作者介紹：王曉飛，天津大學智能與計算學部教授、博導，國家青年千人，北洋青年學者。研究方向為智能網(wǎng)絡(luò)、5G移動網(wǎng)絡(luò)、移動邊緣計算。主要著作有《Edge AI》等。
萬物互聯(lián)的發(fā)展歷程
創(chuàng)造是專屬于人類的生產(chǎn)方式，科技則是人們在實踐過程中產(chǎn)生的觀念。
馬克思曾說過，這一觀念包含著人與自然、人與人、人與自身的全部關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展無疑改變著這些關(guān)系，即時通訊、掃碼支付、日推歌單、共享單車、智能定位……人們是客體也是主體，以數(shù)據(jù)的方式得到確認，又將享受著數(shù)據(jù)和算法帶來的便捷與智能。
從十九世紀八十年代誕生的僅支持語音信號傳輸?shù)牡谝淮ㄓ嵓夹g(shù)，到現(xiàn)在已成熟并廣泛應用的第四代通訊技術(shù)，以及正在建設(shè)的第五代通訊技術(shù)，無線通信技術(shù)已成為構(gòu)建智能世界的主要趨勢之一，成為了維系人與人、設(shè)備與設(shè)備、人與設(shè)備之間的紐帶，打破了“數(shù)據(jù)(Data)困境”的壁壘，形成各種各樣的信息(Information)，萬物互聯(lián)正是科技發(fā)展驅(qū)動下的必然產(chǎn)物。
萬物互聯(lián)使得人們無需對每一個物品下指令就能夠獲得貼心的服務(wù)，對于工業(yè)和經(jīng)濟的發(fā)展更是一大推動力。報告顯示，未來的無線通信系統(tǒng)將必須容納約1000億個連接設(shè)備，其中包括人類和機器通信設(shè)備。其主要目標是建立一個互聯(lián)的社會，在這個社會中，無人機、汽車、傳感器、醫(yī)療和可穿戴設(shè)備都將通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)相互連接，與終端用戶交互，提供不同的創(chuàng)新型服務(wù)，如智能城市、智能家居、智能汽車、先進的安全和遠程手術(shù)。
但實現(xiàn)這個全面互聯(lián)的目標所必需的多設(shè)備連接、高速率、低延遲、少干擾也對網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。需求催生進步，5G技術(shù)帶著顛覆世界的使命向我們走來，它具有超高速率(峰值速率大于每秒20Gbit，相當于4G的20倍)、低時延(網(wǎng)絡(luò)時延從4G的50ms縮減到1ms)、海量設(shè)備連接(滿足1000億量級的連接)、低功耗的特點。
萬物互聯(lián)的發(fā)展離不開物聯(lián)網(wǎng)的支撐，5G技術(shù)則為其提供了良好的保障。2019年9月，在世界物聯(lián)網(wǎng)博覽會上，中國經(jīng)濟信息社發(fā)布《2018-2019中國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展年度報告》，指出了我國對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的政策支持力度不斷加大，闡述了我國物聯(lián)網(wǎng)應用領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)規(guī)模。正是由于國家政策導向和支持，我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)取得了很大的進步，萬物互聯(lián)的時代正式形成。
萬物智能時代到來： 人工智能技術(shù)發(fā)展催化物聯(lián)網(wǎng)應用落地
萬物互聯(lián)加速了信息的融合與聯(lián)動，以物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)作為載體，加持人類行為的驅(qū)動，不同維度下的信息邊界正在消失，形成了具有時空性(Spatial-temporal)的知識(Knowledge)，而第四次工業(yè)革命作為人類文明的一個新時代出現(xiàn)，不僅帶來了5G技術(shù)，還促進了以人工智能為基礎(chǔ)的技術(shù)領(lǐng)域不斷地快速發(fā)展。如果說5G是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的堅實基礎(chǔ)，人工智能則是物聯(lián)網(wǎng)廣泛應用的催化劑，成為了推動人類進入萬物智能時代的決定性力量。人工智能在醫(yī)療、交通、教育、商業(yè)和信息安全等領(lǐng)域的發(fā)展已經(jīng)影響到人們?nèi)粘Ｉ畹脑S多方面。信息的高度互聯(lián)，也受到了人工智能技術(shù)的加持。
人工智能技術(shù)、云計算和5G等各項技術(shù)的融入，賦予了機器“思考”的能力，打破了各類應用場景的邊界，將萬物互聯(lián)推向了萬物智能時代。
智能物聯(lián)網(wǎng)落地應用越來越多，進入我們生活的方方面面。例如，2017年阿里巴巴推出了阿里云Link互聯(lián)網(wǎng)平臺，宣布正式進軍物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，預計未來5年實現(xiàn)100億臺設(shè)備的接入，這些產(chǎn)品涉及智慧城市、智慧物流、智能醫(yī)療等領(lǐng)域。其中包括：在外賣服務(wù)方面，阿里云對餓了么的配送流程進行優(yōu)化，餐廳的廚師做好飯之后，點擊一個集成IoTSDK的按鈕，后臺管理系統(tǒng)可以選擇距離餐廳最近的配送員進行取餐，大大減少配送人員等餐時間，提高送餐效率;在城市管理方面，阿里云Link為無錫鴻山的每一個路燈、煤氣管道、河流配備了傳感器，使其可以互聯(lián)互通，小鎮(zhèn)的管理者可以輕松實現(xiàn)城市治理智能化。
此外，很多公司在物聯(lián)網(wǎng)應用方面也有很好的成就。例如，英特爾和福建升騰資訊合作完成的自助終端和金融服務(wù)機器人，提高了無人銀行的客戶體驗;在事故預防方面，英特爾推出了互聯(lián)消防員，他將Quark處理器連接到消防員的呼吸面罩中，根據(jù)消防員的氧氣剩余含量和所處環(huán)境作出最優(yōu)的決策;在人際交往方面，IBM公司推出了一個物聯(lián)網(wǎng)應用——智能泰迪熊，它可以長時間追蹤孩子的情緒并向父母發(fā)送相應的文本消息，父母可以根據(jù)追蹤得到的結(jié)果實時了解孩子的心情，并及時進行回復。
物聯(lián)網(wǎng)使得原本冷冰冰的物體成為人類意識的另一種顯現(xiàn)方式，甚至能進行思維、判斷，傾聽和感知，如果說智慧是人類永遠的向往，智能則是物聯(lián)網(wǎng)的追求目標。
設(shè)備的爆炸式增長也為數(shù)字孿生的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。所謂數(shù)字孿生，就是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。簡而言之就是再創(chuàng)造一個系統(tǒng)或設(shè)備的數(shù)字版的“克隆體”。
數(shù)字孿生主要運用于工業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、維護及維修等環(huán)節(jié)中，如美國GE公司為每個引擎、核磁共振等創(chuàng)造了數(shù)字孿生體，利用仿真技術(shù)，在數(shù)字空間完成對機器的調(diào)試。除了在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應用，數(shù)字欒生技術(shù)還可以應用于醫(yī)療行業(yè)和“智慧城市”的建設(shè)。如通過5G等傳輸技術(shù)，成功完成了全國首例遠程人體手術(shù)——帕金森病“腦起搏器”植入手術(shù)和將雄安新區(qū)定位于綠色、智能的數(shù)字孿生城市，實現(xiàn)了物理空間與虛擬數(shù)字空間的融合共生等。
萬物智能中的變化和挑戰(zhàn)
隨著移動設(shè)備的普及，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的每個用戶都已經(jīng)從互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容的消費者成為了內(nèi)容的創(chuàng)造者，實現(xiàn)人人智聯(lián)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和電子設(shè)備的發(fā)展，移動設(shè)備的多樣性增加，不僅僅是移動電話?個人電腦，其他現(xiàn)有的智能對象，如智能電表?傳感器、識別閱讀器和家用電器等也是物聯(lián)網(wǎng)中的重要組成部分。能夠介入到互聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備將越來越多，數(shù)量呈指數(shù)級增長，呈現(xiàn)出了一個多方合一的新局面，形成網(wǎng)絡(luò)?設(shè)備?人工智能等各專業(yè)領(lǐng)域的知識融合，但在帶來巨大變化的同時，也面臨著更多的挑戰(zhàn)。
首先，物與物的直接連接需要更多樣穩(wěn)定的接入方式。萬物互聯(lián)涉及到以太網(wǎng)、電力線通訊等多種通信方式，大部分被連接的設(shè)備還是會利用無線通信來傳輸傳感器和執(zhí)行器的信息。無線網(wǎng)絡(luò)的接入方式是多種多樣的，比如，WiFi?藍牙?LoRa(一種長距離無線通信技術(shù))等。多網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性與不同的接入網(wǎng)絡(luò)和連接能力有關(guān)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人類社會的發(fā)展，大部分區(qū)域?qū)霈F(xiàn)多種無線通信方式共存的情況，所以尋找更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)接入策略、解決物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)的接入問題將成為挑戰(zhàn)之一。
其次，多領(lǐng)域多元素的網(wǎng)絡(luò)框架，就像一個要同時處理多種事物的綜合辦公室。在這個框架中，用戶?信息?過程和事務(wù)將被同時考慮，并允許其通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行擴展，實現(xiàn)智能管理、監(jiān)控?定位?識別等功能，以一個更有效的方式滿足人們的日常需求。在這個過程中，物聯(lián)網(wǎng)既是環(huán)境也是橋梁，應推進所有內(nèi)容的集成，并填補由內(nèi)容演變帶來的需求空白，讓人與人、人與物之間的信息溝通更加通暢便捷，做到隨時感知、隨時共享、隨時控制，以達到更深程度的人人互聯(lián)、服務(wù)互聯(lián)和最終市場所期望的萬物互聯(lián)。
再次，如何優(yōu)化頻譜資源的利用率是未來需要解決的問題之一。不同的傳感器擁有不同的感知?處理和通信能力，在異構(gòu)的無線環(huán)境需要可靠的通信鏈路來實現(xiàn)更高效的通信。與4G相比，5G應達到1000倍的系統(tǒng)吞吐量，10倍的頻譜效率，以及更高的數(shù)據(jù)速率和更大的數(shù)據(jù)傳輸量，對頻譜資源的利用也因此有了更高的要求，同時，在真實的物聯(lián)網(wǎng)場景中，存在著多種類型的傳感器，來自于不同的制造商，并且涵蓋多種協(xié)議，因而，許多問題解決方案的設(shè)計需要獨立于設(shè)備類型和配置，以應對復雜多變的感知與傳輸環(huán)境。
最后，設(shè)備及基建設(shè)施面臨巨大的能耗也是亟待解決的挑戰(zhàn)。截至2019年底，我國已有超過13萬個5G基站，而5G基站的耗電量是現(xiàn)有4G基站的數(shù)十倍甚至百倍，其中80%用于物聯(lián)網(wǎng)，同時，考慮設(shè)備電池的壽命，它取決于設(shè)備如何有效地利用各種空閑和休眠模式，在設(shè)計中需要合理地對這些模式進行安排。然而，物聯(lián)網(wǎng)并不僅僅是建立多方的聯(lián)系，而是進一步實現(xiàn)從連接到智能，除了設(shè)備的連接，設(shè)備的計算能力才是讓這張網(wǎng)能夠活起來的關(guān)鍵。
無論是自然界還是在人類的生產(chǎn)生活中，需求和進化都是相輔相成的，隨著技術(shù)的進步，需求也在不斷升級。每一次技術(shù)的革新都影響著人類生活。高速無線通信互聯(lián)網(wǎng)連接和更高的數(shù)據(jù)率在社會中有著很高的需求，是智能經(jīng)濟發(fā)展和社會與世界的數(shù)字化的一個重要因素，4G在很多時候可以滿足當前大部分用戶的上網(wǎng)需求，但在物理層和網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計及其應用領(lǐng)域依然存在著無法滿足當前許多需求的問題。
5G時代的到來，在提供新機遇的同時，也有著更高的技術(shù)要求，海量設(shè)備的接入，對數(shù)據(jù)流量和服務(wù)的需求大大增加，與此同時，也需要更大的穩(wěn)定性和更加廣泛的覆蓋性，這些需求無疑呼喚著更加成熟靈活的架構(gòu)與算法。
邊緣計算應運而生
隨著移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，邊緣計算理論和技術(shù)越來越引起關(guān)注，在這個數(shù)據(jù)爆炸的時代，邊緣計算就也是一種應對數(shù)據(jù)壓力的有效方法。
設(shè)備的智能化和數(shù)據(jù)量的增加，對帶寬?功率?延遲?隱私等方面的需求逐漸加深，將所有數(shù)據(jù)傳送到云中是不現(xiàn)實的，因此，利用網(wǎng)絡(luò)“邊緣”對云端分流，能夠有效減小云端的流量與計算壓力。人工智能促使邊緣不僅僅是連接而是變得智能的同時，邊緣端多種多樣的應用場景，如車聯(lián)網(wǎng)、智慧家居等，不斷產(chǎn)生著大量的數(shù)據(jù)，邊緣計算中的豐富數(shù)據(jù)可以支持人工智能。邊緣計算與人工智能是互補的，也是相輔相成的，與傳統(tǒng)的算法相比，具有更加靈活的、可擴展的分布式計算的特性。
邊緣生態(tài)系統(tǒng)通過為人工智能帶來海量的信息，將為人工智能提供許多新的應用場景，邊緣計算與智能相結(jié)合，推動著物聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)蓬勃發(fā)展，也預示著萬物賦能的基本趨勢。每個人都被裹挾在時代進步的潮流中，無論你是享受著技術(shù)帶來的便利，還是早早將目光聚焦于未來，都已經(jīng)與之融為一體。未來的變化和挑戰(zhàn)，是從萬物互聯(lián)到萬物賦能必須要面對和經(jīng)歷的，但迎接它的更多是一片又一片“藍海”。
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