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未来智能城市之旅

关键词:电源转换器 自动泊车 4D超声成像系统 智能城市 智能电网 智能交通

时间:2015-01-21 14:05:30      来源:德州仪器

在我们持续发布的“技术前沿”系列专题中,一些德州仪器(TI)的顶尖人才就当今最大的技术趋势以及如何应对未来的挑战展开了热议。

想象一下,有这样一座城市——交通信号灯可以根据交通负荷智能地调整时间设置;人们驾乘着半自动化车辆自由出行;当夜幕笼罩城市时,城市的灯光可按照通勤需要调节亮度......

想象一下,有这样一座城市——生命能够得到及时的挽救,因为早在拨打紧急呼救前,医护人员就可以通过生物传感器读取人们身体状况和周围情况信息,从而安排医疗救治......

想象一下,有这样一座城市——人们仅需一组微电网即可内为邻居生产电能,亦或是使用邻居提供的电能......



以前,人们认为许多这样的场景只会发生在科幻小说中;而现在,由于半导体技术和电子领域的惊人进步,这些已不再遥不可及,甚至已司空见惯。

目前,至少有75%发达国家的人口和超过世界一半的人口居住在密集的城市地区。到2030年,在那些上有摩天大楼、下有复杂隧道网络的繁华之都,城市人口预计将达到五十亿左右。

拥挤不堪的状况和基础设施的限制已带来不容忽视的社会成本,然而这些都是可以避免的。也正是因此,智能城市基础建设的竞争早就拉开了帷幕,同时也带来巨大的创新机会。

在今天的引言栏目以及接下来的季刊文章中,我们将讨论创新在半导体业务中发挥的重大作用,聚焦TI作为模拟和嵌入式处理技术方面的领先者所扮演的关键角色,以便为智能城市的建设奠定坚实的基础。

适度智能化城市

在对智能城市的技术方面进行详尽阐述之前,值得指出的是,智能城市的概念与任何其它技术驱动的预测性事物一样,决不能忽略或排除人的因素以及人的社会经验。

技术的最终目的是提高生活质量并维护资源和环境,而不是用机器代替人类。

例如,许多想让网上购物完全自动化的尝试均以失败告终,因为很多人依然喜欢偶尔体验那种漫步在两旁摆放着琳琅满目商品的过道并与销售人员相互交流的感觉,而不愿仅仅与零售商的无人售货机打交道。

像北京这样的城市是许多大型社交网络公司的中心,拥有一些全中国最繁忙的餐馆和酒吧,用于“面对面”的社交活动。

因此,与其描绘一座只有机器人的绿色城市,倒不如专注于可预见的未来发展趋势和技术。

虽然智能城市的理念涵盖许多不同的学科,但我们在这篇文章中只强调智能城市受半导体行业进步影响最大的那些方面,尤其是TI在这其中的独特地位,以便为将来的创新提供无数解决方案和机会。

智能电网

优化电能的产生、分配和消耗是智能电网的最终目标。

为容纳越来越密集的人口,许多城市地区兴修了高层建筑物和大型公寓楼群,能源的生产、需求及高效利用将至关重要。世界上约75%的能源被城市以大肆挥霍的方式消耗,其中40%被建筑物消耗,效率却只有40%左右。

通过监督能源使用情况,分配能源的产生和存储并安装高能效的智能电器,城市可节约大量的能源成本,并可通过智能化程度更高的方式利用能源资源。

在2005年,美国只有30%的电能流经智能电网的电源转换器;但是到2030年,将有80%的电能流经电源转换器。在这一点上,能源管理的发展潜力及其对人类生活和环境的影响都将是巨大的。

太阳能光伏(PV)的使用以每年48%的平均率增长,2012年的使用量已达31GW,基于晶圆的硅芯片占90%的市场份额,薄膜技术占10%的市场份额。

电网存储应用(如间歇性能源资源的均衡)中效率的提高正推动电池技术飞速进步,将达到100美元/千瓦时(kWh)、整个生命周期可充放电1000次的目标。

此外,作为消费者端和公用事业端智能电网中的数据采集点,带薄膜电池并具有能量收集功能的超低功耗嵌入式传感器已加速了创新型节能和负载均衡技术的发展。

智能交通

在2011年,交通事故的社会成本大约是3000亿美元;而拥挤带来的健康成本每年则远远超过5000亿美元。

交通拥堵、污染和事故方面的挑战已推动多项支持半自动化车辆以及全自动化车辆的技术进步。

智能车辆以及通过社交网络实现的拼车最有可能为将来的通勤模式描绘出不同的画面。智能车辆的快速转型和演化已加快了车辆电气化的程度,以至于汽车中半导体含量的增长已超过了半导体行业发展和汽车市场发展总体趋势的需求。

而今,一辆典型的汽车上有6000多个半导体器件,其中大约42%为模拟处理器,38%为嵌入式处理器,适用范围从高级驾驶员辅助系统(ADAS)到引擎控制和安全。

具有微混合功能的电动车辆、混合动力车辆以及节能型内燃机车辆需要大量使用电源管理和传感器集成电路(IC)。

现在,汽车的半自动化功能(如紧急制动、自动泊车、车道偏离警告和许多其它ADAS功能)依赖高速接口、传感器、嵌入式处理系统和广泛的信号处理系统。

安全保障

人口较密集的城市环境需要较高级的安全保障基础设施。

美国主要城市的犯罪率在持续下降,尽管最近的经济在衰退,犯罪率仍然在2013年创历史新低,是自1965年以来的最低点,这部分归因于大量部署安全摄像头、智能标记和许多其它嵌入式安全系统。

仅在英国就安装了超过590万个闭路电视监控系统,这意味着每11个人就拥有大约1个安全摄像头,而在全球范围内则部署了数十亿个安全标记。

为实现合理的成本,住宅和商业建筑物可通过手机或台式机进行监控,具体到窗户、门、空气中二氧化碳的浓度变化以及任何异常活动迹象的每个细节。

通过在基础设施和个人层面大量部署经济实惠的互联嵌入式传感器,可在早期对火灾多发区、化学威胁的存在以及有毒物质的泄漏进行检测。

典型的嵌入式传感器(功耗低于5微瓦,硬币式电池的寿命为10年)可检测出0.1度的温度变化或10ppm CO2气体的存在并及时报告。

保健与健康

通过提供个性化的预防性护理和提升的治疗能力,智能城市有望提高人们的生活质量。

此类需求是巨大的。在未来十年,全球医疗保健支出每年将接近13万亿美元。在美国,医疗保健的消费额占国内生产总值(GDP)的17%。

人的一生中许多严重疾病(如肺癌)的患病率目前约为6.5%。据统计,一直以来,要采用药物疗法根除疾病,成功率大约只有11%,这进一步突出了预防性护理的重要性。

从可佩戴式设备到环境传感系统,部署广泛互联的传感器网络并完美结合先进的信息和通信技术(ICT),可在未来的城市提供有效的个人护理功能。

预防性护理通过持续监测个人生命体征以及环境、食品和饮料中的健康危害物,将有助于显著改善人们的身心健康状况。

半导体和微机电系统(MEMS)技术的进步已使我们能对许多重要生物指标进行前所未有的实时访问。

做到这一点的方法是,在智能补丁(软性基板)上嵌入多种生物传感器,从而可对血压、呼吸系统分析值、承压水平、脱水状况进行无创性监测,还可分析肌电图(EMG)和心电图(EKG)信号。

分析数据处理功能可在本地(如今的智能手机足以处理)提取许多来自大型实时数据库、且在医学上有重要价值的信息,当发现明显的健康风险时向个人发出警告,在危及生命的情况发生前通过普及的ICT基础设施提前报告紧急救援部门。

在治疗方面,如实时X光机、带大规模换能器矩阵的4D超声成像系统、便携式MRI仪等高性能半导体器件和电路推动了医疗仪器的进步,这将使专业医疗保健设施的诊断和治疗能力更上一层楼。

此外,借助半导体技术的雄厚实力,进行片上基因组分析现在已不再是不可企及的事情,确切来说达成这一目标的日子比以往任何时候离我们都近,这一直是我们实现个性化医疗保健和肿瘤早期检测的关键所在。

无处不在的半导体技术

半导体堪称高新技术产业的基石,在我们的生活以及智能城市的方方面面发挥着越来越重要的作用。

传感、通信、智能控制与电源管理、高性能接口和嵌入式处理应用遍及智能城市的诸多领域。

 

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