智能物聯網技術和應用的發展趨勢

楊旸

摘要：提出跨垂直行業的、基于智能物聯網（IoT）技術和應用的“一橫一縱”的系統架構和發展趨勢，即基于通用處理器（GPP）的共享計算平臺和基于開源軟件的應用開發環境將聯合構建新一代智能物聯網（IoT）的系統架構和應用基礎。這一通用、普適的軟硬件系統架構將助力IoT技術和應用從數據收集到信息提取再到知識創造的快速演進和創新飛躍，實現未來智能IoT服務的宏大使命。

關鍵詞： IoT；GPP；軟件定義一切（SDX）；系統架構

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 應用驅動促進了物聯網 技術的快速發展

近年來，經過國家與地方的大力推廣，以及產業鏈的成熟，物聯網（IoT）[1-2]的發展與應用已逐步進入快車道，促進了中國各行業應用的信息化與智能化。從系統工程角度來看，IoT具有將感知、控制和短距離無線通信能力的傳感設備嵌入到各類器件與終端中，拓展系統自動獲取物理世界信息的作用直徑和能力；在傳統以人類語義為核心的信息網絡基礎上，引入物體貢獻數據的新型信息維度，形成物理世界與人類信息領域融合的抽象數字生態系統；將對物理世界的感知引入現有的網絡與信息系統，并對系統整體性能進行智能優化處理，兼容并包現有體系，共同形成對人類意義重大的信息網絡體系。從技術演進角度來看，以應用驅動的物聯網架構設計是物聯網發展的關鍵，隨著中國牽頭制定的全球首個物聯網頂層架構國際標準正式通過國際標準草案（DIS）投票[3]，NB-IoT標準化工作的完成[4-5]以及5G[6]商用的展望，將對物聯網未來發展產生深遠的影響。

盡管物聯網產業化初見成效，取得了不少重要的成果，但在實際部署過程中，多數垂直行業的物聯網應用以封閉方案為主流，這一方面造成了系統軟件與硬件的兼容性不強；另一方面，導致了不同物聯網應用之間信息的交互性不佳，具體主要包含以下3個方面：

（1）系統應用。物聯網中嵌入式感知/控制設備采用不同的軟/硬件平臺，部署于無法自由交換信息的多種異構網絡環境，專用的業務系統和管理平臺難以兼容互通。

（2）技術研發。物聯網的用戶參與度低，應用開發門檻高，開發周期長；平臺架構的耦合度高，擴展性互通性差，基礎設施的部署及維護成本高；異構網絡與終端多樣化；物聯網各種資源缺少統一的描述模型，無法對資源進行統一的協同處理與協作調度。

（3）架構設計。物聯網系統呈現出豎井化的信息孤島特征，僅適合需求明確的大規模垂直行業應用場景；系統基礎設施架構和服務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系統，使得物聯網很難實現大規模的應用和推廣。

為更好地推進物聯網產業進步，突破物聯網發展瓶頸，順應物聯網應用驅動的需求，本文提出跨垂直行業的智能物聯網技術和應用的“一橫一縱”系統架構和發展趨勢，聯合構建兼具靈活性與普適性的新一代智能物聯網的系統架構和應用基礎，助力物聯網未來飛躍發展。

2 物聯網應用的過去、現在 和演進態勢

2.1 過去：數據收集

自從“感知中國”計劃拉開物聯網發展的帷幕以來，中國的物聯網事業取得了蓬勃的發展。早期物聯網應用的研發與部署，多側重于信息的感知，其數據采集技術主要涉及傳感器、射頻識別（RFID）技術、多媒體信息采集、微機電系統（MEMS）、條碼和實時定位等技術。感知信息的組網通信技術主要實現傳感器、RFID等數據采集技術所獲取數據的短距離傳輸、自組織組網。感知層傳輸技術包括有線和無線方式：有線方式有現場總線、公共交換電話網絡（PSTN）等傳輸技術；無線方式有RFID、Wi-Fi、超寬帶、短距通信（NFC）等傳輸技術，此外還包括多傳感器對數據的協同信息處理技術。

對于感知信息的傳輸主要通過移動通信網、互聯網、衛星網、廣電網、行業專網等，而針對數據的應用基本上停留在信息的存儲、統計與發布層面。在這一階段，其技術發展以剛性需求為主，重點是感知功能、應用性能，通過機器到機器（M2M）連接，很少跨領域信息交互。

2.2 現在：信息提取

隨著物聯網應用范圍的不斷拓展，以及物聯網系統的廣泛部署，尤其是“云計算”與“大數據”等新技術的層出不窮，推動了物聯網技術的不斷進步。中科院上海微系統與信息技術研究所作為主要參與單位，承接并實施的“新一代寬帶無線移動通信網”重大專項“面向南水北調工程安全的傳感器網絡技術研發”中，針對南水北調中線干線工程“三個安全”的重大需求，通過在長達1 400 km的南水北調中線干線工程上，部署10萬余只各種不同類型的傳感器，有效地保障了“三個安全”（工程安全、供水安全、人身安全）的重大需求[7]。同時，結合前端感知信息的提取，有效地實現了異常狀態預警、防入侵監測等關鍵功能，進一步證實了“傳感器、數據、平臺”等關鍵技術在大規模傳感器網絡應用中的可行性，推動了“三位一體”模式成為物聯網應用發展的事實標準。

2.3 演進：態勢和挑戰

得益于前幾年的海量感知信息積累，公眾應用正在慢慢起步。這種公眾應用以彈性需求為主，對公眾網絡依賴程度高，廣泛利用現有各種終端。面對日益增長的物聯網應用需求，各種平臺紛紛涌現出來，譬如：阿里、京東分別推出各自的物聯網平臺，盡管這些企業級的平臺可以提供共性服務的支撐，但往往難以實現不同平臺之間的融合，而且缺乏專家系統支持，從發展的角度來看，無法滿足物聯網未來的快速增長。實際項目和工程實踐中，每一個垂直行業都希望開發和掌控自己的平臺和應用，造成垂直行業的物聯網應用以封閉方案為主流，系統呈現豎井化信息孤島特征，無法實現跨行業的大規模推廣，而且在這種需求下，隨著行業物聯網部署規模的不斷擴大，將造成這種豎井化信息孤島越來越大。

如何實現跨平臺的信息融合，如何減少并消除行業豎井化信息孤島，將是未來智能物聯網需要面對的挑戰?？v觀物聯網的發展可以看出：數據收集是基礎，信息提取是重點，知識創造是核心，跨界融合是關鍵?？梢灶A見：未來在海量感知終端部署與海量物聯網信息存儲的基礎上，物聯網的發展必將從信息化與智能化過渡為知識化；構建具有靈活性與普適性的軟/硬件平臺實現跨行業、跨平臺信息融合，已成為智能物聯網未來發展的迫切需求。

3 智能物聯網技術和應用 的發展趨勢

盡管目前物聯網處于規模化發展階段，需求各異且信息孤立，由于政策的推動以及利益最大化的導向，未來垂直行業內部以及行業間的信息交互將成為必然趨勢。同時，未來物聯網技術的發展，不是對現有技術的顛覆性革命，而是通過對現有技術的綜合運用，進一步結合先進技術（如：人工智能、機器學習等），融合現有技術實現全新模式轉變來實現智能物聯網。只有這樣，才能有效地實現智能物聯網的知識創造，實現智能物聯網與現有的網絡系統的平滑升級態勢，催生出一系列新的框架與技術。

鑒于此，我們提出基于通用處理器的共享計算平臺和基于開源軟件的應用開發環境的“一橫一縱”系統架構和發展趨勢（如圖1所示），著力于解決當前物聯網領域的市場碎片化、應用規模小的問題，突破垂直行業應用端到端的封閉方案占據產品主流，行業壁壘較高，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 計算平臺

基于通用處理器的共享計算平臺從系統應用的角度出發，提取不同物聯網業務和系統的共性元素；再根據共性元素的技術特征分類，以模塊化方式實現共性元素子類，并依據具體業務需求選擇不同子類組合，構成物聯網應用的共性計算平臺，以提供各種協同計算、設備管理、數據采集交換和共享管理、用戶管理、權限管理、應用數據挖掘、專家系統、應用接口等共性功能和服務；然后以統一的開放硬件計算平臺結合定制化的軟件，適應多樣化的應用需求，實現不同底層技術方案的組合和集成，并按照統一的模式平臺化管理和發布各類信息。

基于通用處理器的共享計算平臺體系設計，分離了物聯網不同應用的共性技術特點和差異性，為解決應用場景多樣化的矛盾提供了有效的思路，有利于規范物聯網從感知互動設備到網絡傳輸再到應用服務的明確產業鏈發展，在統一的標準體系下推進物聯網的研究、開發、集成和應用。同時，也更好地體現不同行業應用在物聯網共性平臺統一架構下的融合衍生、集成創新，為多種產業應用提供科學而全面的服務。

基于通用處理器的共享計算平臺的技術特征如下：

（1）縮短技術研發周期，降低開發成本

該技術可以幫助科研院所與小微企業快速開發應用系統，降低開發成本，縮短產品的上市時間。采用共享計算平臺提供的穩定可靠的共性功能和服務，并對應用層和感知層提供標準接口，方便進行二次開發和功能擴展。新業務開發時，用戶只需按照平臺的接口開發應用功能即可，無需開發共性功能和服務，工作量大大減少，有利于短時間內快速開發出滿足需求的應用系統，降低開發成本。

（2）實現數據共享、運營，消除信息孤島

通過應用集成平臺建設物聯網數據中心，制訂完善的數據管理、存儲、交換和共享策略和規范，使得各個系統之間的數據能夠融合起來，有效解決了應用系統間的數據共享問題，從而有效消除了信息孤島現象。同時，數據的融合和共享，使得物聯網的最終運營成為可能。物聯網應用集成平臺是物聯網“共性平臺”的核心組成，依托該平臺和技術，來解決物聯網環境下多個異構系統之間的數據交換和共享以及應用集成的難題，為上層的智慧應用構建數據和信息資源中心。

（3）資源開放與復用，減少重復建設投入

該技術實現物聯網共性的功能和服務支撐，這些功能可以被所有應用業務共享和復用，無需再次開發，從而避免了重復建設。進一步地，通過結合開源軟件專屬應用構建廣域物聯網基礎架構，以集約化建設思想為主導，通過融合技術屏蔽復雜的網絡環境和非規范信息資源環境，形成中國創新的物聯網業務模式，以科研創新提升業內影響。

3.2 SDX：基于開源軟件的應用開發 環境

鄔賀銓院士等專家多次指出[8-10]：我們正在進入一個軟件定義的時代，軟件定義的技術本質是把原先一體化的硬件設施打破，將基礎硬件虛擬化并提供標準化的基本功能，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。物聯網發展未來的機遇就是軟件定義一切（SDX），其本質就是所有的信息都是數字化的——萬物數字化，其實現的兩個前提條件目前已基本具備：

（1）性能優異的硬件組件。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，可以更加順利地執行軟件發出的指令。

（2）突破時空限制的通信網絡。通信網絡不但隨時隨地存在，而且帶寬越來越高，可靠性越來越高，建設和運營成本越來越低。這也得益于軟件，因為軟件定義了頻率，定義了傳輸交換。于是，軟件不但可以指揮本地硬件實現各種功能，還可以通過通信網絡指揮遠處的信息系統協同實現各種功能。正是在硬件和網絡的大力支持下，軟件才進人了定義一切的時代。

搭建的應用子集——開源軟件專屬應用，將為各類物聯網產品增加一個通用軟件。在產品物理功能盡量簡單的同時，應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。

“共性平臺+應用子集”的下一代智能物聯網應用架構體系，將堅持標準與應用相結合、互促進的指導思想，在遵循聯網體系架構和標準的同時，以標準化推動方案規范化，確保未來物聯網體系架構的靈活性和普適性，并增強方案可復制性，有利于面向全行業的應用推廣。

4 結束語

物聯網的發展正面臨著關鍵時期，如何解決物聯網應用的碎片化問題，消除信息孤島，實現物聯網平臺的融合已刻不容緩。本文提出的“一橫一縱”智能物聯網體系架構和發展趨勢，可以有效地指導未來物聯網技術的研發與系統的部署，從而有效地助力物聯網技術和應用從數據收集到信息提取，并向知識創造的快速演進發展和創新飛躍。隨著5G標準化的完成，以及與商用序幕的拉開，智能物聯網技術與應用必將迎來全新的發展。

參考文獻

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[8] 鄔賀銓. 物聯網，計算無處不在，軟件定義一切，網絡包容萬物，連接隨手可及[EB/OL]. （2017-04-28）[2018-02-03].https：//www.leiphone.com/news/201710/njWSLnuUcu8EvU8Q.html

[9] 梅宏. 軟件定義的未來——萬物皆可互聯，一切均可編程[EB/OL]. （2017-10-26）[2018-02-03].https：//www.leiphone.com/news/201710/njWSLnuUcu8EvU8Q.html

[10] 劉韻潔. 軟件定義網絡將推動社會進步[EB/OL]. （2017-09-11）[2018-02-03].http：//tech.sina.com.cn/d/2017-09-12/doc-ifykuftz6333091.shtml