信息化的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)革新會如何

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)從原始需求的角度，可以概括為完成數(shù)據(jù)傳感、數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)匯聚的軟硬件綜合系統(tǒng)。隨著信息化系統(tǒng)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)部署與應(yīng)用的行業(yè)廣度、深度不斷擴(kuò)展。傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（如圖1）更多的關(guān)注傳感與控制聯(lián)接、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸、中小型應(yīng)用場景，在面對海量部署與聯(lián)接、采控集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)復(fù)雜化、高穩(wěn)定性、低運(yùn)維成本、數(shù)據(jù)安全、高環(huán)境適應(yīng)性等等一系列行業(yè)需求時，存在著較大的應(yīng)用局限。

與此同時，多樣化的應(yīng)用場景需求，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正快速革新，并受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。新型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在海量聯(lián)接、本地邏輯、數(shù)據(jù)優(yōu)化、數(shù)據(jù)安全等方面，表現(xiàn)出優(yōu)異的系統(tǒng)性能，為面向智能應(yīng)用、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、海量聯(lián)接的新一代信息化系統(tǒng)構(gòu)建提供了有力的技術(shù)支撐。

圖1 傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

2 存在的挑戰(zhàn)

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展、生產(chǎn)生活效率的快速提升，人們對于信息系統(tǒng)的普及化、智能化、便捷化以及實(shí)時、安全性要求越來越高。作為信息化系統(tǒng)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。

2.1 CROSS挑戰(zhàn)

Connection（聯(lián)接）：大型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，廣泛存在異構(gòu)與海量聯(lián)接特征，系統(tǒng)中存在不同數(shù)據(jù)類型、協(xié)議類型、網(wǎng)絡(luò)類型、控制類型的設(shè)備與終端，聯(lián)接、驅(qū)動、管理、協(xié)調(diào)、轉(zhuǎn)換、運(yùn)維系統(tǒng)中的龐雜設(shè)備網(wǎng)絡(luò)存在著巨大挑戰(zhàn)。

Real-time（實(shí)時）：物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中存在大量高實(shí)時數(shù)據(jù)獲取、傳輸、邏輯運(yùn)算場景需求，例如自動駕駛、人機(jī)協(xié)同工作站、遠(yuǎn)程手術(shù)醫(yī)療等。因此，聯(lián)接實(shí)時、業(yè)務(wù)實(shí)時對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提出新的挑戰(zhàn)。

Optimization（優(yōu)化）：網(wǎng)絡(luò)邊緣終端與設(shè)備呈現(xiàn)了差異化的輸入輸出，對于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)融合，數(shù)據(jù)統(tǒng)一語義與描述，是必要的;而面向中心信息平臺與應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)還需經(jīng)優(yōu)化處理后統(tǒng)一開放與呈現(xiàn);

Smart（智能）：新型信息化系統(tǒng)的智能化特征，對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提出了邊緣智能需求。在此基礎(chǔ)上形成業(yè)務(wù)創(chuàng)新、業(yè)務(wù)流程優(yōu)化，賦能行業(yè)，形成效率與成本優(yōu)勢;

Security（安全）：新型信息化系統(tǒng)的垂直延伸、業(yè)務(wù)拓展不斷深入，對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)備安全、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全、應(yīng)用安全、數(shù)據(jù)隱私保護(hù)提出了更高的要求。

2.2 細(xì)分與碎片化的行業(yè)需求

物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、電力、水利、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)災(zāi)害等行業(yè)，眾多碎片行業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提出了差異化要求。物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)企業(yè)提出了眾多解決方案，以適應(yīng)差異化市場需求，但較多僅局限于所關(guān)注

行業(yè)領(lǐng)域，不同程度存在難以規(guī)?；默F(xiàn)象。

另外，各專業(yè)行業(yè)政府主管單位、行業(yè)協(xié)會、聯(lián)盟或科研院所為保障專業(yè)領(lǐng)域系統(tǒng)供應(yīng)質(zhì)量、互操作性以及競爭秩序，制訂了所屬行業(yè)或地域的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，形成了細(xì)分行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)眾多，卻難以統(tǒng)一、更新緩慢的不利局面。

2.3 解決方案垂直化、多架構(gòu)并行

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)依托于各行業(yè)垂直解決方案并體現(xiàn)其價(jià)值， 基于已有技術(shù)和垂直市場細(xì)分，已演化出各種IoT架構(gòu)，如集中式，分布式，云化物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)將在很長一段時間呈現(xiàn)出垂直化、多架構(gòu)并行的行業(yè)特征。

2.4 多元化版圖

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)普及性的提高，市場容量的增大，為相關(guān)參與者帶來了好的發(fā)展機(jī)遇。企業(yè)，電信運(yùn)營商，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，科研院所甚至個人、家庭等各緯度主體都參與到體系的研究、發(fā)展、建設(shè)及消費(fèi)中。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的多元化版圖促進(jìn)了行業(yè)發(fā)展，也帶來了系統(tǒng)通用、普及和互操作的難度。

2.5 傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)弊端

傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)源于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，構(gòu)建思維較多的局限于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和處理，缺乏系統(tǒng)靈活性和智能化應(yīng)用潛力，對上述挑戰(zhàn)和問題考慮不足，無法滿足多樣化感知網(wǎng)絡(luò)及智能化系統(tǒng)需求。

隨著物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用與部署，海量且異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接、靈活且通用的組成要件、行業(yè)各異的智能要求（數(shù)據(jù)優(yōu)化、邊緣處理、邏輯實(shí)現(xiàn)）以及更加規(guī)范和嚴(yán)格的數(shù)據(jù)安全等一系列挑戰(zhàn)，正驅(qū)動新型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的不斷涌現(xiàn)。

3 新型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

為適應(yīng)信息化系統(tǒng)新的需求，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)不斷演進(jìn)，其主要特征包括邊緣計(jì)算（Edge Computing）［1］的應(yīng)用、通用化與標(biāo)準(zhǔn)化、高效運(yùn)維部署和人工智能應(yīng)用。上述特征很好的解決了信息化系統(tǒng)多業(yè)務(wù)多場景的融合智慧化感知與控制需求，成為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主流方向。

3.1 邊緣計(jì)算

計(jì)算技術(shù)經(jīng)歷了大型機(jī)計(jì)算、PC計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算、云計(jì)算等階段之后，進(jìn)入了邊緣計(jì)算。邊緣計(jì)算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲、應(yīng)用核心能力的分布式開放平臺，如圖2，就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷聯(lián)接、實(shí)時業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。在邊緣計(jì)算這一概念的發(fā)展歷程中，Cloudlet［2］、微數(shù)據(jù)中心（MDC）［3］、霧計(jì)算［4］等概念都致力于在網(wǎng)絡(luò)的邊緣處工作。

圖2 邊緣計(jì)算分布式開放物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

圖3示出了邊緣計(jì)算的5大關(guān)鍵利益，正是由于邊緣計(jì)算呈現(xiàn)了它在復(fù)雜物聯(lián)網(wǎng)場景的技術(shù)優(yōu)勢，所以這幾年贏得了行業(yè)的特殊關(guān)注。

圖3 邊緣計(jì)算的五大關(guān)鍵利益

邊緣計(jì)算架構(gòu)令物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由感知層并行延伸至網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)服務(wù)層。分布式構(gòu)架使得感知系統(tǒng)獲得了更加靈活的任務(wù)適應(yīng)能力，因而更能滿足新型信息化系統(tǒng)的多業(yè)務(wù)多場景需求。

3.2 通用化、標(biāo)準(zhǔn)化

IoT核心網(wǎng)與邊緣化物聯(lián)網(wǎng)終端構(gòu)成了靈活多變卻又通用、標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，如圖4。

網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲、應(yīng)用的邊緣化，使得物聯(lián)網(wǎng)終端獲得了更多的職能權(quán)限。邊緣化物聯(lián)網(wǎng)終端通過自身操作系統(tǒng)與IoT核心網(wǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)作，可以實(shí)現(xiàn)對南、北向驅(qū)動管理、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控以及容器化邊緣任務(wù)管理。邊緣化物聯(lián)網(wǎng)終端實(shí)現(xiàn)了接口融合、數(shù)據(jù)融合、協(xié)議融合以及容器化的應(yīng)用管理，滿足了差異化場景與碎片化行業(yè)需求，最終呈現(xiàn)出通用化、標(biāo)準(zhǔn)化特征。圖5示出了邊緣化的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)。

圖5邊緣化的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)

3.3 高效的部署與運(yùn)維

圖2示例中，IoT核心網(wǎng)通過邊云協(xié)同方式實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用、計(jì)算資源及數(shù)據(jù)訂閱和發(fā)放管理。平臺化、服務(wù)化的邊緣管理機(jī)制帶來了中心化的高效系統(tǒng)部署與系統(tǒng)運(yùn)維能力。該能力在面向萬物互聯(lián)的未來數(shù)字化系統(tǒng)中，將發(fā)揮巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

3.4 人工智能

作為風(fēng)頭正盛的人工智能技術(shù)，深度學(xué)習(xí)（Deep Learning，DL）受到業(yè)界的大量關(guān)注。DL與邊緣計(jì)算的結(jié)合將為智能系統(tǒng)帶來實(shí)用且靈活的技術(shù)手段。首先，DL植入邊緣計(jì)算框架中，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)邊緣的自適應(yīng)管理。另外，云端也將大量的模型計(jì)算推至邊緣，實(shí)現(xiàn)低延遲、高可靠的智能業(yè)務(wù)。

作為典型的AI技術(shù)之一，DL在計(jì)算機(jī)視覺（CV）和自然語言處理（NLP）領(lǐng)域展現(xiàn)出了強(qiáng)大的性能優(yōu)勢［5］，相應(yīng)的智能服務(wù)與應(yīng)用也快速的改變著人們的生活［6］。隨著邊緣算力的不斷增長和計(jì)算方式的革新，更加智能的算法能夠從云端拓展至終端用戶，網(wǎng)絡(luò)邊緣將具備更加智能化的任務(wù)執(zhí)行能力，且能夠被云端不斷升級和更新。

4 典型應(yīng)用場景

上文詳細(xì)分析了新型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)和應(yīng)對思路，相較于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，其性能優(yōu)勢明顯且綜合成本有所降低，可廣泛應(yīng)用于智慧電網(wǎng)、智慧生態(tài)、智能制造等領(lǐng)域。圖6例舉了一種較為典型的新型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)解決方案。

圖6 典型的新型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)解決方案

4.1 智慧電網(wǎng)

傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)由“配電自動化主站”，靠近居民的“低壓變壓器（10kV/400V）”以及延伸到每家每戶的低壓饋線網(wǎng)絡(luò)組成，低壓配電網(wǎng)絡(luò)在整個國家電網(wǎng)中多達(dá)480萬個，連接著4億多終端，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜，對供電質(zhì)量影響大，當(dāng)前仍處于較低的自動化和智能化水平，難以快速應(yīng)對分布式光伏、新能源汽車、能源流調(diào)度等需求。

新型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所構(gòu)建的“云、管、邊、端”方案架構(gòu)跟傳統(tǒng)配電網(wǎng)結(jié)合，在“云”層采用IoT核心網(wǎng)，用微服務(wù)架構(gòu)解耦業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)，同時引入大數(shù)據(jù)和AI框架;在“管”層提供豐富的上下行通信方式，支持物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)互通;在“邊”層采用邊緣計(jì)算方式，打造通用且標(biāo)準(zhǔn)的智能配變終端硬件平臺，使業(yè)務(wù)APP化，軟件可定義;在“端”層引入物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，為末端終端植入通信與計(jì)算，使物聯(lián)網(wǎng)終端智能化。

4.2 智慧生態(tài)

智慧生態(tài)包含水利、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、自然災(zāi)害、應(yīng)急管理等眾多方向，其信息化水平較為落后，感知網(wǎng)絡(luò)覆蓋率較低，系統(tǒng)存活率低，信息孤島問題嚴(yán)重，數(shù)據(jù)智能分析及模型化研究滯后，難以滿足生態(tài)監(jiān)控、治理與利用需求。

新型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可利用其感知融合、數(shù)據(jù)融合、協(xié)議融合能力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)、林、水、國土、應(yīng)急、環(huán)保等領(lǐng)域感知網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一建設(shè)與接入。利用邊云結(jié)合的智能運(yùn)算能力，將云端訓(xùn)練的模型推送至監(jiān)測與控制現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精準(zhǔn)管理、水利管控智能化、自然災(zāi)害（洪澇災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害、森林火險(xiǎn)）預(yù)警預(yù)測科學(xué)化、環(huán)保監(jiān)測精確化等功能，大大提升智慧生態(tài)信息化系統(tǒng)的管理效能。

4.3 智能制造

工業(yè)環(huán)境下的邊緣計(jì)算通常以實(shí)時或者以接近實(shí)時的方式獲取正確的設(shè)備數(shù)據(jù)，以推動更好的決策，必要時還可以進(jìn)行工業(yè)過程控制。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須先行構(gòu)建邊緣設(shè)備及嵌入其中的軟件、邊緣服務(wù)器以及云的基礎(chǔ)架構(gòu)，并連續(xù)全天候地運(yùn)行。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)邊緣可以擴(kuò)展到工業(yè)設(shè)備、機(jī)械制造、控制器和傳感器。當(dāng)下，邊緣計(jì)算和分析正在快速地向靠近機(jī)械裝置和數(shù)據(jù)源的地點(diǎn)部署。隨著工業(yè)系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成定勢，分析、決策和控制這些以往都是集中完

成的功能，正在從物理上加速向邊緣設(shè)備、邊緣服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、云及其聯(lián)接系統(tǒng)分散。與此同時，自動化資產(chǎn)設(shè)備正在提升其執(zhí)行邊緣計(jì)算的功能。

5 總結(jié)

新世紀(jì)的第一個十年，得益于更加廣泛的聯(lián)接，我國信息化產(chǎn)業(yè)獲得了快速的發(fā)展，深刻地改變著人們的生產(chǎn)、生活方式。隨著5G、邊緣計(jì)算、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)也將不斷革新，應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個行業(yè)領(lǐng)域，帶來生產(chǎn)力的大幅提升，最終實(shí)現(xiàn)感知中國、智慧中國。

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