物联网与蜜蜂——人与自然和谐相融

徐思骋，胡福良

（1.浙江大学电气工程学院电气工程及其自动化专业2105班，浙江 杭州 310058；2.浙江大学动物科学学院，浙江 杭州 310058）

1 引言

当你仔细观察生活中一只小小的蜜蜂，那致密的复眼，高悬崖壁的蜂巢，是否让你不禁赞叹：“神秘！”当你走进蜜蜂的世界，你又会惊叹于其全世界范围内种类的多样性、小小身躯里所蕴含的复杂又精密的生理功能，那特别、富有几何美感又极其精准的“舞蹈语言”为蜜蜂社群高效运转所带来的巨大优越性也会让你再次忍不住感叹：“神奇！”。由于蜜蜂在生理构造、社群功能、信息传输与交流等方面的诸多优势，使其从纷纭的昆虫世界中脱颖而出，为人类社会多领域、多方面的发展提供借鉴[1]。

从20世纪90年代开始，“蜜蜂”这一“宝藏”生物蕴藏的巨大价值被“物联网”领域所捕捉，在“物联网”这一概念产生的这20多年来，从业人员研究蜜蜂信息素的传递，蜜蜂社群的分工和管理，在物流、通信等方面取得了较大的效率提高与技术进步。“蜜蜂”虽小，“物联网”虽大，后者依然能够于前者汲取灵感，这也再一次反映出蜜蜂对人类社会的巨大借鉴作用。而随着物联网的快速发展和人类对蜜蜂保护意识的逐渐增强，物联网技术也在授粉、养殖、远程监控蜂箱、解决移动方法等方面为蜜蜂的繁衍生息保驾护航。我们可以看到，“物联网”与“蜜蜂”正相融相生，互促发展，这也正是人与自然和谐共生所带来的巨大能量。

2 物联网简述

2.1 什么是物联网

“物联网”这一概念最初来源于媒体传播领域，指基于电视电台网络、广播网络等传统媒介与互联网等新兴媒介，实现所有相关的、以物理或非物理实体存在的对象通过一定的底层逻辑串联起来，使资源使用者更加方便地获取信息、提高效率[2]。目前，物联网技术的应用遍布运输业、农业、工业、医药、旅游业、环境保护等大量行业，通过大数据分析、统筹规划有效提升了资源分配的合理性、精准性，促进了行业效率与产值的提高，看似烦琐的调配、分配工作在物联网技术的帮助下变得简捷、轻松[3,4]。

2.2 物联网的发展历程

“物联网”一词最初来自1995年比尔·盖茨的《未来之路》一书。但受限于当时计算网络、软硬件条件的发展，该“物物相连”的设想并未被人们所重视。1999年，由于物品编码、RFID技术和互联网的相对成熟，美国Auto-ID将“物联网”的概念再次阐释，并且基于当时最新的研究成果更加细化。与此同时，中国科学院启动了传感网的研究，并建立了一些较为普及和常用的传感网（如气象监测、灾害预测）。当时的人们发出了这样一句振聋发聩的预言：“传感网是21世纪人类面临的又一个发展机遇”。在各国的不懈努力下，预言迅速成真[5]。2005年11月17日，国际电信联盟（ITU）在信息社会世界峰会（WSIS）上发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，将“物联网”这一概念正式落在了纸面上。报告指出，“物联网”渗透于生活各处的时代即将来临，世界上所有从房屋到纸巾、从车辆到牙刷都可以通过主动进行交换。传感器、射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米微观、智能嵌入将迎来更广阔的天地。《中国互联网发展报告（2021）》指出，中国物联网市场规模已达1.7万亿元，人工智能市场规模达3 031亿元[6]。《物联网新型基础设施建设三年行动计划（2021-2023年）》中明确，到2023年底，在国内主要城市初步建成物联网新型基础设施，社会现代化治理、产业数字化转型和民生消费升级的基础更加稳固。

3 由蜂而来的灵感

3.1 一种高度专业化的有机体系

3.1.1 从蜂群的分工看物联网网络的设计与管理

不同于其他生物，若我们跳出蜜蜂群体的各种细节构造，以一种宏观的视角观察蜜蜂群落，大概会把它归为一个“整体”——一种分工明确，不同蜂种（蜂王、工蜂、雄蜂）各司其职、按功能分类的“大社区”。蜂王负责产卵，繁衍后代；工蜂承担繁重的劳动；雄蜂负责与蜂王交配。若把一个“蜂箱”以现代社会中的一个城市相比，它或许可以被认为是一个真正的“互联城市”。如此合理又高效的分工与蜂巢结构是长年自然选择的必然结果，而这是否能给物联网的相关领域在组织网络设计与管理方面提供一些启示？当前，大多数物联网技术仍然按照传统的资源传递“前、中、后”3个板块分块设计与管理，这就造成“牵一发而动全身”，一个环节若出了问题整个链就会出问题的缺陷。设想，若能打破当前物联网的各个组成模块（资源前端、传输中端、获取终端）按照路径分割的原则，而是参考蜜蜂社群的分工以“功能”进行分类，“按需激活”“按需取用”，也许能更有效地克服这一痛点。

3.1.2 蜂巢形状与物联网的构造

数量极大的“终端”是构成物联网最基本也是最主要的元素，需要极为节能、高效、准确的方案实现双向的联结。当前物联网存在可扩展性的有限性，大多采用带有侧壁和树型的拓扑结构，这是一种较为耗能耗时的构成。而蜂巢素来享有“自然界最经济有效的建筑”之美誉，其中，正六边形的建筑结构，可使用空间最大，各方受力均等[7]。“物联网”网络虽然是一个非实体、抽象的概念，但同样也可以从蜂巢的结构中获取一些灵感。比如正六边形的无限扩展性，可以改变物联网“扩展难”的窘境；六边形蜂巢各小格紧密相接的特性，或许能为物联网各部分的信息交流提供便利。

3.2 蜜蜂信息素与物联网智慧通信

Mucignat-Caretta在《化学通讯的神经生物学》（Neurobiology of Chemical Communication）中指出，“昆虫之间最先进的通信方式即为蜜蜂的信息素”[8]。而在物联网中，这种“信息素”被抽象为基于不同目的建立的一系列“协议”（这也和互联网中的各类协议，如http、TCP/IP等相类似）。各类传递信息的传感器犹如蜜蜂社群中一只只蜜蜂个体，通过各种协议的认证互相交流。

3.2.1 信息交流的易读性和明确性

我们知道，蜜蜂的“舞蹈语言”可以表达食物的数量、方向和距离，圆形舞蹈表示较近的花蜜或花粉，而“8字”舞蹈则反映了距离较远的花源，“8字”交界处舞步的方向与角度，表示花源的方向所在；蜜蜂摆尾时间持续长短又能表示食物距离的远近，摆尾幅度代表了食物数量的多少。即使来自不同区域的蜜蜂舞蹈语言“方言”存在一定的差异，许多种类的蜜蜂仍能解码舞蹈语言中的意义并获取食物[9]。由此可见，蜜蜂的“舞蹈语言”具有极强的易读性与明确性，当蜜蜂群体将这一整套舞蹈语言“普及”到每一个个体之后，整个群体的信息流就可以高效运转起来。

同样，人类社会的物联网中同样也通过“协议”——一一种程式化、确定性的明确规则保障了物与物、物与人、物与地之间的信息交流，构成了一张巨大的、细致又严密的联系网，确保了“物物联系”中的易读性和明确性。

3.2.2 协议/信息素带来的系统稳定性

不同类型的蜜蜂分泌不同的信息素，用不同的化学信号标记、识别，使整个群体有秩序、有分工地运行下去。在一个暂时失去蜂王、大量工蜂产卵的蜂群中，工蜂分泌“蜂王信息素”，蜂群中会暂时出现工蜂“争王”的情况，而“争王”的本质在于较量蜂王信息素的高低，在实际农业实践中常常会通过从外部介入分泌蜂王信息素高于蜂群中所有工蜂的“蜂王”来稳住蜂群的秩序。可以说，信息素在维持蜜蜂群体的稳定性上有着举足轻重的作用[10]。同样，在物联网的系统中，“协议”也如同蜜蜂的信息素一样联结着每一个环节的推进。举一个生活中常见的例子：小区的外卖收取点以货架的形式呈现，物品的进库和出库都需要通过登记、扫描等步骤环环相扣而成。我们收到的取件通知短信就是进库这一过程的最后一步，这之前包裹经历了物理性到达、登记物流号、导入系统、导出货架号、上架等过程，这些步骤的连续进行便依靠每一个“协议”的“允许”，就像一扇扇连环门依次打开，最后向收件人发送短信。如果这中间有某一个“协议”失效或出现问题，就会出现无法准确检测入库及出库物品、物品遗失等问题，该物联网子系统随之失去原有的稳定性，无法正常工作。

由此可见，无论是蜜蜂的“信息素”还是物联网的“协议”，两者在维稳方面异曲同工。

4 物联网保护蜜蜂进行时

4.1 保护蜜蜂之重要性

受到气候变化、集约化农业、农药使用、生物多样性丧失和污染等因素的共同影响，蜜蜂正面临巨大威胁，蜜蜂的传粉作用逐渐减弱。而全球35%的粮食作物和3/4的开花植物都依赖蜜蜂和授粉媒介，如果蜜蜂无法正常足量繁衍，全球粮食生产、农业发展、生物多样性保护都会造成极大威胁。保护蜜蜂，在一定程度上也能够维系地球资源、保护人类可持续性发展的未来，由此，保护蜜蜂势在必行。

4.2 物联网——也是蜜蜂的一大福音

4.2.1 庞大的世界蜜蜂监测网络

2014年，世界蜜蜂计划（The World Bee Project）正式启动，这是一个以监测全球蜜蜂数量为主要工作内容的私人组织，从气候变化、人为影响等方面探讨如何有效保护全球蜜蜂数量。2018年，为从一个更加宏观和更加科学的角度展开相关研究，物联网子技术——云技术被应用于该计划中，通过收集各类科学数据，动态分析、动态规划，同时也催生了世界蜜蜂项目蜂巢网络（The World Bee Project Hive Network）的诞生。物联网的传感器可在“视”“听”两方面帮助蜜蜂生存。在蜂房附近设置一系列多角度、相对无死角的摄像机，监测蜜蜂天敌的入侵、蜂巢及蜂群是否出现异样。此技术下养蜂人无需过多实地观测，尤其是在一些恶劣天气情形下极大地减轻了养蜂人的工作负担。另一个关键指标是通过声音收集设备远程监测。不同数量品种的蜂群常常会在声音上有所差异，由此方便养蜂人及研究者对蜜蜂数量曲线的变化、不同蜂种对环境的适应性等进行记录和研究。另外，通过收集蜂房附近湿度、温度、空气质量等条件也可以为养蜂人及时调整养蜂策略提供及时的参考。还可以利用计算机人工智能（AI）算法构建蜜蜂聚集模型，预测蜂群的行为，比如蜜蜂是否成群等，促进全球蜜蜂产业的发展[11]。

4.2.2 物联网机器人辅助授粉

当前蜜蜂的传粉功能正面临较大危机，这对全球农作物的正常生长造成威胁。而物联网机器人的存在则可以弥补这一问题。波兰华沙理工大学正在研发名叫B-Droid的无人机，可以定向找到花朵并且收集花粉、自动授粉；哈佛大学名为RoboBee X-Wing的机器人以太阳能为能源，其智能传感器能模仿蜜蜂的生理反应对环境条件做出反应，完成授粉工作[12]。

5 结语

物联网与蜜蜂，两者看似毫无关联，却相辅相成、相互协同，在蜜蜂养殖与保护、物联网构建与管理、生态保护、生物多样性等方面有着千丝万缕的关系。人类社会的发展从来都不是凭人类一己之力完成的，经过长期进化与自然选择得来的生物习性、生物特征、自然现象必然符合自然规律，对人类而言存在着大量富有实践性的参考价值。这也是人与自然相融相生的一种途径，即人类向自然学习。同时，人类在获取这些经验的同时也应用科技手段、精尖技术帮助生物、维护环境的可持续发展，从而实现对自然的反哺。而这一切的一切，都需要人类永怀一颗对自然的敬畏之心，对地球家园的热爱之心。