智能物聯(lián)網(wǎng)AIoT的概念及應(yīng)用場景的研究

高 微 陳新元 王榕國

福州工商學(xué)院 福州 350715

引言

在通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)日益完善并走向成熟的基礎(chǔ)上，物聯(lián)網(wǎng)定義的邊界不再只局限于人與物、物與物之間的互通互連，信息數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)智能化正逐步融合并應(yīng)用到人類的生活、生產(chǎn)、教育等各種場景中，科技讓生活變得更加快捷和智能，讓人類社會進(jìn)入萬物數(shù)據(jù)化、萬物智能化的時代。萬物互聯(lián)的不斷制造并應(yīng)用，勢必造成數(shù)據(jù)量日漸龐大，數(shù)據(jù)分析更加復(fù)雜，如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)智能化處理分析、技術(shù)創(chuàng)新、配套設(shè)施完善、優(yōu)化解決方案等，都將成為企業(yè)競爭的主戰(zhàn)場。

而人工智能(Artificial Intelligence，AI)[1]的出現(xiàn)恰恰滿足物聯(lián)網(wǎng)中對巨大數(shù)據(jù)流的處理需求，網(wǎng)絡(luò)層成為數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，完成信息技術(shù)在高層次上的智慧化處理，實現(xiàn)多臺設(shè)備高效、智能、協(xié)同控制，完成終端的信息采集和指令執(zhí)行。2017年，在萬物智能·新紀(jì)元AIoT(Artificial Intelligence of Things)未來峰會上，技術(shù)專家們提出了人工智能物聯(lián)網(wǎng)新概念，是人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入融合，基于計算機(jī)技術(shù)結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)的傳感網(wǎng)絡(luò)和AI的數(shù)據(jù)處理技術(shù)來實現(xiàn)萬物數(shù)據(jù)化和萬物智聯(lián)化[2]。物聯(lián)網(wǎng)在人工智能的監(jiān)控下，利用各種傳感器實時采集各類海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，實現(xiàn)體量巨大數(shù)據(jù)的智慧化處理，優(yōu)化流程智能化水平，提高物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用價值。而人工智能相當(dāng)于物聯(lián)網(wǎng)的“大腦”，讓電子設(shè)備擁有人的智慧，能夠感知和識別、模擬人的思維，使“物聯(lián)”發(fā)展為“智聯(lián)”，“人工智能”過渡到“應(yīng)用智能”。

1 智能物聯(lián)網(wǎng)(AIoT)研究框架

《2020年中國智能物聯(lián)網(wǎng)(AIoT)白皮書》中深層次解析了AIoT在技術(shù)層面和商業(yè)層面的應(yīng)用，指出AIoT是人工智能與物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同應(yīng)用，它通過IoT系統(tǒng)的傳感器實現(xiàn)實時信息采集，而在終端、邊緣或云進(jìn)行數(shù)據(jù)智能分析，最終形成一個智能化生態(tài)體系[3]。該體系結(jié)構(gòu)的組成大致可以分成三層：一是AI+感知層，主要由各類傳感器組成，完成對物體的識別以及數(shù)據(jù)、信息的采集；二是AI+操控層，即操作系統(tǒng)(OperatingSystem，OS)；三是AI+應(yīng)用層，即各類應(yīng)用場景的集合。感知層主要通過多媒體信息(視頻、音頻、圖像等)、二維碼、傳感器等完成數(shù)據(jù)采集，并實現(xiàn)分析處理及智慧化存儲等，其最重要的部分是智能化設(shè)備，相當(dāng)于人類的“五官”和“手腳”。操控層相當(dāng)于整個體系的“大腦”，又可分成平臺層、網(wǎng)絡(luò)層和邊緣計算：平臺層主要以云計算為基礎(chǔ)，完成對設(shè)備的連接和控制，消息隊列、數(shù)據(jù)分析、人工智能等；網(wǎng)絡(luò)層主要保證網(wǎng)絡(luò)連接；邊緣計算通常以容器技術(shù)為基礎(chǔ)，完成數(shù)據(jù)緩存、協(xié)議轉(zhuǎn)換、AI負(fù)載等。應(yīng)用層即實現(xiàn)場景化應(yīng)用，可以是智慧城管、智慧城市、智慧教學(xué)、智慧醫(yī)療、智慧農(nóng)業(yè)等，結(jié)構(gòu)劃分如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)劃分

2 AIoT主要應(yīng)用場景

在AIoT智能物聯(lián)網(wǎng)區(qū)域內(nèi)，以云+端形式構(gòu)成的應(yīng)用場景越來越多，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越強(qiáng)，應(yīng)用越來越廣泛，尤其為智慧居住領(lǐng)域、智慧產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域和智慧城市領(lǐng)域提供了強(qiáng)有力的技術(shù)底座工具支撐。

2.1 人居場景AIoT概述

人居場景大致可以分類為家庭居住領(lǐng)域和建筑人居領(lǐng)域。在該類應(yīng)用場景中，大部分設(shè)備都需要使用者觸發(fā)用戶命令，當(dāng)規(guī)則被啟動時，互相關(guān)聯(lián)的設(shè)備才能接收到由云端推送的控制指令，主要以“云”控制模式為主。

家庭居住領(lǐng)域受物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的影響，智能安防系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)等各類智能化產(chǎn)物在住宅領(lǐng)域爭相競放，他們通過各項技術(shù)，如網(wǎng)絡(luò)、通信、自動控制、綜合防護(hù)等共同完成家居場景中智能系統(tǒng)建設(shè)方案。在居住場景下，各種設(shè)備由一個終端或感應(yīng)系統(tǒng)來控制，通過智能采集并分析人為習(xí)慣、人為興趣，在保證設(shè)備是安全可信的情況下實現(xiàn)人與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間的交流。這種場景在很大程度上取決于集有效、便利、自動化為一體的住宅服務(wù)系統(tǒng)，讓家庭生活更為健康舒適、安全便捷。

建筑人居領(lǐng)域，如商務(wù)樓、辦公樓盤、產(chǎn)業(yè)園、商場等，側(cè)重的是人的需求和體驗、安全防范意識、防災(zāi)預(yù)警、低能耗、高效率，因此AIoT在該應(yīng)用場景中主要包含門禁考勤、生物識別、AR全景管理、梯控系統(tǒng)、門禁管理系統(tǒng)、巡更系統(tǒng)等，為建筑人居應(yīng)用場景的平臺搭建與施工、軟件應(yīng)用提供了有力保障。

2.2 城市場景AIoT概述

智能城市是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入日常城市生活的一種智能設(shè)計，是AIoT落地應(yīng)用的一個場景總集合，具備感知、連接和智能三大特征的智慧綜合管理平臺。為保證智慧城市系統(tǒng)中民生需求智能化服務(wù)，通過信息通信技術(shù)整合城市各管理部門核心系統(tǒng)的各項關(guān)鍵數(shù)據(jù)，實現(xiàn)信息感測采集、分析優(yōu)化控制，為多部門協(xié)調(diào)控制、精細(xì)化管理、智能化城市提供了越來越多樣化的技術(shù)與手段。例如智能環(huán)境監(jiān)測，即利用4G/NB-IoT/LoRa等通信技術(shù)，實時監(jiān)測區(qū)域大氣環(huán)境數(shù)據(jù), 監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實現(xiàn)各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收、顯示、統(tǒng)計自動分析、存儲、應(yīng)用、發(fā)布，在監(jiān)測管理中心顯示終端上直觀地生成可視化的計算結(jié)果圖表，幫助管理部門實現(xiàn)用信息化手段實施全方位、全時段智慧監(jiān)管。

2.3 產(chǎn)業(yè)場景AIoT概述

人工智能和物聯(lián)網(wǎng)是產(chǎn)業(yè)自動化和智能工廠概念的驅(qū)動力，推動產(chǎn)業(yè)朝著預(yù)測性維護(hù)、質(zhì)量、人—機(jī)器—人的方向發(fā)展，應(yīng)用背景主要集中在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)代表一個進(jìn)化和連接的分布式控制系統(tǒng)，利用傳感器和其他連接設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、交換和分析，以提高生產(chǎn)力、能源管理和其他經(jīng)濟(jì)效益，側(cè)重的是互聯(lián)性、互操作性和互聯(lián)網(wǎng)中物理組件的集成。而智能的融入，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)、實時平臺和生產(chǎn)環(huán)境自動化運(yùn)維，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)運(yùn)維的不足，提供了更多維度的服務(wù)，更高效、更細(xì)膩地保障了生產(chǎn)。

例如，智能物聯(lián)網(wǎng)后，農(nóng)業(yè)管理者為實現(xiàn)高效生產(chǎn)，通過物聯(lián)網(wǎng)、計算機(jī)、智能監(jiān)測、無線通訊等技術(shù)，實施網(wǎng)絡(luò)化溫室生產(chǎn)現(xiàn)場視頻信息采集，遠(yuǎn)程溫室生物與環(huán)境可視化監(jiān)測、溫室智能控制與管理、室外氣象自動監(jiān)測等，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)提供科學(xué)有效的指導(dǎo)與預(yù)警。

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)驅(qū)動的智能基礎(chǔ)設(shè)施，制造企業(yè)可以監(jiān)測到生產(chǎn)過程中各項環(huán)節(jié)更詳細(xì)的可見性，實時收集、預(yù)測客戶信息和需求，優(yōu)化生產(chǎn)方案，合理分配能源，從而實現(xiàn)從單點到全局的環(huán)境數(shù)據(jù)采集，從被動到主動的生產(chǎn)設(shè)備故障檢修，為企業(yè)能快速而準(zhǔn)確地處理采購、庫存、生產(chǎn)、銷售、售后等提供了有力保障。

3 應(yīng)用場景AIoT存在的問題及解決方案

3.1 數(shù)據(jù)與系統(tǒng)安全隱患

智能物聯(lián)網(wǎng)終端已逐步出現(xiàn)在各類應(yīng)用場景中，數(shù)據(jù)匯聚和處理過程中可收集到大量的AIoT用戶敏感數(shù)據(jù)(如面部圖像、聲音、動作、脈搏、圖像數(shù)據(jù))等，就存在數(shù)據(jù)竊取、誤用和濫用的風(fēng)險[4]。故AIoT安全保護(hù)需要全面考量，它不僅僅涵蓋技術(shù)層面與管理層面，還需要通過加密和隔離來保護(hù)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)，監(jiān)測與審計來發(fā)現(xiàn)問題，培訓(xùn)與增強(qiáng)意識來優(yōu)化人為因素。只有建立系統(tǒng)的安全保護(hù)體系，才能從整體上確保AIoT系統(tǒng)與數(shù)據(jù)的安全。

3.2 個性化服務(wù)不足

現(xiàn)有AIoT產(chǎn)品和服務(wù)主要采用“一刀切”的模式，無法根據(jù)用戶個人情況與偏好進(jìn)行精細(xì)化定制。例如，智能家居系統(tǒng)主要提供基本的環(huán)境控制，無法根據(jù)用戶生理狀況與活動實時調(diào)整，而想要實現(xiàn)高度個性化服務(wù)還需要依托大數(shù)據(jù)分析與人工智能技術(shù)，但目前這些技術(shù)在AIoT領(lǐng)域應(yīng)用還不足，無法實現(xiàn)對海量用戶數(shù)據(jù)的深度分析與建模，無法根據(jù)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確預(yù)測個人興趣與需求?？傊珹IoT個性化服務(wù)不足的根源在于數(shù)據(jù)與技術(shù)不足，以及當(dāng)前產(chǎn)業(yè)生態(tài)的局限性。要提高個性化服務(wù)水平，需要加大對用戶全生命周期數(shù)據(jù)的采集與分析，運(yùn)用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)手段建立用戶畫像，進(jìn)而實現(xiàn)精準(zhǔn)推薦與定制。同時也需要統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建開放生態(tài)，促進(jìn)數(shù)據(jù)與服務(wù)共享，這需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游的共同協(xié)作與推進(jìn)。

3.3 存在數(shù)據(jù)孤島和系統(tǒng)割裂問題

不同部門與企業(yè)采集的城市數(shù)據(jù)無法互通與共享，造成數(shù)據(jù)重復(fù)采集與利用率低下，且各企業(yè)開發(fā)的設(shè)備采用不同通信協(xié)議，無法互聯(lián)控制，實現(xiàn)有效協(xié)同。如城市環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)與交通數(shù)據(jù)難以互通，造成環(huán)境治理效果難以提高；市民健康數(shù)據(jù)與醫(yī)療數(shù)據(jù)也無法有效結(jié)合，難以實施精準(zhǔn)醫(yī)療與健康管理；信號燈系統(tǒng)與車載導(dǎo)航系統(tǒng)無法有效結(jié)合，導(dǎo)致交通擁堵狀況難以精準(zhǔn)預(yù)測與防范；供熱系統(tǒng)與家庭采暖系統(tǒng)也難以實時結(jié)合，造成供熱資源浪費等各類問題。實現(xiàn)應(yīng)用場景數(shù)據(jù)統(tǒng)一平臺，構(gòu)建場景操作系統(tǒng)City OS，集成各個系統(tǒng)與服務(wù)，實現(xiàn)聯(lián)動協(xié)同和跨系統(tǒng)、跨企業(yè)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通是優(yōu)化應(yīng)用場景AIoT的最佳實踐。

3.4 AIoT系統(tǒng)復(fù)雜性

AIoT系統(tǒng)由多種要素如云計算、網(wǎng)絡(luò)通信和各類智能設(shè)備組合而成，系統(tǒng)極為復(fù)雜。這些都會導(dǎo)致故障定位困難、易發(fā)生單點故障、系統(tǒng)不穩(wěn)定以及系統(tǒng)升級難度大等問題，最終威脅系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。要控制AIoT系統(tǒng)的復(fù)雜性，關(guān)鍵是在設(shè)計與部署階段采取相應(yīng)措施，降低系統(tǒng)失效風(fēng)險，提高故障檢測與修復(fù)效率。首先，應(yīng)采用模塊化設(shè)計，將系統(tǒng)劃分為相對獨立的功能模塊和簡化模塊，兩者相互依賴，便于定位故障與維護(hù)；并針對關(guān)鍵要素設(shè)置備用模塊，在主模塊失效時快速切換，避免單點故障；建立完備的故障檢測與預(yù)警機(jī)制，加快識別和修復(fù)系統(tǒng)漏洞與錯誤，針對可能出現(xiàn)的各類故障制定標(biāo)準(zhǔn)化的維修手冊，明確維修流程與方法，提高維修效率。

4 AIoT應(yīng)用場景未來研究的方向

AIoT應(yīng)用場景的未來發(fā)展重點在于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)智能化，如涵蓋制造業(yè)、交通運(yùn)輸、醫(yī)療教育、農(nóng)業(yè)與家居生活等多個領(lǐng)域，通過融合AI與IoT技術(shù)提高其自動化與智能化水平，大幅優(yōu)化產(chǎn)業(yè)效率與質(zhì)量，催生新的智慧城市、智能工廠與智能生活等新業(yè)態(tài)，對經(jīng)濟(jì)、社會產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。但要實現(xiàn)廣泛應(yīng)用，還面臨技術(shù)難題與制度障礙，需要產(chǎn)學(xué)研及政企密切合作，加速突破關(guān)鍵技術(shù)，搭建產(chǎn)業(yè)生態(tài)，推動規(guī)范勞動分工與新型合作機(jī)制建立?？傊珹IoT應(yīng)用場景的未來發(fā)展，將以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)智能化為主線，塑造人工智能新時代。