《智能物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論》AIoT導(dǎo)論-第2章課件

智能物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論吳功宜

吳英編著第2章

AIoT的發(fā)展

2.1AIoT發(fā)展的社會背景為了推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，我國政府出臺了一系列的政策和發(fā)展規(guī)劃：2016年8月，《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》2016年12月，《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》2017年4月，《物聯(lián)網(wǎng)的十三五規(guī)劃（2016--—2020）》2020年7月，《國家新一代人工智能標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》2021年3月，《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標(biāo)綱要》2.2AIoT發(fā)展的技術(shù)背景

2.2.1云計算與AIoT云計算作為一種利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)的隨時隨地、按需訪問和共享計算、存儲與軟件資源的計算模式，它具有以下幾個主要的技術(shù)特征：按需服務(wù)、泛在接入、高可靠性、降低成本、快速部署云計算能夠為AIoT應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活、可擴展、可控的計算、存儲與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。因此，云計算必然成為了AIoT重要的信息基礎(chǔ)設(shè)施2.2.25G與AIoT

AIoT規(guī)模的超常規(guī)發(fā)展，大量的AIoT應(yīng)用系統(tǒng)將部署在山區(qū)、森林、水域等偏僻地區(qū)。很多的AIoT感知與控制節(jié)點，密集部署在大樓內(nèi)部、地下室、地鐵與隧道中，必須依靠5G網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)AIoT涵蓋智能工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能交通、智能醫(yī)療與智能電網(wǎng)等各個行業(yè)，5G能夠滿足車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、移動醫(yī)療等行業(yè)的特殊應(yīng)用對超高可靠性、超高帶寬與超低延時通信場景的需求5G移動通信網(wǎng)絡(luò)成為了新技術(shù)集成創(chuàng)新的通信網(wǎng)絡(luò)平臺，有力地推動著AIoT應(yīng)用的發(fā)展2.2.3邊緣計算與AIoT

傳統(tǒng)的“端-云”架構(gòu)已經(jīng)不能滿足AIoT應(yīng)用的需求，基于邊緣計算與移動邊緣計算的“端-邊-云”可以滿足AIoT應(yīng)用對超高帶寬、超高可靠性、超低延時的技術(shù)要求隨著邊緣計算研究的發(fā)展，“邊緣”資源的概念已經(jīng)從最初的部署在邊緣節(jié)點的計算、存儲設(shè)備，擴展到從數(shù)據(jù)源到核心云路徑中的任何可利用的計算、存儲與網(wǎng)絡(luò)資源隨著5G應(yīng)用的發(fā)展，移動邊緣計算正在成為電信移動通信網(wǎng)的一種標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的技術(shù)2.2.4大數(shù)據(jù)與AIoT

AIoT中智能交通、智能工業(yè)、智能醫(yī)療中的大量傳感器、RFID芯片、視頻監(jiān)控探頭、工業(yè)控制系統(tǒng)是造成數(shù)據(jù)“爆炸”的重要原因之一AIoT為大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展提出了重大的應(yīng)用需求，成為大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展的重要推動力之一AIoT使用不同的感知手段去獲取大量的數(shù)據(jù)不是目的，如何通過對海量感知數(shù)據(jù)的智能處理，提取正確的認(rèn)知、產(chǎn)生準(zhǔn)確的反饋控制信息才是AIoT對大數(shù)據(jù)研究提出的真正需求大數(shù)據(jù)的智能處理水平?jīng)Q定了AIoT應(yīng)用系統(tǒng)存在的價值與重要性，是評價AIoT的重要標(biāo)準(zhǔn)之一2.2.5人工智能與AIoT

2006年，“深度學(xué)習(xí)”研究的發(fā)展，開啟了人工智能的第三次熱潮。第三次人工智能熱潮的研究熱點主要是機器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、計算機視覺。在過去的幾年中，圖像識別、語音識別、智能機器人、智能人機交互、無人機、無人駕駛汽車、智能可穿戴設(shè)備越來越多地使用深度學(xué)習(xí)技術(shù)AIoT的感知智能、交互智能、通信智能、處理智能、控制智能依賴于AI技術(shù)。AI機器學(xué)習(xí)方法將廣泛應(yīng)用于AIoT的多個功能模塊。如何使AIoT系統(tǒng)架構(gòu)具備原生AI支持能力是AIoT研究的主要課題，也是AIoT未來的發(fā)展方向AI機器學(xué)習(xí)的應(yīng)用越來越依賴于大規(guī)模的數(shù)據(jù)集和強大的通信、計算、存儲能力；AIoT的海量感知數(shù)據(jù)是AI機器學(xué)習(xí)的“金礦”；AIoT通過云計算、邊緣計算與5G網(wǎng)絡(luò)能夠為AI機器學(xué)習(xí)提供強大的通信、計算與存儲能力支持；AI與AIoT之間存在著相互依存、相互促進的關(guān)系2.2.6數(shù)字孿生與AIoT

傳統(tǒng)控制理論與方法已經(jīng)不能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜大系統(tǒng)的智能控制需求。隨著“智能+”概念的興起，數(shù)字孿生成為了產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界研究的熱點；工業(yè)4.0促進了數(shù)字孿生的發(fā)展數(shù)字孿生是基于AI與機器學(xué)習(xí)技術(shù)，將數(shù)據(jù)、算法和分析決策結(jié)合在一起，通過仿真技術(shù)將物理對象映射到虛擬世界，在數(shù)字世界建立一個與物理實體一模一樣的數(shù)字孿生體，通過人工智能的多維數(shù)據(jù)復(fù)雜處理與異常分析，實現(xiàn)對物理世界的設(shè)備與系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制，表現(xiàn)出“精準(zhǔn)映射、虛實交互、軟件定義、智能控制”的四大特點數(shù)字孿生為AIoT閉環(huán)智能控制提供了新的設(shè)計理念與方法2.2.7區(qū)塊鏈與AIoT

互聯(lián)網(wǎng)金融打破了傳統(tǒng)的交易體系，區(qū)塊鏈正在成為重新構(gòu)造互聯(lián)網(wǎng)信任體系的技術(shù)基礎(chǔ)AIoT中物流與供應(yīng)鏈、云存儲與個人隱私保護、智能醫(yī)療中個人健康數(shù)據(jù)合法利用和保護、通信與社交網(wǎng)絡(luò)中的用戶網(wǎng)絡(luò)關(guān)系的維護、無線頻段資源共享與保護，都會用到區(qū)塊鏈技術(shù)“物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈”將成為建立AIoT系統(tǒng)“可信、可用、可靠”信任體系的理論基礎(chǔ)AIoT、區(qū)塊鏈與AI技術(shù)的融合應(yīng)用，將引發(fā)AIoT新一輪的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革AIoT形成與發(fā)展過程AIoT概念的內(nèi)涵AIoT并不是一種新的IoT，它是IoT與AI技術(shù)成熟應(yīng)用、交叉融合的必然產(chǎn)物。它標(biāo)志著IoT技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展到一個新的階段IoT實現(xiàn)了“人-機-物”的融合，AIoT將實現(xiàn)“人-機-物-智”的融合AIoT推動了“IoT＋AI+云計算＋邊緣計算＋5G＋大數(shù)據(jù)＋智能決策＋智能控制＋區(qū)塊鏈”等新技術(shù)的交叉融合，帶動了新技術(shù)在各行各業(yè)、社會的各個層面的創(chuàng)新應(yīng)用AIoT的核心是AI技術(shù)的應(yīng)用，研究的最終目標(biāo)是使IoT達到“感知智能、認(rèn)知智能與控制智能”的更高境界。2.3AIoT的技術(shù)特征2.3.1AIoT“物”的特征可以是物理的，也可以是虛擬的可以是固定的，也可以是移動的可以是硬件，也可以是軟件或數(shù)據(jù)可以是有生命的，也可以是無生命的可以是空間的，也可以是地面或水下的可以是微粒，也可以是一個大型的建筑物2.3.2AIoT“網(wǎng)”的特征

IP專網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)安全典型AIoT應(yīng)用系統(tǒng)典型AIoT應(yīng)用系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征AIoT“網(wǎng)”的共性特征網(wǎng)關(guān)的作用2.3.3AIoT“智”的特征

1.感知智能自學(xué)習(xí)、自診斷與自補償能力復(fù)合感知能力靈活的通信組網(wǎng)能力2.交互智能3.通信智能認(rèn)知無線電具有環(huán)境頻譜感知和自主學(xué)習(xí)能力，能夠動態(tài)、自適應(yīng)地改變無線發(fā)射參數(shù)，實現(xiàn)動態(tài)頻譜分配和頻譜共享，是智能技術(shù)與無線通信技術(shù)融合的產(chǎn)物物聯(lián)網(wǎng)邊緣分析（IoTEdgeAnalytics）、邊緣計算智能中間件（MLaaS）與邊緣人工智能（EdgeAI）研究盡管目前仍處于初始階段6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將具備原生AI支持能力4.處理智能AIoT智能工業(yè)、智能醫(yī)療、智能家庭、智慧城市等應(yīng)用系統(tǒng)中大量使用語音識別、圖像識別、自然語言理解、計算機視覺等技術(shù)，AIoT數(shù)據(jù)聚類、分析、挖掘與智能決策成為機器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)應(yīng)用最為成熟的領(lǐng)域之一5.控制智能數(shù)字孿生引入虛擬空間，建立虛擬空間與物理空間關(guān)聯(lián)與信息交互，通過數(shù)字仿真、基于狀態(tài)的監(jiān)控、機器學(xué)習(xí)，將“數(shù)據(jù)”轉(zhuǎn)變成“知識”，準(zhǔn)確地預(yù)見未來，實現(xiàn)“虛實融合、以虛控實”的目標(biāo)6.原生支持智能原生支持智能是AIoT的發(fā)展愿景，也是AIoT重要的研究課題2.4物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究2.4.1物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與參考模型研究的重要性對于一個復(fù)雜的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，我們需要抽象出能夠體現(xiàn)出不同類型計算機、不同類型計算機網(wǎng)絡(luò)最基本的、共性特征的結(jié)構(gòu)模型體系結(jié)構(gòu)的研究水平是評價一項技術(shù)成熟度的重要標(biāo)志之一研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必須要研究物聯(lián)網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)參考模型與技術(shù)架構(gòu)任何一種物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)模型與體系結(jié)構(gòu)最終都要接受實踐的檢驗2.4.2AIoT

技術(shù)架構(gòu)

AIoT技術(shù)架構(gòu)：將AIoT應(yīng)用系統(tǒng)總體功能分解到不同層次，明確各層實現(xiàn)各自功能需采用的技術(shù)和協(xié)議而抽象出來的共性技術(shù)特點

感知層：感知層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，實現(xiàn)感知、控制與用戶與系統(tǒng)交互的功能包括傳感器與執(zhí)行器、RFID標(biāo)簽與讀寫設(shè)備、智能手機、GPS與智能測控設(shè)備、可穿戴計算設(shè)備、智能機器人、智能網(wǎng)聯(lián)汽車、智能無人機等移動終端設(shè)備等涉及到嵌入式計算、可穿戴計算、智能硬件、物聯(lián)網(wǎng)芯片、物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)、智能人機交互、深度學(xué)習(xí)和可視化技術(shù)接入層：接入層擔(dān)負(fù)著將海量、多種類型、分布廣泛的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的功能采用的接入技術(shù)包括有線與無線通信技術(shù)兩類有線接入技術(shù)包括Ethernet、ADSL、HFC、現(xiàn)場總線、光纖接入、電力線接入等無線通信技術(shù)包括近場通信NFC，BLE藍牙、ZigBee、6LoWAN、NB-IoT、Wi-Fi，5G云無線接入網(wǎng)C-RAN、異構(gòu)云無線接入網(wǎng)H-CRAN技術(shù)，以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)邊緣計算層：邊緣層將計算與存儲資源（如微云Cloudlet、微型數(shù)據(jù)中心、霧計算節(jié)點或微云）部署在更貼近于移動終端設(shè)備或傳感器網(wǎng)絡(luò)的邊緣將很多對實時性、帶寬與可靠性有很高需求的計算任務(wù)遷移邊緣云中處理，以減小務(wù)響應(yīng)延時、滿足實時性AIoT應(yīng)用需求，優(yōu)化與改善終端用戶體驗邊緣云與遠端核心云協(xié)助，形成“端-邊-云”的三級結(jié)構(gòu)模式核心交換層：提供行業(yè)性、專業(yè)性服務(wù)，的物聯(lián)網(wǎng)核心交換層承擔(dān)著將接入網(wǎng)與分布在不同地理位置的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的廣域主干網(wǎng)的功能對網(wǎng)絡(luò)安全要求高的核心交換網(wǎng)需要分為內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)兩大部分內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)通過安全網(wǎng)關(guān)連接構(gòu)建核心交換網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)可采用IP專網(wǎng)、VPN或5G核心網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用服務(wù)層：應(yīng)用服務(wù)層軟件運行在云計算平臺之上，云平臺可以是私有云，也可以是公有云、混合云或社區(qū)云應(yīng)用服務(wù)層為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層需要實現(xiàn)的功能提供服務(wù)提供的共性服務(wù)主要包括：從物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)中挖掘出知識的大數(shù)據(jù)技術(shù)根據(jù)大數(shù)據(jù)分析結(jié)論，向高層用戶提供可視化的輔助決策技術(shù)通過反饋控制指令，實現(xiàn)閉環(huán)的智能控制技術(shù)數(shù)字孿生將大大提升物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)控制的智能化水平區(qū)塊鏈為構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的信任體系提供重要的技術(shù)手段應(yīng)用層：應(yīng)用層包括智能工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能物流等行業(yè)應(yīng)用無論是哪一類應(yīng)用都是要將代表系統(tǒng)預(yù)期目標(biāo)的核心功能分解為一個個簡單和易于實現(xiàn)的功能每一個功能的實現(xiàn)需要為信息交互過程制定一系列的通信協(xié)議應(yīng)用層是實現(xiàn)某一類行業(yè)應(yīng)用的功能、運行模式與協(xié)議的集合軟件研發(fā)人員將依據(jù)通信協(xié)議，根據(jù)任務(wù)需要來調(diào)用應(yīng)用服務(wù)層的不同服務(wù)功能模塊，以實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的總體服務(wù)功能網(wǎng)絡(luò)安全：網(wǎng)絡(luò)安全涉及到物聯(lián)網(wǎng)從感知層到應(yīng)用層任何一種網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)各層之間的安全問題相互關(guān)聯(lián)、相互影響四項跨層的共性服務(wù)網(wǎng)絡(luò)管理：從接入網(wǎng)、核心交換網(wǎng)與后端網(wǎng)絡(luò)都使用了大量網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，接入了各種感知、執(zhí)行等節(jié)點各層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與節(jié)點之間都需要交換數(shù)據(jù)與控制指令網(wǎng)絡(luò)管理涉及各層，并且是各層之間相互關(guān)聯(lián)與相互影響名字服務(wù)：每個連接到物聯(lián)網(wǎng)的“物”都要有一個全網(wǎng)唯一的“名字”與“地址”“對象名字服務(wù)ONS”包括命名規(guī)則與“名字/地址解析”服務(wù)物聯(lián)網(wǎng)必須建立提供對象名字解析服務(wù)的ONS服務(wù)體系物聯(lián)網(wǎng)用戶關(guān)心客觀的QoS，同時也關(guān)心在QoS基礎(chǔ)上加上人為主觀因素的用戶體驗