智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)

楊旸

摘要：提出跨垂直行業(yè)的、基于智能物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)和應(yīng)用的“一橫一縱”的系統(tǒng)架構(gòu)和發(fā)展趨勢(shì)，即基于通用處理器（GPP）的共享計(jì)算平臺(tái)和基于開源軟件的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境將聯(lián)合構(gòu)建新一代智能物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的系統(tǒng)架構(gòu)和應(yīng)用基礎(chǔ)。這一通用、普適的軟硬件系統(tǒng)架構(gòu)將助力IoT技術(shù)和應(yīng)用從數(shù)據(jù)收集到信息提取再到知識(shí)創(chuàng)造的快速演進(jìn)和創(chuàng)新飛躍，實(shí)現(xiàn)未來智能IoT服務(wù)的宏大使命。

關(guān)鍵詞： IoT；GPP；軟件定義一切（SDX）；系統(tǒng)架構(gòu)

Abstract： In this paper， the system architecture and development trend of the “general purpose processor （GPP）-horizontal and software defined everything （SDX）-vertical” in vertical industries is proposed， which is on the basis of intelligent Internet of things （IoT）. It means that the GPP-based shared computing platform and open source software-based application development environment will be jointed to establish the system architecture and application foundation of next generation intelligent IoT. This universal software and hardware architecture will facilitate IoT technology and applications to rapidly innovate from data collection， information extraction to knowledge creation， which can achieve the future mission of intelligent IoT.

Key words： IoT； GPP； SDX； system architecture

1 應(yīng)用驅(qū)動(dòng)促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng) 技術(shù)的快速發(fā)展

近年來，經(jīng)過國家與地方的大力推廣，以及產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）[1-2]的發(fā)展與應(yīng)用已逐步進(jìn)入快車道，促進(jìn)了中國各行業(yè)應(yīng)用的信息化與智能化。從系統(tǒng)工程角度來看，IoT具有將感知、控制和短距離無線通信能力的傳感設(shè)備嵌入到各類器件與終端中，拓展系統(tǒng)自動(dòng)獲取物理世界信息的作用直徑和能力；在傳統(tǒng)以人類語義為核心的信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，引入物體貢獻(xiàn)數(shù)據(jù)的新型信息維度，形成物理世界與人類信息領(lǐng)域融合的抽象數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)；將對(duì)物理世界的感知引入現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)整體性能進(jìn)行智能優(yōu)化處理，兼容并包現(xiàn)有體系，共同形成對(duì)人類意義重大的信息網(wǎng)絡(luò)體系。從技術(shù)演進(jìn)角度來看，以應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵，隨著中國牽頭制定的全球首個(gè)物聯(lián)網(wǎng)頂層架構(gòu)國際標(biāo)準(zhǔn)正式通過國際標(biāo)準(zhǔn)草案（DIS）投票[3]，NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)化工作的完成[4-5]以及5G[6]商用的展望，將對(duì)物聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

盡管物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化初見成效，取得了不少重要的成果，但在實(shí)際部署過程中，多數(shù)垂直行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用以封閉方案為主流，這一方面造成了系統(tǒng)軟件與硬件的兼容性不強(qiáng)；另一方面，導(dǎo)致了不同物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之間信息的交互性不佳，具體主要包含以下3個(gè)方面：

（1）系統(tǒng)應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)中嵌入式感知/控制設(shè)備采用不同的軟/硬件平臺(tái)，部署于無法自由交換信息的多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，專用的業(yè)務(wù)系統(tǒng)和管理平臺(tái)難以兼容互通。

（2）技術(shù)研發(fā)。物聯(lián)網(wǎng)的用戶參與度低，應(yīng)用開發(fā)門檻高，開發(fā)周期長；平臺(tái)架構(gòu)的耦合度高，擴(kuò)展性互通性差，基礎(chǔ)設(shè)施的部署及維護(hù)成本高；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與終端多樣化；物聯(lián)網(wǎng)各種資源缺少統(tǒng)一的描述模型，無法對(duì)資源進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)同處理與協(xié)作調(diào)度。

（3）架構(gòu)設(shè)計(jì)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)呈現(xiàn)出豎井化的信息孤島特征，僅適合需求明確的大規(guī)模垂直行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景；系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)和服務(wù)能力難以分享和重用，第三方資源也難以被低成本地集成進(jìn)系統(tǒng)，使得物聯(lián)網(wǎng)很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用和推廣。

為更好地推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)步，突破物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展瓶頸，順應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的需求，本文提出跨垂直行業(yè)的智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用的“一橫一縱”系統(tǒng)架構(gòu)和發(fā)展趨勢(shì)，聯(lián)合構(gòu)建兼具靈活性與普適性的新一代智能物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)和應(yīng)用基礎(chǔ)，助力物聯(lián)網(wǎng)未來飛躍發(fā)展。

2 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的過去、現(xiàn)在 和演進(jìn)態(tài)勢(shì)

2.1 過去：數(shù)據(jù)收集

自從“感知中國”計(jì)劃拉開物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的帷幕以來，中國的物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)取得了蓬勃的發(fā)展。早期物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的研發(fā)與部署，多側(cè)重于信息的感知，其數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要涉及傳感器、射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)、多媒體信息采集、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、條碼和實(shí)時(shí)定位等技術(shù)。感知信息的組網(wǎng)通信技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)傳感器、RFID等數(shù)據(jù)采集技術(shù)所獲取數(shù)據(jù)的短距離傳輸、自組織組網(wǎng)。感知層傳輸技術(shù)包括有線和無線方式：有線方式有現(xiàn)場(chǎng)總線、公共交換電話網(wǎng)絡(luò)（PSTN）等傳輸技術(shù)；無線方式有RFID、Wi-Fi、超寬帶、短距通信（NFC）等傳輸技術(shù)，此外還包括多傳感器對(duì)數(shù)據(jù)的協(xié)同信息處理技術(shù)。

對(duì)于感知信息的傳輸主要通過移動(dòng)通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)、廣電網(wǎng)、行業(yè)專網(wǎng)等，而針對(duì)數(shù)據(jù)的應(yīng)用基本上停留在信息的存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)與發(fā)布層面。在這一階段，其技術(shù)發(fā)展以剛性需求為主，重點(diǎn)是感知功能、應(yīng)用性能，通過機(jī)器到機(jī)器（M2M）連接，很少跨領(lǐng)域信息交互。

2.2 現(xiàn)在：信息提取

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用范圍的不斷拓展，以及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的廣泛部署，尤其是“云計(jì)算”與“大數(shù)據(jù)”等新技術(shù)的層出不窮，推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步。中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所作為主要參與單位，承接并實(shí)施的“新一代寬帶無線移動(dòng)通信網(wǎng)”重大專項(xiàng)“面向南水北調(diào)工程安全的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研發(fā)”中，針對(duì)南水北調(diào)中線干線工程“三個(gè)安全”的重大需求，通過在長達(dá)1 400 km的南水北調(diào)中線干線工程上，部署10萬余只各種不同類型的傳感器，有效地保障了“三個(gè)安全”（工程安全、供水安全、人身安全）的重大需求[7]。同時(shí)，結(jié)合前端感知信息的提取，有效地實(shí)現(xiàn)了異常狀態(tài)預(yù)警、防入侵監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵功能，進(jìn)一步證實(shí)了“傳感器、數(shù)據(jù)、平臺(tái)”等關(guān)鍵技術(shù)在大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的可行性，推動(dòng)了“三位一體”模式成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 演進(jìn)：態(tài)勢(shì)和挑戰(zhàn)

得益于前幾年的海量感知信息積累，公眾應(yīng)用正在慢慢起步。這種公眾應(yīng)用以彈性需求為主，對(duì)公眾網(wǎng)絡(luò)依賴程度高，廣泛利用現(xiàn)有各種終端。面對(duì)日益增長的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，各種平臺(tái)紛紛涌現(xiàn)出來，譬如：阿里、京東分別推出各自的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，盡管這些企業(yè)級(jí)的平臺(tái)可以提供共性服務(wù)的支撐，但往往難以實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)之間的融合，而且缺乏專家系統(tǒng)支持，從發(fā)展的角度來看，無法滿足物聯(lián)網(wǎng)未來的快速增長。實(shí)際項(xiàng)目和工程實(shí)踐中，每一個(gè)垂直行業(yè)都希望開發(fā)和掌控自己的平臺(tái)和應(yīng)用，造成垂直行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用以封閉方案為主流，系統(tǒng)呈現(xiàn)豎井化信息孤島特征，無法實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)的大規(guī)模推廣，而且在這種需求下，隨著行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)部署規(guī)模的不斷擴(kuò)大，將造成這種豎井化信息孤島越來越大。

如何實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的信息融合，如何減少并消除行業(yè)豎井化信息孤島，將是未來智能物聯(lián)網(wǎng)需要面對(duì)的挑戰(zhàn)。縱觀物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展可以看出：數(shù)據(jù)收集是基礎(chǔ)，信息提取是重點(diǎn)，知識(shí)創(chuàng)造是核心，跨界融合是關(guān)鍵。可以預(yù)見：未來在海量感知終端部署與海量物聯(lián)網(wǎng)信息存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展必將從信息化與智能化過渡為知識(shí)化；構(gòu)建具有靈活性與普適性的軟/硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)、跨平臺(tái)信息融合，已成為智能物聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展的迫切需求。

3 智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用 的發(fā)展趨勢(shì)

盡管目前物聯(lián)網(wǎng)處于規(guī)?；l(fā)展階段，需求各異且信息孤立，由于政策的推動(dòng)以及利益最大化的導(dǎo)向，未來垂直行業(yè)內(nèi)部以及行業(yè)間的信息交互將成為必然趨勢(shì)。同時(shí)，未來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，不是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的顛覆性革命，而是通過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的綜合運(yùn)用，進(jìn)一步結(jié)合先進(jìn)技術(shù)（如：人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等），融合現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)全新模式轉(zhuǎn)變來實(shí)現(xiàn)智能物聯(lián)網(wǎng)。只有這樣，才能有效地實(shí)現(xiàn)智能物聯(lián)網(wǎng)的知識(shí)創(chuàng)造，實(shí)現(xiàn)智能物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的平滑升級(jí)態(tài)勢(shì)，催生出一系列新的框架與技術(shù)。

鑒于此，我們提出基于通用處理器的共享計(jì)算平臺(tái)和基于開源軟件的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境的“一橫一縱”系統(tǒng)架構(gòu)和發(fā)展趨勢(shì)（如圖1所示），著力于解決當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的市場(chǎng)碎片化、應(yīng)用規(guī)模小的問題，突破垂直行業(yè)應(yīng)用端到端的封閉方案占據(jù)產(chǎn)品主流，行業(yè)壁壘較高，整體解決方案成本高等局限。

3.1 GPP：基于通用處理器的共享 計(jì)算平臺(tái)

基于通用處理器的共享計(jì)算平臺(tái)從系統(tǒng)應(yīng)用的角度出發(fā)，提取不同物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和系統(tǒng)的共性元素；再根據(jù)共性元素的技術(shù)特征分類，以模塊化方式實(shí)現(xiàn)共性元素子類，并依據(jù)具體業(yè)務(wù)需求選擇不同子類組合，構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的共性計(jì)算平臺(tái)，以提供各種協(xié)同計(jì)算、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)采集交換和共享管理、用戶管理、權(quán)限管理、應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘、專家系統(tǒng)、應(yīng)用接口等共性功能和服務(wù)；然后以統(tǒng)一的開放硬件計(jì)算平臺(tái)結(jié)合定制化的軟件，適應(yīng)多樣化的應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)不同底層技術(shù)方案的組合和集成，并按照統(tǒng)一的模式平臺(tái)化管理和發(fā)布各類信息。

基于通用處理器的共享計(jì)算平臺(tái)體系設(shè)計(jì)，分離了物聯(lián)網(wǎng)不同應(yīng)用的共性技術(shù)特點(diǎn)和差異性，為解決應(yīng)用場(chǎng)景多樣化的矛盾提供了有效的思路，有利于規(guī)范物聯(lián)網(wǎng)從感知互動(dòng)設(shè)備到網(wǎng)絡(luò)傳輸再到應(yīng)用服務(wù)的明確產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系下推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的研究、開發(fā)、集成和應(yīng)用。同時(shí)，也更好地體現(xiàn)不同行業(yè)應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)共性平臺(tái)統(tǒng)一架構(gòu)下的融合衍生、集成創(chuàng)新，為多種產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供科學(xué)而全面的服務(wù)。

基于通用處理器的共享計(jì)算平臺(tái)的技術(shù)特征如下：

（1）縮短技術(shù)研發(fā)周期，降低開發(fā)成本

該技術(shù)可以幫助科研院所與小微企業(yè)快速開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)，降低開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。采用共享計(jì)算平臺(tái)提供的穩(wěn)定可靠的共性功能和服務(wù)，并對(duì)應(yīng)用層和感知層提供標(biāo)準(zhǔn)接口，方便進(jìn)行二次開發(fā)和功能擴(kuò)展。新業(yè)務(wù)開發(fā)時(shí)，用戶只需按照平臺(tái)的接口開發(fā)應(yīng)用功能即可，無需開發(fā)共性功能和服務(wù)，工作量大大減少，有利于短時(shí)間內(nèi)快速開發(fā)出滿足需求的應(yīng)用系統(tǒng)，降低開發(fā)成本。

（2）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、運(yùn)營，消除信息孤島

通過應(yīng)用集成平臺(tái)建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，制訂完善的數(shù)據(jù)管理、存儲(chǔ)、交換和共享策略和規(guī)范，使得各個(gè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)能夠融合起來，有效解決了應(yīng)用系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享問題，從而有效消除了信息孤島現(xiàn)象。同時(shí)，數(shù)據(jù)的融合和共享，使得物聯(lián)網(wǎng)的最終運(yùn)營成為可能。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用集成平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)“共性平臺(tái)”的核心組成，依托該平臺(tái)和技術(shù)，來解決物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下多個(gè)異構(gòu)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和共享以及應(yīng)用集成的難題，為上層的智慧應(yīng)用構(gòu)建數(shù)據(jù)和信息資源中心。

（3）資源開放與復(fù)用，減少重復(fù)建設(shè)投入

該技術(shù)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)共性的功能和服務(wù)支撐，這些功能可以被所有應(yīng)用業(yè)務(wù)共享和復(fù)用，無需再次開發(fā)，從而避免了重復(fù)建設(shè)。進(jìn)一步地，通過結(jié)合開源軟件專屬應(yīng)用構(gòu)建廣域物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)，以集約化建設(shè)思想為主導(dǎo)，通過融合技術(shù)屏蔽復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和非規(guī)范信息資源環(huán)境，形成中國創(chuàng)新的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)模式，以科研創(chuàng)新提升業(yè)內(nèi)影響。

3.2 SDX：基于開源軟件的應(yīng)用開發(fā) 環(huán)境

鄔賀銓院士等專家多次指出[8-10]：我們正在進(jìn)入一個(gè)軟件定義的時(shí)代，軟件定義的技術(shù)本質(zhì)是把原先一體化的硬件設(shè)施打破，將基礎(chǔ)硬件虛擬化并提供標(biāo)準(zhǔn)化的基本功能，然后通過管控軟件，控制其基本功能，提供更開放、靈活、智能的管控服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展未來的機(jī)遇就是軟件定義一切（SDX），其本質(zhì)就是所有的信息都是數(shù)字化的——萬物數(shù)字化，其實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)前提條件目前已基本具備：

（1）性能優(yōu)異的硬件組件。硬件尺寸越來越小，功耗越來越低，散熱越來越少，可靠性越來越高，加工工藝越來越熟，成本越來越低，可以更加順利地執(zhí)行軟件發(fā)出的指令。

（2）突破時(shí)空限制的通信網(wǎng)絡(luò)。通信網(wǎng)絡(luò)不但隨時(shí)隨地存在，而且?guī)捲絹碓礁?，可靠性越來越高，建設(shè)和運(yùn)營成本越來越低。這也得益于軟件，因?yàn)檐浖x了頻率，定義了傳輸交換。于是，軟件不但可以指揮本地硬件實(shí)現(xiàn)各種功能，還可以通過通信網(wǎng)絡(luò)指揮遠(yuǎn)處的信息系統(tǒng)協(xié)同實(shí)現(xiàn)各種功能。正是在硬件和網(wǎng)絡(luò)的大力支持下，軟件才進(jìn)人了定義一切的時(shí)代。

搭建的應(yīng)用子集——開源軟件專屬應(yīng)用，將為各類物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品增加一個(gè)通用軟件。在產(chǎn)品物理功能盡量簡(jiǎn)單的同時(shí)，應(yīng)用范圍可以無限拓展，功能可以無限豐富，能力可以不斷升級(jí)。

“共性平臺(tái)+應(yīng)用子集”的下一代智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)體系，將堅(jiān)持標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用相結(jié)合、互促進(jìn)的指導(dǎo)思想，在遵循聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，以標(biāo)準(zhǔn)化推動(dòng)方案規(guī)范化，確保未來物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的靈活性和普適性，并增強(qiáng)方案可復(fù)制性，有利于面向全行業(yè)的應(yīng)用推廣。

4 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展正面臨著關(guān)鍵時(shí)期，如何解決物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的碎片化問題，消除信息孤島，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的融合已刻不容緩。本文提出的“一橫一縱”智能物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)和發(fā)展趨勢(shì)，可以有效地指導(dǎo)未來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)與系統(tǒng)的部署，從而有效地助力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用從數(shù)據(jù)收集到信息提取，并向知識(shí)創(chuàng)造的快速演進(jìn)發(fā)展和創(chuàng)新飛躍。隨著5G標(biāo)準(zhǔn)化的完成，以及與商用序幕的拉開，智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用必將迎來全新的發(fā)展。

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