探析工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架、關(guān)鍵技術(shù)和前沿趨勢(shì)

本文從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用—車聯(lián)網(wǎng)談起，從工業(yè)網(wǎng)聯(lián)技術(shù)發(fā)展過程的視角分析了工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架、關(guān)鍵技術(shù)和前沿趨勢(shì)，對(duì)智聯(lián)網(wǎng)視域下的未來智聯(lián)交通作出了展望。

本文整理自中國(guó)工程院院士、北京理工大學(xué)校長(zhǎng)張軍院士在2019國(guó)家智能產(chǎn)業(yè)峰會(huì)所做的報(bào)告

隨著智能技術(shù)的發(fā)展，從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)是必然趨勢(shì)。工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)是新一代人工智能技術(shù)、知識(shí)工程技術(shù)與制造業(yè)深度融合的產(chǎn)物，是未來工業(yè)的核心基礎(chǔ)設(shè)施和新型經(jīng)濟(jì)形態(tài)的支撐科技。

本文從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用—車聯(lián)網(wǎng)談起，從工業(yè)網(wǎng)聯(lián)技術(shù)發(fā)展過程的視角分析了工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架、關(guān)鍵技術(shù)和前沿趨勢(shì)，對(duì)智聯(lián)網(wǎng)視域下的未來智聯(lián)交通作出了展望。

談?wù)勡嚶?lián)網(wǎng)

首先談一下車聯(lián)網(wǎng)的概念，簡(jiǎn)單來講就是車輛+無線通信設(shè)備之后可以實(shí)現(xiàn)車-X、車-互聯(lián)網(wǎng)的無線通訊和信息交換，使得信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)提取車輛實(shí)時(shí)靜、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，最終可實(shí)現(xiàn)車輛智能化控制。

因此車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展的最終方向?yàn)橹悄芫W(wǎng)聯(lián)汽車和車路協(xié)同。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車需要有感知、信息交互和服務(wù)的能力。

感知能力又包含內(nèi)部感知和外部感知兩方面。內(nèi)部感知為車輛內(nèi)部裝有傳感器，感知車輛運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，駕駛?cè)藸顟B(tài)測(cè)量；外部感知為通過雷達(dá)、攝像頭、GPS等傳感器獲取周圍道路環(huán)境信息。

信息交換的能力包含與互聯(lián)網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)智能化車輛控制與智能化交通控制的車網(wǎng)互聯(lián)能力和與他車互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)碰撞預(yù)警、自動(dòng)避障、車距保持、路況分享等的車車互聯(lián)兩方面的能力。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車服務(wù)的能力體現(xiàn)在車路互聯(lián)的能力，即可以實(shí)現(xiàn)與路側(cè)設(shè)備相連，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸管理、車速引導(dǎo)、信號(hào)控制、施工區(qū)提醒等。

車路協(xié)同要實(shí)現(xiàn)的是車車、車路間智能協(xié)同與配合，充分利用交通系統(tǒng)的時(shí)空資源，以降低事故、節(jié)約能耗。根據(jù)美國(guó)Safety Pilot項(xiàng)目研究成果顯示車路協(xié)同可降低事故率44%；《美國(guó)NHTSA研究報(bào)告》提到車路協(xié)同技術(shù)可實(shí)現(xiàn)節(jié)約能耗39%。

車路協(xié)同架構(gòu)

現(xiàn)有交通方式的弊病是人適應(yīng)系統(tǒng)，現(xiàn)急需“人適應(yīng)系統(tǒng)”向“系統(tǒng)適應(yīng)人”轉(zhuǎn)變。

例如從北京到青島，要坐航班，坐幾點(diǎn)的航班？到這邊來幾點(diǎn)鐘上車？我們都是適應(yīng)交通系統(tǒng)。我們?cè)O(shè)想如果什么時(shí)候是交通系統(tǒng)適應(yīng)人，這才是真正的人工智能，人工智能跟交通緊密結(jié)合。

人適應(yīng)系統(tǒng)就會(huì)面臨很多問題，這里舉一個(gè)例子從北京到上海也不容易，現(xiàn)在想想到上海開會(huì)需要提前訂票，然后到達(dá)地鐵站，在地鐵需要安檢，以后到浦東機(jī)場(chǎng)，然后下來以后還要看看有沒有人接，沒有人接，就騎共享單車到會(huì)場(chǎng)，整個(gè)這個(gè)過程需要提前購(gòu)票、早到等待、晚到改簽、多次安檢、等行李、等出租、堵車等一系列需要人去適應(yīng)交通系統(tǒng)的過程。

我們?cè)O(shè)想，什么時(shí)候能夠系統(tǒng)適應(yīng)人？那什么叫系統(tǒng)適應(yīng)人呢？簡(jiǎn)單來說就是每個(gè)人出行時(shí)都可以得到一份一體化的交通出行定制方案。

這里舉個(gè)例子，比如從北京到青島會(huì)議中心去，我買一張票，打包的交通方案就已經(jīng)生成，比如方案一是時(shí)間最短、方案二為花費(fèi)最低，選擇一種方案之后可一票出行，在出行過程中，可一站安檢，全程通行，然后有實(shí)時(shí)的航班或高鐵，到站即可出發(fā)，避免等待，行李也由專車運(yùn)送，到青島當(dāng)?shù)匾院?，共享出租就根?jù)系統(tǒng)已經(jīng)檢測(cè)到行李所在車輛以及一起去青島會(huì)議中心的朋友，接上后直接送達(dá)終點(diǎn)，根據(jù)車路協(xié)同系統(tǒng)也不會(huì)有堵車的情況。

每個(gè)人都享受到的是定制化服務(wù)或者多樣化的個(gè)性化服務(wù)，這才是我們認(rèn)為的“交通出行系統(tǒng)適應(yīng)人”，這里講的人工智能跟交通車聯(lián)網(wǎng)是這個(gè)意義的車聯(lián)網(wǎng)，根本不是傳統(tǒng)上的人適應(yīng)交通系統(tǒng)，是這樣一種顛覆性的我們對(duì)交通的認(rèn)識(shí)。

未來交通新技術(shù)

上面講的系統(tǒng)適應(yīng)人能不能做到？目前看有可能，為什么有可能？因?yàn)橛蠳 （信息網(wǎng)Network）、B（大數(shù)據(jù)Big data）、A（人工智能AI）。即將新一代信息技術(shù)與綜合交通的深度融合。

具體來講就是是網(wǎng)聯(lián)化、自主化的智能載運(yùn)工具，協(xié)同化、智能化的智能基礎(chǔ)設(shè)施，知識(shí)化、個(gè)性化的智能運(yùn)行服務(wù)相結(jié)合。這樣才能驅(qū)動(dòng)我們進(jìn)入智聯(lián)交通社會(huì)

天地空網(wǎng)絡(luò)

首先第一要采集，所有信息都得感知，需要實(shí)現(xiàn)有天空地網(wǎng)絡(luò)一體化，為采集所有信息奠定很好的網(wǎng)絡(luò)條件。

網(wǎng)聯(lián)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)采集/運(yùn)行決策更快、更全、更準(zhǔn)

大數(shù)據(jù)

可以利用大數(shù)據(jù)洞察、理解、預(yù)測(cè)復(fù)雜的交通系統(tǒng)里的演化規(guī)律，利用這個(gè)演化規(guī)律知道哪里堵哪里不堵，然后實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。

因此要做好大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的全面建設(shè)。包括能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算EB級(jí)數(shù)據(jù)中心、PB級(jí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、百億級(jí)記錄額超大規(guī)模數(shù)據(jù)量的服務(wù)器；可實(shí)現(xiàn)空管指令、客票信息、監(jiān)控影像等功能的高低并存數(shù)據(jù)價(jià)值的數(shù)據(jù)分析及顯示系統(tǒng)；以及能夠?qū)崿F(xiàn)跨域系統(tǒng)匯聚互聯(lián)，包括政府資源開放、網(wǎng)絡(luò)資源匯聚、系統(tǒng)互聯(lián)；

做好了基礎(chǔ)建設(shè)才可以實(shí)現(xiàn)包括能源消耗、公共衛(wèi)生、大氣污染等多維度更全面；數(shù)據(jù)呈現(xiàn)更直觀；數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確；以及細(xì)節(jié)更深入的智能交通系統(tǒng)。

定制服務(wù)

“三層四片”架構(gòu)

實(shí)現(xiàn)交通的定制服務(wù)，可采用“三層四片”的理論架構(gòu)體系。

首先說“三層”。

第一層即上圖中最底下這一層，實(shí)際上把泛在網(wǎng)絡(luò)、各種與交通有關(guān)的信息進(jìn)行采集，把信號(hào)變成信息。

第二層利用智能邊緣計(jì)算，因?yàn)橐院蟮钠?，都可以?shí)現(xiàn)工業(yè)化跟信息化兩化融合，而其中最大的賦能技術(shù)是5G，5G+新能源汽車，就可以質(zhì)變到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，在這樣一個(gè)大網(wǎng)絡(luò)里面都可以放一個(gè)超級(jí)計(jì)算，汽車終端的計(jì)算就屬于邊緣計(jì)算。有了智能邊緣計(jì)算以后就可以實(shí)現(xiàn)由信息到知識(shí)，而且是可信的知識(shí)。

到了第三層我們真的能夠?qū)崿F(xiàn)智慧的決策和服務(wù)，就是完全多樣化。

因此，簡(jiǎn)單總結(jié)來看，第一層是泛化的感知，第二層是邊緣的網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算，第三層是無所不在的智慧服務(wù)。

支撐這三大層需要什么技術(shù)呢？這就要講到“四片”。

首先是能夠自組織，這種分布式的階層要要能自己組織起來，另外要可信和安全，還要能夠自然交互，最后能給達(dá)到群智和優(yōu)化。

實(shí)現(xiàn)“三層四片”以后，我們交通就會(huì)產(chǎn)生革命性的影響，最終實(shí)現(xiàn)時(shí)間分配準(zhǔn)——分鐘級(jí)、空間分配精——米級(jí)、服務(wù)分配優(yōu)——個(gè)人級(jí)。

比如我們轉(zhuǎn)乘交通工具先我們轉(zhuǎn)乘的交通工具都是按小時(shí)計(jì)，以后都是分鐘計(jì)；我們的轉(zhuǎn)乘轉(zhuǎn)地鐵都是幾百米，坐共享單車、打的也得幾十米，以后到米級(jí)；以后我們享受的服務(wù)不再是一個(gè)航班幾百人，而是每個(gè)人都可以享受定制化的服務(wù)。

這里詳細(xì)講解一下定制化服務(wù)的這三大特性。

定制化服務(wù)特性之——準(zhǔn)

柔性計(jì)劃、多元融合

怎么做到“準(zhǔn)”呢？如果有了柔性計(jì)劃、多元融合，我們采用大區(qū)域的氣象、交通狀態(tài)信息也可以實(shí)時(shí)獲取以后，通過大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的計(jì)算，我們就可以進(jìn)行多元計(jì)劃的融合，我們出行計(jì)劃就可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)分級(jí)調(diào)整。因此就可以實(shí)現(xiàn)陸海空天一體的時(shí)間的智能化分配。最終使得我們出行計(jì)劃的分辨率就可以從天計(jì)/小時(shí)計(jì)到分鐘計(jì)。這就是從時(shí)間上來說比較“準(zhǔn)”。

定制化服務(wù)特性之——精

按需匹配、跨界使用

第二個(gè)定制服務(wù)要實(shí)現(xiàn)空間上的“精”，利用智能技術(shù)將鐵路、公路、水運(yùn)賦能，都讓他們實(shí)現(xiàn)智能化或無人化，如無人汽車、無人貨車、無人飛機(jī)等等，這些智能化或無人化的交通工具，可以進(jìn)行協(xié)同智能、多式聯(lián)運(yùn)智能實(shí)現(xiàn)全程一體化精準(zhǔn)匹配。最終打通最后一公里，從而實(shí)現(xiàn)出行行程空間分辨率由步行距離千米級(jí)到米級(jí)。

小尺度（氣象、交通狀態(tài)）感知 -> 知識(shí)圖譜構(gòu)建 -> 載運(yùn)工具索引

定制化服務(wù)特性之——優(yōu)

組合優(yōu)化、人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)個(gè)性化

第三個(gè)定制服務(wù)為“優(yōu)”，這里把交通對(duì)象智能優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)線上線下個(gè)性化推薦，以及多樣化交互，我們就有可能實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制的交通系統(tǒng)適應(yīng)人的目標(biāo)，在出行選擇服務(wù)分辨率上實(shí)現(xiàn)由群體級(jí)向個(gè)人級(jí)的跨越。

從車聯(lián)網(wǎng)到智聯(lián)網(wǎng)

正如剛才所講，人工智能跟車聯(lián)網(wǎng)結(jié)合以后，顛覆了我們對(duì)交通的再認(rèn)識(shí)，原來我們是人適應(yīng)交通系統(tǒng)，現(xiàn)在我們可以交通系統(tǒng)適應(yīng)人。交通系統(tǒng)適應(yīng)人以后，我們的轉(zhuǎn)乘時(shí)間到分鐘級(jí)，步行距離到米級(jí)，我們的出行由群體到個(gè)性化，每個(gè)人都打得起飛的。這就是人工智能對(duì)車聯(lián)網(wǎng)的影響。

能不能做到？能，從車聯(lián)網(wǎng)到最后自主交通階段即可實(shí)現(xiàn)。這里有一個(gè)視頻演示比較直觀的展示了未來交通智聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行情況。

工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)

下面講一下工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)，工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)不是我的本行，這里講的快一點(diǎn)。

首先看一下工業(yè)網(wǎng)聯(lián)技術(shù)主要階段，如下圖

技術(shù)發(fā)展聚焦于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的過程信息化與自動(dòng)化

目前工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)的用處還比較遙遠(yuǎn)，但是跟交通領(lǐng)域的結(jié)合是最快的用途。所以我們就會(huì)想智聯(lián)網(wǎng)跟車聯(lián)網(wǎng)有什么樣的最大公約數(shù)呢？

我們講的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)都是從消費(fèi)領(lǐng)域進(jìn)入到工業(yè)領(lǐng)域，原來我們?cè)诮煌I(lǐng)域叫人車路，到了工業(yè)領(lǐng)域叫人、設(shè)備、數(shù)據(jù)，兩者都是以人為中心的三個(gè)要素，這個(gè)是最大公約數(shù)。

這里我們還得看三個(gè)層，即網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、服務(wù)。

但不管是感知采集、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)服務(wù)，但是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)確實(shí)有問題，不能按需連接、缺乏知識(shí)分析、服務(wù)能力也不足，這些問題該怎么辦？深度融合等這里就不說了。

下圖是我自己原創(chuàng)的，包括網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、服務(wù)三個(gè)層面，網(wǎng)絡(luò)采集感知完數(shù)據(jù)以后加上智能計(jì)算就得到信息，這就是智能化的感知信息；第二層是計(jì)算，計(jì)算都應(yīng)該是自動(dòng)化的，如果加上感知計(jì)算，把感知的信息事先把有的知識(shí)融入，就介意把這種邊緣計(jì)算從信息變成了知識(shí)；第三層是服務(wù)，服務(wù)大多數(shù)談的都是應(yīng)用，如果把智能服務(wù)和應(yīng)用結(jié)合就形成了智慧。所以我們就從網(wǎng)絡(luò)感知到知識(shí)到服務(wù)，就變成了信息、知識(shí)、智慧。因此，這里認(rèn)為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)最大的區(qū)別四個(gè)字，一個(gè)是更強(qiáng)調(diào)知識(shí)，一個(gè)更強(qiáng)調(diào)智能，這是兩個(gè)最大的區(qū)別。

看下面這張圖，這張圖跟車聯(lián)網(wǎng)是不是高度相似？這是因?yàn)槲沂茄芯烤C合交通的，所以我覺得車聯(lián)網(wǎng)和智聯(lián)網(wǎng)如何找到最大公約數(shù)，支撐我們的智聯(lián)網(wǎng)就可以了。

因此，我把剛才的三層四片就改成了A1到A3，B1到B4。A1到A3還是網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算和服務(wù)，但是這時(shí)候已經(jīng)發(fā)生了變化，網(wǎng)絡(luò)變成了智能感知，計(jì)算變成了知識(shí)計(jì)算，服務(wù)變成了智慧服務(wù)。

什么叫做感知？感知就是寬帶泛在的網(wǎng)和分布式智能感知；智能邊緣計(jì)算和自主知識(shí)獲取是知識(shí)計(jì)算；多元化與個(gè)性化的智慧服務(wù)就是智慧服務(wù)。

怎么能夠達(dá)到呢？還要解決四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，B1是網(wǎng)絡(luò)與信息的自組織，B2是信息可信，B3是自然交互與虛實(shí)交互，現(xiàn)在我們的交互也是一個(gè)大問題，B4是群智決策。所以工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)的核心是什么？是無所不在的智能與自主。

A1網(wǎng)絡(luò)為寬帶泛在網(wǎng)與分布式智能感知，即工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)的基層為寬帶、泛在、自主感知；A2計(jì)算為邊緣智能計(jì)算與自主知識(shí)獲取，即工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算特征為數(shù)據(jù)到知識(shí)；A3服務(wù)為多元化與個(gè)性化的智慧服務(wù)，即工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)：提供個(gè)性化智慧服務(wù)；B1為網(wǎng)絡(luò)與信息的自組織，即工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)物理層為資源自組織；B2為信息可信，即工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)可信環(huán)境，可用區(qū)塊鏈；B3為自然交互虛實(shí)交互，即工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)智能表現(xiàn)形式：以人為中心的自然交互；B4為群智決策，即智聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)特征為人機(jī)物環(huán)融合。

智聯(lián)交通網(wǎng)

從車聯(lián)網(wǎng)到智聯(lián)網(wǎng)，最終實(shí)現(xiàn)自主的交通系統(tǒng)，即從網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、服務(wù)三個(gè)層面的數(shù)據(jù)交互、信息疊加和被動(dòng)服務(wù)分別到信息交互、知識(shí)積累和主動(dòng)服務(wù)的過程。

自主交通是什么樣的交通呢？下面這張圖非常重要。

這張圖里面首先我們看技術(shù)對(duì)象，最重要的是從左邊的框框到右邊的框框，左邊的框框是人在環(huán)、機(jī)在環(huán)、智在環(huán)，人機(jī)環(huán)，環(huán)環(huán)相扣，右邊是人際網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人流網(wǎng)、物流網(wǎng)，網(wǎng)網(wǎng)智聯(lián)。

其中車路智聯(lián)網(wǎng)是基礎(chǔ)，但是我們要跳出地面，還需要有空地智聯(lián)網(wǎng)和空天智聯(lián)網(wǎng)，這樣全空間既可以充滿網(wǎng)絡(luò)，立體化的網(wǎng)絡(luò)保障信號(hào)隨時(shí)隨地獲取。左邊為智聯(lián)網(wǎng)里面的基礎(chǔ)設(shè)施，分為有節(jié)點(diǎn)智聯(lián)網(wǎng)和樞紐智聯(lián)網(wǎng)；因?yàn)槲覀儾荒芤幌伦舆^渡到無人網(wǎng)絡(luò)，它也是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，因此右邊顯示了有人和無人結(jié)合的混合智聯(lián)網(wǎng)。

車路智聯(lián)網(wǎng)

車路智聯(lián)網(wǎng)是由智能車輛和智能道路的協(xié)同運(yùn)行。

這個(gè)視頻可以非常直觀的展示智能車路網(wǎng)能夠達(dá)到的效果，即在十字路口的行人、非機(jī)動(dòng)車和機(jī)動(dòng)車都不用等待，即可通行，而且不會(huì)發(fā)生碰撞，可大大提升交通效率和安全性。

編隊(duì)行駛：降低車間距，減阻提效；協(xié)同避讓：無須紅綠燈

空地智聯(lián)網(wǎng)

下一個(gè)是空地智聯(lián)網(wǎng)，這是我自己的專業(yè)方向，我就弄得比較細(xì)。一個(gè)是隨時(shí)點(diǎn)到點(diǎn)，下一步我們叫隨地門到門，怎么做到？即通過智慧繁衍，包含智慧嵌入、邊緣計(jì)算、知識(shí)生成、全網(wǎng)共享四個(gè)方面，第二是量身定制的服務(wù)，包含空間優(yōu)先、時(shí)間優(yōu)先、舒適優(yōu)先、代價(jià)優(yōu)先，最后構(gòu)建一個(gè)地空協(xié)同的管理體系和空中立體的生態(tài)體系。

空天智聯(lián)網(wǎng)

另外講一講空天智聯(lián)，以后上天跟我們坐交通是一樣的，要軌道，要智能軌道、結(jié)伴飛行、安全監(jiān)控、任務(wù)重構(gòu)+個(gè)性化遨游，這個(gè)可能是2050年以后的事。

物流智聯(lián)網(wǎng)

下面簡(jiǎn)單講講跨界智聯(lián)網(wǎng)，這里首先講到物流，物流以后就是4個(gè)A，你收信，你可以在任何時(shí)間、任何路線、任何方式選任何書信，以后我們?cè)谧叩倪^程中就收信了，吃飯的時(shí)候信就來了，自助餐就來了，是這么一種，所以以后就是智慧新物流。

綜合交通物流新業(yè)態(tài)

樞紐智聯(lián)網(wǎng)

交通樞紐通過數(shù)據(jù)化到信息化到知識(shí)化到自動(dòng)化到智能化再到擁有智慧之后，以后無人汽車、水上停機(jī)坪，任何一個(gè)地方都可以停，但是都是按照智能的規(guī)則。所以是按需定容，無縫調(diào)度，這樣來進(jìn)行。

混合智聯(lián)網(wǎng)

最后是混合智聯(lián)網(wǎng)，有人無人該怎么辦？它是一個(gè)混合空運(yùn)下的融合運(yùn)行。