夏志杰

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），武漢，430074

導(dǎo)語 2017年連入互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備數(shù)量首次超過全球人口數(shù)量，人類社會(huì)從此進(jìn)入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代將是一個(gè)人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器全面互聯(lián)的社會(huì)。以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代為代表的信息革命將像工業(yè)革命一樣，帶來人類社會(huì)生產(chǎn)力的又一次飛速提高。由機(jī)械工業(yè)出版社于2018年出版的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：體系與技術(shù)》一書介紹了互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷史，定義了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)，描述了互聯(lián)網(wǎng)的4大關(guān)鍵技術(shù)，討論了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的挑戰(zhàn)與發(fā)展。本文概述了該書的主要論點(diǎn)。

1 互聯(lián)網(wǎng)的前世今生

從20世紀(jì)60年代開始發(fā)展起來的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，將全球的計(jì)算設(shè)備連接起來。通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，信息可以在非?？斓臅r(shí)間內(nèi)傳遞到全球的任何一個(gè)角落，從而使得人類的交流不再受到空間的限制。20世紀(jì)90年代互聯(lián)網(wǎng)的普及與應(yīng)用，標(biāo)志著人類社會(huì)正式從工業(yè)社會(huì)進(jìn)入信息社會(huì)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與普及，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)逐步成為人們生活中的一個(gè)不可缺少的部分。

1.1 互聯(lián)網(wǎng)的起源與關(guān)鍵技術(shù)突破

最初關(guān)于互聯(lián)網(wǎng)的概念是麻省理工學(xué)院李克里德在《人機(jī)共生》和《以計(jì)算機(jī)為通訊工具》的論文中提出來的。英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室唐納德·戴維斯、蘭德公司保羅·巴蘭和麻省理工學(xué)院倫納德·克蘭羅克各自創(chuàng)立了分組交換理論，解決了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息的傳遞方法。

人類在1965年第一次將兩臺(tái)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程連接起來。羅倫斯·羅伯茨和托馬斯·梅里爾一起把位于麻省的TX-2計(jì)算機(jī)用一條低速撥號(hào)電話線連接到加利福尼亞的Q-32計(jì)算機(jī)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明計(jì)算機(jī)可以很好地一起工作、運(yùn)行程序并在必要時(shí)從遠(yuǎn)程機(jī)器上檢索數(shù)據(jù)。1968年，羅倫斯·羅伯茨提交了研究報(bào)告《資源共享的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》，其中著力闡述的就是讓“阿帕”的電腦達(dá)到互相連接，從而使大家分享彼此的研究成果。根據(jù)這份報(bào)告組建的國(guó)防部“高級(jí)研究計(jì)劃網(wǎng)”就是著名的“阿帕網(wǎng)”。

為了連接不同系統(tǒng)的大型計(jì)算機(jī)，為數(shù)據(jù)傳輸提供路由功能，科學(xué)家在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接線和大型計(jì)算機(jī)之間插入一種被稱為“接口信息處理機(jī)”的設(shè)備來專門負(fù)責(zé)處理網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)傳輸。接口信息處理機(jī)解決了不同操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸問題。1969年8月，接口信息處理機(jī)由BBN公司的弗蘭克·哈特領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組在增強(qiáng)版的Honeywell DDP-516計(jì)算機(jī)上開發(fā)成功。1969年9月在加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校安裝了首臺(tái)接口信息處理機(jī)，并與計(jì)算機(jī)主機(jī)連接起來。1969年10月，第二臺(tái)接口信息處理機(jī)在斯坦福研究所安裝。兩臺(tái)接口信息處理機(jī)通過一條50 kbit/s的鏈路將加州大學(xué)洛杉磯分校和斯坦福研究所的大型計(jì)算機(jī)相連接，通過分組交換原理，成功地交換了人類歷史上的第一個(gè)數(shù)據(jù)包“LO”。1972年10月，在華盛頓希爾頓酒店召開的國(guó)際計(jì)算機(jī)通信大會(huì)上，阿帕網(wǎng)進(jìn)行了首次公開演示。大約40臺(tái)不同種類和型號(hào)的終端連到一個(gè)終端接口處理器，后者又通過兩條50 kbit/s的線路接入阿帕網(wǎng)。與會(huì)者受邀上前使用運(yùn)行在全國(guó)各地的計(jì)算機(jī)上的各種各樣的程序。這向計(jì)算機(jī)和通信產(chǎn)業(yè)界展示了分組交換網(wǎng)絡(luò)的可行性，并使很多人確信一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)即將產(chǎn)生。ARPANET從此開始建立并運(yùn)行起來，并不斷有新的計(jì)算機(jī)主機(jī)被添加到阿帕網(wǎng)中。

巴博·卡恩于1972年提出了開放式架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)想。1973年9月卡恩與溫特·瑟夫發(fā)布了傳輸控制協(xié)議TCP，其中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的不同通過使用一個(gè)公用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而隱藏起來，并且可靠性由主機(jī)保證而不是像阿帕網(wǎng)由網(wǎng)絡(luò)保證。由于網(wǎng)絡(luò)的作用減小到最小的程度，就有可能將不同的網(wǎng)絡(luò)連接到一起。喬恩·珀思泰1977年8月對(duì)TCP協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，他建議把TCP的逐跳功能部分轉(zhuǎn)為一個(gè)單獨(dú)的協(xié)議，稱為互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。而后瑟夫和珀思泰撰寫了分割TCP的規(guī)范，這導(dǎo)致最初的TCP重組為兩個(gè)協(xié)議，簡(jiǎn)單的IP只針對(duì)單個(gè)數(shù)據(jù)包的尋址和轉(zhuǎn)發(fā)，而獨(dú)立的TCP關(guān)注服務(wù)功能，例如流量控制和丟失數(shù)據(jù)包的恢復(fù)。1980年美國(guó)國(guó)防部采用TCP/IP作為組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，并在1983年1月1日把ARPANET遷移到TCP/IP。從此，TCP/IP就成為互聯(lián)網(wǎng)通信的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

分組交換協(xié)議、接口信息處理機(jī)與TCP/IP協(xié)議是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的三個(gè)主要技術(shù)突破。通過阿帕網(wǎng)的建設(shè)，互聯(lián)網(wǎng)的先賢們解決了互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的技術(shù)難題，積累了互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)。

1.2 學(xué)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代（1970年～1990年）

當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)的開拓者通過ARPANET的建設(shè)解決了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)難題，提出了分組交換協(xié)議、接口信息處理機(jī)與TCP/IP協(xié)議后，在美國(guó)和歐洲，許多計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)被建設(shè)并互聯(lián)起來。其中最重要且最具深遠(yuǎn)影響的是1985年由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation）建立的NSFNET。它開始時(shí)以56 kbit/s的鏈路將五個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)站點(diǎn)互聯(lián)起來，1988年鏈路升級(jí)到了T1，1990年又升級(jí)到了T3。NSFNET連接很快遍布了美國(guó)全國(guó)的大學(xué)和企業(yè)。

互聯(lián)網(wǎng)開始時(shí)是為大學(xué)和研究部門的研究者設(shè)計(jì)和建立的。因?yàn)镹SFNET主干網(wǎng)規(guī)定所有連接到其上的網(wǎng)絡(luò)只支持研究和教育的用途，我們把這個(gè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的黎明時(shí)代稱為“學(xué)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代。在“學(xué)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)上的主要應(yīng)用包括：①電子郵件；②遠(yuǎn)程登錄（Telnet）；③文件傳輸（FTP）。

互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)關(guān)鍵理念是，它不是只為一個(gè)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的，而是作為通用的基礎(chǔ)設(shè)施，可以在其上孕育新的應(yīng)用程序。TCP和IP所提供服務(wù)的通用、開放的特點(diǎn)使這一理念變成現(xiàn)實(shí)。

學(xué)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代為互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)將計(jì)算機(jī)連接起來。信息可以通過互聯(lián)網(wǎng)在瞬間傳遞到地球的另一端，用戶可以遠(yuǎn)程登陸地球另一端的計(jì)算機(jī)。學(xué)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代互聯(lián)網(wǎng)的主要特征為：①通過互聯(lián)網(wǎng)，計(jì)算機(jī)被互相連接起來；②信息傳遞打破了時(shí)間與空間的限制，可以在相連的網(wǎng)絡(luò)里，從地球一端瞬間傳遞到另一端；③互聯(lián)網(wǎng)上只有文字，沒有圖形頁(yè)面，必須輸入命令才能使用；④互聯(lián)網(wǎng)被用于研究和教育，禁止用于商業(yè)用途；⑤互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)供科學(xué)家和工程師使用的工具，使用人員比較少。

1.3 大眾互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代（1991年～2016年）

20世紀(jì)90年代初的兩項(xiàng)技術(shù)突破改變了互聯(lián)網(wǎng)只是科學(xué)家和工程師使用的工具的狀況，使得互聯(lián)網(wǎng)走出象牙塔，走進(jìn)普通百姓的家中?；ヂ?lián)網(wǎng)也開始進(jìn)入人人連接的大眾互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。

（1）HTTP協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)瀏覽器。1990年12月25日蒂姆·伯納斯-李在歐洲核子研究組織成功利用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了HTTP客戶端與服務(wù)器的第一次通信。HTTP協(xié)議的使用，使得信息的組織發(fā)生了革命性的變化。網(wǎng)頁(yè)取代文件成為信息組織的基本單元。網(wǎng)頁(yè)上的重要內(nèi)容通過超文本鏈接而相互連接起來，使得知識(shí)的組織從樹形結(jié)構(gòu)變?yōu)槠叫薪Y(jié)構(gòu)，從此改變了人們獲取信息與知識(shí)的方式。

（2）網(wǎng)絡(luò)瀏覽器。伯納斯-李使用HTTP協(xié)議創(chuàng)建萬維網(wǎng)并設(shè)計(jì)制作出世界上第一個(gè)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器，稱為WorldWideWeb。同時(shí)，他也設(shè)計(jì)了世界上第一個(gè)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，稱為CERN httpd，創(chuàng)建了世界上的第一個(gè)網(wǎng)站Info.cern.ch。真正使得網(wǎng)絡(luò)瀏覽器廣為使用的是1993年由馬克·安居森發(fā)布的Mosaic以及其后由其領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)的網(wǎng)景瀏覽器（Netscape Navigator）。Mosaic是互聯(lián)網(wǎng)歷史上第一個(gè)獲普遍使用和能夠顯示圖片的網(wǎng)頁(yè)瀏覽器。網(wǎng)頁(yè)瀏覽器的產(chǎn)生，改變了人們連接互聯(lián)網(wǎng)的方式。人們不再需要記憶長(zhǎng)串的數(shù)字和復(fù)雜的命令，而是可以通過使用統(tǒng)一的瀏覽器進(jìn)入網(wǎng)站，從網(wǎng)頁(yè)上點(diǎn)擊鏈接而獲取信息。Mosaic和網(wǎng)景瀏覽器的普遍使用，使得互聯(lián)網(wǎng)走下象牙塔，成為普通大眾生活中不可或缺的工具。

盡管互聯(lián)網(wǎng)開始是為學(xué)術(shù)用途而設(shè)計(jì)的，商業(yè)網(wǎng)絡(luò)被拒絕接入全美范圍的網(wǎng)絡(luò)，人們一直關(guān)注如何使用商業(yè)的力量來促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。1992年，NSF修改了NSFNET的接入原則，允許商業(yè)機(jī)構(gòu)在“間接有利于研究和教育”的條件下接入NSFNET。從此大量商業(yè)性網(wǎng)絡(luò)開始接入NSFNET的主干網(wǎng)。1993年，NSF提出通過網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的多主干網(wǎng)結(jié)構(gòu)而不是以前的中央主干網(wǎng)結(jié)構(gòu)。從此商用主干網(wǎng)之間可以相互連接，形成了新型的互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，大量的商業(yè)應(yīng)用也隨之產(chǎn)生。

大眾互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的主要應(yīng)用包括：門戶網(wǎng)站、資訊搜索、網(wǎng)絡(luò)社交、電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)游戲、網(wǎng)絡(luò)教育。大眾互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代與學(xué)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的一個(gè)主要區(qū)別在于，互聯(lián)網(wǎng)走入了大眾的生活，成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊粋€(gè)重要組成部分。由于智能手機(jī)等移動(dòng)終端的發(fā)展，人們通過互聯(lián)網(wǎng)可以保持隨時(shí)隨地的連接。截止2016年，全球互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)超30億，中國(guó)高達(dá)6.68億。

在大眾互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)的主要特征是：①人與人通過互聯(lián)網(wǎng)被連接起來，人與人的交流打破了時(shí)間與空間的限制；②知識(shí)可以非常便捷地被獲取，需要哪些知識(shí)有時(shí)比知識(shí)本身變得更為重要；③社會(huì)開始去中心化，每個(gè)人都可以成為資訊的發(fā)布者；④消費(fèi)者與提供商更直接聯(lián)系，中間環(huán)節(jié)被去除，交易成本降低，交易更加便捷。

1.4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代（2017年至今）

據(jù)市場(chǎng)研究公司Gartner預(yù)計(jì)，2017年連入互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備數(shù)量將達(dá)到84億，首次超過全球人口數(shù)量。這標(biāo)志著互聯(lián)網(wǎng)將主要用來連接智能物體，使得2017年將被記載為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的元年。據(jù)Intel預(yù)測(cè)，到2020年全世界將會(huì)有超過500億臺(tái)設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)互相連接。預(yù)計(jì)在不久的將來，所有的智能物體將會(huì)被接入互聯(lián)網(wǎng)，將會(huì)形成一個(gè)人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器全面互聯(lián)的社會(huì)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的特點(diǎn)是：通過互聯(lián)網(wǎng)連接人與智能物體；通過應(yīng)用物體感知技術(shù)獲取智能物體的工業(yè)數(shù)據(jù)；通過互聯(lián)網(wǎng)將工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦I(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)；通過平臺(tái)上的大數(shù)據(jù)分析工具對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲取工業(yè)智能，并將工業(yè)智能反饋到智能物體的設(shè)計(jì)、制造、和使用中；通過工業(yè)智能，提高生產(chǎn)效率。以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代為代表的信息革命將像工業(yè)革命一樣，帶來人類社會(huì)生產(chǎn)力的又一次飛速提高。

互聯(lián)網(wǎng)是自瓦特發(fā)明通用蒸汽機(jī)以來對(duì)人類社會(huì)影響最大的一項(xiàng)技術(shù)突破。如果用一個(gè)詞來概括互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)，那就是“連接”。互聯(lián)網(wǎng)在過去十幾年的時(shí)間里產(chǎn)生的天翻地覆的影響力就是因?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)更高的連接效率和連接了更多的人、財(cái)、物，進(jìn)而讓整個(gè)世界的商業(yè)規(guī)則都發(fā)生了轉(zhuǎn)變。在大眾互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，百度連接了人與信息，騰訊連接了人與人，阿里巴巴連接了人與商品，這也是它們被稱為中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)“BAT”三巨頭、市值和產(chǎn)業(yè)控制力遙遙領(lǐng)先的核心原因?；ハ噙B接的網(wǎng)絡(luò)的效益與其節(jié)點(diǎn)數(shù)目不是成線性關(guān)系，而是成指數(shù)型關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)越大，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)越多，網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值就越大。這個(gè)由多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接起來的互聯(lián)網(wǎng)具有平等、開放、互動(dòng)、即時(shí)、共享等特點(diǎn)。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)

當(dāng)人類進(jìn)入工業(yè)社會(huì)時(shí)，其主要標(biāo)志是能源被大量使用。當(dāng)人類進(jìn)入信息社會(huì)時(shí)，其主要標(biāo)志是數(shù)據(jù)及其攜帶的信息被大量利用。

2.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的定義

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)通過互聯(lián)網(wǎng)將全球工業(yè)系統(tǒng)中的智能物體、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與人相連接的系統(tǒng)，通過工業(yè)系統(tǒng)中智能物體的全面互聯(lián)，獲取智能物體的工業(yè)數(shù)據(jù)，通過對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)的分析，獲取機(jī)器智能，以改善智能物體的設(shè)計(jì)、制造與使用，提高工業(yè)生產(chǎn)力。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)包括5個(gè)部分：①全面互聯(lián)的工業(yè)系統(tǒng)中大量的智能物體；②具有知識(shí)的工作人員；③互聯(lián)網(wǎng)；④工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)；⑤工業(yè)數(shù)據(jù)的分析工具。

這里的智能物體指具有通信能力、可以連接到互聯(lián)網(wǎng)的物理世界中的物體和動(dòng)物，包括計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、智慧灰塵、具有通信功能的各類機(jī)器、傳感器等。智能物體具有下列特征：①具有通信能力，可以連接到互聯(lián)網(wǎng)；②具有唯一標(biāo)識(shí)；③能獲取關(guān)于自身、其他物體或環(huán)境的感知數(shù)據(jù)并能將其傳送到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是實(shí)現(xiàn)智能物體全面互聯(lián)的互聯(lián)網(wǎng)，關(guān)鍵是通過感知技術(shù)獲得的大量工業(yè)數(shù)據(jù)，前提是強(qiáng)大的計(jì)算與存儲(chǔ)能力，核心是對(duì)工業(yè)大數(shù)據(jù)的分析，結(jié)果是通過分析獲得的新的機(jī)器智能，并用以改善智能物體的設(shè)計(jì)、制造與使用，提高工業(yè)效率。

2.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展建立在最近幾十年發(fā)展起來的物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的基礎(chǔ)之上。

物聯(lián)網(wǎng)是由MIT Auto-ID中心Ashton教授于1999年在研究RFID時(shí)最早提出來的。2005年國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布的物聯(lián)網(wǎng)報(bào)告中，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的定義和范圍進(jìn)行了拓展：通過射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的核心是感知。

互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)，它由全球范圍內(nèi)幾百萬個(gè)私人的、學(xué)術(shù)界的、企業(yè)的和政府的網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成，通過電子、無線和光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等一系列廣泛的技術(shù)聯(lián)系在一起。這些網(wǎng)絡(luò)以TCP/IP協(xié)議族相連，鏈接全世界幾十億個(gè)設(shè)備，形成了互相連接的巨大網(wǎng)絡(luò)?；ヂ?lián)網(wǎng)的核心是連接。

云計(jì)算是最近10多年來發(fā)展起來的新的計(jì)算技術(shù)。它的核心在于通過網(wǎng)絡(luò)把多個(gè)成本相對(duì)較低的普通計(jì)算機(jī)服務(wù)器整合成一個(gè)具有強(qiáng)大計(jì)算能力的系統(tǒng)，并借助SaaS、PaaS、IaaS、MSP等先進(jìn)的商業(yè)模式把這強(qiáng)大的計(jì)算能力按照用戶變化的需求以可伸縮的方式分布到終端用戶手中。云計(jì)算使得存儲(chǔ)和計(jì)算能力變成了一種基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，人們可以購(gòu)買存儲(chǔ)和計(jì)算能力，按照實(shí)際使用量付費(fèi)。

現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于大數(shù)據(jù)分析的機(jī)器學(xué)習(xí)方法從20世紀(jì)70年代開始起步，在80、90年代得到緩慢但穩(wěn)步的發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)后，由于互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，使得可用的數(shù)據(jù)量劇增，機(jī)器學(xué)習(xí)方法的優(yōu)勢(shì)越來越明顯，最終完成了從量變到質(zhì)變的飛躍。由于數(shù)據(jù)量的增加，計(jì)算機(jī)如今已經(jīng)解決了很多需要類似人類智能才能完成的事情。

2.3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)模型

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將所有智能物體接入互聯(lián)網(wǎng)，通過互聯(lián)網(wǎng)連接起來。運(yùn)用物體感知技術(shù)，采集智能物體的標(biāo)識(shí)、位置、狀態(tài)、場(chǎng)景數(shù)據(jù)，通過互聯(lián)網(wǎng)快速傳輸?shù)焦I(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。利用云計(jì)算技術(shù)提供的低成本的龐大計(jì)算能力，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上的大數(shù)據(jù)分析工具對(duì)采集到的智能物體的海量工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲取工業(yè)智能，并將其反饋到智能物體的設(shè)計(jì)、制造、使用中，達(dá)到提高工業(yè)生產(chǎn)率的結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)提高人類社會(huì)生產(chǎn)力、改善人類生活的目的。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包括4個(gè)部分：感知識(shí)別層、網(wǎng)絡(luò)連接層、平臺(tái)匯聚層、數(shù)據(jù)分析層，見圖1。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

感知識(shí)別層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)層。感知層是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的皮膚和五官，用于識(shí)別物體、采集信息。感知層解決的是人類世界和物理世界的數(shù)據(jù)獲取問題，它通過物體感知技術(shù)，采集智能物體的標(biāo)識(shí)、位置、狀態(tài)、場(chǎng)景等工業(yè)數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)連接層解決的是智能物體的接入和感知識(shí)別層獲得數(shù)據(jù)的傳輸問題。網(wǎng)絡(luò)連接層是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)系統(tǒng)，用于將各類智能物體通過有線或無線方式接入互聯(lián)網(wǎng)，并將感知識(shí)別層獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦I(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的四層模型中，網(wǎng)絡(luò)連接層接駁感知識(shí)別層和平臺(tái)層，起到傳輸管道的作用。

平臺(tái)匯聚層匯聚工業(yè)數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)和供數(shù)據(jù)分析的計(jì)算能力。平臺(tái)匯聚層是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的大腦，用于接受并存儲(chǔ)從感受認(rèn)知層獲取的工業(yè)數(shù)據(jù)，同時(shí)集聚大量的計(jì)算機(jī)服務(wù)器，提供強(qiáng)大的計(jì)算能力。

數(shù)據(jù)分析層提供各類智能物體工業(yè)數(shù)據(jù)的分析工具。數(shù)據(jù)分析層利用平臺(tái)層提供的強(qiáng)大的低成本的計(jì)算能力，對(duì)感知識(shí)別層獲得的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從中獲得機(jī)器智能，并反饋到設(shè)計(jì)、制造、使用的工業(yè)過程中，達(dá)到提高效率、提高生產(chǎn)力的目的。數(shù)據(jù)分析層是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心。

數(shù)據(jù)分析層各類數(shù)據(jù)分析工具主要采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，對(duì)感知識(shí)別層獲得的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得機(jī)器智能。主要解決3類問題：

（1）預(yù)測(cè)。通過把機(jī)器學(xué)習(xí)算法運(yùn)用到海量的數(shù)據(jù)上來預(yù)測(cè)事情發(fā)生的可能性。在工業(yè)上，機(jī)器智能可以用來預(yù)測(cè)機(jī)器的工作情況，在機(jī)器出現(xiàn)故障征兆時(shí)發(fā)出預(yù)警，從而可以在故障發(fā)生前消除故障因素，避免故障的發(fā)生。

（2）分析。機(jī)器智能的一個(gè)重要應(yīng)用是其提供的分析能力。對(duì)于許多工業(yè)上的復(fù)雜問題，人類目前還無法對(duì)其構(gòu)造模型。通過使用大數(shù)據(jù)分析方法，可以幫助我們對(duì)復(fù)雜問題進(jìn)行分析，找到問題的解決方案。

（3）反饋。機(jī)器智能的反饋是將通過工業(yè)大數(shù)據(jù)分析獲得的結(jié)果反饋到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，從而改進(jìn)下一代的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

2.4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展

自2012年美國(guó)通用電氣公司提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的白皮書后，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展得到了各國(guó)政府和許多企業(yè)的重視。2014年美國(guó)成立了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟”，2016年我國(guó)也成立了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”，積極推動(dòng)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

3 物體感知技術(shù)

物體感知技術(shù)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。通過物體感知技術(shù)，人們可以采集智能物體的身份標(biāo)識(shí)、位置、狀態(tài)、場(chǎng)景等工業(yè)數(shù)據(jù)。大量的工業(yè)數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳送到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，經(jīng)過平臺(tái)的大數(shù)據(jù)分析工具，可以獲取知識(shí)，產(chǎn)生機(jī)器智能，并反饋到工業(yè)系統(tǒng)中，提高生產(chǎn)效率。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究與發(fā)展，在物體的感知技術(shù)上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。使用物體感知技術(shù)對(duì)智能物體主要采集4類工業(yè)數(shù)據(jù)，即物體的標(biāo)識(shí)、狀態(tài)、場(chǎng)景、位置。相對(duì)應(yīng)的感知技術(shù)包括物體標(biāo)識(shí)技術(shù)、狀態(tài)獲取技術(shù)、場(chǎng)景記錄技術(shù)和位置定位技術(shù)。

3.1 物體標(biāo)識(shí)技術(shù)

物體標(biāo)識(shí)主要用來給每一個(gè)物體確定一個(gè)唯一的編號(hào)，并通過一個(gè)便捷的方法來識(shí)別該編號(hào)，就像人的身份證一樣，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，每個(gè)智能物體都會(huì)有一個(gè)自己的唯一標(biāo)識(shí)，通過這個(gè)標(biāo)識(shí)，可以追蹤其制造、銷售、使用的全生命周期信息。常用的物體標(biāo)識(shí)技術(shù)包括條形碼、二維碼、RFID等技術(shù)。

條形碼是人類歷史上第一個(gè)大規(guī)模使用的物體標(biāo)識(shí)技術(shù)。目前世界上通用的條形碼分為在美國(guó)和加拿大通用的UPC和在其他地方廣泛使用的EAN。條形碼技術(shù)具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：①輸入速度快，通過使用條形碼掃描器，可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)數(shù)據(jù)輸入；②可靠性高，采用條形碼技術(shù)誤碼率低于百萬分之一；③普及率高，條形碼掃描器已在全世界的超市中普及。

條形碼技術(shù)的主要缺點(diǎn)包括：①數(shù)據(jù)容量較小（30個(gè)字符左右，只能包含字母和數(shù)字）；②條形碼尺寸相對(duì)較大（空間利用率較低）；③條形碼遭到損壞后不能閱讀。

因?yàn)闂l形碼所能表示的信息比較少，只有4～5位數(shù)字表示商品代碼，因此條形碼只能表示商品種類，而不能作為單個(gè)商品的標(biāo)識(shí)，不能作為智能物體的身份標(biāo)識(shí)。

為了解決條形碼所能表示的信息比較少的問題，在一維條碼的基礎(chǔ)上擴(kuò)展出另一維具有可讀性的條碼，也稱為二維碼。二維碼使用黑白矩形圖案表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其長(zhǎng)度、寬度均記載著數(shù)據(jù)。二維碼具有條碼技術(shù)的一些共性：每種碼制有其特定的字符集；每個(gè)字符占有一定的寬度。二維碼有一維條碼沒有的“定位點(diǎn)”和“容錯(cuò)機(jī)制”。容錯(cuò)機(jī)制使得即使沒有辨識(shí)到全部條碼或條碼有污損時(shí)，也可以正確地還原條碼上的信息。二維碼還具有對(duì)不同行的信息自動(dòng)識(shí)別及處理圖形旋轉(zhuǎn)變化等特點(diǎn)。

漢信碼是我國(guó)擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型二維碼，是中國(guó)物品編碼中心承擔(dān)的國(guó)家“十五”重大科技專項(xiàng)——《二維碼新碼制開發(fā)與關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究》的研發(fā)成果。中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《漢信碼》于2005年12月完成國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定工作，2007年8月23日《漢信碼》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)正式頒布，并于2008年2月1日正式實(shí)施。《漢信碼》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為GB/T 21049－2007。

因?yàn)槎S碼的信息容量大，二維碼可以為全世界所有智能物體提供單一標(biāo)識(shí)，可以作為智能物體的身份證。二維碼也可以提供商品的網(wǎng)頁(yè)鏈接。智能手機(jī)的廣泛應(yīng)用大大促進(jìn)了二維碼的普及。通過手機(jī)的二維碼掃描功能，可以快速獲取二維碼中存儲(chǔ)的信息。

射頻識(shí)別RFID技術(shù)是一種通過無線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需在識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸的通信技術(shù)。

射頻識(shí)別系統(tǒng)包括RFID標(biāo)簽、閱讀器和數(shù)據(jù)管理三個(gè)部分。射頻辨識(shí)系統(tǒng)將標(biāo)簽附著在要辨識(shí)的物體上。射頻識(shí)別閱讀器發(fā)出一個(gè)加密的無線信號(hào)來詢問標(biāo)簽。標(biāo)簽收到信號(hào)后用它本身的串行號(hào)和其他信息來回應(yīng)它。閱讀器非接觸地讀取RFID標(biāo)簽的信息，并通過網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)連接，從而完成對(duì)電子標(biāo)簽信息的獲取、解碼、識(shí)別和數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)和管理，并可以對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行讀寫控制。

RFID是一項(xiàng)易于操控，簡(jiǎn)單實(shí)用且特別適合用于自動(dòng)化控制的靈活性應(yīng)用技術(shù)，可自由工作在各種惡劣環(huán)境下：短距離射頻產(chǎn)品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境；長(zhǎng)距射頻產(chǎn)品多用于交通上，識(shí)別距離可達(dá)幾十米，如自動(dòng)收費(fèi)或識(shí)別車輛身份等。

3.2 狀態(tài)獲取技術(shù)

狀態(tài)獲取技術(shù)指通過開發(fā)和運(yùn)用傳感器，獲取物體物理狀態(tài)的技術(shù)。機(jī)器的物理狀態(tài)數(shù)據(jù)是工業(yè)大數(shù)據(jù)里非常重要的數(shù)據(jù)，通過對(duì)物理狀態(tài)數(shù)據(jù)的分析可以了解機(jī)器的工作狀態(tài)，預(yù)測(cè)機(jī)器未來的工作性能。

傳感器是能感受被測(cè)物理量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。傳感器通常把物體狀態(tài)物理量（如速度、加速度、壓力、溫度、濕度、流量）轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量、傳輸、處理的電學(xué)量（如電壓、電流、電容）。傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測(cè)量電路組成，有時(shí)還包括輔助電源。根據(jù)傳感器的工作原理，可將其分為物理傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器三大類。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，大量的傳感器會(huì)被使用到物體中。這些傳感器會(huì)使得人類更清楚地了解智能物體的狀態(tài)信息。

3.3 場(chǎng)景記錄技術(shù)

場(chǎng)景記錄技術(shù)指通過成像方法來記錄場(chǎng)景的技術(shù)。圖像是記錄場(chǎng)景的最佳辦法，圖像包含非常豐富的信息，遠(yuǎn)非文字描述可比。

常用的光電傳感器包括CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器。目前CCD在影像品質(zhì)等各方面均優(yōu)于CMOS，但CMOS具有低成本、低耗電以及高整合度的特性。新一代的CCD以降低耗電量作為改進(jìn)目標(biāo)，以期進(jìn)入照相手機(jī)的移動(dòng)通信市場(chǎng)。CMOS系列，則開始朝向大尺寸面積與高速影像處理晶片統(tǒng)合，藉由后續(xù)的影像處理修正噪點(diǎn)以及畫質(zhì)表現(xiàn)。目前CMOS圖像傳感器主要應(yīng)用于小尺寸、低價(jià)格、攝像質(zhì)量無過高要求的場(chǎng)合，如保安用小型、微型相機(jī)、手機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議系統(tǒng)、無線手持式視頻會(huì)議系統(tǒng)、條形碼掃描器、傳真機(jī)、玩具、生物顯微計(jì)數(shù)、某些車用攝像系統(tǒng)等大量商用領(lǐng)域。隨著制造技術(shù)不斷地更新，CMOS圖像傳感器的影像品質(zhì)不斷提高。有人預(yù)測(cè)，CMOS圖像傳感器可能將在未來3～5年內(nèi)代替CCD圖像傳感器而成為市場(chǎng)主流圖像傳感器產(chǎn)品。

數(shù)碼相機(jī)是一種利用電子傳感器把光學(xué)影像轉(zhuǎn)換成電子數(shù)據(jù)的照相機(jī)，它集成了影像信息的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和傳輸?shù)炔考?，具有?shù)字化存取模式，與電腦交互處理和實(shí)時(shí)拍攝等特點(diǎn)。光線通過鏡頭或者鏡頭組進(jìn)入相機(jī)，通過數(shù)碼相機(jī)成像元件轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)通過影像運(yùn)算芯片儲(chǔ)存在存儲(chǔ)設(shè)備中。數(shù)碼相機(jī)的成像元件是CCD圖像傳感器或CMOS傳感器。數(shù)碼相機(jī)的大規(guī)模普及尤其是智能手機(jī)將數(shù)碼相機(jī)的功能結(jié)合進(jìn)手機(jī)的設(shè)計(jì)后，拍照和視頻成為了人們記錄場(chǎng)景的最有效的方法。人們不但將場(chǎng)景記錄下來，而且還通過社交軟件與他人分享。大量的分享的圖片和視頻為場(chǎng)景的大數(shù)據(jù)分析提供了豐盛的原料。

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)由網(wǎng)絡(luò)編碼模塊和光學(xué)成像模塊組合而成。光學(xué)成像模塊把光學(xué)圖象信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，以便于存儲(chǔ)或傳輸。當(dāng)我們拍攝一個(gè)物體時(shí)，此物體上反射的光被攝像機(jī)鏡頭收集，使其聚焦在攝像器件的受光面上，再通過CCD或CMOS圖像傳感器把光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，即得到了“視頻信號(hào)”。光電信號(hào)很微弱，需通過預(yù)放電路進(jìn)行放大，再經(jīng)過各種電路進(jìn)行處理和調(diào)整，最后得到標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)編碼模塊將光學(xué)成像模塊采集到的模擬視頻信號(hào)編碼壓縮成數(shù)字信號(hào)，從而可以直接接入網(wǎng)絡(luò)交換及路由設(shè)備。

3.4 位置定位技術(shù)

位置定位技術(shù)指獲取和記載物體位置的技術(shù)。位置包含了和物體有關(guān)的坐標(biāo)。坐標(biāo)可以是二維或三維的，通常包含了物體所在位置的經(jīng)度和緯度的有關(guān)信息。

物體在室外空曠環(huán)境下的位置獲取通常采用衛(wèi)星定位，其基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。要達(dá)到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過記錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)間，再將其乘以光速得到。常用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為美國(guó)的GPS系統(tǒng)和我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

衛(wèi)星定位技術(shù)較好地解決了物體在室外空曠環(huán)境下的位置獲取問題。但在如隧道、地下停車場(chǎng)、室內(nèi)等許多環(huán)境下，接受終端常常無法獲得充分的衛(wèi)星信號(hào)。而且衛(wèi)星定位的民間應(yīng)用的精度只能達(dá)到10米左右，對(duì)許多應(yīng)用場(chǎng)合這樣的精度無法達(dá)到要求。因此需要使用其他定位技術(shù)作為衛(wèi)星定位的輔助定位，解決衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)地面時(shí)較弱、不能穿透建筑物和衛(wèi)星定位精度比較低的問題。常用的其他定位方法包括：WiFi定位、藍(lán)牙定位、RFID射頻識(shí)別定位、超寬帶定位、紅外線定位、超聲波定位、基站定位、ZigBee定位技術(shù)。

4 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生，使得人類信息的傳遞發(fā)生了革命性的改變。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代智能物體通過物體感知技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)可以在瞬間從地球的一端傳輸?shù)搅硪欢?。最近幾年來，無線通信技術(shù)和光纖通信的發(fā)展大大提高了互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度，為海量數(shù)據(jù)的傳輸提供了高速通道。人類在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)上的進(jìn)步，使得人類可以將大量的工業(yè)數(shù)據(jù)快速地傳輸?shù)焦I(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，為步入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代提供了數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕煌ㄒ馈?/p>

數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)包括兩個(gè)部分，一是在互聯(lián)網(wǎng)中將數(shù)據(jù)快速傳遞的技術(shù)，二是將智能物體接入互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)。

4.1 互聯(lián)網(wǎng)的基本原理

互聯(lián)網(wǎng)是多個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相互連接而成的一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)，它們通過電子、無線和光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等一系列廣泛的技術(shù)聯(lián)系在一起。這些網(wǎng)絡(luò)以TCP/IP協(xié)議族相連，連接各種智能物體，形成了互相連接的巨大網(wǎng)絡(luò)。

按照美國(guó)聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)委員會(huì)的“互聯(lián)網(wǎng)定義”，互聯(lián)網(wǎng)是全球性的，互聯(lián)網(wǎng)上的每一臺(tái)主機(jī)都需要有“地址”，這些主機(jī)必須按照TCP/IP協(xié)議連接在一起。

1993年美國(guó)科學(xué)基金會(huì)將中央主干網(wǎng)結(jié)構(gòu)改為通過網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)（NAP）的多主干網(wǎng)結(jié)構(gòu)，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間可以通過網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)而互相連接，互聯(lián)網(wǎng)逐步發(fā)展成為網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)之間所串連成的平等的龐大網(wǎng)絡(luò)。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)已被互聯(lián)網(wǎng)交換點(diǎn)（IXP）所取代，互聯(lián)網(wǎng)提供商（ISP）之間的網(wǎng)絡(luò)通過互聯(lián)網(wǎng)交換點(diǎn)而直接連接，從而可以提高速度、減少延遲、增加帶寬。目前世界上有上百個(gè)互聯(lián)網(wǎng)交換點(diǎn)，在每個(gè)互聯(lián)網(wǎng)交換點(diǎn)中，有多臺(tái)以太網(wǎng)交換機(jī)。

目前互聯(lián)網(wǎng)大致上可分為5個(gè)接入級(jí)：①互聯(lián)網(wǎng)交換點(diǎn)IXP；②國(guó)家主干網(wǎng)（主干ISP）；③地區(qū)互聯(lián)網(wǎng)提供商ISP；④本地互聯(lián)網(wǎng)提供商ISP；⑤校園網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)或PC機(jī)上網(wǎng)用戶。

通過各個(gè)局域網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)提供商、互聯(lián)網(wǎng)交換點(diǎn)、全世界的互聯(lián)網(wǎng)用戶可以互相連接。據(jù)估計(jì)，2016年底全世界互聯(lián)網(wǎng)用戶已達(dá)34億人。隨著大量智能設(shè)備的加入，這個(gè)數(shù)量會(huì)在近年內(nèi)迅速增加。

互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生得益于三大關(guān)鍵技術(shù)的突破，即分組交換技術(shù)、接口信息處理機(jī)與TCP/IP協(xié)議。

4.2 有線傳輸技術(shù)

智能物體接入互聯(lián)網(wǎng)通常采用有線或無線兩種方法。當(dāng)它們被接入互聯(lián)網(wǎng)后，數(shù)據(jù)的傳輸都采用有線的方式。這主要是由于有線傳輸受干擾小，傳輸速度快。

目前互聯(lián)網(wǎng)的傳輸設(shè)備平均每1～2年要全面升級(jí)一次，其骨干網(wǎng)的帶寬每6～9個(gè)月翻一番。傳輸技術(shù)的發(fā)展為互聯(lián)網(wǎng)提供了越來越大的數(shù)據(jù)通道，確保了互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展。

傳輸介質(zhì)是連接通信設(shè)備、為通信設(shè)備之間提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢硗ǖ?，是?shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)際載體。很多介質(zhì)都可以作為通信中使用的傳輸介質(zhì)，但這些介質(zhì)本身有不同的屬性，適用于不同的環(huán)境條件。在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中最常用的有線傳輸介質(zhì)為雙絞線和光纖。

雙絞線是由一對(duì)帶有絕緣層的銅線以螺旋的方式纏繞在一起構(gòu)成的，通常雙絞線電纜由一對(duì)或多對(duì)這樣的雙絞線對(duì)組成。絕緣材料使兩根線中的金屬導(dǎo)體不會(huì)因?yàn)榛ヅ龆鴮?dǎo)致電路短路。雙絞線通常用于傳輸平衡信號(hào)。與其他傳輸介質(zhì)相比，雙絞線在傳輸距離、信道寬度和數(shù)據(jù)傳輸速度等方面均受到一定限制，但價(jià)格較為低廉。通常計(jì)算機(jī)和其他互聯(lián)網(wǎng)終端與網(wǎng)絡(luò)的連接都使用雙絞線。

光纖通信是以光波作為信息載體、以光纖作為傳輸媒介的一種通信方式。光纖以其傳輸頻帶寬、抗干擾性高和信號(hào)衰減小的特點(diǎn)，成為互聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)的主要傳輸介質(zhì)。

在使用光纖傳遞信息時(shí)，在發(fā)送端首先要把傳送的數(shù)據(jù)變成電信號(hào)，然后調(diào)制到激光器發(fā)出的激光束上，使光的強(qiáng)度隨電信號(hào)的幅度（頻率）變化而變化，并通過光纖發(fā)送出去；在接收端，檢測(cè)器收到光信號(hào)后把它變換成電信號(hào)，經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)原數(shù)據(jù)。

1991年Lucent公司發(fā)明的DWDM技術(shù)，利用單模光纖的帶寬以及低損耗的特性，采用多個(gè)波長(zhǎng)作為載波，允許各載波信道在光纖內(nèi)同時(shí)傳輸，從而可以在現(xiàn)有的光纖骨干網(wǎng)上提高帶寬。目前的DWDM系統(tǒng)可提供16/20波或32/40波的單纖傳輸容量，最大可到160波，商業(yè)應(yīng)用速率可以達(dá)到3.2 Tbit/s。

互聯(lián)網(wǎng)是由一個(gè)個(gè)局域網(wǎng)連接而組成的，在局域網(wǎng)中通常采用以太網(wǎng)技術(shù)。目前以太網(wǎng)接口速率最快可以達(dá)到100 Gbit/s。支撐100G以太網(wǎng)接口的關(guān)鍵技術(shù)主要包含物理層（PHY）通道匯聚技術(shù)、多光纖通道及波分復(fù)用（WDM）技術(shù)，物理介質(zhì)相關(guān)（PMD）子層滿足100 Gbit/s帶寬，新的芯片技術(shù)支持到40nm工藝，這些技術(shù)為開發(fā)下一代高速接口提供了可能。

4.3 無線通信技術(shù)

無線通信技術(shù)在信號(hào)發(fā)射設(shè)備上通過調(diào)制將信息加載于無線電波之上。當(dāng)電波通過空間傳播到達(dá)收信端時(shí)，電波引起的電磁場(chǎng)變化又會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流，通過解調(diào)將信息從電流變化中提取出來，從而達(dá)到信息傳遞的目的。無線通信的終端部分使用電磁波作為傳輸媒質(zhì)，具有成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、擴(kuò)展性好、連接便捷等優(yōu)點(diǎn)。常見的無線傳輸技術(shù)為蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)和無線局域網(wǎng)技術(shù)。

早期的無線通信系統(tǒng)在其覆蓋區(qū)域中心設(shè)置大功率的發(fā)射機(jī)，采用高架天線把信號(hào)發(fā)送到整個(gè)半徑可達(dá)幾萬米的覆蓋地區(qū)。這種系統(tǒng)的主要缺陷是它同時(shí)能提供給用戶使用的信道數(shù)極為有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶的需要。

20世紀(jì)70年代由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的蜂窩概念解決了這個(gè)問題。蜂窩系統(tǒng)把整個(gè)服務(wù)區(qū)域劃分成若干個(gè)六角形的小區(qū)，形成了形狀酷似蜂窩的結(jié)構(gòu)。許多小區(qū)像蜂窩一樣能布滿任意形狀的服務(wù)地區(qū)。蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)在每個(gè)小區(qū)設(shè)一個(gè)基站，各小區(qū)均用小功率的基站發(fā)射機(jī)進(jìn)行覆蓋，每個(gè)基站只管理本小區(qū)范圍內(nèi)的移動(dòng)臺(tái)。各個(gè)基站通過核心網(wǎng)的移動(dòng)交換中心進(jìn)行通信。蜂窩的概念大大提高了系統(tǒng)容量，解決了公用移動(dòng)通信系統(tǒng)要求容量大與頻率資源有限的矛盾。

目前無線通信通常采用基于LTE的第四代移動(dòng)通信技術(shù)（4G）。使用4G LTE，理論下行最大傳輸速率可達(dá)201 Mbit/s，除去信令開銷后大概為150 Mbit/s。根據(jù)實(shí)際組網(wǎng)以及終端能力限制，一般情況下用戶下行峰值速率為100 Mbit/s，上行峰值速率為50 Mbit/s。

第5代移動(dòng)通信技術(shù)5G將在2020年左右全面啟用。5G技術(shù)將具有高速度、低時(shí)延、低功耗的特點(diǎn)。預(yù)計(jì)5G技術(shù)在傳輸速度上會(huì)得到大幅度的提高，理論峰值會(huì)達(dá)到20 Gbit/s。實(shí)際實(shí)施中，在低速移動(dòng)下傳輸速率會(huì)達(dá)到10 Gbit/s，在高速移動(dòng)下傳輸速率會(huì)達(dá)到1 Gbit/s。5G移動(dòng)技術(shù)的全面推廣將實(shí)現(xiàn)智能物體與互聯(lián)網(wǎng)的全面連接。大幅度提高的傳輸速度使得大量的通過物體感知技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)可以迅速地被傳輸?shù)焦I(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。大幅度降低的時(shí)延使得許多需要快速反應(yīng)的應(yīng)用如無人汽車、智慧交通等應(yīng)用可以通過無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

2016年6月，3GPP組織（移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)體）將NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議確定為物聯(lián)網(wǎng)通信的全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，能降低部署成本，實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。NB-IoT是IoT領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWA）。NB-IoT支持待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較高的設(shè)備的高效連接。

無線局域網(wǎng)將無線通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，通過無線信道來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信，提供有線局域網(wǎng)的功能。通過局域網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的連接，無線局域網(wǎng)使得用戶獲得隨時(shí)、隨地、隨意的寬帶網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。最新的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.11ac理論最高速率能達(dá)到6.93 Gbit/s，真正可以使用的數(shù)據(jù)速率為1.56 Gbit/s。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，絕大多數(shù)的智能物體將通過無線傳輸方式接入互聯(lián)網(wǎng)，其主要原因在于：有些智能物體本身在不斷改變位置，如智能手機(jī)、汽車、火車等；有些智能物體必須在野外工作，不方便通過有線連接，如布置在森林、海洋或農(nóng)田里的傳感器和設(shè)備；更多智能物體通過無線連接成本更低。根據(jù)智能物體的功能與應(yīng)用，它們將以不同的速率接入互聯(lián)網(wǎng)。不同的接入速率將使用不同的無線傳輸技術(shù)。

（1）低速率業(yè)務(wù)。絕大多數(shù)的傳感器和智能物體都屬于這一類。此類設(shè)備使用的頻次很低，傳送的數(shù)據(jù)少，但總數(shù)非常大。對(duì)于這類應(yīng)用，窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)由于其功耗低，可連接設(shè)備數(shù)高，覆蓋范圍廣，將成為這類業(yè)務(wù)的首選。

（2）高速率業(yè)務(wù)。例如移動(dòng)手機(jī)、車載設(shè)備和移動(dòng)監(jiān)控?cái)z像頭，其業(yè)務(wù)特點(diǎn)要求實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。這類應(yīng)用將主要使用4G、5G或WLAN技術(shù)。

（3）中等速率業(yè)務(wù)。這類應(yīng)用使用頻率高但傳送的數(shù)據(jù)量不太高，例如各類家用電器、許多傳送頻率比較高的傳感器等。這類應(yīng)用將主要使用GPRS、WLAN技術(shù)。

4.4 互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，一些固定而且需要高傳輸速率的智能物體（如機(jī)床、攝像頭、臺(tái)式計(jì)算機(jī)）將使用以太網(wǎng)接口連接到企業(yè)網(wǎng)，其他位置不固定（如手機(jī)、汽車或位置固定但對(duì)傳輸速率要求不高）的將通過無線通信方式接入企業(yè)網(wǎng)，如圖2所示。這些企業(yè)網(wǎng)、校園網(wǎng)會(huì)通過本地ISP、地區(qū)ISP連接到主干ISP，主干ISP之間通過互聯(lián)網(wǎng)交換點(diǎn)相連接。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，所有的智能物體都會(huì)通過類似的方式連接到互聯(lián)網(wǎng)，與其他的智能物體和使用智能終端的人相連。

圖2 互聯(lián)網(wǎng)連接示意圖

5 平臺(tái)構(gòu)造技術(shù)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái)匯聚層主要負(fù)責(zé)匯聚、存儲(chǔ)智能物體通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)暮Ａ繑?shù)據(jù)，提供計(jì)算能力對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將分析所獲得的知識(shí)和機(jī)器智能反饋給智能物體和相關(guān)人員。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的構(gòu)造通常基于云計(jì)算技術(shù)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心部分，它為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供智能物體工業(yè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)能力，提供對(duì)海量工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、獲得機(jī)器智能的計(jì)算能力。

5.1 計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展

1936年，阿蘭·圖靈提出了一種抽象的計(jì)算模型——圖靈機(jī)，提供了一個(gè)可以實(shí)施的數(shù)學(xué)模型，為人類研發(fā)計(jì)算機(jī)指明了道路。1945年馮·諾依曼起草了《關(guān)于EDVAC的報(bào)告草案》的長(zhǎng)達(dá)101頁(yè)的報(bào)告，報(bào)告廣泛而具體地介紹了制造電子計(jì)算機(jī)和程序設(shè)計(jì)的新思想。馮·諾依曼解決了如何設(shè)計(jì)和制造計(jì)算機(jī)的問題，他提出的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)一直延續(xù)至今。1946年，世界上第一臺(tái)通用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC在美國(guó)誕生。自1946年至今的70多年里，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，經(jīng)過了電子管、晶體管、集成電路（IC）和超大規(guī)模集成電路（VLSI）四個(gè)階段。計(jì)算機(jī)的體積越來越小，功能越來越強(qiáng)，價(jià)格越來越低，應(yīng)用越來越廣泛。

大規(guī)模集成電路技術(shù)帶來了微處理器的進(jìn)步，促成了個(gè)人計(jì)算機(jī)的誕生。最早獲得廣泛使用的個(gè)人計(jì)算機(jī)是美國(guó)蘋果公司1977年推出的蘋果Ⅱ型計(jì)算機(jī)。1981年8月12日IBM推出了IBM5150的首臺(tái)IBM PC，到1983年，IBM PC占領(lǐng)了個(gè)人計(jì)算機(jī)的主要市場(chǎng)。IBM在推出IBM5150的同時(shí)，附帶了技術(shù)參考手冊(cè)，公布了產(chǎn)品的技術(shù)細(xì)節(jié)，這使得一大批IBM兼容機(jī)被迅速推向市場(chǎng)，促進(jìn)了個(gè)人計(jì)算機(jī)的普及。到2016年，全球個(gè)人計(jì)算機(jī)年銷量達(dá)到了2.69億臺(tái)。

集成電路是20世紀(jì)50年代后期發(fā)展起來的一種新型半導(dǎo)體器件，它經(jīng)過氧化、光刻、擴(kuò)散、外延、蒸鋁等半導(dǎo)體制造工藝，把構(gòu)成具有一定功能的電路所需的半導(dǎo)體、電阻、電容等元件及它們之間的連接導(dǎo)線全部集成在一小塊硅片上，然后焊接封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)，組成一個(gè)整體。集成電路的規(guī)模生產(chǎn)能力、可靠性、電路設(shè)計(jì)的模塊化方法使得它迅速代替了離散晶體管。集成電路是微處理器、存儲(chǔ)器、控制器的核心，集成電路技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了計(jì)算機(jī)的發(fā)展。雖然設(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè)復(fù)雜集成電路的成本非常高，但是當(dāng)分散到通常以百萬計(jì)的產(chǎn)品上時(shí)，每個(gè)集成電路的單位成本很低。

Intel的聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾在1975年提出：集成電路上可容納的晶體管數(shù)目約每隔24個(gè)月便會(huì)增加一倍。后來這個(gè)時(shí)間被他的同事修改為18個(gè)月，被稱為“摩爾定律”。摩爾定律指出，在相同面積的晶圓下生產(chǎn)同樣規(guī)格的IC，隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，每隔一年半，IC產(chǎn)出量就可增加一倍，換算為成本，即每隔一年半成本可降低一半，或同樣價(jià)格能買到的電腦性能，每隔18個(gè)月翻一倍。摩爾定律是簡(jiǎn)單評(píng)估半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)展的經(jīng)驗(yàn)法則，半導(dǎo)體行業(yè)大致按照摩爾定律發(fā)展了半個(gè)多世紀(jì)。摩爾定律的實(shí)質(zhì)在于50年內(nèi)產(chǎn)生了8個(gè)數(shù)量級(jí)的進(jìn)步。50年前1百萬元的計(jì)算能力與存儲(chǔ)資源現(xiàn)在只要花1分錢就可以獲得。硬件技術(shù)的快速發(fā)展與硬件成本的快速下降使得我們具有了搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、對(duì)海量工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的硬件基礎(chǔ)。

5.2 云計(jì)算

云計(jì)算是網(wǎng)格計(jì)算、分布式計(jì)算、并行計(jì)算、效用計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、虛擬化、負(fù)載平衡等傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物，它旨在通過網(wǎng)絡(luò)把多個(gè)成本相對(duì)較低的普通計(jì)算機(jī)服務(wù)器整合成一個(gè)具有強(qiáng)大計(jì)算能力的系統(tǒng)，并借助SaaS、PaaS、IaaS、MSP 等先進(jìn)的商業(yè)模式把強(qiáng)大的計(jì)算能力按照用戶變化的需求以可伸縮的方式分布到終端用戶手中。云計(jì)算的出現(xiàn)可以改變企業(yè)IT的運(yùn)作模式，未來大部分的企業(yè)將不再需要專門的IT部門。用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)向云計(jì)算平臺(tái)按照需要購(gòu)買計(jì)算能力，按照實(shí)際使用量付費(fèi)。

云計(jì)算具有虛擬化、高可靠性、按需服務(wù)、按使用計(jì)費(fèi)、可伸縮資源能力、高性價(jià)比的特點(diǎn)。云計(jì)算平臺(tái)有3種商業(yè)模式：①軟件為服務(wù)SaaS；②平臺(tái)為服務(wù)PaaS；③設(shè)施為服務(wù)IaaS。

5.3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是一個(gè)用于匯聚并存儲(chǔ)智能物體的工業(yè)數(shù)據(jù)，對(duì)海量工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得機(jī)器智能的計(jì)算平臺(tái)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通常采用云計(jì)算技術(shù)構(gòu)造，采用用戶按需使用，按計(jì)算能力的使用量付費(fèi)的方式。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通常采用IaaS或PaaS方式提供給數(shù)據(jù)分析類軟件公司，讓他們?cè)谄脚_(tái)上開發(fā)各行業(yè)專用大數(shù)據(jù)分析工具。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)采用SaaS的方式提供給工業(yè)企業(yè)，為用戶提供工業(yè)數(shù)據(jù)的分析服務(wù)。

與常用的云計(jì)算平臺(tái)類似，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)構(gòu)造使用的主要技術(shù)包括虛擬化技術(shù)、海量存儲(chǔ)技術(shù)、并行處理、數(shù)據(jù)管理技術(shù)、分布式資源管理技術(shù)、平臺(tái)系統(tǒng)管理技術(shù)。

5.4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用示例

目前國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)包括GE的Predix平臺(tái)和西門子的MindSphere平臺(tái)。

Predix是GE推出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。Predix于2015年8月向所有用戶開放，可將各種工業(yè)資產(chǎn)設(shè)備和供應(yīng)商相互連接并接入云端。GE希望Predix成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的操作系統(tǒng)。Predix的一個(gè)先天優(yōu)勢(shì)是GE龐大的工業(yè)設(shè)備產(chǎn)品線，目前世界上有超過1萬億美元的GE生產(chǎn)的工業(yè)設(shè)備正在使用中，Predix試圖首先將這些設(shè)備接入Predix工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。源于GE對(duì)其生產(chǎn)產(chǎn)品的了解，Predix在飛機(jī)引擎的健康預(yù)測(cè)等領(lǐng)域取得了較好的效果。Predix平臺(tái)上目前已推出40多種應(yīng)用，可以應(yīng)用于航空、電力、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)。

西門子MindSphere平臺(tái)是西門子面向市場(chǎng)推出的與Predix相抗衡的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，可采集生產(chǎn)資產(chǎn)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)用于價(jià)值增值分析；可實(shí)現(xiàn)諸如預(yù)防性維護(hù)、能源數(shù)據(jù)管理以及工廠資源優(yōu)化的功能。MindSphere的優(yōu)勢(shì)在于西門子是自動(dòng)化和傳動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者，裝機(jī)數(shù)量龐大，因此，在向西門子產(chǎn)品線以及使用西門子控制設(shè)備和軟件的企業(yè)的推廣上具有優(yōu)勢(shì)。

6 數(shù)據(jù)分析技術(shù)

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，工業(yè)系統(tǒng)的智能物體會(huì)連入到互聯(lián)網(wǎng)，并通過互聯(lián)網(wǎng)連接到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。通過物體感知技術(shù)獲得的大量工業(yè)數(shù)據(jù)會(huì)通過互聯(lián)網(wǎng)迅速傳送到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。使用云計(jì)算技術(shù)建立的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為大數(shù)據(jù)分析提供了強(qiáng)大的計(jì)算能力。使用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供的計(jì)算能力，對(duì)海量工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從中獲得機(jī)器智能并以此反饋到工業(yè)系統(tǒng)，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心。

6.1 數(shù)據(jù)、信息與知識(shí)

數(shù)據(jù)是可識(shí)別的、抽象的符號(hào)，信息是對(duì)世界、人或事物的描述，數(shù)據(jù)與信息是不同而又相關(guān)的概念。信息與數(shù)據(jù)既有聯(lián)系，又有區(qū)別。數(shù)據(jù)是信息的表現(xiàn)形式和載體，可以是符號(hào)、文字、數(shù)字、語音、圖像、視頻等。而信息是數(shù)據(jù)的內(nèi)涵，信息加載于數(shù)據(jù)之上，對(duì)數(shù)據(jù)作具有含義的解釋。數(shù)據(jù)和信息是不可分離的，信息依賴數(shù)據(jù)來表達(dá)，數(shù)據(jù)則具體表達(dá)信息。數(shù)據(jù)本身沒有意義，只有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得其所承載的信息才有意義。

6.2 工業(yè)數(shù)據(jù)的特征

工業(yè)數(shù)據(jù)來源于工業(yè)系統(tǒng)中人和物的活動(dòng)。從人的行動(dòng)、交往到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、銷售、使用與回收，這些活動(dòng)其實(shí)一直在進(jìn)行，只是以前缺乏感知技術(shù)去記錄，缺乏存儲(chǔ)手段去保存。當(dāng)然，更主要的原因是以前缺乏計(jì)算能力和計(jì)算方法去分析這些數(shù)據(jù)，從中獲取有用的價(jià)值。最近人類在感知技術(shù)、傳輸技術(shù)、平臺(tái)技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)上的突破，使得數(shù)據(jù)的價(jià)值越來越大，人們開始有意識(shí)地收集各類數(shù)據(jù)。

工業(yè)數(shù)據(jù)包括通過感知技術(shù)獲得的各類智能物體的標(biāo)識(shí)、狀態(tài)、位置和場(chǎng)景數(shù)據(jù)，可以分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。工業(yè)大數(shù)據(jù)的基本特征可以用4個(gè)V來表示：Volume（大體量），Variety（多樣性），Velocity（高速度），Value（高價(jià)值，低密度）。工業(yè)數(shù)據(jù)紛繁復(fù)雜、數(shù)量龐大，需要將其放入數(shù)據(jù)庫(kù)里，對(duì)其進(jìn)行組織、存儲(chǔ)和管理。目前常用的數(shù)據(jù)庫(kù)有兩類：關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)（SQL）和NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)。

6.3 工業(yè)大數(shù)據(jù)的處理技術(shù)

工業(yè)大數(shù)據(jù)由于其數(shù)量龐大，常常在PB級(jí)，而且要求快速獲得分析結(jié)果，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法無法滿足大數(shù)據(jù)分析的要求，工業(yè)大數(shù)據(jù)的分析需要采用嶄新的分析技術(shù)。目前對(duì)大數(shù)據(jù)的處理大體分為3類：①靜態(tài)數(shù)據(jù)的批量處理；②在線數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理；③圖數(shù)據(jù)的綜合處理。

6.4 機(jī)器智能

工業(yè)大數(shù)據(jù)分析的目的是獲得機(jī)器智能。智能是指?jìng)€(gè)體對(duì)客觀事物進(jìn)行合理分析、判斷及有目的地行動(dòng)和有效地處理周圍環(huán)境事宜的綜合能力。智能至少包括3個(gè)方面的能力：理解、分析、解決問題的能力；歸納推理能力和演繹推理能力；自適應(yīng)環(huán)境而生存發(fā)展的能力。

機(jī)器學(xué)習(xí)方法從20世紀(jì)70年代開始起步，在80、90年代得到緩慢但穩(wěn)步的發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)后，由于互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，使得可用的數(shù)據(jù)量劇增，機(jī)器學(xué)習(xí)方法的優(yōu)勢(shì)越來越明顯，最終完成了從量變到質(zhì)變的飛躍。由于數(shù)據(jù)量的增加，計(jì)算機(jī)如今已經(jīng)解決了很多需要類似人類智能才能做的事情。

與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析不同，在運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析時(shí)，需要遵循兩個(gè)原則：完備性原則和相關(guān)性原則。機(jī)器學(xué)習(xí)的方法可以歸納為兩大類：非監(jiān)督學(xué)習(xí)與監(jiān)督學(xué)習(xí)。

6.5 機(jī)器智能在工業(yè)中的應(yīng)用

通過工業(yè)大數(shù)據(jù)分析獲得的機(jī)器智能將成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代工業(yè)生產(chǎn)力提高的主要源泉。機(jī)器智能將會(huì)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)與人民生活的方方面面。

機(jī)器智能的核心是預(yù)測(cè)。機(jī)器智能主要是把數(shù)學(xué)算法運(yùn)用到海量的數(shù)據(jù)上以預(yù)測(cè)事情發(fā)生的可能性。在工業(yè)上，機(jī)器智能可以用來預(yù)測(cè)機(jī)器的工作情況，在機(jī)器出現(xiàn)故障征兆時(shí)發(fā)出預(yù)警，從而可以在故障發(fā)生前消除故障因素，避免故障的發(fā)生。

機(jī)器智能的一個(gè)重要應(yīng)用是其提供的分析能力。對(duì)于許多工業(yè)上的復(fù)雜問題，人類目前還無法對(duì)其構(gòu)造準(zhǔn)確模型，機(jī)器智能使用大數(shù)據(jù)，可以幫助我們對(duì)復(fù)雜問題進(jìn)行分析，找到問題的解決方案。

機(jī)器智能的反饋是指通過工業(yè)大數(shù)據(jù)分析獲得的結(jié)果會(huì)被反饋到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，從而可以改進(jìn)下一代的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。從使用過程中獲取反饋、改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是人類工匠幾千年一直遵循的原則，但只有在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，隨著感知技術(shù)的進(jìn)步，人們才能獲得產(chǎn)品在制造、銷售、使用過程中的大量數(shù)據(jù)；隨著計(jì)算能力的大幅度提高，才能具有對(duì)產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析的能力。應(yīng)用機(jī)器智能的反饋，人類將能獲得滿足個(gè)性需要的產(chǎn)品和服務(wù)。

7 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的挑戰(zhàn)與發(fā)展

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將互聯(lián)網(wǎng)延伸到工業(yè)領(lǐng)域，將工業(yè)系統(tǒng)的智能物體連入互聯(lián)網(wǎng)。通過對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)的分析，獲取機(jī)器智能，將能夠大大提高生產(chǎn)效率、提高工業(yè)生產(chǎn)力。在人類邁入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，獲得數(shù)據(jù)、信息所帶來的社會(huì)進(jìn)步的同時(shí)，人類也同時(shí)面臨著這個(gè)新的時(shí)代帶來的挑戰(zhàn)。

7.1 思維模式的變革

在農(nóng)耕時(shí)代，人們主要依賴于經(jīng)驗(yàn)思維，人們根據(jù)自身和傳承的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)事物和現(xiàn)象作出自己的假設(shè)和解釋。當(dāng)這些假設(shè)和解釋符合人們的實(shí)際觀測(cè)時(shí)，人們就把這些假設(shè)和解釋當(dāng)作知識(shí)代代遺傳下來。很多時(shí)候，人們的假設(shè)常常是錯(cuò)誤的，但只要其解釋在一定范圍內(nèi)符合人們的觀測(cè)結(jié)果，人們往往一樣認(rèn)同這些假設(shè)，把它們作為知識(shí)。經(jīng)驗(yàn)思維在過去幾千年的農(nóng)耕社會(huì)中為人們廣泛使用。

以牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律為代表的理論是工業(yè)時(shí)代的基本定律，它對(duì)許多自然現(xiàn)象的完美解釋，使得人們認(rèn)為宇宙是完全被決定的，世界變化具有確定性，從而建立了工業(yè)社會(huì)的確定性思維。人類的確定性思維在描述宏觀世界事物的規(guī)律中獲得了巨大的成功。牛頓定律、麥克斯韋方程組、愛因斯坦的相對(duì)論使用簡(jiǎn)單公式描述事物的規(guī)律。根據(jù)這些公式，人類可以確定許多事物在過去、現(xiàn)在、未來的準(zhǔn)確狀態(tài)。

當(dāng)人類的視角從宏觀世界轉(zhuǎn)入微觀世界時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)確定性思維不再適用了。世界上事物的不確定性還有另外一個(gè)來源，即現(xiàn)實(shí)事物或現(xiàn)象的復(fù)雜性。對(duì)于許多復(fù)雜的事物，我們到目前還不了解其復(fù)雜的機(jī)理，但現(xiàn)實(shí)生活需要我們做出決定。不確定性是人類社會(huì)發(fā)展到信息社會(huì)后的一個(gè)社會(huì)特點(diǎn)。人類必須盡快改變思維模式，從工業(yè)社會(huì)的確定性思維盡快轉(zhuǎn)換為不確定性思維，通過去除事物的不確定性來解決工業(yè)和社會(huì)問題。

7.2 問題與挑戰(zhàn)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代由于智能物體與人的全面互聯(lián)，將會(huì)帶來工業(yè)生產(chǎn)率的提高，但同時(shí)也會(huì)帶來隱私的消失和安全的隱患。這個(gè)新的時(shí)代還會(huì)帶來工作與就業(yè)的挑戰(zhàn)。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，因?yàn)樗兄悄芪矬w都會(huì)將收集的數(shù)據(jù)傳送到某個(gè)平臺(tái)，由于大數(shù)據(jù)的多維度和全面性的特點(diǎn)，它可以從很多看似支離破碎的信息中復(fù)原一個(gè)人或者一個(gè)組織的全貌，并且可以了解到個(gè)人生活的細(xì)節(jié)或者組織內(nèi)部的各種信息。如何保證個(gè)人隱私權(quán)成為一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，由于所有的智能物體被連接到互聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)被延伸到工業(yè)系統(tǒng)的每個(gè)角落，安全已成為一個(gè)遠(yuǎn)比大眾互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代更為重要的挑戰(zhàn)。在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，各種智能物體（包括汽車、無人飛機(jī)）、各種機(jī)器被接入互聯(lián)網(wǎng)，它們向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)傳送數(shù)據(jù)，也接受工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的反饋。一旦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)被網(wǎng)絡(luò)黑客所控制，其可能造成的后果將對(duì)人類社會(huì)帶來不可估量的損失。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，從海量工業(yè)數(shù)據(jù)中獲取的機(jī)器智能在大幅度提高人類生產(chǎn)力的同時(shí)，也將改變?nèi)祟惞ぷ骱蜕畹姆绞剑瑢?duì)人們的工作與就業(yè)產(chǎn)生巨大的影響。隨著互聯(lián)網(wǎng)被延伸到工業(yè)領(lǐng)域，各類機(jī)器將通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)獲得越來越多的機(jī)器智能，機(jī)器的自動(dòng)化程度將越來越高。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代絕大多數(shù)的勞動(dòng)力密集型產(chǎn)業(yè)將被自動(dòng)化機(jī)器所取代，預(yù)計(jì)從事工業(yè)生產(chǎn)的崗位只有現(xiàn)在的5%或更少。

與農(nóng)業(yè)社會(huì)向工業(yè)社會(huì)的轉(zhuǎn)型不同，工業(yè)社會(huì)向信息社會(huì)的轉(zhuǎn)型對(duì)于人類來說更加困難。在未來，人類比智能機(jī)器做得更好的工作會(huì)越來越少，不能被取代的工作崗位將越來越少。如何保障人類可以體面、快樂地工作和生活是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代人類需要面對(duì)的重大挑戰(zhàn)。

7.3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展

人類社會(huì)的發(fā)展取決于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)科學(xué)技術(shù)發(fā)生重大突破時(shí)，人們的生活水平也會(huì)發(fā)生巨大的變化。

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)明消除了數(shù)據(jù)和信息的傳遞障礙，互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模推廣標(biāo)志著人類跨入了信息社會(huì)。在大眾互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，實(shí)現(xiàn)了人人互聯(lián)，在經(jīng)濟(jì)上主要是達(dá)到了去除中間環(huán)節(jié)、降低成本的目的，即“節(jié)流”。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代將實(shí)現(xiàn)人與智能物體的全面互聯(lián)。通過對(duì)采集的工業(yè)數(shù)據(jù)的分析，獲取新的知識(shí)，獲得機(jī)器智能，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將大大提高生產(chǎn)效率，提高生產(chǎn)力。在經(jīng)濟(jì)上，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將起到“開源”的作用。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值可從四個(gè)方面來體現(xiàn)。第一，提高能源的使用效率，包括油、氣、電等；第二，提高工業(yè)系統(tǒng)與設(shè)備的維修和維護(hù)效率；第三，優(yōu)化并簡(jiǎn)化運(yùn)營(yíng)，提高運(yùn)營(yíng)效率；第四，利用數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生的機(jī)器智能，改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，改進(jìn)生產(chǎn)的過程，提高生產(chǎn)效率。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代將是繼工業(yè)革命之后又一個(gè)大大提高人類生產(chǎn)力的時(shí)代，這將是物質(zhì)產(chǎn)品極大豐富的時(shí)代，也將是人類文明取得重大進(jìn)步的時(shí)代。