物聯網一個復雜系統的研究

0模型的構建與應用從本質上講，網絡連接是連接對象的網絡，是網絡和下一代網絡發展的必然產物。由于目前國內外對物聯網研究尚未深入,學術界和工業界都沒有完全認識物聯網的內在本質,對物聯網的復雜性缺乏認識。由于目前已經研究和開發了一些物品或物理裝置的聯網技術,使得一些研究人員僅僅從專用的物品或物理裝置聯網的角度片面理解物聯網,在一定程度上形成了物聯網認識的誤區,使得人們對物聯網技術產生了兩個極端的認識:認為所有網絡與信息化技術都是物聯網技術,物聯網是信息化發展的一次新機遇;或者認為根本不存在物聯網技術,物聯網技術僅僅是現有網絡與信息技術的一種集成。筆者認為,無論是否認物聯網技術,還是泛化物聯網技術,都沒有從系統角度分析和研究物聯網,沒有把握物聯網的內在本質特征。本文試圖從專用物聯網與公共互聯網、現實物理世界與虛擬網絡世界融合、以及三維物聯網體系結構方面,系統地分析和研究物聯網,探索物聯網的內在本質特征。目前在學術刊物上可檢索到的從系統角度研究物聯網的相關工作很少,L.Atzori等人從系統角度對物聯網的復雜性進行了較為深入的分析,提出了從物品、互聯網和語義三個視圖看待物聯網的概念模型(見圖1),客觀地分析了國際上從物品和網絡的視圖研究物聯網的思路、方法以及系統。從物品視圖研究物聯網,側重于物品的標識、編碼、傳感和操縱等方面技術,由此產生了射頻標識(RFID)技術、產品電子編碼(EPC)系統、以及傳感器和執行器網絡;從網絡視圖研究物聯網,側重于基于現有互聯網技術的物品聯網技術的研究,由此產生了一系列簡化的聯網技術,包括智能物品互聯網協議(IPSO)聯盟提出的面向物品的IP聯網技術,互聯網工程工作組(IETF)提出了在低功耗個域網(LoWPAN)鏈路上高效、低開銷傳輸IPv6(第6版本的互聯網協議)的技術(6LoWPAN),以及物品萬維網(物品WEB)技術。L.Atzori等人認為物聯網是一個復雜的系統,其原因在于:不同的研究組和研究機構可以從物品和網絡等多個視角分別定義和研究物聯網。筆者認為,L.Atzori等人采用的多視角物聯網分析方法是一個有效的方法,可以從系統角度揭示物聯網系統和技術的復雜程度。但是,L.Atzori等人僅僅從綜述現有物聯網技術角度進行了初步的研究,并沒有完整地從系統角度研究物聯網的技術,其“語義”視圖的引入有些牽強。筆者認為,“語義”僅僅是物聯網技術的某個方面,與物聯網涉及到的“物品”和“網絡”的概念不在同一個層次,這里引入“語義”的視圖是不合適的。這種“語義”的視圖應該替換為“應用”視圖,這樣,才能解釋由于目前不同應用領域提出各自的專用物聯網系統和技術所造成的物聯網系統和技術表面混亂的現象。L.Atzori等人提出的三個視圖的物聯網模式僅僅綜合分析和歸納了現有物聯網系統和技術,并沒有涉及到物聯網的本質問題和核心技術。筆者認為,物聯網的本質問題必須從虛擬網絡世界與現實物理世界融合的角度進行探索,物聯網本質上是虛擬的信息網絡世界與現實的物理世界融合的必然產物;物聯網系統是虛擬與現實世界融合的實際可用系統的總稱,美國總統科學技術咨詢委員會建議美國政府優先資助的網絡化物理系統(CPS)僅僅是虛擬與現實世界融合的關鍵技術之一;在虛擬與現實世界融合的關鍵技術中,還包括CPS前端與物品標識和信息采集相關的信息材料技術,以及CPS后端與處理物理空間語義和時間語義相關的物理化網絡系統(PCS)技術;虛擬與現實世界的融合必須涉及到一系列社會、經濟、法律和隱私保護方面的問題,例如虛擬世界的貨幣系統如何與物理世界的貨幣系統關聯,物理世界的法律體系如何延伸到虛擬世界。由此可以看出,基于虛擬網絡世界與現實物理世界融合構造的物聯網概念模型,可以觸及到物聯網的本質問題。基于兩個世界融合的物聯網概念模型可以梳理物聯網研究中一些容易混淆的概念,尚不足以歸納總結出物聯網的本質特征,為此,必須進一步研究物聯網體系結構。物聯網的體系結構是從功能構成的角度研究物聯網的系統架構,筆者曾經提出過一個物聯網的體系結構和實現模型,那是僅僅從網絡系統的維度研究物聯網體系結構,還沒有包括物品和應用的維度。本文將從信息物品、自主網絡、智能應用三個維度提出了一個物聯網的體系結構,較為完整地探討物聯網的本質特征。本文第2節從專用物聯網與公共物聯網角度,分析物聯網的功能特征;第3節從信息網絡世界與現實物理世界融合的角度分析和研究物聯網概念模型及相關技術,試圖闡述物聯網與CPS之間的關系,論述其他融合虛擬和現實世界的關鍵技術和相關的社會問題;第4節從物聯網的體系結構角度分析和研究物聯網的功能組成以及技術體系;第5節討論物聯網概念模型與體系結構的應用實例;第5節給出本文的結論。1公共物聯網的發展需要構建一個物聯網的公共技術平臺物聯網可以分成公共物聯網和專用物聯網,公共物聯網是指可以連接所有物品、覆蓋某個社會行政區域的、與公共互聯網連接的、作為真正社會的公共信息基礎設施的物聯網;專用物聯網是指連接某些特定物品的、覆蓋某個特定機構區域的、作為該機構內部特殊用途的物聯網。公共物聯網必須包括公共物聯網系統以及公共物聯網技術體系,公共物聯網需要一個標準的技術體系,包括物品標識的技術標準體系,物品信息傳遞的技術標準體系,以及物品數據處理和服務的技術標準體系。智慧城市、智慧中國、智慧地球都屬于公共物聯網,都需要一個公共物聯網技術體系的支撐,形成一個公共物聯網的系統。筆者認為,能夠真正推動產業發展和社會進步的是公共物聯網以及相關的技術體系,國際電信聯盟的物聯網報告討論的就是公共物聯網,國家和政府重點發展的應該是公共物聯網技術和公共物聯網系統。專用物聯網可以包括專用物聯網系統以及專用物聯網技術體系,專用物聯網可以構造一個面向特定應用領域的標準技術體系,同樣包括了物品標識、物品信息傳遞、以及物品數據處理和服務的技術體系。從擴展角度考慮,專用物聯網最好參照公共物聯網的標準。但是,在物聯網發展的初級階段,專用物聯網發展必然領先于公共物聯網的發展,專用物聯網制定的技術標準不一定被公共物聯網技術體系采納,這樣,早期發展的專用物聯網技術可能成為被淘汰的技術。智慧工廠、智慧校園、智慧醫院、智慧商場、智慧倉庫都是一些典型的專用物聯網系統,目前的這些物聯網系統是無法實現互聯、互通、互操作的,這是專用物聯網系統本身的局限性造成的,這些局限性使得專用物聯網無法具有物聯網的全部特征,大部分專用物聯網也不需要具備物聯網的全部特征。專用物聯網可以實現覆蓋全國范圍內的、針對某個應用領域的物品連接網絡,這種專用物聯網也可以通過互聯網提供相關的信息服務,例如國際傳遞公司通過物流網絡,可以提供互聯網查詢快件當前到達位置的服務。但是,不同專用物聯網之間無法實現互聯、互通,無法構成整個社會需要的物聯網系統。所以,只有公共物聯網才能作為信息社會基礎設施,發揮類似于互聯網的作用。公共物聯網不僅可以構建一個互連各類專用物聯網的基礎設施,而且可以構建一個物聯網的公共技術平臺。按照M.Cusumano的觀點,只有公共技術平臺才能形成產業鏈,才能推動一個產業的發展。所以,關注公共物聯網的研究和開發,才能帶動物聯網產業的發展。2物體網絡的概念模型物聯網的概念模型是理解和進一步研究物聯網的基礎,客觀的物聯網概念模型將引導有實用價值的物聯網理論研究和技術開發。2.1物聯網技術的興起—概念模型提出的動因筆者認為,物聯網的概念模型是網絡世界與物理世界融合模型。人類社會在20世紀的最后20年借助于網絡和信息技術(NIT)的發展,創造了一個虛擬網絡世界。人類社會已經可以利用網絡虛擬世界,實現了網上交友、網上購物、網上游戲、網上辦公、網上訂票、網上教育、網上倉庫管理、網上電力調度、網上生產控制、網上交通監控等。但有些虛擬世界的活動必須依賴于現實物理世界,例如網上購物必須依賴于現實世界物流系統的支撐;有些人類社會的活動必須依賴于虛擬網絡世界與現實物理世界的實時交互,例如網上倉庫管理、網上電力調動以及網上生產控制等方面的應用。虛擬網絡世界與現實物理世界分離的狀況必將阻礙虛擬網絡世界的發展。NIT發展的一定程度,必然提出了網絡世界與物理世界融合的要求。近十年工業界提出了信息化必須與工業化結合,這種結合既給傳統工業的發展注入了活力,也為網絡和信息技術發展帶來了新的機遇。NIT進一步發展,必然會把應用的觸角伸到現實物理世界,必然會把集中反映網絡和信息技術的互聯網技術應用于現實物理世界的物品連接。這樣,自然就產生了物聯網的研究需求并且在倉儲和物流管理等應用方面取得了顯著的效果,這些研究也促使國際電信聯盟在2005年提出的物聯網發展的戰略思想。物聯網最初是從連接物品的角度進行研究的,自然會把與物品聯網的技術作為物聯網技術。物品聯網的第一項技術就是物品的信息標識,目前信息標識技術中最為成熟并且得到廣泛應用的是射頻標識(RFID)技術,它已經被廣泛應用于倉儲和物流;用于物品感知的傳感器網絡技術,由于具有標識和感知物品的能力,也自然歸類于物聯網技術。傳統的嵌入式技術的許多應用就是駐留人造的物品內,通常也被歸類于物聯網技術。這樣,在學術界和工業界造成了一種誤解,似乎所有的信息技術都屬于物聯網技術,物聯網技術可以包括所有的信息化技術;有些學者從這些片面認識中得出結論:物聯網沒有特殊的技術,只是現有技術的集成。2.2物理世界與網絡世界的融合物聯網是否具有特定的技術?這需要從系統的角度客觀分析物聯網的定義和特征,而基于網絡世界與物理世界融合的概念模型是分析物聯網特征的較為客觀的方法。筆者認為,網絡世界與物理世界融合涉及到三個層面(見圖2):技術層面、社會層面和系統層面,技術層面主要涉及到一些與物聯網相關的技術,例如RFID、傳感器網絡、CPS等;社會面主要涉及到網絡世界與物理世界融合的社會、經濟、法律以及隱私保護相關的問題;系統層面涉及到網絡世界與物理世界融合的具體系統,例如智能交通系統、智能電網系統、智能家居系統、智慧城市、智慧校園等。從物理世界與網絡世界融合的角度看,技術面涉及到的技術可以分成物品信息化的技術,其中具有代表性的技術是信息材料技術;物品信息傳感和物品行為控制技術,其中具有物聯網應用特征的是網絡化物理系統技術;物品信息傳遞、處理和決策技術,這是現有的互聯網不具備的技術,是面向物理世界的虛擬網絡處理技術,可以稱為物理化網絡技術(PCS)。從物理世界與網絡世界融合的角度看出,物聯網系統,例如智能交通系統、智能電網系統、智慧城市等,都是兩個世界融合形成的具體的系統。這種物聯網系統僅僅是物理世界與網絡世界融合的一個側面,單純從物聯網系統角度難以真正理解和把握物聯網的本質內涵和核心技術。因為現在討論的物聯網系統僅僅是物理世界與網絡世界融合的結果,屬于兩個世界融合的表象。兩個世界融合需要涉及到一系列特有的技術,因為物聯網涉及到兩個世界融合的技術,例如PCS技術、CPS技術、信息材料技術等,都是隱藏在物聯網系統后面的核心技術,單純研究物理世界技術或網絡世界技術的研究人員未曾系統地研究和開發這類融合的技術,必然出現研究方面的片面。物理世界與網絡世界融合涉及到一系列社會和法律層面的問題。因為虛擬網絡世界已經構成了一個虛擬社會,這是一個現實社會的反映,既有光明的、積極的一面,又有黑暗的、消極的一面。現實社會中犯罪活動,例如盜竊財產、商業欺詐等,在虛擬網絡社會也存在。這樣,如何取證、如何定罪,這在虛擬網絡社會是必須探討的問題。現代社會是一個分層的社會;物理世界與網絡世界融合之后,這種分層的關系應該如何處理?如何才能形成一個穩定、核心的新型社會體系?兩個世界融合之后,應該如何開展相關的經濟活動,如何才能獲得合理、合法的收益?原來物理世界中的法律法規,哪些可以繼續保留,哪些需要進一步改進?在兩個世界融合之后,個人和某個組織的隱私應該如何保護?2.3網絡世界和現實世界的關聯虛擬網絡世界與現實物理世界的融合涉及到一個全新的經濟模型,如果期望通過物聯網技術的研究和開發能夠促進經濟發展和社會進步,就需要設計一個與物理世界和網絡世界相融合的經濟模型,在這個經濟模型中需要考慮網絡貨幣與現實貨幣的關聯,網絡資源與現實資源的關聯,以及網絡經濟與現實經濟的關聯等問題。網絡貨幣和現實貨幣的關聯,網絡貨幣是網絡世界度量價值的單位,現實貨幣是實現世界度量價值的單位,必須建立一個動態匯率調控機制,合理引導人類社會對網絡資源和現實資源的消耗,合理引導人類社會對網絡財富和現實財富的創造,真正通過物聯網的運營,促進人類社會物質財富和精神財富的不斷增長。網絡資源與現實資源的關聯,網絡資源需要占用巨大的現實資源,谷歌的數據中心耗電量巨大,這樣網絡世界的無效空轉,必定會阻礙人類社會的持續發展;但是,谷歌數據中心的耗電量應該遠低于人類社會浪費的電量。如何客觀地界定網絡資源與現實資源的關聯,這需要對網絡世界和現實世界進行全成本核算,在此基礎上才能保證物聯網運營模式可以盈利。網絡經濟與現實經濟的關聯:傳統網絡經濟是吸引人眼球,吸引人時間,以此獲得盈利;而現實經濟則通過增值的“供應-消費”循環鏈取得盈利。物聯網運營要取得盈利,必須打破網絡世界“永生”的模式,必須引入自然消費的模式。這種經濟模式是否可行,需要進一步進行研究。3網絡管理體系網絡體系結構主要研究網絡的組成部件以及這些部件之間的相互關系。按照研究者關心的網絡系統的角度不同,可以劃分不同類型的網絡體系結構。例如從網絡的功能角度看,可以得到網絡的功能分層體系結構;從網絡管理角度看,可以得到網絡管理體系結構。以下主要從物聯網系統功能角度研究體系結構。3.1物聯網基礎設施物聯網體系結構與傳統網絡體系結構不同,不能簡單采用分層網絡體系結構描述。物聯網系統本身是由三個維度構成的一個系統(見圖3),這三個維度是信息物品、自主網絡、智能應用。自主網絡表示這類網絡具有自配置、自愈合、自優化、自保護能力,智能應用表示這類應用具有智能控制和處理能力,信息物品表示這些物品是可以標識或感知其自身信息。這三個物聯網的功能維度是傳統網絡系統不具備的維度(包括自主網絡的維度),卻是連接物品的網絡必須具有的維度,否則,物聯網就無法滿足應用的需求。信息物品、自主網絡與智能應用三個功能部件的重疊部分就是具有全部物聯網特征的物聯網系統,可以稱為物聯網基礎設施。現實世界中沒有物聯網系統,物聯網系統僅僅是一組連接物品的網絡系統總稱,例如智能交通系統、智能電網、智慧城市可以統稱為物聯網系統。這里的物聯網基礎設施表示服務于具體物聯網系統的支撐系統,可以提供包括不同應用領域的物品標識、物品空間位置識別、物品數據特征驗證和隱私保護等服務,這個部分組成了公共物聯網的核心。物聯網是由物品連接構成的網絡,無法采用傳統網絡體系結構的單一的分層結構進行描述。物聯網首先需要包括物品的功能維度,這是傳統網絡不具備的維度。連接到物聯網的物品可以稱為信息物品,這些物品具備的基本功能包括:具有電子標識、可以傳遞信息;構成物聯網的網絡需要連接多種物品,這類網絡至少具有自配置和自保護的功能,屬于一類自主網絡;物聯網的應用都是與物品相關的應用,這些應用至少具備自動采集、傳遞和處理數據,自動進行例行的控制,屬于一類智能應用。自主網絡屬于現在網絡的高級形態,一旦不進行自配置、自愈合、自優化和自保護的處理,則就簡化成為一般的網絡,可以采用網絡分層模型描述;智能應用如果完全通過人機交互界面進行處理,則智能應用也就可以簡化成為一般的網絡應用;如果物聯網不再直接連接物品,而是通過人機交互界面輸入物品的信息,則也就不再需要標識物品和自動傳遞物品信息。這樣,物聯網也就可以簡化成為一般的網絡系統,可以采用現代網絡分層體系結構進行描述。所以,現在的互聯網體系結構可以看作三個維度的物聯網體系結構的特例。運用物聯網的三維體系結構模型可以分析和評價一個物聯網的特征,可以判斷一個網絡系統是否屬于物聯網系統。例如一個網絡系統僅僅連接和感知了物品,但是,并不具有智能應用,這就不屬于一個完整的物聯網。所以,傳感器網絡就不屬于一個完整的物聯網,它僅僅具有信息物品和自主網絡的特征。3.2功能組成部件物聯網的三個功能維度就是物聯網系統的三類組成部件,這些組成部件通過具體的物聯網系統相互關聯,例如通過智能交通系統或者智能電網可以關聯這三類組成部件,這樣,整個物聯網的體系結構實際上構成了一個立體的結構(見圖4)。三類物聯網組成部件采用三個立柱表示,三個立柱的每個水平層面代表了一個具體的物聯網系統,三個立柱重疊的公共部分就是貫通各個具體物聯網系統的物聯網基礎設施。圖4表示了智能交通系統的層面和智能電網的層面,這兩個系統都是具體的物聯網系統,各自具有信息物品、自主網絡與智能應用三個維度的組成部件。例如智能交通系統的信息物品功能部件包括機動車、非機動車和行人的標識以及這些物品的信息采集;自主網絡功能部件包括機動車、非機動車和行人的自主接入網絡、自主優化網絡;智能應用功能部件包括車輛、行人智能導航,交通信號燈的自動控制。這些功能組成部件是智能交通系統中特有的,不同于智能電網中同類型的功能部件。物聯網不同于互聯網,不存在通用的物聯網系統,在實際應用中可以看到智能交通系統、智能電網、智能倉儲等系統,這些系統可以抽象地稱為物聯網系統。所以,物聯網必定是與應用領域相關的,在特定的應用領域,可以具體定義、設計和實現信息物品、自主網絡和智能應用類的功能部件。物聯網體系結構中三類功能部件之間都存在相互的關系,這三類功能部件之間的相互關系不同于互聯網分層體系結構定義的功能部件之間的相互關系,這三類功能部件之間以及不再是一個分層的服務調用和服務提供的關系。如圖5所示,信息物品需要依賴自主網絡提供的接入網絡服務,使得信息物品成為物聯網系統可以識別、可以訪問的物品;智能網絡需要依賴于自主網絡提供的數據傳遞、遠地服務訪問功能,實現網絡環境下的數據傳遞和服務調用;自主網絡需要依賴信息物品的標識,自動選擇相關的網絡接入協議和配置協議,提供接入信息物品的服務;自主網絡需要依賴智能應用的需求,確定相應的服務質量以及可能的定制服務;智能應用需要依賴于信息物品的數據語義,進行相關的處理和決策,確定對于信息物品的操作;信息物品依賴于智能應用的需求,確定提供信息的類型以及可以執行的相關操作。從以上對物聯網體系結構組成的三類功能部件的相互之間關系可以看出,物聯網體系結構具有如下特征:物品可標識、應用智能化、網絡自主化。3.3物聯網基礎設施類技術利用前面提出的物聯網體系結構,可以研究物聯網基礎設施類技術,它屬于物聯網的核心技術,是各類具體物聯網系統的支撐系統,可以構成物聯網的標準技術架構。物聯網的基礎設施類技術屬于三維物聯網體系結構中核心部分的支撐技術,它是集成自主網絡、信息物品和智能應用功能部件的關鍵技術,是真正可以構成物聯網技術平臺,推動物聯網產業化的技術體系。公共物聯網系統,例如智能交通系統、智能電網等,必須依賴于物聯網基礎設施類技術。物聯網基礎設施類技術目前是物聯網研究中尚未開墾的處女地,這方面存在諸多的理論問題和技術難點,筆者在這方面僅僅展開了一些初步研究,需要國內外同行在這方面進一步開展深入的研究。筆者認為,物聯網基礎設施類技術包括:(1)物品的統一標識和標準網絡接入技術,包括全球統一的、面向各個應用領域的、物品統一標識技術以及標準的網絡接入技術,信息物品是這類技術的主要載體,標準的網絡接入技術需要依賴于自主網絡。(2)物理化網絡系統技術,包括支持現實世界空間坐標系的網絡接入和網絡互連技術,支持現實世界統一時間體系的網絡操作技術等,自主網絡是這類技術的主要載體。(3)自主網絡技術,包括網絡系統的自配置、自愈合、自優化和自保護的技術,自主網絡是這類技術的主要載體。(4)網絡化物理系統技術,包括聯網嵌入式軟件的實時處理技術、可靠處理技術,這類技術的載體是智能應用,屬于智能應用的物理裝置端技術。(5)網絡數據融合和決策技術,包括網絡環境下多種數據的融合,多類數據的實時挖掘和實時決策技術,這類技術的載體是智能應用,屬于智能應用的網絡側技術。物聯網基礎設施類技術真正是值得國家和地方政府值得高度關注的物聯網核心技術,在研究這類核心技術基礎上,可以進一步研究和開發具有國家基礎設施特征的智能交通、智能電網和智慧城市等典型的物聯網系統,這樣,可以真正通過物聯網的研究和開發,帶動經濟發展和社會進步。4物聯網的應用域運用以上提出的物聯網體系結構,可以分析現有的系統哪些屬于物聯網系統,哪些不屬于物聯網系統,可以分析哪些技術屬于物聯網技術,哪些技術不屬于或者不完全屬于物聯網技術,可以明確哪些物聯網系統和技術可以真正帶動產業發展。按照物聯網的三維體系結構,物聯網內在特征是由信息物品、自主網絡和智能應用組合而成的。物聯網必須涉及到物品,不能連接物品的網絡不能作為物聯網;同樣,物聯網必須依賴于互聯網,即使人類有足夠的財富和時間重新構造一個獨立于現有互聯網的物聯網,如何能夠保證人們可以通過互聯網使用物聯網中的數據?物聯網離不開互聯網的支撐;物聯網涉及到具體的物品,不同應用類型的物品具有不同的標識、信息采集和傳遞的方式,這樣,物聯網必定是面向不同應用域的,只有識別了應用域,采用具體研究物聯網。表1從物品、網絡和應用三個視圖比較物聯網、互聯網和傳感器的差異。從表1的特征分析和比較可以看出:物聯網≠無線傳感器網絡+互聯網。表1中的“物品的標識”表示是否具有對物品的標識能力,互聯網不具備物品標識能力,物聯網必須具有物品的唯一標識能力,無線傳感器網絡可