摘要：信息化系統(tǒng)是完成數(shù)據(jù)獲取、傳遞、存儲、分發(fā)以及分析利用的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)，對國民經(jīng)濟的發(fā)展發(fā)揮著舉足輕重的作用。而物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)作為信息化系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分，正隨著傳感、5G通訊、邊緣計算（Edge Computing）、人工智能等技術(shù)的飛速發(fā)展，進行著快速的技術(shù)迭代。本文從技術(shù)架構(gòu)及應用場景需求等角度出發(fā)，介紹物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的革新與發(fā)展趨勢。
1 引言
物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)從原始需求的角度，可以概括為完成數(shù)據(jù)傳感、數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)匯聚的軟硬件綜合系統(tǒng)。隨著信息化系統(tǒng)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)部署與應用的行業(yè)廣度、深度不斷擴展。傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（如圖1）更多的關(guān)注傳感與控制聯(lián)接、網(wǎng)絡遠程傳輸、中小型應用場景，在面對海量部署與聯(lián)接、采控集成化、智能化、網(wǎng)絡架構(gòu)復雜化、高穩(wěn)定性、低運維成本、數(shù)據(jù)安全、高環(huán)境適應性等等一系列行業(yè)需求時，存在著較大的應用局限。
與此同時，多樣化的應用場景需求，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正快速革新，并受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。新型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在海量聯(lián)接、本地邏輯、數(shù)據(jù)優(yōu)化、數(shù)據(jù)安全等方面，表現(xiàn)出優(yōu)異的系統(tǒng)性能，為面向智能應用、復雜網(wǎng)絡、海量聯(lián)接的新一代信息化系統(tǒng)構(gòu)建提供了有力的技術(shù)支撐。
圖1 傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)
2 存在的挑戰(zhàn)
隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展、生產(chǎn)生活效率的快速提升，人們對于信息系統(tǒng)的普及化、智能化、便捷化以及實時、安全性要求越來越高。作為信息化系統(tǒng)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。
2.1 CROSS挑戰(zhàn)
Connection（聯(lián)接）：大型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，廣泛存在異構(gòu)與海量聯(lián)接特征，系統(tǒng)中存在不同數(shù)據(jù)類型、協(xié)議類型、網(wǎng)絡類型、控制類型的設備與終端，聯(lián)接、驅(qū)動、管理、協(xié)調(diào)、轉(zhuǎn)換、運維系統(tǒng)中的龐雜設備網(wǎng)絡存在著巨大挑戰(zhàn)。
Real-time（實時）：物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中存在大量高實時數(shù)據(jù)獲取、傳輸、邏輯運算場景需求，例如自動駕駛、人機協(xié)同工作站、遠程手術(shù)醫(yī)療等。因此，聯(lián)接實時、業(yè)務實時對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提出新的挑戰(zhàn)。
Optimization（優(yōu)化）：網(wǎng)絡邊緣終端與設備呈現(xiàn)了差異化的輸入輸出，對于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)融合，數(shù)據(jù)統(tǒng)一語義與描述，是必要的；而面向中心信息平臺與應用，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)還需經(jīng)優(yōu)化處理后統(tǒng)一開放與呈現(xiàn)；
Smart（智能）：新型信息化系統(tǒng)的智能化特征，對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提出了邊緣智能需求。在此基礎上形成業(yè)務創(chuàng)新、業(yè)務流程優(yōu)化，賦能行業(yè)，形成效率與成本優(yōu)勢；
Security（安全）：新型信息化系統(tǒng)的垂直延伸、業(yè)務拓展不斷深入，對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設備安全、網(wǎng)絡安全、數(shù)據(jù)安全、應用安全、數(shù)據(jù)隱私保護提出了更高的要求。
2.2 細分與碎片化的行業(yè)需求
物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)廣泛應用于工業(yè)制造、電力、水利、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)災害等行業(yè)，眾多碎片行業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提出了差異化要求。物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)企業(yè)提出了眾多解決方案，以適應差異化市場需求，但較多僅局限于所關(guān)注
行業(yè)領域，不同程度存在難以規(guī)?；默F(xiàn)象。
另外，各專業(yè)行業(yè)政府主管單位、行業(yè)協(xié)會、聯(lián)盟或科研院所為保障專業(yè)領域系統(tǒng)供應質(zhì)量、互操作性以及競爭秩序，制訂了所屬行業(yè)或地域的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)標準，形成了細分行業(yè)標準眾多，卻難以統(tǒng)一、更新緩慢的不利局面。
2.3 解決方案垂直化、多架構(gòu)并行
物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)依托于各行業(yè)垂直解決方案并體現(xiàn)其價值， 基于已有技術(shù)和垂直市場細分，已演化出各種IoT架構(gòu)，如集中式，分布式，云化物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)將在很長一段時間呈現(xiàn)出垂直化、多架構(gòu)并行的行業(yè)特征。
2.4 多元化版圖
物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)普及性的提高，市場容量的增大，為相關(guān)參與者帶來了好的發(fā)展機遇。企業(yè)，電信運營商，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，科研院所甚至個人、家庭等各緯度主體都參與到體系的研究、發(fā)展、建設及消費中。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的多元化版圖促進了行業(yè)發(fā)展，也帶來了系統(tǒng)通用、普及和互操作的難度。
2.5 傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)弊端
傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)源于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，構(gòu)建思維較多的局限于遠程數(shù)據(jù)傳輸和處理，缺乏系統(tǒng)靈活性和智能化應用潛力，對上述挑戰(zhàn)和問題考慮不足，無法滿足多樣化感知網(wǎng)絡及智能化系統(tǒng)需求。
隨著物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的廣泛應用與部署，海量且異構(gòu)的網(wǎng)絡聯(lián)接、靈活且通用的組成要件、行業(yè)各異的智能要求（數(shù)據(jù)優(yōu)化、邊緣處理、邏輯實現(xiàn)）以及更加規(guī)范和嚴格的數(shù)據(jù)安全等一系列挑戰(zhàn)，正驅(qū)動新型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的不斷涌現(xiàn)。
3 新型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)
為適應信息化系統(tǒng)新的需求，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)不斷演進，其主要特征包括邊緣計算（Edge Computing）[1]的應用、通用化與標準化、高效運維部署和人工智能應用。上述特征很好的解決了信息化系統(tǒng)多業(yè)務多場景的融合智慧化感知與控制需求，成為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主流方向。
3.1 邊緣計算
計算技術(shù)經(jīng)歷了大型機計算、PC計算、網(wǎng)絡計算、云計算等階段之后，進入了邊緣計算。邊緣計算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡、計算、存儲、應用核心能力的分布式開放平臺，如圖2，就近提供邊緣智能服務，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷聯(lián)接、實時業(yè)務、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關(guān)鍵需求。在邊緣計算這一概念的發(fā)展歷程中，Cloudlet[2]、微數(shù)據(jù)中心（MDC）[3]、霧計算[4]等概念都致力于在網(wǎng)絡的邊緣處工作。
圖2 邊緣計算分布式開放物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)
圖3示出了邊緣計算的5大關(guān)鍵利益，正是由于邊緣計算呈現(xiàn)了它在復雜物聯(lián)網(wǎng)場景的技術(shù)優(yōu)勢，所以這幾年贏得了行業(yè)的特殊關(guān)注。
圖3 邊緣計算的五大關(guān)鍵利益
邊緣計算架構(gòu)令物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由感知層并行延伸至網(wǎng)絡層和數(shù)據(jù)服務層。分布式構(gòu)架使得感知系統(tǒng)獲得了更加靈活的任務適應能力，因而更能滿足新型信息化系統(tǒng)的多業(yè)務多場景需求。
3.2 通用化、標準化
IoT核心網(wǎng)與邊緣化物聯(lián)網(wǎng)終端構(gòu)成了靈活多變卻又通用、標準的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，如圖4。
網(wǎng)絡、計算、存儲、應用的邊緣化，使得物聯(lián)網(wǎng)終端獲得了更多的職能權(quán)限。邊緣化物聯(lián)網(wǎng)終端通過自身操作系統(tǒng)與IoT核心網(wǎng)的協(xié)調(diào)運作，可以實現(xiàn)對南、北向驅(qū)動管理、設備運行狀態(tài)監(jiān)控以及容器化邊緣任務管理。邊緣化物聯(lián)網(wǎng)終端實現(xiàn)了接口融合、數(shù)據(jù)融合、協(xié)議融合以及容器化的應用管理，滿足了差異化場景與碎片化行業(yè)需求，最終呈現(xiàn)出通用化、標準化特征。圖5示出了邊緣化的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)。
圖5邊緣化的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)
3.3 高效的部署與運維
圖2示例中，IoT核心網(wǎng)通過邊云協(xié)同方式實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡、應用、計算資源及數(shù)據(jù)訂閱和發(fā)放管理。平臺化、服務化的邊緣管理機制帶來了中心化的高效系統(tǒng)部署與系統(tǒng)運維能力。該能力在面向萬物互聯(lián)的未來數(shù)字化系統(tǒng)中，將發(fā)揮巨大的經(jīng)濟效益。
3.4 人工智能
作為風頭正盛的人工智能技術(shù)，深度學習（Deep Learning，DL）受到業(yè)界的大量關(guān)注。DL與邊緣計算的結(jié)合將為智能系統(tǒng)帶來實用且靈活的技術(shù)手段。首先，DL植入邊緣計算框架中，實現(xiàn)網(wǎng)絡邊緣的自適應管理。另外，云端也將大量的模型計算推至邊緣，實現(xiàn)低延遲、高可靠的智能業(yè)務。
作為典型的AI技術(shù)之一，DL在計算機視覺（CV）和自然語言處理（NLP）領域展現(xiàn)出了強大的性能優(yōu)勢[5]，相應的智能服務與應用也快速的改變著人們的生活[6]。隨著邊緣算力的不斷增長和計算方式的革新，更加智能的算法能夠從云端拓展至終端用戶，網(wǎng)絡邊緣將具備更加智能化的任務執(zhí)行能力，且能夠被云端不斷升級和更新。
4 典型應用場景
上文詳細分析了新型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)和應對思路，相較于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，其性能優(yōu)勢明顯且綜合成本有所降低，可廣泛應用于智慧電網(wǎng)、智慧生態(tài)、智能制造等領域。圖6例舉了一種較為典型的新型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)解決方案。
圖6 典型的新型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)解決方案
4.1 智慧電網(wǎng)
傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡由“配電自動化主站”，靠近居民的“低壓變壓器（10kV/400V）”以及延伸到每家每戶的低壓饋線網(wǎng)絡組成，低壓配電網(wǎng)絡在整個國家電網(wǎng)中多達480萬個，連接著4億多終端，網(wǎng)絡拓撲復雜，對供電質(zhì)量影響大，當前仍處于較低的自動化和智能化水平，難以快速應對分布式光伏、新能源汽車、能源流調(diào)度等需求。
新型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所構(gòu)建的“云、管、邊、端”方案架構(gòu)跟傳統(tǒng)配電網(wǎng)結(jié)合，在“云”層采用IoT核心網(wǎng)，用微服務架構(gòu)解耦業(yè)務和數(shù)據(jù)，同時引入大數(shù)據(jù)和AI框架；在“管”層提供豐富的上下行通信方式，支持物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)設備互聯(lián)互通；在“邊”層采用邊緣計算方式，打造通用且標準的智能配變終端硬件平臺，使業(yè)務APP化，軟件可定義；在“端”層引入物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，為末端終端植入通信與計算，使物聯(lián)網(wǎng)終端智能化。
4.2 智慧生態(tài)
智慧生態(tài)包含水利、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、自然災害、應急管理等眾多方向，其信息化水平較為落后，感知網(wǎng)絡覆蓋率較低，系統(tǒng)存活率低，信息孤島問題嚴重，數(shù)據(jù)智能分析及模型化研究滯后，難以滿足生態(tài)監(jiān)控、治理與利用需求。
新型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可利用其感知融合、數(shù)據(jù)融合、協(xié)議融合能力，實現(xiàn)農(nóng)、林、水、國土、應急、環(huán)保等領域感知網(wǎng)絡的統(tǒng)一建設與接入。利用邊云結(jié)合的智能運算能力，將云端訓練的模型推送至監(jiān)測與控制現(xiàn)場，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精準管理、水利管控智能化、自然災害（洪澇災害、地質(zhì)災害、森林火險）預警預測科學化、環(huán)保監(jiān)測精確化等功能，大大提升智慧生態(tài)信息化系統(tǒng)的管理效能。
4.3 智能制造
工業(yè)環(huán)境下的邊緣計算通常以實時或者以接近實時的方式獲取正確的設備數(shù)據(jù)，以推動更好的決策，必要時還可以進行工業(yè)過程控制。為了實現(xiàn)這一目標，必須先行構(gòu)建邊緣設備及嵌入其中的軟件、邊緣服務器以及云的基礎架構(gòu)，并連續(xù)全天候地運行。
工業(yè)網(wǎng)絡邊緣可以擴展到工業(yè)設備、機械制造、控制器和傳感器。當下，邊緣計算和分析正在快速地向靠近機械裝置和數(shù)據(jù)源的地點部署。隨著工業(yè)系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成定勢，分析、決策和控制這些以往都是集中完
成的功能，正在從物理上加速向邊緣設備、邊緣服務器、網(wǎng)絡、云及其聯(lián)接系統(tǒng)分散。與此同時，自動化資產(chǎn)設備正在提升其執(zhí)行邊緣計算的功能。
5 總結(jié)
新世紀的第一個十年，得益于更加廣泛的聯(lián)接，我國信息化產(chǎn)業(yè)獲得了快速的發(fā)展，深刻地改變著人們的生產(chǎn)、生活方式。隨著5G、邊緣計算、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)也將不斷革新，應用于國民經(jīng)濟的各個行業(yè)領域，帶來生產(chǎn)力的大幅提升，最終實現(xiàn)感知中國、智慧中國。
作者簡介：
黃輝（1977-），男，湖北武漢人，石家莊物聯(lián)網(wǎng)研究院首席技術(shù)顧問，武漢智菱物聯(lián)科技有限公司董事長總經(jīng)理，主要從事基于邊緣計算物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)及產(chǎn)品的研究、開發(fā)、應用與推廣工作。
