[編者按] 物聯(lián)網(wǎng)以信息服務為中心，通過與傳感網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、云計算平臺相結合，把對物理世界的感知、認識、影響和控制與計算機系統(tǒng)進行最自然的融合，實現(xiàn)物理世界、數(shù)字虛擬世界和人類感知的高度統(tǒng)一，形成完整的信息物理融合系統(tǒng)。本講座前兩期分別介紹了無線傳感網(wǎng)絡及泛在感知體系架構、泛在網(wǎng)絡融合與協(xié)同技術，本期將介紹物聯(lián)網(wǎng)依托于云計算技術的泛在智能業(yè)務。

　　9 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務

　　物聯(lián)網(wǎng)應用極其廣泛，從日常的家庭、個人應用，到工業(yè)自動化應用。目前比較典型的應用包括電力行業(yè)的智能電網(wǎng)、智慧金融、智能交通、智能家居、智能醫(yī)療系統(tǒng)等。根據(jù)不同的參考標準，物聯(lián)網(wǎng)的分類方式也很多。按照技術特征及物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢可以把物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務大致分為4類[1]，分別是：身份相關業(yè)務、信息匯聚型業(yè)務、協(xié)同感知類業(yè)務、泛在智能業(yè)務。

　　身份相關的業(yè)務類應用主要是利用射頻識別（RFID）、二維碼等可以標志身份的技術，提供與身份相關的各類服務；而信息匯聚型業(yè)務主要是由物聯(lián)網(wǎng)平臺統(tǒng)一對終端、數(shù)據(jù)、應用和服務進行統(tǒng)一的管理。其中終端只接受平臺管理，分別采集數(shù)據(jù)上報，但終端之間不需要通信。隨著終端技術發(fā)展的多樣化、智能化、多模化趨勢，物聯(lián)網(wǎng)終端之間、物聯(lián)網(wǎng)終端和人之間的通信將更為緊密復雜，終端間相互協(xié)同完成同一業(yè)務是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢；而隨時隨地提供無所不在、無所不包、無所不能的智能服務將是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的愿景。

　　泛在智能（AmI）是1999年由歐洲共同體的顧問組提出[2]，后來作為歐盟第六框架計劃項目之一，開展了為期5年（2002—2006）的研究。泛在智能是一種建立于普適計算、泛在計算，強調以人為中心的交互模式。同時，也是一種嵌入了多種感知和計算設備的、具有適應性的數(shù)字環(huán)境，可根據(jù)情景來識別人的身體姿態(tài)、生理狀態(tài)、手勢、語音等，進而判斷出人的意圖、并做出相應反映。泛在智能有幾下幾個特點：

　　（1） 環(huán)境感知能力，即設備有感知用戶所處情景的能力。嵌入在環(huán)境中的傳感器使得物理信息轉變?yōu)橛行У臓顟B(tài)或操作，如身份驗證、獲知用戶當前位置等。

　　（2） 個性化及自適性，泛在智能服務可為特定用戶的需求裁定，并適應用戶要求變化。

　　（3） 預判性，即設備在不具備意識思考條件下有能力預期用戶的需求和意圖。這一特性使用戶能夠無意識地與環(huán)境交互，以簡單、自然的方式處理各種信息，享受各種服務。

　　可見，泛在智能服務可在人類的居住和工作環(huán)境中真正實現(xiàn)以人為本的新型隱式服務，而上述目標的實現(xiàn)，需要以物聯(lián)網(wǎng)泛在感知層為支撐，依托于云計算強大信息的處理能力完成。

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　　10 云計算

　　云計算的分布式中央處理單元是物聯(lián)網(wǎng)的核心部分，也是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基石。兩者的有機結合，并通過對各種能力資源共享、業(yè)務快速部署、人與物交互的新業(yè)務擴展、信息價值深度挖掘等多方面的促進，可以帶動整個產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈的升級與躍進，而當物聯(lián)網(wǎng)達到一定規(guī)模時，對云計算的依賴性將更強。

　　10.1 概念及發(fā)展現(xiàn)狀

　　云計算是在電子、通信、計算機與網(wǎng)絡技術的共同作用下，從圖靈計算逐漸向網(wǎng)絡計算演化的一個必然階段。它是一個基于互聯(lián)網(wǎng)的計算，能向各種互聯(lián)網(wǎng)應用提供硬件服務、基礎架構服務、平臺服務、軟件服務和存儲服務的系統(tǒng)[3].目前云計算沒有統(tǒng)一的定義，維基百科對其定義是：云計算是一種互聯(lián)網(wǎng)上的資源利用新方式，可為大眾用戶依托互聯(lián)網(wǎng)上異構、自治的服務進行按需即取的計算。“云”是對云計算虛擬化、透明性、動態(tài)可擴展、聚散自如等特點的形象描述，同時是底層基礎設施的一種抽象。

　　云計算是分布式計算、并行計算和網(wǎng)格計算等技術的綜合發(fā)展。其核心是將大型數(shù)據(jù)中心的計算資源進行虛擬化并向用戶提供以計算資源為形式的服務。

　　隨著Google、IBM、Amazon等云計算的領跑者在商業(yè)應用中取得成功，云計算得到了中國國內和國際上工業(yè)界、學術界乃至政府部門的熱烈響應。美國政府在IT 政策和戰(zhàn)略中加入了云計算因素，美國國防信息系統(tǒng)部門（DISA）正在其數(shù)據(jù)中心內部搭建云環(huán)境，2009年9月，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布將執(zhí)行一項影響深遠的長期性云計算政策，希望借此壓縮美國政府支出；日本內務部和通信監(jiān)管機構計劃建立“Kasumigaseki Cloud”，一個大規(guī)模的云計算基礎設施，以支持所有政府運作所需的信息系統(tǒng)；中國政府在“十二五”信息規(guī)劃的技術背景中特別對云計算技術做了闡述，明確提出云計算技術是中國下一個五年信息化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點領域之一。

　　10.2 關鍵技術

　　云計算是一種新型的數(shù)據(jù)密集型超級計算方式，以數(shù)據(jù)為中心，在數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理、編程模式等多方面具有自身獨特的技術。

　　10.2.1 虛擬化技術

　　虛擬化作為云計算的核心特征，是云計算依托的基礎。虛擬化技術是指計算元件在虛擬的基礎上運行，以擴大硬件的容量、簡化軟件的重新配置過程、減少軟件虛擬機相關開銷并支持更廣泛的操作系統(tǒng)。通過虛擬化技術，單個服務器可以支持多個虛擬機運行多個操作系統(tǒng)和應用，從而大大提高服務器的利用率。在云計算實現(xiàn)中，計算系統(tǒng)虛擬化是一切建立在“云”上的服務與應用的基礎。

　　中國移動開發(fā)社區(qū)對虛擬化概括如下：虛擬化即基礎設施的虛擬化，核心是傳統(tǒng)的已經(jīng)成熟的集群技術和分區(qū)技術的結合。虛擬化目前包括：網(wǎng)絡虛擬化（VPN）、存儲虛擬化（SAN/NAS）、服務器虛擬化，這些均為云計算的基礎設施。

　　10.2.2 數(shù)據(jù)存儲與管理技術

　　云計算數(shù)據(jù)存儲以冗余的方式提供高可靠性和高可用性，具體包括集群計算、數(shù)據(jù)冗余和分布式存儲技術，以保證數(shù)據(jù)具有高可用、高可靠和經(jīng)濟性。此外，云計算系統(tǒng)需要并行提供服務以滿足大量用戶的應用需求，故其存儲技術需要具備高吞吐率和高傳輸率的特點。云計算的數(shù)據(jù)存儲技術主要有谷歌的非開源GFS [4]和Hadoo的開源版GFS——HDFS [5].云計算數(shù)據(jù)存儲本質上是一種分布式存儲技術，它與相關的虛擬化技術實現(xiàn)了對上層屏蔽具體的物理存儲器的位置、信息等。

　　云數(shù)據(jù)管理方面，由于云計算的特點之一是對海量的數(shù)據(jù)存儲、讀取后進行大量的分析，數(shù)據(jù)的讀操作頻率遠大于數(shù)據(jù)的更新頻率[6]，所以云數(shù)據(jù)管理是一種讀優(yōu)化的數(shù)據(jù)管理。云數(shù)據(jù)管理必須能夠高效管理大數(shù)據(jù)集，從而對分布式海量數(shù)據(jù)集進行處理、分析并向用戶提供高效服務。同時，如何在泛在感知獲取的規(guī)模巨大的數(shù)據(jù)中找到特定數(shù)據(jù)，也是云計算數(shù)據(jù)管理技術所必須解決的問題。

　　10.2.3 并行編程技術

　　云計算的編程模型必須十分簡單，并隱藏后臺復雜的并行執(zhí)行和任務調度。良好的透明性使得用戶能夠利用該模型編寫程序達到特定預期的目的，輕松地享受云計算帶來的服務。

　　云計算大部分采用MapReduce[7]的編程模式，MapReduce是由Google提出的一種新興的分布式并行編程模型，同時也是一種高效的任務調度模型。該編程模式僅適用于編寫任務內部松耦合、高度并行化的程序。因此，如何有效改進此編程模式約束，使編程人員輕松編寫緊耦合程序、高效調度和執(zhí)行任務，是MapReduce編程模型未來發(fā)展方向之一。

　　10.3 與物聯(lián)網(wǎng)的結合

　　云計算與物聯(lián)網(wǎng)相輔相成。一方面，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要云計算強大的處理和存儲能力作為支撐，使用云計算設施對物聯(lián)網(wǎng)泛在感知層采集的海量數(shù)據(jù)進行處理、分析、挖掘，可以迅速、準確、智能地對物理世界進行管理和控制，從而為泛在智能服務提供技術保障；另一方面，物聯(lián)網(wǎng)將成為云計算最大的用戶，為云計算取得更大的商業(yè)成功奠定基礎。

　　物聯(lián)網(wǎng)與云計算結合早在2009年8月24日已由中國移動總裁王建宙在中國臺灣提出來，但其結合的優(yōu)劣勢、可能存在的商業(yè)模式、企業(yè)為此進行的準備等諸多問題還需要進一步研究探討。

　　物聯(lián)網(wǎng)與云計算結合的兩個重要方面是規(guī)模化與業(yè)務模式。首先，規(guī)模化是物聯(lián)網(wǎng)與云計算結合的基礎。一方面，云計算中心對接入網(wǎng)絡終端的普適性，推動了物聯(lián)網(wǎng)應用的廣泛性；另一方面，物聯(lián)網(wǎng)感知的泛在性與云計算超大規(guī)模的分布式計算性質、物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)的冗余性與云計算冗余數(shù)據(jù)存儲有機地聯(lián)系對應。云計算和物聯(lián)網(wǎng)的結合有效地發(fā)揮了各自的優(yōu)勢和特點，相得益彰。因此，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的規(guī)模需要足夠大，才能高效地與云計算結合，施展各自優(yōu)勢。如應用在智能電網(wǎng)、物流管理、地震臺監(jiān)測等。當然，兩者的結合也不能一概而論，對于一般性的、局域的、家庭網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應用，則無需結合云計算。

　　其次，適合的業(yè)務模式是實現(xiàn)條件。需要考慮非常現(xiàn)實的技術支撐和產(chǎn)業(yè)鏈建設的價值平衡，并有效促進產(chǎn)業(yè)與行業(yè)發(fā)展。只有通過適合的業(yè)務模式和實用的實際服務，才能使物聯(lián)網(wǎng)和云計算更好服務，形成一個有效、良性的價值鏈體系和業(yè)務生態(tài)系統(tǒng)，從而推動整個信息產(chǎn)業(yè)能夠良性可持續(xù)發(fā)展。

　　物聯(lián)網(wǎng)與云計算的結合在實現(xiàn)了泛在智能服務、創(chuàng)造更多價值的同時，在信息的安全性、價值鏈形成過程中的利益分配平衡也存在著一定的風險和不確定性，需要進一步研究探索。

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　　11 信息物理融合系統(tǒng)

　　信息物理融合系統(tǒng)（CPS）的概念最早是由美國國家基金委員會在2006年提出，有望成為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息技術的第3次浪潮。CPS廣泛的感知、控制及計算能力以及“人-機-物”深度的融合是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最終目標。

　　11.1 CPS概述

　　CPS自提出以來，就得到研究機構、各國政府的普遍關注。2007年，美國總統(tǒng)科學與技術顧問委員會（PCAST）在題為《挑戰(zhàn)下的領先——競爭世界中的信息技術研發(fā)》的報告中列出了八大關鍵信息技術，其中CPS位列首位；歐盟計劃從2007年到2013年在嵌入智能與系統(tǒng)的研究與技術（ARTMEIS）研究中投入54億歐元，希望在2016年成為智能電子系統(tǒng)的世界領袖；中國對CPS研究也十分重視，國家自然科學基金、“973”計劃和“863”計劃都把其作為重點。

　　CPS是一個綜合計算、網(wǎng)絡和物理環(huán)境的新型多維復雜嵌入式系統(tǒng)，通過3C（Computation、Communication、Control）技術的有機融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務。它通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環(huán)實現(xiàn)深度融合和實時交互增加或擴展新的功能，以安全、可靠、高效和實時的方式監(jiān)測或者控制出一個物理實體[8].何積豐院士指出， CPS 的最終目標是實現(xiàn)信息世界和物理世界的完全融合，構建一個可控、可信、可擴展并且安全高效的CPS 網(wǎng)絡，并最終從根本上改變人類構建工程物理系統(tǒng)的方式。

　　參照國際電信聯(lián)盟有關物聯(lián)網(wǎng)的定義以及PCAST有關CPS定義，可見CPS內涵更為豐富，從專業(yè)角度為物聯(lián)網(wǎng)研究和開發(fā)提供了所需要的理論和技術內涵。而物聯(lián)網(wǎng)展現(xiàn)了CPS應用的一個直觀畫面，并進一步向CPS核心——信息物理的深度融合方向發(fā)展，即實現(xiàn)物理世界、數(shù)字虛擬世界和人類感知的高度統(tǒng)一。

　　11.2 CPS特性

　　CPS與自動化、傳感網(wǎng)絡聯(lián)系緊密，期望通過科學技術的發(fā)展進一步加強計算和物理元素的聯(lián)系，通過虛擬世界的信息交互優(yōu)化物理世界的物體傳遞、操作和控制，從而形成一個高效、智能、環(huán)保的物理世界。

　　PCAST咨詢報告認為CPS的設計、構造、測試和維護難度較大，通常涉及到無數(shù)聯(lián)網(wǎng)軟件和硬件在多個子系統(tǒng)環(huán)境下的精細化集成。而物理系統(tǒng)監(jiān)測控制復雜、變化迅速，這就要求CPS在計算能力、內存和成本等有限資源的約束下，必須可靠和實時地操作。CPS具有以下特性：

　　（1） CPS將計算能力深度嵌入在各個物理子系統(tǒng)中，追求對物理過程的網(wǎng)絡化精確控制，具有計算、通信、控制的深度集成與融合的鮮明特性。

　　（2） 要求計算技術與控制技術的融合。為了把信息世界與物理連接，CPS系統(tǒng)需要把已有的、與離散事件相關、不關心時間空間的參數(shù)的計算技術與現(xiàn)有的、與連續(xù)過程相關、注重時間空間的參數(shù)的控制技術融合起來。即離散的計算過程與連續(xù)的物理過程持續(xù)交互，緊密耦合，相互作用和影響。

　　（3） 自主適應物理環(huán)境的動態(tài)變化，具有較強的重組織和重構造能力，并易于升級擴展，易于與其他CPS子系統(tǒng)連接。

　　（4） 呈現(xiàn)多尺度的時空復雜性，要求開放、可信賴、行為可預測的嵌入式系統(tǒng)。CPS中的嵌入式計算系統(tǒng)需要通過網(wǎng)絡與其他信息系統(tǒng)進行互聯(lián)和互操作。同時，CPS已步入與國家基礎設施、人們日常生活密切相關的領域，安全敏感性也隨之升高，其技術和產(chǎn)品必須具有確定性、高可靠性，進而要求嵌入式系統(tǒng)也具有可靠、確定性。

　　11.3 面臨的技術挑戰(zhàn)及問題

　　CPS融合系統(tǒng)中近所有物理設備都被賦予了計算和通信能力，其功能的豐富性及系統(tǒng)間融合可能使CPS成為規(guī)模最大、部署長久的系統(tǒng)之一。要實現(xiàn)CPS規(guī)劃的愿景，研究領域尚有一些技術挑戰(zhàn)和問題。良好的整體工業(yè)架構是保持其可擴展性、持久性、豐富性和技術持續(xù)創(chuàng)新的關鍵因素[9]，同時也是研究的基礎以及客戶投資的關鍵。

　　保持CPS未來發(fā)展的動力有以下幾個原則。首先是架構的穩(wěn)定性，需要進一步研究以定義穩(wěn)定的CPS架構；其次是清晰的發(fā)展路線規(guī)劃，根據(jù)核心CPS架構組織目標明確、一致的研究；最后是協(xié)調發(fā)展日程，對技術發(fā)展成果進行規(guī)劃和預期，引導、驅動并平衡自然的發(fā)展周期。

　　同時，CPS發(fā)展也面臨一系列挑戰(zhàn)。一方面是理論基礎和應用系統(tǒng)模型的差異性。從科學研究、進一步發(fā)展到具體環(huán)境部署實施是技術成功的關鍵。以電力系統(tǒng)為例，其理論基礎以連續(xù)數(shù)學為主，建模工具一般是代數(shù)方程組和微分方程組；且出于實時性要求，電力系統(tǒng)模型一般將時間作為一個顯式變量來表征物理過程的次序，而一般信息系統(tǒng)不能恰當?shù)剡m應以上特點。如何既顯式表征物理系統(tǒng)的時域信息又能顯式表征信息系統(tǒng)的執(zhí)行次序，以適應電力CPS 連續(xù)性與離散性并存的特點是需要解決的問題。另一方面，保持系統(tǒng)架構完整、可靠、安全性[10].外部環(huán)境的不確定性和各種潛在的變化要求CPS系統(tǒng)需要自動、自治地對系統(tǒng)隨機故障及惡意攻擊有快速反應力。與11.2節(jié)提到的特征一致，操作系統(tǒng)和架構需要具備在互聯(lián)的設備層上對冗余資源的管理能力，對用戶應用和物理構件錯誤監(jiān)測能力以及系統(tǒng)故障的快速恢復力。

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　　12 總結

　　物聯(lián)網(wǎng)、云計算及CPS三者相互滲透耦合，物聯(lián)網(wǎng)作為CPS的直觀應用，而云計算是其信息服務（Control）部分的技術支持。當前經(jīng)濟及社會對物聯(lián)網(wǎng)和CPS系統(tǒng)需求潛力遠遠超過現(xiàn)有應用，無論從經(jīng)濟發(fā)展還是從技術變革的角度，物聯(lián)網(wǎng)及其發(fā)展的目標CPS 都是一個全球信息技術和信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新趨勢，將對現(xiàn)有的工業(yè)格局產(chǎn)生深遠影響。 （續(xù)完）

　　13 參考文獻

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