行管理，采集被审计单位的财务和业务数据将其导入审计系统；在审计实施过程中，利用计算机辅助审计技术和工具，进行控制测试和实质性测试，编制各类审计工作底稿，获取充分有效的审计证据；在审计完成阶段，对审计工作底稿进行多级复核，按照审计准则和相关法规制度，根据审计证据发表审计意见，出具审计报告。
关键词:无线传感器网络;关键技术;路由技术
中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2010)03-552-03
Analysis of Wireless Sensor Networks and Routing Techniques
WANG Yan-qin1, PENG Gang2, LIU Yu1
(1. Institute of Computer and Control, Guilin Uniersity of Electronic Technology, Guilin 541004, China; 2. Educational Technology Center, Guilin Air Force Academy, Guilin 541003, China)
Abstract: Correlative knowledge of wireless sensor network is briefly introduced, including the architecture, the characteristics and the application fields. After key techniques of wireless sensor network are introduced, routing technique is analyzed emphatically, and then the problems and challenges of routing techniques are discussed.
Key words: wireless sensor network; key techniques; routing technique
随着无线通信和计算技术的发展,传感器不仅能感应和监测环境,还可以处理收集到的数据,将其处理后以无线的方式传送到基站。这些具有特殊功能的廉价的无线传感器节点,通过无线链路构成灵活的多跳自组织网络,这就是无线传感器网络(WSN, Wireless Sensor Network)。[1] 无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一,它将会对人类未来的生活方式产生巨大的影响。
1 无线传感器网络
1.1 无线传感器网络节点结构与体系结构
无线传感器网络由许多个功能相同或不同的无线传感器节点组成的以数据为中心的无线自组网络。每一个传感器节点由感应模块、数据处理和控制模块、通信模块和电源模块等组成,如图1。
无线传感器网络通常包括传感器节点、汇聚节点(Sink Node)和管理节点。[2-3] 传感器节点通常散布在被监测区域中,可以通过无人飞行器、火箭等撒播,也可以通过人工布置的方式完成,自组织形式构成网络。各节点收集数据,并将数据通过多跳中继的方式路由至汇聚节点,最终借助长距离或临时建立的Sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理,体系结构如图2。
1.2 无线传感器网络的特点
无线传感器网络一般是为了某个特定的需要而设计的,有着独特的体系结构和应用背景,使它具有不同于传统网络的诸多特点。
1) 网络自组织性 无线传感器网络可以在任何时刻、任何地点、不需要任何基础网络设施的支持下,由传感器节点本身自组织形成网络,包括网络的运行、维护、管理等完全在网络内部实现。
2) 网络拓扑结构比较稳定 一般网络中的拓扑变化主要由节点的移动造成的,而无线传感器网络中的拓扑结构变化主要由于可移动节点的移动和节点能量的耗尽造成的。
3) 容错性、功能局限性 对于无线传感器网络,节点数目多,安全性比较差,因此整个网络具有容错性;节点能量主要靠电池,但受到体积的限制,使得节点的计算能力、存储空间等局限性表现非常突出。
4) 网络分布式特性 基站节点与传感器节点体现了使用集中式的控制结构,但各个传感器节点之间,是一种无中心的分布式控制网络。
5) 安全性问题严重 由于采用无限信道、有限电源、分布式控制等技术,网络主机更加容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺睡眠、伪造等形式的各种网络攻击,而且传感器节点往往直接暴露在外面,安全性很差。
2 无线传感器网络的关键技术[4-5]
1) 节点定位 位置信息对于无线传感器网络应用至关重要,没有位置信息的数据毫无意义。大多节点定位分为两个阶段:第一,测量未知节点到附近已知节点的距离;第二,通过这些参考距离,利用数学方法对未知节点的位置进行计算。
2) 时间同步 时间同步的基本思想是:节点以自己的时钟记录事件,随后用第三方广播的基准时间加以校正。这种同步机制应用在确定来自不同节点的监测事件的先后关系时有足够的精度。
3) 路由技术 在无线传感器网络的体系结构中,网络层的路由技术是组网的基础,是无线传感器网络通信层的核心技术,非常重要。路由技术负责将数据分组从源节点通过网络发到目的节点,主要功能是寻找源节点和目的节点间的最优化路径,并将数据分组沿着优化路径正确转发。
4) 数据管理和数据融合 数据融合是一种减少传输数据量,节省能量的策略,数据管理是为了针对无线传感器网络的物理资源受限的特点而采用的特定数据管理措施。二者都是面向具体应用的,只有面向具体应用需求设计具体的数据融合算法和数据管理策略才可以最大限度的提高效率、节省能量。
5) 网络安全 安全技术可以保证无线传感器网络各层正常和正确的运行,对于其它方面,以至于整个网络都有很重要的作用,其中对于保证数据新鲜性和有效性方面表现最为明显。目前,无线传感器网络安全主要集中在密匙管理、身份认证和数据加密方法、安全路由协议和隐私问题。
3 无线传感器网络路由技术
3.1 路由技术分类
无线传感器网络中的路由技术分为平面型协议和层次型协议两种,基本的思想是采用在节点和汇聚节点间建立连接。平面型协议中,所有节点的地位是平等的,原则上不存在瓶颈问题。其缺点是可扩充性差,维护动态变化的路由需要大量的控制信息。在层次型协议中,群成员的功能比较简单,不需要维护负责的路由信息。大大减少了网络中路由控制信息的数量,有很好的可扩充性,其缺点是群头节点可能会成为网络的瓶颈。
3.1.1 平面型路由
1) 泛洪(Flooding)是一种最早的路由技术,不要求维护网络的拓扑结构,也不需要进行路由计算,接收到消息的节点以广播形式转发分组,转发报文给所有邻居节点。虽然实现简单,但容易产生消息的内爆和重叠。
2) 信息协商传感器协议(SPIN,sensor protocol for imformation via negotiation)是以数据为中心的一系列自适应路由协议。通过使用节点间的数据协商和资源自适应机制大大节省了能量,延长了网络寿命,并通过协商机制来解决泛洪算法中的内爆和重叠问题。通过宣告有数据(ADV)、同意接收(REQ)两种报文进行协商,并利用第三种数据报文(DATA)将协商好的所需要的数据发送给指定的节点。
SPIN的优点是每个节点只需要知道它的单跳邻居节点的信息,所以拓扑结构的改变对它的影响的局部的。但还存在一定的缺陷,它不能保证数据的发送,可能出现“数据盲点”。
3) 有序分配路由(SAR,sequential assignment routing)是1999年Katayoun Sohrabi等人在DARPA支持的一个研究中提出的一种主动型平面路由协议。 在选择路径时,SAR策略充分考虑了功耗和分组优先权等特殊要求,采用局部路径恢复和多路径经备份策略,避免节点或链路失败时进行路由重计算需要的过量计算开销。
4) 定向扩散(directed diffusion)是一种典型的以数据为中心的路由协议,与已有的路由算法有截然不同的实现机制。通信是在相邻节点中进行的,每个节点具有数据汇聚和缓存能力。定向扩散一般根据需求发出查询请求,这就减少了数据发送的盲目性。从实际意义上说,能减少能量的消耗。
3.1.2 层次型路由
层次路由协议的基本原理就是根据某种规则把WSN节点划分为多个子集,每个子集成为一个簇,具有一个簇头。每个簇的簇头节点负责全局路由,其他节点通过簇头接收或发送数据。
1) 低能耗自适应分层簇结构(LEACH, low energy adaptive clustering hierarchy)是第1个基于聚簇的协议[6],该协议随机循环地为每个簇选择簇头节点。每个簇头收集本簇中所有节点的数据,聚集后传送到汇聚节点。
LEACH以轮为工作时间单位,每一轮分为两个阶段:启动阶段和稳定阶段。在启动阶段,主要是传送控制信息,建立节点群,并不发送实际的传感数据。为了提高电源效率,稳定阶段应该比启动阶段有着更长的持续时间。在稳定阶段,传感器节点以固定的速度采集数据,并向群头节点发送,群头在向网关发送数据之前,首先对这些信息进行一定程度的融合。在稳定阶段经过一定的时间后,网络重新进入启动阶段,进行下一轮的群头选择。
2) 敏感门限高效能耗传感器网络协议(TEEN, threshold sensitive energy efficient sensor network protocols)与上面介绍的LEACH算法相似,通过抑制不必要的通信来实现节省能量。[7]
TEEN通过各簇头向整个网络下发两个阈值:硬阈值和软阈值。当检测值超过了硬门限,它被立刻发送出去;如果当前检测值与上一次之差超过了软门限,也被立刻发送出去。采用这样的方法,可以监视一些突发事件和热点地区,减小网络内信息包数量。
3.2 路由技术面临的问题和挑战
无线传感器网络路由技术设计的基本特点可以概括为:能量低、规模大、移动性强、拓扑易变化、使用数据融合技术和通信的不对称,因此无线传感器网络路由技术的设计要满足以下路由机制要求。
1) 能量高效成为路由技术最重要的优化目标
低能量包括两方面的含义,首先是节点能量储备低,其次是指能源一般不能补充。传感器网络节点通常是一次部署,独立工作,所以可维护性很低。相对于传感器节点的储能,无线通信部件的功耗很高,通信功耗占了节点总功耗的绝大不部分。因此,研究低能耗的路由协议极为迫切。
2) 使用数据融合技术
在无线传感器网络中,感知节点没有必要将数据以端到端的形式传送给汇聚节点或网关节点。为了减少流量和耗能,传输过程中的转发节点经常将不同的入口报文融合成数目更少的出口报文转发给下一跳,这就是数据融合的基本含义。采用数据融合技术意味着路由协议需要做出相应的调整。
3) 通信不对称,流量分布不均匀
无线传感器网络是一个数据采集网络,绝大部分流量是由各个传感器流向汇聚节点,因此,流量分布极不均匀。体现在源节点和目的节点不对称,源节点众多而目的节点单一;传输方向不对称,以汇聚节点为目的的数据流远远超过以它为源节点的控制流。
4 无线传感器网络的应用领域
由于无线传感器网络具有配置灵活和组网方便等优势,在军事、环境保护、家庭和医疗护理、灾难拯救等方面都显示了广阔的应用前景,并将逐渐深入到人类生活的各个领域。
1) 军事 快速布置和自组织等特性使得无线传感器网络非常适合用于战场环境,不仅可以实时监控我军兵力、装备和物质等信息,也可以将大量的传感器节点部署在敌方战场上,跟踪敌人的军事行动。
2) 环境保护 随着社会各界对环境问题的关注程度越来越高,需要采集的环境数据也日趋增多,无线传感器网络的出现可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如,跟踪候鸟和昆虫的迁移、研究环境变化对农作物的影响、监测海洋、大气和土壤的成分等。
3) 家庭和医疗护理 在医疗研究及护理领域,无线传感器网络也起来很大的作用。病人可以随身携带若干体积微小的传感器节点,可以对病人的心跳速率、血压等进行实时检测,若发现异常可以尽快抢救。同时还可以用于医院的药品管理,将传感器节点按药品种类分别放置,计算机系统即可帮助辨认所开药品,从而减少病人用错药的可能性。
4) 灾难拯救 在发生了地震水灾、强力暴风雨或遭受其他灾难后,固定的通信网络设施可能被全部摧毁或无法正常工作,对于抢险救灾场合来说,就需要无线传感器网络这种不依赖于任何固定网络设施、能快速布设的自组织网络技术。
无线传感器网络还被应用于其它一些领域,比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂和交通领域中作为车辆监控等;此外还可以应用于空间探索,借助于航天器在外星体撒播传感器节点,可以对星球表面进行长时间的监测。
5 结论
无线传感器网络,是一种全新的信息获取和处理技术,具有信息采集处理和传输等功能。本文对无线传感器网络做了简要的概述,并对作为组网基础的路由技术做了初步的介绍。无线传感器网络作为无线传感器的应用,尽管目前仍处于初步应用阶段,网络安全研究方面还面临着许多不确定的因素,但已经展示出了非凡的应用价值。相信在不久的将来,会对人们的生产生活起到不可估量的作用。
参考文献:
[1] 崔逊学,左从菊.无线传感器网络简明教程[M].北京:清华大学出版社,2009.
[2] 陈瑞,王青云.无线传感器网络的路由协议研究[J].现代电子技术,2006,17.
[3] 康启涛,陶滔.无线传感器网络综述[J].应用安全,2008,2.
[4] 马建庆.无线传感器网络安全的关键技术研究[D].上海:复旦大学计算机信息与技术系,2007.
[5] 李建中,高宏.无线传感器网络的研究进展[J].计算机研究与发展,2008.