作者介紹：王曉飛，天津大學(xué)智能與計(jì)算學(xué)部教授、博導(dǎo)，國家青年千人，北洋青年學(xué)者。研究方向?yàn)橹悄芫W(wǎng)絡(luò)、5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)邊緣計(jì)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?cè)趯?shí)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(shí)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(rèn)，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(jì)八十年代誕生的僅支持語音信號(hào)傳輸?shù)牡谝淮ㄓ嵓夹g(shù)，到現(xiàn)在已成熟并廣泛應(yīng)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(shì)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(dòng)下的必然產(chǎn)物。
萬物互聯(lián)使得人們無需對(duì)每一個(gè)物品下指令就能夠獲得貼心的服務(wù)，對(duì)于工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展更是一大推動(dòng)力。報(bào)告顯示，未來的無線通信系統(tǒng)將必須容納約1000億個(gè)連接設(shè)備，其中包括人類和機(jī)器通信設(shè)備。其主要目標(biāo)是建立一個(gè)互聯(lián)的社會(huì)，在這個(gè)社會(huì)中，無人機(jī)、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(jìn)的安全和遠(yuǎn)程手術(shù)。
但實(shí)現(xiàn)這個(gè)全面互聯(lián)的目標(biāo)所必需的多設(shè)備連接、高速率、低延遲、少干擾也對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。需求催生進(jìn)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(dāng)于4G的20倍)、低時(shí)延(網(wǎng)絡(luò)時(shí)延從4G的50ms縮減到1ms)、海量設(shè)備連接(滿足1000億量級(jí)的連接)、低功耗的特點(diǎn)。
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(huì)上，中國經(jīng)濟(jì)信息社發(fā)布《2018-2019中國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展年度報(bào)告》，指出了我國對(duì)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(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)規(guī)模。正是由于國家政策導(dǎo)向和支持，我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)取得了很大的進(jìn)步，萬物互聯(lián)的時(shí)代正式形成。
萬物智能時(shí)代到來： 人工智能技術(shù)發(fā)展催化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用落地
萬物互聯(lián)加速了信息的融合與聯(lián)動(dòng)，以物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)作為載體，加持人類行為的驅(qū)動(dòng)，不同維度下的信息邊界正在消失，形成了具有時(shí)空性(Spatial-temporal)的知識(shí)(Knowledge)，而第四次工業(yè)革命作為人類文明的一個(gè)新時(shí)代出現(xiàn)，不僅帶來了5G技術(shù)，還促進(jìn)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，人工智能則是物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用的催化劑，成為了推動(dòng)人類進(jìn)入萬物智能時(shí)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(jì)算和5G等各項(xiàng)技術(shù)的融入，賦予了機(jī)器“思考”的能力，打破了各類應(yīng)用場(chǎng)景的邊界，將萬物互聯(lián)推向了萬物智能時(shí)代。
智能物聯(lián)網(wǎng)落地應(yīng)用越來越多，進(jìn)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(tái)，宣布正式進(jìn)軍物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，預(yù)計(jì)未來5年實(shí)現(xiàn)100億臺(tái)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(duì)餓了么的配送流程進(jìn)行優(yōu)化，餐廳的廚師做好飯之后，點(diǎn)擊一個(gè)集成IoTSDK的按鈕，后臺(tái)管理系統(tǒng)可以選擇距離餐廳最近的配送員進(jìn)行取餐，大大減少配送人員等餐時(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)城市治理智能化。
此外，很多公司在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(jī)器人，提高了無人銀行的客戶體驗(yàn);在事故預(yù)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(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用——智能泰迪熊，它可以長時(shí)間追蹤孩子的情緒并向父母發(fā)送相應(yīng)的文本消息，父母可以根據(jù)追蹤得到的結(jié)果實(shí)時(shí)了解孩子的心情，并及時(shí)進(jìn)行回復(fù)。
物聯(lián)網(wǎng)使得原本冷冰冰的物體成為人類意識(shí)的另一種顯現(xiàn)方式，甚至能進(jìn)行思維、判斷，傾聽和感知，如果說智慧是人類永遠(yuǎn)的向往，智能則是物聯(lián)網(wǎng)的追求目標(biāo)。
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(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)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(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。簡而言之就是再創(chuàng)造一個(gè)系統(tǒng)或設(shè)備的數(shù)字版的“克隆體”。
數(shù)字孿生主要運(yùn)用于工業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)及維修等環(huán)節(jié)中，如美國GE公司為每個(gè)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(duì)機(jī)器的調(diào)試。除了在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，數(shù)字欒生技術(shù)還可以應(yīng)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(yuǎn)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(shí)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(dòng)設(shè)備的普及，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的每個(gè)用戶都已經(jīng)從互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容的消費(fèi)者成為了內(nèi)容的創(chuàng)造者，實(shí)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(dòng)設(shè)備的多樣性增加，不僅僅是移動(dòng)電話?個(gè)人電腦，其他現(xiàn)有的智能對(duì)象，如智能電表?傳感器、識(shí)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(jí)增長，呈現(xiàn)出了一個(gè)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(shí)融合，但在帶來巨大變化的同時(shí)，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(huì)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(lán)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(huì)的發(fā)展，大部分區(qū)域?qū)?huì)出現(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(gè)要同時(shí)處理多種事物的綜合辦公室。在這個(gè)框架中，用戶?信息?過程和事務(wù)將被同時(shí)考慮，并允許其通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)智能管理、監(jiān)控?定位?識(shí)別等功能，以一個(gè)更有效的方式滿足人們的日常需求。在這個(gè)過程中，物聯(lián)網(wǎng)既是環(huán)境也是橋梁，應(yīng)推進(jìn)所有內(nèi)容的集成，并填補(bǔ)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(shí)感知、隨時(shí)共享、隨時(shí)控制，以達(dá)到更深程度的人人互聯(lián)、服務(wù)互聯(lián)和最終市場(chǎng)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(shí)現(xiàn)更高效的通信。與4G相比，5G應(yīng)達(dá)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(duì)頻譜資源的利用也因此有了更高的要求，同時(shí)，在真實(shí)的物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)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(jì)需要獨(dú)立于設(shè)備類型和配置，以應(yīng)對(duì)復(fù)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(gè)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(shí)，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(jì)中需要合理地對(duì)這些模式進(jìn)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(jìn)一步實(shí)現(xiàn)從連接到智能，除了設(shè)備的連接，設(shè)備的計(jì)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(jìn)化都是相輔相成的，隨著技術(shù)的進(jìn)步，需求也在不斷升級(jí)。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(huì)中有著很高的需求，是智能經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)與世界的數(shù)字化的一個(gè)重要因素，4G在很多時(shí)候可以滿足當(dāng)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(jì)及其應(yīng)用領(lǐng)域依然存在著無法滿足當(dāng)前許多需求的問題。
5G時(shí)代的到來，在提供新機(jī)遇的同時(shí)，也有著更高的技術(shù)要求，海量設(shè)備的接入，對(duì)數(shù)據(jù)流量和服務(wù)的需求大大增加，與此同時(shí)，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(jì)算應(yīng)運(yùn)而生
隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，邊緣計(jì)算理論和技術(shù)越來越引起關(guān)注，在這個(gè)數(shù)據(jù)爆炸的時(shí)代，邊緣計(jì)算就也是一種應(yīng)對(duì)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(duì)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(shí)的，因此，利用網(wǎng)絡(luò)“邊緣”對(duì)云端分流，能夠有效減小云端的流量與計(jì)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(shí)，邊緣端多種多樣的應(yīng)用場(chǎng)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(jì)算中的豐富數(shù)據(jù)可以支持人工智能。邊緣計(jì)算與人工智能是互補(bǔ)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(kuò)展的分布式計(jì)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(yīng)用場(chǎng)景，邊緣計(jì)算與智能相結(jié)合，推動(dòng)著物聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)蓬勃發(fā)展，也預(yù)示著萬物賦能的基本趨勢(shì)。每個(gè)人都被裹挾在時(shí)代進(jìn)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(duì)和經(jīng)歷的，但迎接它的更多是一片又一片“藍(lán)海”。
作者：王曉飛
評(píng)論