楊旸

摘要：提出跨垂直行業(yè)的、基于智能物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術和應用的“一橫一縱”的系統(tǒng)架構和發(fā)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(fā)環(huán)境將聯(lián)合構建新一代智能物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的系統(tǒng)架構和應用基礎。這一通用、普適的軟硬件系統(tǒng)架構將助力IoT技術和應用從數(shù)據(jù)收集到信息提取再到知識創(chuàng)造的快速演進和創(chuàng)新飛躍，實現(xiàn)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(tǒng)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(qū)動促進了物聯(lián)網(wǎng) 技術的快速發(fā)展

近年來，經(jīng)過國家與地方的大力推廣，以及產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）[1-2]的發(fā)展與應用已逐步進入快車道，促進了中國各行業(yè)應用的信息化與智能化。從系統(tǒng)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(tǒng)自動獲取物理世界信息的作用直徑和能力；在傳統(tǒng)以人類語義為核心的信息網(wǎng)絡基礎上，引入物體貢獻數(shù)據(jù)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(shù)字生態(tài)系統(tǒng)；將對物理世界的感知引入現(xiàn)有的網(wǎng)絡與信息系統(tǒng)，并對系統(tǒng)整體性能進行智能優(yōu)化處理，兼容并包現(xiàn)有體系，共同形成對人類意義重大的信息網(wǎng)絡體系。從技術演進角度來看，以應用驅(qū)動的物聯(lián)網(wǎng)架構設計是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關鍵，隨著中國牽頭制定的全球首個物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)未來發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。

盡管物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)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(shù)垂直行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應用以封閉方案為主流，這一方面造成了系統(tǒng)軟件與硬件的兼容性不強；另一方面，導致了不同物聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)應用。物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡環(huán)境，專用的業(yè)務系統(tǒng)和管理平臺難以兼容互通。

（2）技術研發(fā)。物聯(lián)網(wǎng)的用戶參與度低，應用開發(fā)門檻高，開發(fā)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(wǎng)絡與終端多樣化；物聯(lián)網(wǎng)各種資源缺少統(tǒng)一的描述模型，無法對資源進行統(tǒng)一的協(xié)同處理與協(xié)作調(diào)度。

（3）架構設計。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)呈現(xiàn)出豎井化的信息孤島特征，僅適合需求明確的大規(guī)模垂直行業(yè)應用場景；系統(tǒng)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(tǒng)，使得物聯(lián)網(wǎng)很難實現(xiàn)大規(guī)模的應用和推廣。

為更好地推進物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)進步，突破物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展瓶頸，順應物聯(lián)網(wǎng)應用驅(qū)動的需求，本文提出跨垂直行業(yè)的智能物聯(lián)網(wǎng)技術和應用的“一橫一縱”系統(tǒng)架構和發(fā)展趨勢，聯(lián)合構建兼具靈活性與普適性的新一代智能物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構和應用基礎，助力物聯(lián)網(wǎng)未來飛躍發(fā)展。

2 物聯(lián)網(wǎng)應用的過去、現(xiàn)在 和演進態(tài)勢

2.1 過去：數(shù)據(jù)收集

自從“感知中國”計劃拉開物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的帷幕以來，中國的物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)取得了蓬勃的發(fā)展。早期物聯(lián)網(wǎng)應用的研發(fā)與部署，多側重于信息的感知，其數(shù)據(jù)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(tǒng)（MEMS）、條碼和實時定位等技術。感知信息的組網(wǎng)通信技術主要實現(xiàn)傳感器、RFID等數(shù)據(jù)采集技術所獲取數(shù)據(jù)的短距離傳輸、自組織組網(wǎng)。感知層傳輸技術包括有線和無線方式：有線方式有現(xiàn)場總線、公共交換電話網(wǎng)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(shù)據(jù)的協(xié)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(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)、廣電網(wǎng)、行業(yè)專網(wǎng)等，而針對數(shù)據(jù)的應用基本上停留在信息的存儲、統(tǒng)計與發(fā)布層面。在這一階段，其技術發(fā)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(xiàn)在：信息提取

隨著物聯(lián)網(wǎng)應用范圍的不斷拓展，以及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的廣泛部署，尤其是“云計算”與“大數(shù)據(jù)”等新技術的層出不窮，推動了物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷進步。中科院上海微系統(tǒng)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(wǎng)”重大專項“面向南水北調(diào)工程安全的傳感器網(wǎng)絡技術研發(fā)”中，針對南水北調(diào)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(diào)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(xiàn)了異常狀態(tài)預警、防入侵監(jiān)測等關鍵功能，進一步證實了“傳感器、數(shù)據(jù)、平臺”等關鍵技術在大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡應用中的可行性，推動了“三位一體”模式成為物聯(lián)網(wǎng)應用發(fā)展的事實標準。

2.3 演進：態(tài)勢和挑戰(zhàn)

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(wǎng)絡依賴程度高，廣泛利用現(xiàn)有各種終端。面對日益增長的物聯(lián)網(wǎng)應用需求，各種平臺紛紛涌現(xiàn)出來，譬如：阿里、京東分別推出各自的物聯(lián)網(wǎng)平臺，盡管這些企業(yè)級的平臺可以提供共性服務的支撐，但往往難以實現(xiàn)不同平臺之間的融合，而且缺乏專家系統(tǒng)支持，從發(fā)展的角度來看，無法滿足物聯(lián)網(wǎng)未來的快速增長。實際項目和工程實踐中，每一個垂直行業(yè)都希望開發(fā)和掌控自己的平臺和應用，造成垂直行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應用以封閉方案為主流，系統(tǒng)呈現(xiàn)豎井化信息孤島特征，無法實現(xiàn)跨行業(yè)的大規(guī)模推廣，而且在這種需求下，隨著行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)部署規(guī)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(xiàn)跨平臺的信息融合，如何減少并消除行業(yè)豎井化信息孤島，將是未來智能物聯(lián)網(wǎng)需要面對的挑戰(zhàn)?？v觀物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展可以看出：數(shù)據(jù)收集是基礎，信息提取是重點，知識創(chuàng)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(lián)網(wǎng)信息存儲的基礎上，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)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(xiàn)跨行業(yè)、跨平臺信息融合，已成為智能物聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展的迫切需求。

3 智能物聯(lián)網(wǎng)技術和應用 的發(fā)展趨勢

盡管目前物聯(lián)網(wǎng)處于規(guī)?；l(fā)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(yè)內(nèi)部以及行業(yè)間的信息交互將成為必然趨勢。同時，未來物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，不是對現(xiàn)有技術的顛覆性革命，而是通過對現(xiàn)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(xiàn)有技術實現(xiàn)全新模式轉變來實現(xiàn)智能物聯(lián)網(wǎng)。只有這樣，才能有效地實現(xiàn)智能物聯(lián)網(wǎng)的知識創(chuàng)造，實現(xiàn)智能物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)有的網(wǎng)絡系統(tǒng)的平滑升級態(tài)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(fā)環(huán)境的“一橫一縱”系統(tǒng)架構和發(fā)展趨勢（如圖1所示），著力于解決當前物聯(lián)網(wǎng)領域的市場碎片化、應用規(guī)模小的問題，突破垂直行業(yè)應用端到端的封閉方案占據(jù)產(chǎn)品主流，行業(yè)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(tǒng)應用的角度出發(fā)，提取不同物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務和系統(tǒng)的共性元素；再根據(jù)共性元素的技術特征分類，以模塊化方式實現(xiàn)共性元素子類，并依據(jù)具體業(yè)務需求選擇不同子類組合，構成物聯(lián)網(wǎng)應用的共性計算平臺，以提供各種協(xié)同計算、設備管理、數(shù)據(jù)采集交換和共享管理、用戶管理、權限管理、應用數(shù)據(jù)挖掘、專家系統(tǒng)、應用接口等共性功能和服務；然后以統(tǒng)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(xiàn)不同底層技術方案的組合和集成，并按照統(tǒng)一的模式平臺化管理和發(fā)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(lián)網(wǎng)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(guī)范物聯(lián)網(wǎng)從感知互動設備到網(wǎng)絡傳輸再到應用服務的明確產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，在統(tǒng)一的標準體系下推進物聯(lián)網(wǎng)的研究、開發(fā)、集成和應用。同時，也更好地體現(xiàn)不同行業(yè)應用在物聯(lián)網(wǎng)共性平臺統(tǒng)一架構下的融合衍生、集成創(chuàng)新，為多種產(chǎn)業(yè)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(fā)周期，降低開發(fā)成本

該技術可以幫助科研院所與小微企業(yè)快速開發(fā)應用系統(tǒng)，降低開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品的上市時間。采用共享計算平臺提供的穩(wěn)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(fā)和功能擴展。新業(yè)務開發(fā)時，用戶只需按照平臺的接口開發(fā)應用功能即可，無需開發(fā)共性功能和服務，工作量大大減少，有利于短時間內(nèi)快速開發(fā)出滿足需求的應用系統(tǒng)，降低開發(fā)成本。

（2）實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、運營，消除信息孤島

通過應用集成平臺建設物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，制訂完善的數(shù)據(jù)管理、存儲、交換和共享策略和規(guī)范，使得各個系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)能夠融合起來，有效解決了應用系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享問題，從而有效消除了信息孤島現(xiàn)象。同時，數(shù)據(jù)的融合和共享，使得物聯(lián)網(wǎng)的最終運營成為可能。物聯(lián)網(wǎng)應用集成平臺是物聯(lián)網(wǎng)“共性平臺”的核心組成，依托該平臺和技術，來解決物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下多個異構系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)共性的功能和服務支撐，這些功能可以被所有應用業(yè)務共享和復用，無需再次開發(fā)，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(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡環(huán)境和非規(guī)范信息資源環(huán)境，形成中國創(chuàng)新的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務模式，以科研創(chuàng)新提升業(yè)內(nèi)影響。

3.2 SDX：基于開源軟件的應用開發(fā) 環(huán)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(zhì)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(lián)網(wǎng)發(fā)展未來的機遇就是軟件定義一切（SDX），其本質(zhì)就是所有的信息都是數(shù)字化的——萬物數(shù)字化，其實現(xiàn)的兩個前提條件目前已基本具備：

（1）性能優(yōu)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(zhí)行軟件發(fā)出的指令。

（2）突破時空限制的通信網(wǎng)絡。通信網(wǎng)絡不但隨時隨地存在，而且?guī)捲絹碓礁?，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(xiàn)各種功能，還可以通過通信網(wǎng)絡指揮遠處的信息系統(tǒng)協(xié)同實現(xiàn)各種功能。正是在硬件和網(wǎng)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(lián)網(wǎng)產(chǎn)品增加一個通用軟件。在產(chǎn)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(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)體系架構和標準的同時，以標準化推動方案規(guī)范化，確保未來物聯(lián)網(wǎng)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(yè)的應用推廣。

4 結束語

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展正面臨著關鍵時期，如何解決物聯(lián)網(wǎng)應用的碎片化問題，消除信息孤島，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)平臺的融合已刻不容緩。本文提出的“一橫一縱”智能物聯(lián)網(wǎng)體系架構和發(fā)展趨勢，可以有效地指導未來物聯(lián)網(wǎng)技術的研發(fā)與系統(tǒng)的部署，從而有效地助力物聯(lián)網(wǎng)技術和應用從數(shù)據(jù)收集到信息提取，并向知識創(chuàng)造的快速演進發(fā)展和創(chuàng)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(lián)網(wǎng)技術與應用必將迎來全新的發(fā)展。

參考文獻

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