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        “大智移云”技術(shù)綜述及“智慧農(nóng)機”應(yīng)用實例

        2018-05-22 07:18:59馬建斌滕桂法張玉新
        計算機應(yīng)用與軟件 2018年5期
        關(guān)鍵詞:智移云大智移云農(nóng)機

        馬建斌 滕桂法 張玉新 張 璠

        (河北農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 保定 071001)

        0 引 言

        “大智移云”是由中國工程院院士鄔賀銓于2013年8月的互聯(lián)網(wǎng)大會上首先提出來的[1],是大數(shù)據(jù)、智能化、移動互聯(lián)網(wǎng)和云計算的統(tǒng)稱[2-3]。目前,信息技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)入“大智移云”時代,“大智移云”不僅深刻影響著人們的生產(chǎn)和生活,而且將掀起新一輪的產(chǎn)業(yè)革命[3]。

        2015年9月,國務(wù)院印發(fā)了《促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要》[4],意味著大數(shù)據(jù)成為國家將來的發(fā)展戰(zhàn)略。2014年2月25日,貴州省人民政府印發(fā)了《關(guān)于加快大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)用若干政策的意見》[5],把大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作為培育、壯大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的有效途徑[6]。河北省省委辦公廳省政府辦公廳2017年3月印發(fā)了《關(guān)于加快發(fā)展“大智移云”的指導(dǎo)意見》[7],提出加快發(fā)展以“大智移云”為核心的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)。在河北省,張家口張北縣建設(shè)了阿里云張北云聯(lián)數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)港張北數(shù)據(jù)中心。這是阿里巴巴在張北部署大規(guī)模云計算服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的重要基地之一。廊坊市2016年9月制定了《關(guān)于加快發(fā)展“大智移云”引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)升級行動計劃(2016—2018年)》[8],截止2016年底,廊坊市“大智移云”產(chǎn)業(yè)規(guī)模已達(dá)到1 200億元。

        “大智移云”信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國家和各省市政府新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方向,但是“大智移云”發(fā)展的一個突出問題是重視基礎(chǔ)設(shè)施和硬件投入,輕視具體應(yīng)用。國家信息中心、南海大數(shù)據(jù)應(yīng)用研究院聯(lián)合發(fā)布的《2017年中國大數(shù)據(jù)發(fā)展報告》披露,在政府投資項目中,超過七成都是大數(shù)據(jù)平臺和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),應(yīng)用層面的軟件開發(fā)不到5%,“重建設(shè)、輕應(yīng)用”的問題比較明顯。因此,本文以如何構(gòu)建“大智移云”應(yīng)用系統(tǒng)為研究目的,綜述構(gòu)建“大智移云”應(yīng)用系統(tǒng)需要的技術(shù)體系,分析其技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)。并以河北農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)協(xié)同創(chuàng)新中心主開發(fā)的“智慧農(nóng)機”項目為應(yīng)用實例,介紹此項目的技術(shù)方案和主要功能,以其為“大智移云”在其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)借鑒和參考。

        1 “大智移云”技術(shù)綜述

        “大智移云”是大數(shù)據(jù)、智能化、移動互聯(lián)網(wǎng)和云計算信息技術(shù)相互交融和滲透的產(chǎn)物。圖1為“大智移云”應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)框架?!按笾且圃啤钡母鱾€技術(shù)環(huán)節(jié)是相互關(guān)聯(lián)的,移動互聯(lián)網(wǎng)和云計算是“大智移云”應(yīng)用的基礎(chǔ),移動互聯(lián)網(wǎng)需要云計算技術(shù)的支撐,云計算又為大數(shù)據(jù)存儲和處理提供技術(shù)和經(jīng)濟上的可行性,大數(shù)據(jù)的智能分析和處理,并與其他行業(yè)進(jìn)行融合,會創(chuàng)造無限潛力的經(jīng)濟增長點。

        圖1 “大智移云”應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)框架

        1.1 云計算技術(shù)綜述

        “云計算”是使用互聯(lián)網(wǎng)接入存儲或運行在遠(yuǎn)程服務(wù)器上的應(yīng)用、數(shù)據(jù)或服務(wù)。根據(jù)云計算服務(wù)模式的不同,可以將云計算分為SaaS、PaaS和IaaS三層,如圖1所示。

        (1) SaaS(軟件即服務(wù))以軟件程序提供服務(wù)。

        (2) PaaS(平臺即服務(wù))以應(yīng)用服務(wù)器平臺或開發(fā)環(huán)境提供服務(wù)。

        (3) IaaS是基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù),用戶通過Internet可以獲得虛擬的服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)。

        基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)在最底端,平臺服務(wù)在中間層,軟件服務(wù)在最頂端。

        根據(jù)云計算服務(wù)性質(zhì)的不同,可以將云計算分為公有云、私有云和混合云。公有云指第三方提供商提供的云,比如阿里云。私有云是為一個用戶單獨使用而構(gòu)建的?;旌显苿t是融合了公有云與私有云的優(yōu)劣勢。

        美國云計算領(lǐng)域在全球占主導(dǎo)地位。美國政府從2009年開始出臺政策支持云計算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[9],云計算產(chǎn)業(yè)在之后的幾年中保持了非常高的增長速度。近幾年福布斯公布的全球最佳100強云計算公司中,美國占90%左右,其中,谷歌云計算平臺、亞馬遜云計算平臺AWS、微軟云計算平臺Azure、IBM云計算平臺和Salesforce云計算平臺占很大的市場份額。

        谷歌云是云計算最大的實踐者,在全球有30多個數(shù)據(jù)中心,服務(wù)器超過100萬臺。其關(guān)鍵技術(shù)包括文件系統(tǒng)GFS[10]、分布式計算編程模型MapReduce[11]和分布式結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)BigTable[12]。亞馬遜是早期的云計算提供商,不涉及應(yīng)用層面的計算,主要通過虛擬化技術(shù)提供存儲、服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等租用式服務(wù)。IBM在集合云技術(shù)、深層流程知識、云解決方案產(chǎn)品組合和全球交付中心網(wǎng)絡(luò)方面具有獨特的領(lǐng)先優(yōu)勢。Salesforce是一家客戶關(guān)系管理(CRM)軟件服務(wù)提供商,開辟了一種新的軟件應(yīng)用模式。微軟云計算服務(wù)與其操作系統(tǒng)和辦公軟件無縫集成,用戶接收較快,所以,微軟云計算服務(wù)擁有龐大的客戶群。

        在中國,國家對發(fā)展云計算產(chǎn)業(yè)十分重視,2015年1月國務(wù)院發(fā)布《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)云計算創(chuàng)新發(fā)展培育信息產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)的意見》[13]。近幾年,中國云計算發(fā)展速度很快,2016年云計算市場調(diào)查顯示,中國云計算占全球市場的5%,且以較快速度增長。中國云計算基礎(chǔ)設(shè)施集群化分布已初步形成長三角、珠三角、環(huán)渤海、京津及周邊區(qū)域為核心,西南、東北等重點區(qū)域快速發(fā)展的格局[14]。

        阿里云的大數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)設(shè)施和用戶規(guī)模已經(jīng)可以與美國亞馬遜和谷歌公司相媲美,目前服務(wù)著制造、金融、政務(wù)、交通、醫(yī)療、電信、能源等眾多領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)。百度云是百度提供的公有云平臺,于2015年正式開放運營。2016年,百度正式對外發(fā)布了“云計算+大數(shù)據(jù)+人工智能”三位一體的云計算戰(zhàn)略,為社會各個行業(yè)提供安全、高性能、智能的計算和數(shù)據(jù)處理服務(wù)。浪潮云計算已經(jīng)涵蓋SaaS、PaaS和IaaS三方面的服務(wù),憑借浪潮云操作系統(tǒng)、高端服務(wù)器、海量存儲、信息安全保障技術(shù)等領(lǐng)先技術(shù)為客戶打造高效的云計算基礎(chǔ)架構(gòu)平臺[15],已為全球30多個國家和地區(qū)提供服務(wù)。另外,華為云、中興云、騰訊云等也初具規(guī)模。

        1.2 移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜述

        隨著3G技術(shù)的日益完善和4G技術(shù)的使用,大大地推進(jìn)了通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合,移動互聯(lián)網(wǎng)正在逐漸應(yīng)用和普及[16]。

        目前,對于“移動互聯(lián)網(wǎng)”還沒有統(tǒng)一的定義??偨Y(jié)文獻(xiàn)中對移動互聯(lián)網(wǎng)的定義,移動互聯(lián)網(wǎng)包含三層含義:(1) 移動互聯(lián)網(wǎng)需要有移動終端設(shè)備,常見的移動終端設(shè)備包括手機、平板、便攜式電腦或?qū)S玫囊苿踊ヂ?lián)網(wǎng)終端;(2) 移動終端設(shè)備通過移動通信網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng),這些移動通信網(wǎng)絡(luò)包括3G網(wǎng)絡(luò)、4G網(wǎng)絡(luò)、WLAN等;(3) 發(fā)揮移動終端的可移動、可定位和隨身攜帶等特性,可在移動終端上開發(fā)出各種應(yīng)用程序,為用戶提供個性化、位置相關(guān)的服務(wù)[17]。

        1) 無線接入技術(shù) 無線接入技術(shù)是無線通信的關(guān)鍵問題。它是指通過無線介質(zhì)將移動終端與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連接起來,以實現(xiàn)用戶與網(wǎng)絡(luò)間的信息傳遞。無線接入技術(shù)按照覆蓋區(qū)域分類,可分為如下幾種:

        (1) 無線個域網(wǎng)(WPAN):覆蓋范圍從幾米到幾十米,為不同設(shè)備間提供雙向短程通信的微蜂窩網(wǎng)。常見的無線個域網(wǎng)技術(shù)包括:藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù),超寬帶(UWB),Zigbee,紅外技術(shù)(IrDA),家庭射頻(HomeRF),電子標(biāo)簽(RFID)等。

        (2) 無線局域網(wǎng)(WLAN):覆蓋范圍從幾十米到幾百米,可為短距離范圍內(nèi)的用戶提供無線接入服務(wù)。日常生活中常見的有WiFi網(wǎng)絡(luò)。

        (3) 無線城域網(wǎng)(WMAN):覆蓋范圍從幾百米到幾千米,以微波等無線傳輸為媒介,可支持服務(wù)質(zhì)量QoS能力和一定范圍移動性的接入能力。微波多路分配系統(tǒng)(MMDS)、本地多點分配業(yè)務(wù)(LMDS)和WiMAX等技術(shù)屬于此范疇。

        (4) 無線廣域網(wǎng):覆蓋范圍更廣,可以支持全球廣泛的移動性和無線寬帶接入。目前,在用的無線廣域網(wǎng)有3G和4G網(wǎng)絡(luò),5G網(wǎng)絡(luò)還在研究中。

        2) 移動終端技術(shù) 移動終端就是具有通信功能的微型計算機設(shè)備,和普通計算機設(shè)備一樣,也有其硬件和軟件系統(tǒng)。移動終端具有CPU、存儲器、輸入部件和輸出部件。常見的移動終端操作系統(tǒng)有Windows Mobile、Symbian、Palm、Android、iOS等。在通信能力上,移動終端具有靈活的接入方式和高寬帶通信功能。在功能上,移動終端更加注重個性化和多功能化,移動終端集成了嵌入式計算、控制技術(shù)、人工智能技術(shù)以及生物認(rèn)證技術(shù)等,可開發(fā)各種個性化的應(yīng)用程序,并集中眾多軟件和硬件于一體,功能越來越強大。

        3) 移動終端應(yīng)用技術(shù) 移動終端具有強大的信息處理能力,已成為互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的關(guān)鍵入口,因此,在移動終端上可開發(fā)各種應(yīng)用程序。移動通信技術(shù)及移動終端技術(shù)的發(fā)展揭開了移動互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的序幕,開啟了新的技術(shù)產(chǎn)業(yè)周期[18]。典型的移動終端應(yīng)用包括流行的共享單車、微信支付、手機銀行、手機導(dǎo)航等。

        1.3 大數(shù)據(jù)技術(shù)綜述

        云計算、物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展,為大數(shù)據(jù)技術(shù)帶來廣闊的發(fā)展空間[19]。云計算為大數(shù)據(jù)的處理和利用提供便利條件,用戶可以從“云”中方便地獲取各種類型的海量數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)每天會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù),為大數(shù)據(jù)提供了數(shù)據(jù)來源。

        美國IT產(chǎn)業(yè)界如Google、亞馬遜、IBM、Facebook等國際知名企業(yè)相繼推出了各自的大數(shù)據(jù)產(chǎn)品。其中,谷歌公司作為大數(shù)據(jù)時代的奠基者,其公布的GFS、MapReduce和BigTable技術(shù)是大數(shù)據(jù)行業(yè)爭相學(xué)習(xí)和研究的重點,也是行業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)架構(gòu)的標(biāo)桿。谷歌的三個技術(shù)不是開源的,Hadoop由Apache公司為實現(xiàn)谷歌的三個技術(shù)開發(fā)的一個云計算開源平臺[20-21],Hadoop對應(yīng)MapReduce,HDFS對應(yīng)GFS,Hbase對應(yīng)Bigtable,Hadoop是目前最為流行的大數(shù)據(jù)處理平臺[22]。Apache Spark是專為大規(guī)模數(shù)據(jù)處理而設(shè)計的快速通用的計算引擎,產(chǎn)生了多種大數(shù)據(jù)處理高級查詢語言,如Facebook 的Hive、雅虎的Pig、谷歌的Sawzall、微軟的Dryad等。

        國內(nèi)大數(shù)據(jù)技術(shù)的起步較晚,近幾年,大IT公司如百度、阿里巴巴、騰訊等開發(fā)的大數(shù)據(jù)平臺初具規(guī)模,已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通管理、天氣預(yù)報等行業(yè)廣泛應(yīng)用,并創(chuàng)造了巨大社會價值和商業(yè)價值。阿里巴巴研發(fā)的大數(shù)據(jù)處理平臺maxcompute,能提供快速、完全托管的TB/PB級數(shù)據(jù)倉庫解決方案,能夠快速解決海量數(shù)據(jù)的計算能力。百度提供的大數(shù)據(jù)和人工智能平臺百度天算,提供了完備的大數(shù)據(jù)托管服務(wù),能夠完成百度機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)、分析引擎等數(shù)據(jù)分析服務(wù)。華為的大數(shù)據(jù)平臺FusionInsight是一個分布式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),提供企業(yè)級大數(shù)據(jù)存儲、查詢和分析的統(tǒng)一平臺,幫助企業(yè)快速構(gòu)建海量數(shù)據(jù)的信息處理系統(tǒng)。

        1.4 大數(shù)據(jù)智能分析技術(shù)

        基于云計算平臺,利用最新的人工智能、機器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù),對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析是大數(shù)據(jù)研究的目標(biāo)和發(fā)展趨勢。以百度天算為例,其提供如下智能分析服務(wù)。

        (1) 機器學(xué)習(xí):利用并行化分布式的數(shù)據(jù)處理組件,可以快速完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)預(yù)處理過程,支持對數(shù)據(jù)的清理、替換、組合、采樣、去重、拆分等操作,可完成模型訓(xùn)練和評估,進(jìn)行邏輯回歸LR、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)DNN、聚類Kmeans、模型LDA、協(xié)同過濾CF等多種模型訓(xùn)練,支持高并發(fā)的在線預(yù)測和大批量的離線預(yù)測。

        (2) 深度學(xué)習(xí):基于PaddlePaddle/TensorFlow開源計算框架,支持GPU運算,依托百度云分布式技術(shù),為深度學(xué)習(xí)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用提供可靠性高、擴展靈活的云端托管服務(wù)。

        基于機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù),百度天算還提供日志分析、輿情分析、異常檢測、人臉識別、文字識別、語音識別、客戶流失預(yù)測等智能服務(wù)。

        2 “大智移云”應(yīng)用實例—智慧農(nóng)機

        智慧農(nóng)機項目是由河北省農(nóng)機局、農(nóng)機監(jiān)理總站發(fā)起,河北農(nóng)業(yè)大學(xué)河北農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)協(xié)同創(chuàng)新中心、保定天河電子技術(shù)有限公司、河北省農(nóng)業(yè)智能裝備研究院等單位聯(lián)合開發(fā)的。河北省智慧農(nóng)機項目是“大智移云”應(yīng)用的一個成功案例。此項目現(xiàn)已投入使用,可為政府管理部門、農(nóng)機合作社、農(nóng)機手、種植戶、農(nóng)機維修站點等提供智能精準(zhǔn)服務(wù),帶來了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。智慧農(nóng)機部署圖如圖2所示。

        圖2 智慧農(nóng)機部署圖

        本項目具有如下特點:

        (1) 智能終端感知系統(tǒng):在農(nóng)機設(shè)備上安裝了北斗/GPS定位終端、傳感器、攝像頭等,實現(xiàn)對農(nóng)機作業(yè)環(huán)境自動感知,獲取及時準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

        (2) 電子政務(wù)平臺:開發(fā)了河北省智慧農(nóng)機決策管理信息平臺,農(nóng)機管理部門(農(nóng)機監(jiān)理站、農(nóng)機局、農(nóng)機鑒定站和農(nóng)機修造站)可通過管理信息平臺對農(nóng)機進(jìn)行管理。

        (3) 農(nóng)機大數(shù)據(jù)智能分析:運用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),實現(xiàn)了深松作業(yè)智能監(jiān)控、農(nóng)機作業(yè)智能調(diào)度、農(nóng)機管理智能決策等功能。

        (4) 智慧農(nóng)機系統(tǒng)“云上部署”:響應(yīng)河北省“云上河北”建設(shè)工程,智慧農(nóng)機系統(tǒng)全部實現(xiàn)云上部署,實現(xiàn)了信息共享和數(shù)據(jù)開放。

        智慧農(nóng)機大數(shù)據(jù)平臺是一個集農(nóng)機業(yè)務(wù)管理、農(nóng)機作業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)機百科等數(shù)據(jù)于一體,為農(nóng)機用戶提供農(nóng)機管理與決策、農(nóng)機生產(chǎn)作業(yè)服務(wù)的平臺。完成的主要功能如圖3所示。

        圖3 智慧農(nóng)機大數(shù)據(jù)平臺功能圖

        典型功能的詳細(xì)介紹如下:

        (1) 精確定位:通過智能終端,借助北斗/GPS和移動互聯(lián)網(wǎng),實時獲取農(nóng)機位置、作業(yè)狀態(tài)、速度及環(huán)境等信息。

        (2) 規(guī)劃調(diào)度:基于多因素、多目標(biāo)智能規(guī)劃模型,自動規(guī)劃最優(yōu)的作業(yè)方案,科學(xué)調(diào)度農(nóng)機作業(yè)。

        (3) 智能導(dǎo)航:根據(jù)調(diào)度信息,通過地理信息系統(tǒng),為機手提供智能導(dǎo)航。

        (4) 精確測畝:通過農(nóng)機智能終端,自動測算出農(nóng)機作業(yè)的面積,并通過短信通知供需雙方。

        (5) 自動測產(chǎn):通過測產(chǎn)傳感器,自動測量作物的產(chǎn)量。

        (6) 智慧決策:以大數(shù)據(jù)平臺為支撐,通過對農(nóng)機大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,為政府管理部門的農(nóng)機調(diào)度、政策制定、生產(chǎn)指揮等提供智能決策支持。

        圖4為機手手機App部分界面圖。

        圖4 機手的手機App部分界面圖

        智慧農(nóng)機項目集成了云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù),是“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)及“大智移云”在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的典型應(yīng)用,實現(xiàn)了農(nóng)機信息自動獲取、農(nóng)機作業(yè)智能管理、農(nóng)機管理作業(yè)智能決策。

        3 結(jié) 語

        信息技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展已進(jìn)入“大智移云”時代,大數(shù)據(jù)是這一時代的特征,大數(shù)據(jù)的應(yīng)用正在引發(fā)新的產(chǎn)業(yè)變革。目前,“大智移云”的應(yīng)用水平還處于初級發(fā)展階段。本文綜述“大智移云”的技術(shù)體系,分析國內(nèi)外云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和智能化的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。并引入河北農(nóng)業(yè)大學(xué)河北農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)協(xié)同創(chuàng)新中心主開發(fā)的“智慧農(nóng)機”項目,介紹此項目的技術(shù)方案和主要功能,為“大智移云”在其他行業(yè)的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

        參 考 文 獻(xiàn)

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