物聯(lián)網(wǎng)與泛在智能(3)

物聯(lián)網(wǎng)以信息服務(wù)為中心，通過與傳感網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、云計算平臺相結(jié)合，把對物理世界的感知、認(rèn)識、影響和控制與計算機系統(tǒng)進行最自然的融合，實現(xiàn)物理世界、數(shù)字虛擬世界和人類感知的高度統(tǒng)一，形成完整的信息物理融合系統(tǒng)。本講座前兩期分別介紹了無線傳感網(wǎng)絡(luò)及泛在感知體系架構(gòu)、泛在網(wǎng)絡(luò)融合與協(xié)同技術(shù)，本期將介紹物聯(lián)網(wǎng)依托于云計算技術(shù)的泛在智能業(yè)務(wù)。

9 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用極其廣泛，從日常的家庭、個人應(yīng)用，到工業(yè)自動化應(yīng)用。目前比較典型的應(yīng)用包括電力行業(yè)的智能電網(wǎng)、智慧金融、智能交通、智能家居、智能醫(yī)療系統(tǒng)等。根據(jù)不同的參考標(biāo)準(zhǔn)，物聯(lián)網(wǎng)的分類方式也很多。按照技術(shù)特征及物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢可以把物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)大致分為4類[1]，分別是：身份相關(guān)業(yè)務(wù)、信息匯聚型業(yè)務(wù)、協(xié)同感知類業(yè)務(wù)、泛在智能業(yè)務(wù)。

身份相關(guān)的業(yè)務(wù)類應(yīng)用主要是利用射頻識別(RFID)、二維碼等可以標(biāo)志身份的技術(shù)，提供與身份相關(guān)的各類服務(wù)；而信息匯聚型業(yè)務(wù)主要是由物聯(lián)網(wǎng)平臺統(tǒng)一對終端、數(shù)據(jù)、應(yīng)用和服務(wù)進行統(tǒng)一的管理。其中終端只接受平臺管理，分別采集數(shù)據(jù)上報，但終端之間不需要通信。隨著終端技術(shù)發(fā)展的多樣化、智能化、多模化趨勢，物聯(lián)網(wǎng)終端之間、物聯(lián)網(wǎng)終端和人之間的通信將更為緊密復(fù)雜，終端間相互協(xié)同完成同一業(yè)務(wù)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢；而隨時隨地提供無所不在、無所不包、無所不能的智能服務(wù)將是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的愿景。

泛在智能(AmI)是1999年由歐洲共同體的顧問組提出[2]，后來作為歐盟第六框架計劃項目之一，開展了為期5年(2002—2006)的研究。泛在智能是一種建立于普適計算、泛在計算，強調(diào)以人為中心的交互模式。同時，也是一種嵌入了多種感知和計算設(shè)備的、具有適應(yīng)性的數(shù)字環(huán)境，可根據(jù)情景來識別人的身體姿態(tài)、生理狀態(tài)、手勢、語音等，進而判斷出人的意圖、并做出相應(yīng)反映。泛在智能有幾下幾個特點：

(1) 環(huán)境感知能力，即設(shè)備有感知用戶所處情景的能力。嵌入在環(huán)境中的傳感器使得物理信息轉(zhuǎn)變?yōu)橛行У臓顟B(tài)或操作，如身份驗證、獲知用戶當(dāng)前位置等。

(2) 個性化及自適性，泛在智能服務(wù)可為特定用戶的需求裁定，并適應(yīng)用戶要求變化。

(3) 預(yù)判性，即設(shè)備在不具備意識思考條件下有能力預(yù)期用戶的需求和意圖。這一特性使用戶能夠無意識地與環(huán)境交互，以簡單、自然的方式處理各種信息，享受各種服務(wù)。

可見，泛在智能服務(wù)可在人類的居住和工作環(huán)境中真正實現(xiàn)以人為本的新型隱式服務(wù)，而上述目標(biāo)的實現(xiàn)，需要以物聯(lián)網(wǎng)泛在感知層為支撐，依托于云計算強大信息的處理能力完成。

10 云計算

云計算的分布式中央處理單元是物聯(lián)網(wǎng)的核心部分，也是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基石。兩者的有機結(jié)合，并通過對各種能力資源共享、業(yè)務(wù)快速部署、人與物交互的新業(yè)務(wù)擴展、信息價值深度挖掘等多方面的促進，可以帶動整個產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈的升級與躍進，而當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)達(dá)到一定規(guī)模時，對云計算的依賴性將更強。

10.1 概念及發(fā)展現(xiàn)狀

云計算是在電子、通信、計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的共同作用下，從圖靈計算逐漸向網(wǎng)絡(luò)計算演化的一個必然階段。它是一個基于互聯(lián)網(wǎng)的計算，能向各種互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供硬件服務(wù)、基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)、平臺服務(wù)、軟件服務(wù)和存儲服務(wù)的系統(tǒng)[3]。目前云計算沒有統(tǒng)一的定義，維基百科對其定義是：云計算是一種互聯(lián)網(wǎng)上的資源利用新方式，可為大眾用戶依托互聯(lián)網(wǎng)上異構(gòu)、自治的服務(wù)進行按需即取的計算?！霸啤笔菍υ朴嬎闾摂M化、透明性、動態(tài)可擴展、聚散自如等特點的形象描述，同時是底層基礎(chǔ)設(shè)施的一種抽象。

云計算是分布式計算、并行計算和網(wǎng)格計算等技術(shù)的綜合發(fā)展。其核心是將大型數(shù)據(jù)中心的計算資源進行虛擬化并向用戶提供以計算資源為形式的服務(wù)。

隨著Google、IBM、Amazon等云計算的領(lǐng)跑者在商業(yè)應(yīng)用中取得成功，云計算得到了中國國內(nèi)和國際上工業(yè)界、學(xué)術(shù)界乃至政府部門的熱烈響應(yīng)。美國政府在IT 政策和戰(zhàn)略中加入了云計算因素，美國國防信息系統(tǒng)部門(DISA)正在其數(shù)據(jù)中心內(nèi)部搭建云環(huán)境，2009年9月，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布將執(zhí)行一項影響深遠(yuǎn)的長期性云計算政策，希望借此壓縮美國政府支出；日本內(nèi)務(wù)部和通信監(jiān)管機構(gòu)計劃建立“Kasumigaseki Cloud”，一個大規(guī)模的云計算基礎(chǔ)設(shè)施，以支持所有政府運作所需的信息系統(tǒng)；中國政府在“十二五”信息規(guī)劃的技術(shù)背景中特別對云計算技術(shù)做了闡述，明確提出云計算技術(shù)是中國下一個五年信息化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點領(lǐng)域之一。

10.2 關(guān)鍵技術(shù)

云計算是一種新型的數(shù)據(jù)密集型超級計算方式，以數(shù)據(jù)為中心，在數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理、編程模式等多方面具有自身獨特的技術(shù)。

10.2.1 虛擬化技術(shù)

虛擬化作為云計算的核心特征，是云計算依托的基礎(chǔ)。虛擬化技術(shù)是指計算元件在虛擬的基礎(chǔ)上運行，以擴大硬件的容量、簡化軟件的重新配置過程、減少軟件虛擬機相關(guān)開銷并支持更廣泛的操作系統(tǒng)。通過虛擬化技術(shù)，單個服務(wù)器可以支持多個虛擬機運行多個操作系統(tǒng)和應(yīng)用，從而大大提高服務(wù)器的利用率。在云計算實現(xiàn)中，計算系統(tǒng)虛擬化是一切建立在“云”上的服務(wù)與應(yīng)用的基礎(chǔ)。

中國移動開發(fā)社區(qū)對虛擬化概括如下：虛擬化即基礎(chǔ)設(shè)施的虛擬化，核心是傳統(tǒng)的已經(jīng)成熟的集群技術(shù)和分區(qū)技術(shù)的結(jié)合。虛擬化目前包括：網(wǎng)絡(luò)虛擬化(VPN)、存儲虛擬化(SAN/NAS)、服務(wù)器虛擬化，這些均為云計算的基礎(chǔ)設(shè)施。

10.2.2 數(shù)據(jù)存儲與管理技術(shù)

云計算數(shù)據(jù)存儲以冗余的方式提供高可靠性和高可用性，具體包括集群計算、數(shù)據(jù)冗余和分布式存儲技術(shù)，以保證數(shù)據(jù)具有高可用、高可靠和經(jīng)濟性。此外，云計算系統(tǒng)需要并行提供服務(wù)以滿足大量用戶的應(yīng)用需求，故其存儲技術(shù)需要具備高吞吐率和高傳輸率的特點。云計算的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)主要有谷歌的非開源GFS [4]和Hadoo的開源版GFS——HDFS [5]。云計算數(shù)據(jù)存儲本質(zhì)上是一種分布式存儲技術(shù)，它與相關(guān)的虛擬化技術(shù)實現(xiàn)了對上層屏蔽具體的物理存儲器的位置、信息等。

云數(shù)據(jù)管理方面，由于云計算的特點之一是對海量的數(shù)據(jù)存儲、讀取后進行大量的分析，數(shù)據(jù)的讀操作頻率遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)的更新頻率[6]，所以云數(shù)據(jù)管理是一種讀優(yōu)化的數(shù)據(jù)管理。云數(shù)據(jù)管理必須能夠高效管理大數(shù)據(jù)集，從而對分布式海量數(shù)據(jù)集進行處理、分析并向用戶提供高效服務(wù)。同時，如何在泛在感知獲取的規(guī)模巨大的數(shù)據(jù)中找到特定數(shù)據(jù)，也是云計算數(shù)據(jù)管理技術(shù)所必須解決的問題。

10.2.3 并行編程技術(shù)

云計算的編程模型必須十分簡單，并隱藏后臺復(fù)雜的并行執(zhí)行和任務(wù)調(diào)度。良好的透明性使得用戶能夠利用該模型編寫程序達(dá)到特定預(yù)期的目的，輕松地享受云計算帶來的服務(wù)。

云計算大部分采用MapReduce[7]的編程模式，MapReduce是由Google提出的一種新興的分布式并行編程模型，同時也是一種高效的任務(wù)調(diào)度模型。該編程模式僅適用于編寫任務(wù)內(nèi)部松耦合、高度并行化的程序。因此，如何有效改進此編程模式約束，使編程人員輕松編寫緊耦合程序、高效調(diào)度和執(zhí)行任務(wù)，是MapReduce編程模型未來發(fā)展方向之一。

10.3 與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合

云計算與物聯(lián)網(wǎng)相輔相成。一方面，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要云計算強大的處理和存儲能力作為支撐，使用云計算設(shè)施對物聯(lián)網(wǎng)泛在感知層采集的海量數(shù)據(jù)進行處理、分析、挖掘，可以迅速、準(zhǔn)確、智能地對物理世界進行管理和控制，從而為泛在智能服務(wù)提供技術(shù)保障；另一方面，物聯(lián)網(wǎng)將成為云計算最大的用戶，為云計算取得更大的商業(yè)成功奠定基礎(chǔ)。

物聯(lián)網(wǎng)與云計算結(jié)合早在2009年8月24日已由中國移動總裁王建宙在中國臺灣提出來，但其結(jié)合的優(yōu)劣勢、可能存在的商業(yè)模式、企業(yè)為此進行的準(zhǔn)備等諸多問題還需要進一步研究探討。

物聯(lián)網(wǎng)與云計算結(jié)合的兩個重要方面是規(guī)模化與業(yè)務(wù)模式。首先，規(guī)?；俏锫?lián)網(wǎng)與云計算結(jié)合的基礎(chǔ)。一方面，云計算中心對接入網(wǎng)絡(luò)終端的普適性，推動了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的廣泛性；另一方面，物聯(lián)網(wǎng)感知的泛在性與云計算超大規(guī)模的分布式計算性質(zhì)、物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)的冗余性與云計算冗余數(shù)據(jù)存儲有機地聯(lián)系對應(yīng)。云計算和物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合有效地發(fā)揮了各自的優(yōu)勢和特點，相得益彰。因此，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的規(guī)模需要足夠大，才能高效地與云計算結(jié)合，施展各自優(yōu)勢。如應(yīng)用在智能電網(wǎng)、物流管理、地震臺監(jiān)測等。當(dāng)然，兩者的結(jié)合也不能一概而論，對于一般性的、局域的、家庭網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，則無需結(jié)合云計算。

其次，適合的業(yè)務(wù)模式是實現(xiàn)條件。需要考慮非?，F(xiàn)實的技術(shù)支撐和產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)的價值平衡，并有效促進產(chǎn)業(yè)與行業(yè)發(fā)展。只有通過適合的業(yè)務(wù)模式和實用的實際服務(wù)，才能使物聯(lián)網(wǎng)和云計算更好服務(wù)，形成一個有效、良性的價值鏈體系和業(yè)務(wù)生態(tài)系統(tǒng)，從而推動整個信息產(chǎn)業(yè)能夠良性可持續(xù)發(fā)展。

物聯(lián)網(wǎng)與云計算的結(jié)合在實現(xiàn)了泛在智能服務(wù)、創(chuàng)造更多價值的同時，在信息的安全性、價值鏈形成過程中的利益分配平衡也存在著一定的風(fēng)險和不確定性，需要進一步研究探索。

11 信息物理融合系統(tǒng)

信息物理融合系統(tǒng)(CPS)的概念最早是由美國國家基金委員會在2006年提出，有望成為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息技術(shù)的第3次浪潮。CPS廣泛的感知、控制及計算能力以及“人-機-物”深度的融合是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最終目標(biāo)。

11.1 CPS概述

CPS自提出以來，就得到研究機構(gòu)、各國政府的普遍關(guān)注。2007年，美國總統(tǒng)科學(xué)與技術(shù)顧問委員會(PCAST)在題為《挑戰(zhàn)下的領(lǐng)先——競爭世界中的信息技術(shù)研發(fā)》的報告中列出了八大關(guān)鍵信息技術(shù)，其中CPS位列首位；歐盟計劃從2007年到2013年在嵌入智能與系統(tǒng)的研究與技術(shù)(ARTMEIS)研究中投入54億歐元，希望在2016年成為智能電子系統(tǒng)的世界領(lǐng)袖；中國對CPS研究也十分重視，國家自然科學(xué)基金、“973”計劃和“863”計劃都把其作為重點。

CPS是一個綜合計算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的新型多維復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)，通過3C(Computation、Communication、Control)技術(shù)的有機融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)。它通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環(huán)實現(xiàn)深度融合和實時交互增加或擴展新的功能，以安全、可靠、高效和實時的方式監(jiān)測或者控制出一個物理實體[8]。何積豐院士指出， CPS 的最終目標(biāo)是實現(xiàn)信息世界和物理世界的完全融合，構(gòu)建一個可控、可信、可擴展并且安全高效的CPS 網(wǎng)絡(luò)，并最終從根本上改變?nèi)祟悩?gòu)建工程物理系統(tǒng)的方式。

參照國際電信聯(lián)盟有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)的定義以及PCAST有關(guān)CPS定義，可見CPS內(nèi)涵更為豐富，從專業(yè)角度為物聯(lián)網(wǎng)研究和開發(fā)提供了所需要的理論和技術(shù)內(nèi)涵。而物聯(lián)網(wǎng)展現(xiàn)了CPS應(yīng)用的一個直觀畫面，并進一步向CPS核心——信息物理的深度融合方向發(fā)展，即實現(xiàn)物理世界、數(shù)字虛擬世界和人類感知的高度統(tǒng)一。

11.2 CPS特性

CPS與自動化、傳感網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系緊密，期望通過科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進一步加強計算和物理元素的聯(lián)系，通過虛擬世界的信息交互優(yōu)化物理世界的物體傳遞、操作和控制，從而形成一個高效、智能、環(huán)保的物理世界。

PCAST咨詢報告認(rèn)為CPS的設(shè)計、構(gòu)造、測試和維護難度較大，通常涉及到無數(shù)聯(lián)網(wǎng)軟件和硬件在多個子系統(tǒng)環(huán)境下的精細(xì)化集成。而物理系統(tǒng)監(jiān)測控制復(fù)雜、變化迅速，這就要求CPS在計算能力、內(nèi)存和成本等有限資源的約束下，必須可靠和實時地操作。CPS具有以下特性：

(1) CPS將計算能力深度嵌入在各個物理子系統(tǒng)中，追求對物理過程的網(wǎng)絡(luò)化精確控制，具有計算、通信、控制的深度集成與融合的鮮明特性。

(2) 要求計算技術(shù)與控制技術(shù)的融合。為了把信息世界與物理連接，CPS系統(tǒng)需要把已有的、與離散事件相關(guān)、不關(guān)心時間空間的參數(shù)的計算技術(shù)與現(xiàn)有的、與連續(xù)過程相關(guān)、注重時間空間的參數(shù)的控制技術(shù)融合起來。即離散的計算過程與連續(xù)的物理過程持續(xù)交互，緊密耦合，相互作用和影響。

(3) 自主適應(yīng)物理環(huán)境的動態(tài)變化，具有較強的重組織和重構(gòu)造能力，并易于升級擴展，易于與其他CPS子系統(tǒng)連接。

(4) 呈現(xiàn)多尺度的時空復(fù)雜性，要求開放、可信賴、行為可預(yù)測的嵌入式系統(tǒng)。CPS中的嵌入式計算系統(tǒng)需要通過網(wǎng)絡(luò)與其他信息系統(tǒng)進行互聯(lián)和互操作。同時，CPS已步入與國家基礎(chǔ)設(shè)施、人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的領(lǐng)域，安全敏感性也隨之升高，其技術(shù)和產(chǎn)品必須具有確定性、高可靠性，進而要求嵌入式系統(tǒng)也具有可靠、確定性。

11.3 面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)及問題

CPS融合系統(tǒng)中近所有物理設(shè)備都被賦予了計算和通信能力，其功能的豐富性及系統(tǒng)間融合可能使CPS成為規(guī)模最大、部署長久的系統(tǒng)之一。要實現(xiàn)CPS規(guī)劃的愿景，研究領(lǐng)域尚有一些技術(shù)挑戰(zhàn)和問題。良好的整體工業(yè)架構(gòu)是保持其可擴展性、持久性、豐富性和技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新的關(guān)鍵因素[9]，同時也是研究的基礎(chǔ)以及客戶投資的關(guān)鍵。

保持CPS未來發(fā)展的動力有以下幾個原則。首先是架構(gòu)的穩(wěn)定性，需要進一步研究以定義穩(wěn)定的CPS架構(gòu)；其次是清晰的發(fā)展路線規(guī)劃，根據(jù)核心CPS架構(gòu)組織目標(biāo)明確、一致的研究；最后是協(xié)調(diào)發(fā)展日程，對技術(shù)發(fā)展成果進行規(guī)劃和預(yù)期，引導(dǎo)、驅(qū)動并平衡自然的發(fā)展周期。

同時，CPS發(fā)展也面臨一系列挑戰(zhàn)。一方面是理論基礎(chǔ)和應(yīng)用系統(tǒng)模型的差異性。從科學(xué)研究、進一步發(fā)展到具體環(huán)境部署實施是技術(shù)成功的關(guān)鍵。以電力系統(tǒng)為例，其理論基礎(chǔ)以連續(xù)數(shù)學(xué)為主，建模工具一般是代數(shù)方程組和微分方程組；且出于實時性要求，電力系統(tǒng)模型一般將時間作為一個顯式變量來表征物理過程的次序，而一般信息系統(tǒng)不能恰當(dāng)?shù)剡m應(yīng)以上特點。如何既顯式表征物理系統(tǒng)的時域信息又能顯式表征信息系統(tǒng)的執(zhí)行次序，以適應(yīng)電力CPS 連續(xù)性與離散性并存的特點是需要解決的問題。另一方面，保持系統(tǒng)架構(gòu)完整、可靠、安全性[10]。外部環(huán)境的不確定性和各種潛在的變化要求CPS系統(tǒng)需要自動、自治地對系統(tǒng)隨機故障及惡意攻擊有快速反應(yīng)力。與11.2節(jié)提到的特征一致，操作系統(tǒng)和架構(gòu)需要具備在互聯(lián)的設(shè)備層上對冗余資源的管理能力，對用戶應(yīng)用和物理構(gòu)件錯誤監(jiān)測能力以及系統(tǒng)故障的快速恢復(fù)力。

12 總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)、云計算及CPS三者相互滲透耦合，物聯(lián)網(wǎng)作為CPS的直觀應(yīng)用，而云計算是其信息服務(wù)（Control）部分的技術(shù)支持。當(dāng)前經(jīng)濟及社會對物聯(lián)網(wǎng)和CPS系統(tǒng)需求潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有應(yīng)用，無論從經(jīng)濟發(fā)展還是從技術(shù)變革的角度，物聯(lián)網(wǎng)及其發(fā)展的目標(biāo)CPS 都是一個全球信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新趨勢，將對現(xiàn)有的工業(yè)格局產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。 (續(xù)完)

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收稿日期：2010-10-21

謝東亮，北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點實驗室寬帶網(wǎng)研究中心主任、工學(xué)博士、副教授；現(xiàn)從事無線與移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究，主要研究方向包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同與泛在智能等；已發(fā)表論文40余篇。

王羽，北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點實驗室10級研究生，主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與泛在網(wǎng)絡(luò)融合。