连接一切:5G时代的万物互联网

2020年政府工作报告中指出,“推动制造业升级和新兴产业发展。大幅增加制造业中长期贷款。发展工业互联网,推进智能制造。要继续出台支持政策,全面推进‘互联网+’,打造数字经济新优势。”当前,我国工业互联网发展迅速,已然成为数字经济转型的重要载体,也是构建“万物互联”智能世界的重要支撑。随着我国持续发展工业互联网,“万物互联”将走向现实。


那么,什么是万物互联网?万物互联网有着怎样的具体内涵,又有着什么样的体系结构?华中科技大学国家传播战略研究院执行院长李卫东认为,万物互联网在空间尺度、时间尺度、连接关系、社会形态变革等方面具有着丰富的内涵,也是海量对象之间相互连接而成的巨复杂网络系统,能囊括陆、海、空、网中的万事万物。万物互联网的要素体系结构、支撑平台体系结构、应用体系结构能连接物理世界、现实世界和信息世界,能整合全球的数据资源面向政府、企业和个人提供丰富多彩的智能服务,能推动人类进入智能社会时代。




万物互联网的具体内涵


·在空间尺度层面,万物互联网所连接物体的尺度正在从大尺度向微尺度发展,现已发展到纳米级事物。


·在时间尺度层面,万物互联网的响应时间间隔在不断缩小。


·在连接关系层面,万物互联网是海量对象之间相互连接而成的巨复杂网络。


·在社会形态变革层面,万物互联网是智能社会的信息基础设施。




万物互联网的要素体系结构


·万物互联网的客体要素:物体和数字设备,物体主要包括有生命物体(动植物、细菌、病毒)和无生命物体(自然物品和人造物品)等;数字设备主要包括通用物联网感知识别系统、常规网络设备和各类终端设备。


·万物互联网的主体要素:数字个人、数字企业和数字政府,个人、企业和政府连接万物互联网的过程,本质上也是个人、企业和政府数字化的过程。


·万物互联网的运行要素:数据资源、数字流程和数字平台。万物互联网的核心就是建设和发展万物互联网的目标就是采集、共享和利用数据资源;借助数字业务流和数据流,能将万事万物虚拟地相互连接在一起,能形成万物互联网的巨复杂生态系统;数字平台对整个万物互联网的发展和社会结构已经产生重要的影响。




万物互联网的支撑平台体系结构


·万物互联网的计算资源服务平台,每个万物互联网应用服务提供商较难自己独立搭建云计算中心,因此第三方的云计算平台是万物互联网的重要支撑平台。


·人工智能基础服务平台,万物互联网中的智能新媒体等企业用户只需接入第三方的算法程序开放接口,即可实现其智能服务。


·大规模应用系统搭建的支撑平台,借助第三方的物联网基础设施云服务平台或虚拟现实、增强现实云服务平台搭建自己的平台服务是可行的解决方案之一。


·智能终端产品开发的支撑平台,智能终端是万事万物和人连入万物互联网的基本数字设备,智能终端产品具有较强的智能感知和智能交互的功能。




万物互联网的应用体系结构


·万物互联网对个人服务旨在采集与个人有关的物体的数据,能为个人用户提供智能化的、个性化的服务。


·万物互联网对企业服务主要是指企业利用万物互联网监测和收集与企业业务相关的物体和顾客数据,运用大数据技术深度挖掘和分析这些数据,在企业内部充分地共享这些数据,以便提高企业的产品竞争力,为顾客创造更多的价值。


·万物互联网对政府服务主要指如何利用万物互联网的各类技术建设智慧城市,汇集城市的各类运行数据形成“城市大脑”,在此基础上实现“智能政务”模式。




万物互联网的具体内涵

当前,在学界和业界对万物互联网的定义和认知不尽相同。有人认为,物联网(IoT)也可称之为万物互联网(IoE),如高通公司首席执行官史蒂夫·莫伦科普夫(Steve Mollenkopf )在2014年表示,物联网和万物互联网是“同一件事”。但也有人认为,万物互联网与物联网具有本质的不同。如未来主义者戴夫·埃文斯(Dave Evans)指出,问题不只是“事物”,而是更多有关“人、过程、数据和事物之间的联系”,这些联系才是万物互联的核心,能创造“价值”。


现有的万物互联网定义中仅包含事物、人、数据和流程,忽略了企业、政府和平台等重要因素。因为人、企业和政府是构成社会系统的三大主体,只将人和事物连接起来显然是不完整的,其产生的数据和流程也是不完整的,无法完整反映社会现实。


因此,本文认为万物互联网是由物体、数字设备、数字个人、数字企业、数字政府和数据资源等要素,借助数字平台,通过数字流程相互连接而成的巨复杂网络生态系统。万物互联网的具体内涵可从四个层面进行阐释。


首先,在空间尺度层面,万物互联网所连接物体的尺度正在从大尺度向微尺度发展,现已发展到纳米级事物。空间尺度通常是指观察或研究的物体或过程的空间分辨度。生命物体(动植物、细菌、病毒)和无生命物体(自然物品和人造物品)在不同的尺度层次具有不同的尺度效应。


生物的空间尺度一般是指所研究对象的面积大小。随着科学技术的发展,人类可观测和认知的生物空间尺度在不断缩小:微米—亚微米—纳米—团簇—原子。其中,纳米技术是分子规模的功能系统工程,当前纳米技术与物联网技术的交叉融合,正在无限扩展万物互联网的想象空间。


纳米机器(尺寸范围为1~100nm)与现有的传统通信网络与高速互联网集成在一起形成的网络,可被称为“纳米物联网”(IoNT),是万物互联网发展的最新进展。其中,纳米机器可被定义为:通过纳米组件集成以执行诸如传感或致动之类的任务的基本功能单元。


也即,纳米物联网(IoNT)能将纳米传感器集成到各种微型对象以实现细微环境的智能感知,其每项功能性任务都是由“纳米机器”来执行的。这能让万物互联网的深度和广度得到极大的扩展,具备了连接纳米级设备的能力:只要在联网对象中集成纳米传感器,就可以使其与互联网进行连接和通信。


例如,体内纳米传感器可以提供心电图和其他重要信号,环境纳米传感器可以收集有关给定区域中病原体和过敏原的信息。在这种情况下,万物互联网能够感知、采集的声、光、热、电、力学、化学、生物、位置数据越来越丰富。当然,要充分处理和利用这些大数据,还需要其他信息技术的支撑:5G网络让海量数据的传输成为可能;云计算和人工智能让海量数据的快速处理成为可能。


其次,在时间尺度层面,万物互联网的响应时间间隔在不断缩小。一般来说,时间尺度是研究对象动态变化的时间间隔。万物互联网试图采集万事万物的声、光、热、电、力学、化学、生物、位置数据,但间隔多少时间采集一次数据,关系到人们能否科学观察和全面把握事物的运行规律,能否准确预测事物的演化趋势。


另外,从终端传感器感应和获得数据,再传输到云计算中心,云端再将处理结果反馈给终端,期间都有延时,有可能错过处理问题的最佳时机。目前,提高万物互联网响应速度的途径有两个。一是运用5G网络技术减低万物互联网数据传输的时延:端到端时延可以降低到4G网络的1/10或1/5,达到毫秒级水平,业务时延小于5ms。二是运用边缘计算实现计算资源的适当下沉,让边缘数据在本地缓存和及时处理,可以有效降低数据处理的时延。


云计算能为万物互联网提供强大的算力障,但面对终端数字设备产生的海量边缘数据,云计算显得力不从心,主要表现在两个方面:线性增长的集中式云计算能力无法匹配爆炸式增长的海量边缘数据;从网络边缘设备传输海量数据到云中心致使网络传输带宽的负载量急剧增加,造成较长的网络延迟。


作为云计算模式有益补充的边缘计算模式诞生。边缘计算是指在网络边缘执行计算的一种新型计算模型:边缘计算中边缘的下行数据表示云服务,上行数据表示万物互联服务;边缘计算的边缘是指从数据源到云计算中心路径之间的任意计算和网络资源。终端数字设备不仅负责与云端的双向数据传输,还可以完成部分紧急的计算任务。


例如,在智慧城市建设中,无处不在的摄像头可全天候、不间断地记录和监控城市空间的每个角落,能为解决城市交通拥堵和快速响应突发事件提供重要保障。即使在5G网络环境,由海量摄像头产生的视频大数据若实时传输到云端也会占用大量的带宽,若能借助边缘计算,在一定程度上就可实现快速响应。


再次,在连接关系层面,万物互联网是海量对象之间相互连接而成的巨复杂网络。万物互联网是人与机器(Person-to-Machine, P2M)、企业与机器(Business-to-Machine, B2M),政府与机器(Government -to-Machine, G2M)、机器与机器(Machine -to-Machine, M2M)、机器与物体(Machine -to-Things, M2T)、物体与物体(Things-to-Things, T2T)之间相互连接而成的巨复杂物理网络,其中机器与机器之间连接形成的网络是“连接一切”的“神经网络”,主要负责海量数据的传输和处理。


同时,万物互联网也是个人、企业和政府通过数据的流动相互连接而成的巨复杂社会网络,其涵盖的社会关系主要包括主体内部人与人(Person-to-Person,P2P)、人与企业(Person-to-Business, P2B)、人与政府(Person-to-Government, P2G)、企业与企业(Business-to-Business, B2B)、政府与政府(Government-to-Government, G2G)、企业与政府(Business -to-Government, B2G)之间的连接。


在实际应用中,同一类事物的海量实体对象常常相互连接形成特殊的单一网络,面向用户提供特定的功能和服务。如,自行车之间的连接能为用户提供“共享单车”服务,类似还有“共享电动车”“共享汽车”等服务;公交车之间的连接能实现“智能公交”;工业设备之间的连接能实现“智能制造”和“云制造”;电力设施之间的连接能形成“智能电网”;公共部门之间的连接能形成全国“一张网”,能实现“数字政府”。


因此,从连接的层面来看,万物互联网也能看成是由一个个单一的物联网联接而成。从网络发展的历程来看,万物互联网是物联网发展到一定程度的自然产物,是互联网、移动互联网和物联网等网络之间互联互通、相互融合而成的新型网络,也可看成是各种物体联系和社会关系的综合。


最后,在社会形态变革层面,万物互联网是智能社会的信息基础设施。万物互联网试图实时采集物理世界的物体和设备数据,把物理世界的物体和设备纳入到信息世界中来,积累数据资源,发展数字平台,建设数字个人、数字企业和数字政府,通过数字流程把万事万物整合在一起,能形成一个数字化的、智能化的社会——智能社会:数据是其运行的“血液”,算法是其运行的“约束规则”,“智能云服务”和水、电、煤气一样逐步成为其运行的关键信息基础设施。


智能社会是以万物互联网为基础,以人工智能、云计算、边缘计算和大数据等新型信息技术在市场部门(企业)、公共部门(政府)和第三部门(社会)中的广泛应用为核心,以万事万物的互联互通为结构的新型社会形态。智能社会与工业社会、信息社会又是一脉相承的,它孕育于工业社会、发展于信息社会、塑造未来社会,必然成为未来社会结构的主要形态。


人工智能是智能社会发展的基本技术支撑,人工智能与万物互联网的深度融合能对社会生产方式、生活方式乃至休闲娱乐方式产生巨大而深远的影响,能为人与社会的自我提升和自由全面发展提供难得的契机。智能社会中,万物互联网产生的数据扮演着清晰观测与呈现社会生活的透镜角色,这种“数据透镜”使人们的行为被量化记录与透视,智能机器人将成为智能社会的参与者和重要治理主体,进而实现一种人机共治的社会治理模式。



万物互联网的要素体系结构

万物互联网包括物体、数字设备、数字个人、数字企业、数字政府、数据资源、数字平台和数字流程八大要素。其中物体和数字设备是来源于物理世界的要素,是万物互联网的客体要素;数字个人、数字企业和数字政府是来源于人类社会的要素,是万物互联网的主体要素;数据资源、数字流程、数字平台来源于信息世界的要素,是万物互联网的运行要素。


总之,万物互联网的要素体系结构由客体要素(物体和数字设备)、主体要素(数字个人、数字企业、数字政府)和运行要素(数据资源、数字流程、数字平台)构成,下面拟详细分析。


万物互联网的客体要素:物体和数字设备。物体(Things)是万物互联网的连接对象,主要包括有生命物体(动植物、细菌、病毒)和无生命物体(自然物品和人造物品)。目前,万物互联网所连接物体的种类在不断扩充:正在从无生命物体(自然物品和人造物品)向有生命物体(动植物、细菌、病毒)扩展。


在无生命物体方面,万物互联网已经可以或正在尝试感知和监测自然空间中的地壳运动以预测地震;感知和监测气流、水文、海洋以预报天气和预警灾害;感知和监测城市空间的各类基础设施以建设智慧城市;感知和监测货物的运输、仓储、包装、装卸和配送等各个环节以实现智慧物流;感知和监测交通设施和交通工具以实现智慧交通;感知和监测水、电、气以实现智慧能源;感知和监测工厂设施和环境以实现智能制造;感知和监测家居的位置、状态、变化以实现智能家居。


在有生命物体方面,万物互联网已经可以或正在尝试感知和跟踪野生动物的活动轨迹,感知和监控农作物和养殖动物的成长过程以实现智慧农业和食品溯源,感知和监测病毒的传染过程。数字设备(Digital Device),也称之为机器(Machine),是物理实体连接到万物互联网的媒介,数字设备能感知、读取描述物理实体运动状态及其变化趋势的数据,再传递给其所有者,或分享给万物互联网中的其他节点。


数字设备主要包括通用物联网感知识别系统、常规网络设备和各类终端设备。通用物联网感知识别系统通常包括传感器、计算节点、接收器、执行器和功能设备:传感器主要用于数据的采集和转换;计算节点用于数据和信息的处理;接收器便于收集计算节点或其他关联设备发送的消息;执行器用于处理从传感器和/或互联网接收的信息。然后触发相关设备执行功能;功能设备用于在触发时执行所需的任务。


当前,超大型的感知识别系统之一是北斗卫星导航系统(BeiDou NavigationSatellite System),能为全球和中国万物互联网发展奠定坚实基础,能为感知和监测万事万物提供关键的空间基础设施,能为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。


北斗卫星导航系统是中国自主建设、独立运行的卫星导航系统,由空间段、地面段和用户段三部分组成:空间段由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星三种轨道卫星组成混合导航星座;地面段包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站;用户段包括北斗兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品,以及终端产品、应用系统与应用服务等。


其他常见的感知识别设备包括射频识别器(Radio Frequency Identification)、传感器(Sensor)、红外感应器(Infrared sensor)、激光扫描器(Laser scanner)和摄像头(Camera)等。常规网络设备主要包括服务器(Server)、交换机(Switching)、路由器(Router)、中继器(Repeater)、网桥(Bridge)、网关(Gateway)和防火墙(Firewall)等。


终端设备主要包括个人计算机、智能手机和各类智能穿戴设备。当然,随着信息技术自身的升级换代,万物互联网的数字设备种类也在不断增加。以纳米物联网为例,其涉及的数字设备主要包括纳米节点、纳米路由器、纳米微接口设备和网关。


其中,纳米节点被认为是最小、最简单的纳米机器,它们可以执行各种任务,如可以放置在人类体内的生物传感器;纳米路由器具有更大的计算能力,主要充当来自纳米节点的信息的聚合器,同时在通过交换控制命令控制纳米节点方面也发挥着至关重要的作用。


纳米微接口设备可执行来自纳米路由器的任务,能将信息传输到微尺度物体,可使用纳米通信技术与传统通信网络实现纳米级通信;网关可以通过互联网远程控制整个纳米物体网络,如医生借助网关通过互联网,可在任何地方访问来自人体的传感器网络。


随着人工智能技术和万物互联网的融合发展,智能机器人将逐步成为重要的数字设备之一,越来越多的智能机器人将连入万物互联网。机器人是由仿生元件组成并具备运动特性的机电设备,它具有操作物体以及感知周围环境的能力。智能机器人区别于一般机器人,是指具有强智能、类人类的机器人。


它可以理解人类语言,能和人类对话,能意识到生成的外界环境,能分析出现的情况,能调整自己的动作以达到操作者所提出的全部要求,在信息不充分的情况下和环境迅速变化的条件下完成这些动作。智能机器人主要包括工业机器人、服务机器人,以及特种机器人。其中工业机器人主要包括搬运机器人、焊接机器人和切割机器人等;特种机器人主要包括空间机器人、海洋机器人和极地机器人。


随着人工智能技术的广泛使用,越来越多智能机器人的产品形态进入寻常百姓家,逐步成为重要的智能新媒体产品形态之一,在人类信息传播系统中成为重要的信息传播者和接收者。如陪护机器人应用于养老院或社区服务站环境,具有生理信号检测、语音交互、远程医疗、智能聊天、自主避障漫游等功能,能够通过语音和触屏进行交互;配合相关检测设备,机器人具有血压、心跳、血氧等生理信号检测与监控功能,可无线连接社区网络并传输到社区医疗中心,紧急情况下可及时报警或通知亲人。


另如,“晓云机器人”能实现客户迎宾、信息录入和人脸识别存档等工作,还可以接收到访客户提醒,客服进行分访接待等复杂任务。讯飞“阿尔法超能蛋”作为一款儿童启赋智能机器人,具有四大学习功能:同步教材、趣味学习、成长计划和智能陪伴学习。家用服务机器人(YEXBOT)能轻松与主人对话,还可通过应用软件加入家庭成员群聊;还可播放存储在云端的早教内容、戏剧、音乐等。


万物互联网的主体要素:数字个人、数字企业和数字政府。个人、企业和政府是万物互联网的主体要素,是万物互联网的有机组成部分,也是万物互联网的服务对象。我们监测和连接海量的物体最终是要为个人、企业和政府服务。个人、企业和政府连接万物互联网的过程,本质上也是个人、企业和政府数字化的过程。或者说,真正连入互联网的是数字个人、数字企业和数字政府。


“数字个人”是个人数据表征的结果,是一个存在于万物互联网中的“虚拟个体”。其中个人数据是数字化的个人特征和行为,是描述自然人属性、运动状态及其变化方式的数据。在一定程度上,个人数据的聚集能形成一个完整意义的“数字个人”。描述“数字个人”的数据由描述个人自然属性特征的数据和个人行为属性特征的数据构成。自然人属性数据主要用于描述“这个自然人到底是谁”,主要包括自然属性数据、精神属性数据、社会属性数据。自然属性主要描述物质世界中的“人”;精神属性主要描述精神世界中的“人”;社会属性主要描述现实社会中的“人”。


但随着万物互联网技术的发展,可以感知、获取、存储和共享的个人数据的深度和广度正在无限地不断扩充:人们的生理状况、日常行为、思想观点、心理情绪,甚至恋爱情感等各种社会行为和心理活动将能实现数字化记录和存储,个人数据生产和传播的深度极大地扩展。目前,无线身体传感器网络(WBAN)已经可以连续监测和记录人体特定部位的重要生理数据。


“数字企业”是万物互联网中每个企业的存在形式,也是各个企业使用各类信息技术进行信息化建设的发展方向。“数字企业”的内涵主要包括两个层面:企业运营方式的智能化和企业创新方 式的数字化。所谓企业运用方式的智能化是指企 业从海量数据中生成数据洞察,实时正确地制定决策、持续提升客户体验,借此不断强化当前核心业务;企业创新方式的数字化指的是企业借助数字技术的力量,加速企业产品与服务的创新, 探索新的市场机遇,开创新的商业模式,孵化新 的业务项目。


万物互联网的企业主体既包括建设、开发和维护万物互联网的信息技术企业(万物互联网的信息基础设施提供商、运营商;云计算服务提供商;各类万物互联网应用服务提供商),也包括万物互联网的使用者,如各类工业制造企业和服务行业企业。


“数字政府”是数字时代政府的存在和运行方式,数字政府是“治理理念创新+数字技术创新+政务流程创新+体制机制创新”的系统性、协同式变革,是对政务流程、组织构架、功能模块的数字化重塑。数字政府的本质是要通过数字化思维、数字化理念、数字化战略、数字化资源、数字化工具和数字化规则治理信息社会空间、提供优质政府服务、增强公众服务满意度。


从万物互联网的视角来看,数字政府就是借助传感器网络动态感知城市空间的电网等能源设施,主要有供、排水设施(供水管网、排水和污水处理),交通设施(航空、铁路、航运、长途汽车和高速公路;道路、桥梁、隧道、地铁、轻轨高架、公共交通、出租汽车、停车场、轮渡等),邮电通信设施(邮政、电报、固定电话、移动电话、互联网、广播电视等)。


还有防灾设施(消防、防汛、防震、防台风、防风沙、防地面沉降、防空等)等各类公共基础设施的运行状态,实时收集和分析经济社会的运行状态,在此基础上实施智慧的公共决策,为社会提供数字化的公共服务(面向公民的数字化医疗卫生服务、数字化社会保障服务、数字化婚姻生育服务、数字化出境入境服务、数字化教育就业服务;面向企业的数字化工商税务服务)。


总之,数字政府建设是一项系统性工程,建设内容包括信息网络支撑体系、信息资源共享体系、业务协同联动体系、政府决策数据服务体系、政府管理服务体系和网络安全保障体系。数字政府建设作为实现国家治理体系和治理能力现代化的战略支撑,是数字中国和数字地球的重要组成部分。


万物互联网的运行要素:数据资源、数字流程和数字平台。数据资源是万物互联网的核心,建设和发展万物互联网的目标就是采集、共享和利用数据资源。总体来看,万物互联网数据资源可划分为物理空间的数据和人类社会的数据。其中物理空间的数据主要包括自然资源数据、空间地理数据、有生命物体数据和无生命物体数据;人类社会的数据主要包括自然人数据、法人数据、经济运行数据、社会运行数据。


当然,随着信息技术的不断发展,万物互联网能感知、共享和利用的数据在不断扩展。以自然人数据为例,万物互联网通过各种各样的穿戴设备可感知和采集的个人数据越来越丰富。


目前,一旦用户借助“华为穿戴”服务平台,将自己的穿戴设备与智能手机绑定后,可在穿戴设备与智能手机中同步这些个人身份数据(头像、昵称、性别、出生日期、身高、体重),个人运动数据(设备位置、运动轨迹、运动类型、运动时长、步数、距离、热量、爬高、最大摄氧量、运动心率),个人健康数据(睡眠、心率),以及个人的设备和网络数据(设备标识、设备设置、IP地址和网络类型)。


“流程”(Process)是万物互联网的“动脉”。数字个人、数字物体、数字设备之间的物理互联(物联网)只是万物互联网的“信息高速公路”和“网络基础设施”。数字个人、数字物体和数字设备借助数字平台能实现完整的“流程”,能帮助人们解决各种各样的问题,能满足人们各种各样的信息需求,才是万物互联网的真正价值所在。万物互联网中的数字流程主要包括两种:数字业务流和数据流。借助数字业务流和数据流,能将万事万物虚拟地相互连接在一起,能形成万物互联网的巨复杂生态系统。


当前,越来越多源、多形式,并相对孤立的数据需要数字平台来整合、拉通。数字平台是万物互联网中数据资源和数字流程的载体。一般而言,数字平台是一个由核心和外围组成的模块化技术体系。数字平台自身保持着相对稳定的状态,互补组件随时间不断变化,而协调平台与互补组件的模块化接口是最稳定的元素。


网络计算资源已经从传统的、垄断的基础设施模型向解除管制的、私有化的、分裂的“平台化”基础设施模型转变。总体来看,万物互联网的数字平台主要包括云服务平台、操作系统平台和应用平台。数据资源是万物互联网的“血液”,云服务平台相当于万物互联网的“大脑和心脏”,能为万物 互联网的正常运行提供“算力”和“动力”。


云服务平台是万物互联网重要的基础数字平台,在一定程度上来说,万物互联网是建立在“云之上”的。云服务可以是一个基于页面的软件程序,使用消息协议就可以调用其技术接口,或者是管理工具,或者更大的环境和其他信息技术资源的远程接入点。


云服务平台以云计算的虚拟化机制、负载均衡机制、资源集群机制、故障转移机制和资源调度管理机制为基础,是万物互联网中各类要素互联互通的重要媒介,能实现万物互联网数据资源的云传播模式,具有共享性、公共性、虚拟性、无限扩展性、动态性和节约性等显著特征。


目前,云服务的交付模式也即服务类型主要包括“软件服务”(Soft-as-a-Service, SaaS)、“平台服务”(Platform-as-a-Service, PaaS)和“基础设施服务”(Infrastructure-as-a-Service, IaaS)三种。还有一些由不同信息技术资源组合而成的交付模式变种,如网络服务(Network-as-aService)、存储服务(Storage-as-a-Service)、数据服务(Data-as-a-Service)、安全服务(Security-as-a-Service)等。


操作系统是运行在万物互联网上数字设备中的资源管理系统。但目前缺乏一个统一的操作系统平台来整合和打通所有的数字设备,已形成以操作系统为中心的诸多“信息孤岛”。但华为公司分布式操作系统——鸿蒙的问世也许会改变这一切。据华为官方网站介绍,2019年8月9日至11日,华为开发者大会2019在东莞松山湖拉开帷幕,在本次大会上发布其全新的基于微内核的面向全场景的分布式操作系统——“鸿蒙”操作系统。


该系统能为开发者提供可以实现“一次开发、多端部署”的高效开发工具,可部署在智能手表、智慧屏、车载设备、智能音箱和智能手机等各类智能终端上,形成一个跨终端的融合共享生态:采用“分布式OS架构”和“分布式软总线技术”,具有公共通信平台、分布式数据管理、分布式能力调度和虚拟外设四大能力。


万物互联网的应用平台是基于某种应用模式,面向用户提供特定服务功能的软件,能激活和挖掘万物互联网中的海量数据,能为社会和用户带来特定的价值。其中应用模式创新是万物互联网的应用平台发展的关键,也是中国万物互联网应用服务提供商参与全球竞争的关键。


所谓应用模式是指单一的某种万物互联网应用为用户提供什么服务、如何提供和如何盈利的概念模型。目前正在发展或已经较为成熟的应用模式主要有智能学习(智慧课堂)、智能社交(智能语音交互、智能多轮对话)、智能生活(智能家居、智慧医疗)、智能商务和智能政务等。万物互联网的应用平台一般都设置了明确的参与规则和限制条件。各类应用平台更像是带围墙的花园,尽可能将用户及其个人数据锁定在自己的平台上。


数字平台对整个万物互联网的发展和社会结构已经产生重要的影响。社会发展过程中的“权力转移”表现为现有权力结构的解体和新结构的兴起,权力结构中社会力量平衡的剧烈变化和权力的重新分配。参与平台化的数字中介作为新的权力平台,以寻求垄断细分市场的方式部署其战略。当取得了一国乃至全球的影响力之后,这些平台寡头更像是重要的基础设施连接器或公用事业,具有“殖民”和融入新市场的趋势。


平台作为双边/多边市场,或者平台中介网络,能够促成以往不通过平台难以接触到的不同类型主体之间的交易,同时会产生网络效应,各边价值随着使用者人数的增加而增加。从更宏观的层面来看,平台帝国主义能促成单向的、扩张的、基于软件的全球疆域重新划分,能为霸权国家提供资本积累和意识形态传播的工具。





万物互联网的支撑平台体系结构

由上述分析可见,万物互联网系统涵盖海量物体、海量设备、海量数据、海量场景和海量应用。这些海量物体的感知识别、海量设备的接入、数量数据的存储管理和开发利用、海量场景的支持、海量应用的开发搭建,必须有一个完整的支撑平台体系才能更好地实现互联互通。


万物互联网的支撑平台体系主要包括万物互联网的计算资源服务平台、人工智能基础服务平台、大规模应用系统搭建的支撑平台、智能终端产品开发的支撑平台。其中计算资源服务平台能为万物互联网的海量设备提供“算力”。人工智能基础服务平台能为万物互联网的海量数据处理提供“算法”,大规模应用系统搭建的支撑平台能为万物互联网海量应用系统的搭建和开发提供“基础平台”,智能终端产品开发的支撑平台能为万物互联网的海量终端装上“智能的大脑”。


万物互联网的计算资源服务平台。计算资源是各类万物互联网应用的必备资源之一。每个万物互联网应用服务提供商较难自己独立搭建云计算中心,因此第三方的云计算平台是万物互联网的重要支撑平台。


万物互联网应用系统只需接入第三方的基础设施服务(IaaS),就可获得弹性的计算资源。基础设施服务(IaaS)由以基础设施为中心的信息技术资源组成,如硬件、网络和操作系统等原始的信息技术资源,万物互联网用户可以通过云服务的接口和工具访问和管理这些资源。


在基础设施服务模式中,涉及管理和维护物理数据中心和物理基础设施的许多工作,都被抽象成一系列可用服务,可通过基于代码或网页的管理控制台进行访问和自动化部署;用户可以根据需要访问虚拟的基础设施,快速完成资源的部署和运行;这些虚拟的基础设施是一种可计量的服务,只有在开启和使用时候才会计费,关闭后不再累计成本。


如某云服务提供商能提供全套的计算和网络云服务,其云服务器能提供高性能、高可靠、安全稳定的弹性计算服务;其专属服务器能提供性能可控、资源独享、物理资源隔离的专属云计算服务;其负载均衡(BLB)云服务能均衡应用流量、消除故障节点、提高业务可用性;其专线(ET)云服务能提供高性能、安全性好的网络传输服务。这样万物互联网中的企业主体就可利用上述全套的云服务建立自己的计算和网络基础设施,轻松搭建自己的万物互联网应用。


万物互联网的人工智能基础服务平台。算法和自然语言处理是万物互联网中的企业主体提供智能服务的基础,但复杂的算法设计和自然语言处理系统开发对一般的企业用户来说有较高的门槛。特别是,一些通用的算法程序更没必要重新开发。也即,万物互联网中的智能新媒体等企业用户只需接入第三方的算法程序开放接口,即可实现其智能服务。


1.接入算法服务平台。深度学习、机器学习算法的研发技术难度大、耗时长且成本高。万物互联网中的智能新媒体等企业借助第三方的人工 智能云服务就可快速部署其深度学习和机器学习服务。


如某云服务平台的深度学习服务(DLS,Deep Learning Service)是一种一站式深度学习平台服务,内置大量优化的网络模型算法,以丰富、便捷、高效的品质帮助用户轻松使用深度学习技术,通过灵活调度按需服务的方式提供模型训练与评估。该平台能提供图像分类、物体检测等几十种神经网络算法模型;能提供大量基于开源数据集训练好的模型,方便用户加快模型训练;能通过混合并行、梯度压缩、卷积加速、EASGD等技术加快模型训练速度。


再如,某云服务平台的机器学习服务(Machine Learning Service, MLS)能帮助用户通过机器学习技术快速发现数据规律和构建预测模型,并将其部署为预测分析解决方案。该服务能通过可视化的拖拽式工作流,实现数据建模、分析、预测、可视化;该平台支持多种开源建模语言(Python等);能预置丰富的机器学习算法,满足从数据导入和处理,到模型训练和评估、导出,覆盖预测分析端到端业务。第三方开发者借助该平台就能建立特征工程、机器学习算法、建模、预测、模型全生命周期管理的机器学习一站式机器学习应用。


2.接入自然语言处理云服务。自然语言处理能力是万物互联网中企业提供智能服务基础。一般的企业较难从底层研发独立的自然语言处理系统。借助云端的自然语言处理系统,万物互联网应用提供商就可快速搭建自己的应用系统。


如百度“理解与交互技术”(UNIT, Understanding and Interaction Technology)云服务是百度自然语言理解与交互技术的对外开放平台,能实现可定制的对话系统开发。第三方开发者通过该平台,可以快速、灵活地按自身业务需求定制对话系统。


万物互联网的大规模应用系统搭建的支撑平台。5G环境下,万物互联网的典型应用主要包括大规模物联网(mMTC)应用,移动宽带增强(eMBB)应用和超高可靠、超低时延通信(uRLLC)应用。其中大规模物联网(mMTC)应用主要包括资产跟踪、智能农业、智能城市、能源监测、智能家居和远程监控等。移动宽带增强(eMBB)应用主要包括增强型室内和室外宽带应用、企业协作、增强和虚拟现实应用。


超高可靠、超低时延通信(uRLLC)应用主要包括自动驾驶汽车、智能电网、远程病人监护、远程医疗和工业自动化等。但对诸多万物互联网应用服务提供商来说,全靠自身搭建上述应用平台是有一定难度的。在这样情况下,借助第三方的物联网基础设施云服务平台或虚拟现实、增强现实云服务平台搭建自己的平台服务是可行的解决方案之一。


如华为云提供的物联网服务(IoT Hub),是一种针对海量设备进行联接、数据采集/转发、远程控制的云服务:可实现海量设备与云端之间双向通信连接、设备数据采集上云,支持上层应用通过调用应用程序接口(API)远程控制设备;能提供与华为其他云服务无缝对接的规则引擎。该云服务可应用于各种物联网场景,具有设备接入、设备管理、规则引擎和数据保护功能。


万物互联网应用产品接入该平台,就能有效管理该应用系统涉及的大规模设备。如无人售货机运营商若接入该物联网平台,就能实现货架实时上报货物状态、缺货预警等服务功能。另如,借助第三方的平台服务是搭建虚拟现 实/增强现实应用产品的重要方法。


如“网易洞见”是网易增强现实(AR)团队自主研发的基于移动设备的增强现实(AR)平台:通过洞见客户端(AR内容浏览器)、互联网应用引擎(ARSDK)和AR游戏引擎(AR GAME PLUGIN)等产品形态,有效连接优质AR内容开发者和使用场景,为用户带来高质量的增强现实(AR)体验。


如家电品牌戴森基于“网易洞见”客户端,推出了一组与众不同的产品广告:点击戴森的广告位,可在任意现实场景下生成增强现实系统制作的戴森无叶风扇,演示吹出强劲凉风的工作原理。


万物互联网的智能终端产品开发的支撑平台。智能终端是万事万物和人连入万物互联网的基本数字设备。如何让智能终端产品具有较强的智能感知和智能交互的功能,是每个智能终端开发商最为关心的问题之一。目前较为成熟的开放平台主要包括智能交互系统开发的云服务平台和智能机器人系统开发的云服务平台。


一是智能交互系统开发的云服务平台。具有较强的交互性能,智能终端设备才能受用户欢迎。其中,智能化交互能力是关键。智能终端产品可搭载第三方人工智能技术平台,借助云端应用程序接口(API)就能实现一站式快速接入,传统硬件实现智能化交互升级。


如腾讯智能硬件云服务平台能集语音唤醒、语音识别、语音合成、自然语言处理、图像识别和情感检测等AI技术于一体,能在通用技能和自定义定制基础上,将技能应用扩展到微信公众号和小程序生态中的服务。任何一种硬件产品借助该平台就可实现智能化功能。目前,该智能硬件云服务平台已应用于欧普照明产品、广汽传祺的汽车产品、TCL的家电产品和创维的家电产品等。


二是智能机器人系统开发的云服务平台。在未来,越来越多的智能机器人连入万物互联网,如商场与宾馆的迎宾机器人、银行的服务机器人、写字楼办公楼的前台机器人,以及企业的客户机器人等。但开发、测试和部署智能机器人应用程序既困难又耗时:使用机器学习构建智能机器人功能非常复杂,需要专业技能;每个开发人员需要花费大量时间设置开发环境和模拟测试系统。


在实际应用中,智能新媒体终端产品研发者无需从零开始开发机器人医用程序,可借助第三方平台搭建属于自己的机器人系统,常见的途径主要有两种。第一种方式是借助第三方的机器人开发平台开发自己的应用程序。如“AWSRoboMaker就预先集成了流行的数据分析、机器学习和监控服务功能,能让用户在自己的机器人应用程序中轻松添加视频流、面部和对象识别、语音命令和响应和日志收集等功能”。


这样企业用户可以轻松地使用它们在机器人应用程序中构建智能功能,而无需学习新的框架或编程语言。第二种是预装或接入第三方的机器人“大脑”系统。在现实生活中,我们看到的只是智能机器人的“外壳”,其具有智能性的关键在于它的“大脑”。机器人的“大脑”就好比计算机的处理器。




万物互联网的应用体系结构

万物互联网应用主要是面向个人、企业和政府三个主体提供服务。万物互联网的应用体系结构主要包括万物对个人服务(Everything-toPerson, E2P)、万物对企业服务(Everythingto-Business,E2B)、万物对政府服务(Everything-to-Government, E2G)。


万物对个人服务旨在采集与个人有关的物体的数据,能为个人用户提供智能化的、个性化的服务。万物互联网围绕个人的工作、学习、生活、医疗和娱乐场景,可挖掘出丰富多彩的服务。从智慧城市到智慧地球是人工智能产业和智能化建设的宏伟目标。但这些目标的实现有一个重要的基础就是家庭生活与娱乐的智能化,或者说智慧家庭是智慧社会构成的基本单元。


目前,较为成熟的万物对个人服务主要包括智能家居服务和智慧医疗服务。智能家居本质上就是智能化的家庭生活环境。如海尔智慧家庭智能体系包括五大板块:食联生态、衣联生态、全屋用水、全屋空气、全屋安防,能为个人提供智能膳食服务、智能穿衣服务、智能用水服务、智能换气服务和智能安防服务。


智慧医疗服务试图打通患者、医院、医生和医疗设备之间的“信息隔离”,其本质是四个主体间的信息共享和智能交互平台。在传统环境下,患者、医院、医生和医疗设备等主体在时空上是分离的,“信息不对称”和“信息不共享”是造成医疗效率低下的重要原因之一。


智慧医疗是建立在智慧医院基础之上,面向家庭和个人提供健康服务,主要包括智慧医院系统、智慧公共卫生服务和智慧家庭健康服务。如华为的“全联接医疗”通过大数据、云计算技术的深度融合打造健康档案区域医疗信息平台,利用最先进的物联网技术,实现患者与医务人员、医疗机构、医疗设备之间的互动,构建智慧化医疗服务体系。


万物对企业服务主要是指企业利用万物互联网监测和收集与企业业务相关的物体和顾客数据,运用大数据技术深度挖掘和分析这些数据,在企业内部充分地共享这些数据,以便提高企业的产品竞争力,为顾客创造更多的价值。


具体而言,万物对企业服务主要包括两种应用模式:一是智能监测和控制系统;二是大数据挖掘和智能决策系统。


智能监测和控制系统能实时采集有关企业设备运行情况、能源的使用情况和环境状况的数据,能让企业管理者和控制者在任何地方任何时间跟踪事物的运行轨迹。目前,诸多人工智能和云服务提供商可以为工业企业提供全套的解决方案。


如百度的“智能工业”服务,基于人脸识别、图像识别等技术,针对工厂质检、仓储物流、智能监控等场景,能为工业企业提供物流安全、生产线质检、园区管理等场景方案。


在实际运用中,“通鼎互联”公司建设的智慧安监系统,充分结合百度深度学习及定制化的图像识别技术,在仪表识别、人员行为分析、安全着装规范检测方面形成了一系列的基础检测能力、实时监控能力和预警能力。


另外,对于服务行业的企业,运用物联网技术,能将各种终端设备进行统一管理和互联,在餐厅、烘焙门店、零售门店、大型商场等行业场景中,能协助门店优化服务动线、提升坪效,能实现会员沉淀和大数据分析。


如网易的“智慧线下店”产品能使线下实体商店通过摄像头进行人脸识别,识别会员信息,可用于商业数据分析、定向营销等。大数据挖掘和智能决策系统旨在整合和分析企业借助万物互联网积累的海量数据,为企业的战略决策服务,主要包括报表展示、数据提取分析,以及客户画像等大数据应用。


万物对政府服务主要指如何利用万物互联网的各类技术建设智慧城市,汇集城市的各类运行数据形成“城市大脑”,在此基础上实现“智能政务”模式。人之所以有“智慧”关键在于人的大脑,城市的“智慧”当然也要靠“城市 大脑”来实现。城市是一个由海量物体构成的典型的巨复杂系统,这些海量物体处于不停止的运动之中,各物体之间产生着无数的连接和交互。


智慧城市是万物互联网与现代城市发展结合的直接产物。智慧城市的理念是把传感器嵌入到城市生活的各种物体中形成“物联网”,并通过超级计算机和云计算实现物联网的整合,从而实现数字城市与城市系统整合。


智慧城市中的“传感器网络”就相当于人的“末梢神经”,能感知和记录城市物体的运动状态及其变化趋势,会产生海量的数据。“城市大脑”就是智慧城市的“指挥中心”和“神经网络”,能提供系统、平台、数据交互融合的载体和枢纽,能激活沉睡的数据,能利用实时全量的城市数据资源全局优化城市公共资源,能为城市治理和市民生活服务。


以“杭州市城市大脑”为例,其具有城市事件感知与智能处理、社区与安全、交通拥堵与信号控制和公共出行与运营车辆调度四大服务功能。以此为基础,可实现智能政务模式。智能政务的本质是公共服务的智能化和政府治理的智慧化。


公共服务的智能化是指运用语音识别、场景感知等人工智能技术,及时发现用户在特定时空环境的个性化服务需求,或者提前预测用户在未来某个时段的潜在服务需求,主动向用户推送特定的公共服务,或者直接自动完成某项服务过程。


如微信“城市服务”能聚合医疗挂号、公安户政、出入境、缴费、公积金等多项民生服务功能于一体,一个“城市服务”入口就相当于一部手机上的政府服务大厅,能实现较为初级的智能化公共服务。再如北京海淀区市场监督管理局“AI客服机器人”,能让海淀区企业拨打51321502电话时和人工智能客服机器人“小商”直接对话。


政府治理的智慧化是指,政务大数据的采集、处理、分析和可视化贯穿于政府决策、执行、监督和反馈等管理行为的全过程,政务大数据成为政府治理的智慧源泉。从治理模式视角,政府治理的智慧化就是运用人工智能等实现“智慧治理”模式。


智慧治理(Smart Governance)被认为是应对环境与社会可持续发展等问题的治理理论。在管理学层面,智慧治理的本质是“治未病”,是问题暴露之前的一种预见性的治理:不是强调如何治理已经存在的各类问题,而是试图避免问题的产生和出现。在信息科学层面,智慧治理是以大数据中的智慧挖掘为基础,以对未来的预测为手段,能实现对领域问题的系统性治理。


智慧治理能借助大数据分析,分析研判事物在未来的发展趋势,自动形成可供选择的若干解决方案;遵循整体的治理观,通过整体的解决方案,全面彻底地解决问题。[84]如海关总署借助阿里云大数据架构,已打造面向数据分析类业务的数据底盘,最终服务于风险分析和预警、关税管理、企业信用等多个业务领域,能为对外贸易报关通关提供高效快捷的数据服务,能为全国通关一体化提供数据支撑平台。


结 语

综上所述,万物互联网(IoE)是海量对象之间相互连接而成的巨复杂网络系统,能囊括陆、海、空、网中的万事万物,能连接物理世界、现实世界和信息世界的一切,能整合全球的数据资源面向政府、企业和个人提供丰富多彩的智能服务,能推动人类进入智能社会时代。




文章来源:《学术前沿》杂志2020年5月(上)
原文标题:《5G时代的万物互联网:内涵、要素与构成》
原文作者:华中科技大学国家传播战略研究院执行院长 李卫东
原文责编:马冰莹   新媒体责编:浦天龙    视觉:刘洁
来源:人民智库


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