《物聯(lián)網工程導論 第3版》 課件 第1章-概論

物聯(lián)網工程導論

（第3版）南開大學吳功宜吳英全書章節(jié)結構第1章

智能物聯(lián)網概論第1章知識點結構本章教學要求了解物聯(lián)網發(fā)展的社會背景與技術背景掌握物聯(lián)網定義與技術特征理解物聯(lián)網體系結構的基本概念理解物聯(lián)網與互聯(lián)網的區(qū)別與聯(lián)系了解物聯(lián)網關鍵技術與產業(yè)發(fā)展趨勢1.1物聯(lián)網的形成

1.1.1物聯(lián)網形成的社會背景比爾·蓋茨與未來之路物-物互聯(lián)的設想：電子別針與家庭電子服務設施連接。通過電子別針感知來訪者位置，控制室內照明和溫度，控制電話和音響、電視等家電1998年，MITAuto-ID實驗室開始了產品電子代碼（EPC）體系的研究提出了利用射頻標簽RFID、無線網絡與互聯(lián)網，構建物-物互聯(lián)的物聯(lián)網概念與解決方案RFID/EPC與物聯(lián)網ITU與物聯(lián)網概念的提出從1997年～2005年，國際電信聯(lián)盟（ITU）從研究互聯(lián)網/移動互聯(lián)網對電信業(yè)發(fā)展影響的角度，發(fā)布了七份“ITUInternetReports”研究報告“物聯(lián)網”概念產生于20世紀90年代，而真正引起各國政府與產業(yè)界的重視是ITU在2005年發(fā)布的互聯(lián)網研究報告《物聯(lián)網（InternetofThings，IOT）》之后ITUInternetReports物聯(lián)網與智慧地球智慧地球將傳感器嵌入和裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，并通過超級計算機和云計算組成物聯(lián)網，實現(xiàn)“人-機-物”的融合通過在基礎設施和制造業(yè)中大量嵌入傳感器，捕捉運行過程中的各種信息，然后通過無線網絡接入到互聯(lián)網，通過計算機分析、處理和發(fā)出指令，反饋給控制器，遠程執(zhí)行指令通過智慧地球技術的實施，人類可以以更加精細和動態(tài)的方式管理生產與生活，提高資源利用率和生產能力，改善人與自然的關系智慧地球=互聯(lián)網+物聯(lián)網1.1.1物聯(lián)網形成的技術背景普適計算與物聯(lián)網普適計算（PervasiveComputing）又稱為“無處不在的計算”或“環(huán)境智能”普適計算的特征強調“無處不在”與“不可見”核心是“以人為本”提供自適應的網絡服務關鍵是智能物聯(lián)網、互聯(lián)網、傳感網與泛在網關系普適計算的思想就是使計算機從用戶的意識中徹底“消失”，在物理世界中結合計算處理能力與控制能力，將人與人、人與機器、機器與機器的交互最終統(tǒng)一為人與自然的交互，達到“環(huán)境智能化”的境界普適計算與物聯(lián)網的關系普適計算與物聯(lián)網從研究目標、研究的內容，到工作模式上都有很多相同之處普適計算的研究方法與研究成果，對于物聯(lián)網技術的研究有著重要的借鑒與啟示作用物聯(lián)網的出現(xiàn)也使我們在實現(xiàn)普適計算的道路上前進了一大步CPS與物聯(lián)網信息物理系統(tǒng)（Cyber-PhysicalSystems，CPS）自動泊車系統(tǒng)相關技術自動泊車是無人駕駛汽車重要的功能與研究內容之一，它是感知、智能、計算、通信與控制技術交叉融合的產物，是一種典型的信息物理融合的CPS系統(tǒng)CPS技術特征CPS是“人-機-物”深度融合的系統(tǒng)CPS是“3C”與物理設備深度融合的系統(tǒng)CPS是環(huán)境感知、嵌入式計算、網絡通信深度融合的系統(tǒng)CPS主要功能“感”：多感知器協(xié)同感知物理世界的狀態(tài)信息“聯(lián)”：連接物理世界與信息世界的各種對象，實現(xiàn)信息交互“知”：通過對感知信息的智能處理，正確、全面地認知物理世界“控”：根據正確的認知，確定控制策略，發(fā)出指令，指揮執(zhí)行器協(xié)同控制物理世界CPS是環(huán)境感知、嵌入式計算、網絡通信深度融合的系統(tǒng)CPS與物聯(lián)網的關系CPS研究的目標與物聯(lián)網未來發(fā)展方向是一致的。CPS與物聯(lián)網所催生的智能技術與設備、協(xié)同工作體系、柔性化生產方式、精細化管理模式，將重塑現(xiàn)代產業(yè)體系的新格局CPS因控制技術與信息技術融合而起，將隨著物聯(lián)網在各行各業(yè)的應用，智能工業(yè)、智能農業(yè)、智能醫(yī)療的應用而迅速發(fā)展CPS理論研究與技術研究的成果，對物聯(lián)網未來的發(fā)展有著重要的啟示與指導作用1.1.3物聯(lián)網的技術特征物聯(lián)網的定義物聯(lián)網是在互聯(lián)網、移動通信網等通信網絡的基礎上，針對不同應用領域的需求，利用具有感知、通信與計算能力的智能物體自動獲取物理世界的各種信息，將能夠獨立尋址的物理對象互聯(lián)起來，實現(xiàn)全面感知、可靠傳輸、智能處理，構建“人-機-物”高度融合的智能網絡信息服務系統(tǒng)物聯(lián)網不是簡單實現(xiàn)“鼠標”加“水泥”的數字化與信息化，而是要實現(xiàn)“透徹感知、泛在互聯(lián)、智慧處理”，以達到人、物與信息基礎設施的完美結合，實現(xiàn)現(xiàn)實社會與信息社會的深度融合。物聯(lián)網使人類能夠以更精細與動態(tài)的方式管理生產和生活，從而達到更“智慧”的狀態(tài)1.1.4物聯(lián)網與互聯(lián)網的區(qū)別

區(qū)別之一：物聯(lián)網提供行業(yè)性、專業(yè)性與區(qū)域性的服務

區(qū)別之二：物聯(lián)網數據主要是通過自動方式獲取

區(qū)別之三：物聯(lián)網是可反饋、可控制的“閉環(huán)”系統(tǒng)1.2智能物聯(lián)網發(fā)展

1.2.1智能物聯(lián)網發(fā)展的社會背景隨著人工智能技術成熟和廣泛應用，物聯(lián)網（IoT）技術與智能（AI）技術的交叉融合推動了智能物聯(lián)網（ArtificialIntelligence&InternetofThings，AIoT）的發(fā)展在“十二五”期間，我國物聯(lián)網發(fā)展與發(fā)達國家保持同步，并成為全球物聯(lián)網發(fā)展最活躍的地區(qū)之一。在“十三五”期間，在“創(chuàng)新是引領發(fā)展的第一動力”方針的指導下，物聯(lián)網進入跨界融合、集成創(chuàng)新和規(guī)?；l(fā)展的新階段2017年4月，《物聯(lián)網的“十三五”規(guī)劃（2016-2020年）》指出：物聯(lián)網正在進入跨界融合、集成創(chuàng)新和規(guī)?；l(fā)展的新階段。物聯(lián)網將進入萬物互聯(lián)發(fā)展新階段，智能可穿戴設備、智能家電、智能網聯(lián)汽車、智能機器人等數以萬億計的新設備將接入網絡。物聯(lián)網智能信息技術將在制造業(yè)的智能化、網絡化、服務化等轉型升級方面發(fā)揮重要作用。車聯(lián)網、健康、家居、智能硬件、可穿戴設備等消費市場需求更活躍，驅動物聯(lián)網和其它前沿技術不斷融合，人工智能、虛擬現(xiàn)實、自動駕駛、智能機器人等技術取得新突破2021年3月，《“十四五”規(guī)劃與2035年遠景目標綱要》第11章第1節(jié)“加快建設新型基礎設施”中指出：推動物聯(lián)網全面發(fā)展，打造支持固移融合、寬窄結合的物聯(lián)接入能力。加快構建全國一體化大數據中心體系，強化算力統(tǒng)籌智能調度，建設若干國家樞紐節(jié)點和大數據中心集群，建設大型超級計算中心。積極穩(wěn)妥發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網和車聯(lián)網。加快交通、能源、市政等傳統(tǒng)基礎設施數字化改造，加強泛在感知、終端聯(lián)網、智能調度體系建設。同時，提出構建基于5G的應用場景和產業(yè)生態(tài)，在智能交通、智慧物流、智慧能源、智能醫(yī)療等重點領域開展試點示范。該綱要明確了智能物聯(lián)網在“十四五”期間的建設任務，規(guī)劃了2035年的發(fā)展遠景目標1.2.2智能物聯(lián)網發(fā)展的技術背景云計算與智能物聯(lián)網智能物聯(lián)網開發(fā)者可以將系統(tǒng)構建、軟件開發(fā)、網絡管理任務，部分或全部交給云計算服務提供商，自己專注規(guī)劃和構思智能物聯(lián)網應用系統(tǒng)的功能、結構與業(yè)務系統(tǒng)的運行?？蛻舳说母鞣N智能終端設備（包括智能感知與控制設備、個人計算機、智能手機、智能機器人、可穿戴計算設備），都可作為云終端在云環(huán)境中使用云平臺可以為智能物聯(lián)網應用系統(tǒng)提供靈活、可控、可擴展的計算、存儲與網絡服務，并且成為智能物聯(lián)網集成創(chuàng)新的重要信息基礎設施隨著智能工業(yè)、智能交通、智能醫(yī)療、智慧城市等應用的發(fā)展，數以千億計的感知與控制設備、智能機器人、可穿戴計算設備、智能網聯(lián)汽車、無人機接入智能物聯(lián)網，智能物聯(lián)網應用對網絡提出了更高要求。傳統(tǒng)的“端-云”架構已難以滿足智能物聯(lián)網應用的高帶寬、低延時、高可靠性的需求，基于邊緣計算與移動邊緣計算的“端-邊-云”架構在這樣的背景下出現(xiàn)MEC研究之初只適用于電信公司的移動通信網。2017年，ETSI將MEC更名為多接入邊緣計算（Multi-accessEdgeComputing，MEC），將MEC擴展到其他無線接入網（如Wi-Fi），以滿足智能物聯(lián)網對MEC的應用需求邊緣計算與智能物聯(lián)網智能物聯(lián)網中的大數據與一般的大數據研究有共性的一面，這表現(xiàn)在大數據分析的基本內容上，如可視化分析、數據挖掘算法、預測性分析能力、語義引擎、數據質量與數據管理。智能物聯(lián)網行業(yè)應用也有特殊要求。智能物聯(lián)網數據具有異構性、多樣性、實時性、顆粒性、非結構化、隱私性等特點智能物聯(lián)網的智能交通、智能工業(yè)、智能醫(yī)療中的大量傳感器、RFID標簽、視頻監(jiān)控器、工業(yè)控制系統(tǒng)是造成數據“爆炸”的重要原因之一。智能物聯(lián)網為大數據技術發(fā)展提出了重大應用需求，成為大數據技術發(fā)展的重要推動力。通過感知手段獲取大量數據并不是構建智能物聯(lián)網的主要目的，如何通過對大數據的智能處理獲取正確的知識與準確反饋控制信息，這是智能物聯(lián)網對大數據技術研究提出的真正需求大數據與智能物聯(lián)網隨著智能物聯(lián)網應用規(guī)模的超常規(guī)發(fā)展，大量的智能物聯(lián)網系統(tǒng)部署在山區(qū)、森林、水域等偏僻地區(qū)。很多感知與控制節(jié)點被密集部署在大樓內部、地下室、地鐵與隧道中，4G網絡及技術已難以適應，只能寄希望于5G網絡及技術智能物聯(lián)網涵蓋智能工業(yè)、智能交通、智能醫(yī)療與智能電網等各個行業(yè)，業(yè)務類型多、業(yè)務需求差異大。在智能工業(yè)的工業(yè)機器人與工業(yè)控制系統(tǒng)中，節(jié)點之間的感知數據與控制指令傳輸必須保證是正確的，延時必須在毫秒量級，否則就會造成工業(yè)生產事故。無人駕駛汽車與智能交通控制中心之間的感知數據與控制指令傳輸同樣必須保證是準確的，延時必須在毫秒量級，否則會造成車毀人亡的重大交通事故。智能物聯(lián)網對反饋控制的實時性、可靠性要求高的應用對5G的需求格外強烈5G與智能物聯(lián)網2006年，以深度學習（DeepLearning）為代表的人工智能進入第三次熱潮?！皩W習”是人類智能的主要標志，也是人類獲取知識的基本手段。“機器學習”研究計算機如何模擬或實現(xiàn)人類的學習行為，獲取新的知識與技能，不斷提高自身能力的方法。自動知識獲取成為機器學習的研究目標決定機器學習系統(tǒng)智能化水平的重要因素是可供“學習”數據的多少和質量。智能物聯(lián)網的數據來自不同行業(yè)、應用、感知手段，包括人與人、人與物、物與物等各種數據。這些數據可以進一步分為：環(huán)境數據、狀態(tài)數據、位置數據、個性化數據、行為數據與控制數據，它們具有明顯的異構性與多樣性。因此，智能物聯(lián)網數據是機器學習的“金礦”。智能物聯(lián)網智能數據分析廣泛應用了機器學習方法，它們越來越依賴于大規(guī)模的數據集和強大的計算能力人工智能與智能物聯(lián)網數字孿生是基于人工智能與機器學習技術，將數據、算法和分析決策結合起來，通過仿真技術將物理對象映射到虛擬世界，在數字世界中建立一個與物理實體相同的數字孿生體，通過人工智能的多維數據復雜處理與異常分析，合理地規(guī)劃、實現(xiàn)對系統(tǒng)與設備的精準維護，預測潛在的風險數字孿生是在智能物聯(lián)網、云計算、大數據與智能技術的支撐下，通過對產品全生命周期“迭代優(yōu)化”和“以虛控實”方法，徹底改變了傳統(tǒng)的產品設計、制造、運行與維護技術，將極大地豐富智能技術與智能物聯(lián)網技術融合的理論體系，為智能物聯(lián)網的閉環(huán)智能控制提供了新的設計理念與方法。目前，數字孿生正從工業(yè)應用向智慧城市等綜合應用方向發(fā)展，將進一步提升智能物聯(lián)網的應用效果與價值數字孿生與智能物聯(lián)網區(qū)塊鏈作為“去中心化”協(xié)作、分布式數據存儲、“點-點”傳輸、共識機制、加密算法、智能合約等技術在網絡信任管理領域的集成，能夠剔除網絡應用中最薄弱環(huán)節(jié)與最根本缺陷（即人為因素），區(qū)塊鏈將成為重新構造社會信任體系的基礎物流與供應鏈、云存儲與個人隱私保護、智能醫(yī)療中個人健康數據合法利用和保護、通信與社交網絡中的用戶網絡關系維護，都會用到區(qū)塊鏈技術?！爸悄芪锫?lián)網+區(qū)塊鏈（BIoT）”將成為建立智能物聯(lián)網系統(tǒng)“可信、可用、可靠”的信任體系的理論基礎。目前，區(qū)塊鏈已開始應用于智能物聯(lián)網的智慧城市、智能制造、供應鏈管理、數字資產交易、可信云計算等領域，并且將逐步與實體經濟深度融合。智能物聯(lián)網、區(qū)塊鏈與人工智能等技術的融合應用，將會引發(fā)新一輪的技術創(chuàng)新和產業(yè)變革區(qū)塊鏈與智能物聯(lián)網1.3智能物聯(lián)網的技術特征

1.3.1智能物聯(lián)網“物”的特征實體：物理世界（物理實體）或虛擬世界（虛擬實體）中的一個對象，能夠被識別和被集成到物聯(lián)網中設備：具有通信功能，并可能具有感知、移動、數據收集、存儲和處理功能的物聯(lián)網接入裝置

什么是物聯(lián)網中的“物”？

1.3.2智能物聯(lián)網“網”的特征智能物聯(lián)網應用正在從單一設備、單一場景的局部小系統(tǒng)，不斷向大系統(tǒng)、復雜大系統(tǒng)方向演變。無論研究人員將復雜系統(tǒng)劃分成多層結構，或者是劃分為多個功能模塊或功能域，多個層次或多個功能模塊或功能域之間必然要通過網絡技術互聯(lián)，通過數據與指令交互實現(xiàn)智能物聯(lián)網的服務功能網絡作為支撐智能物聯(lián)網應用系統(tǒng)的信息基礎設施，擔負著在不同功能域之間的實現(xiàn)數據通信，以及與外部其他系統(tǒng)實現(xiàn)資源共享和信息交互的作用?；ヂ?lián)網成熟的網絡系統(tǒng)架構設計方法，為智能物聯(lián)網系統(tǒng)設計提供可借鑒的成功經驗

IP網與5G網內網與外網1.3.3智能物聯(lián)網“智”的特征感知智能傳感器、控制器與移動終端正在向智能化、微型化方向發(fā)展。智能傳感器是傳感器與智能技術相結合，應用機器學習方法，形成具有自動感知、計算、檢測、校正、診斷功能的新一代傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器具有三大能力：自學習、自診斷與自補償能力；復合感知能力；靈活的通信組網能力交互智能智能硬件的人機交互方式采用文字交互、語音交互、視覺交互、虛擬交互、人臉識別、虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實等新技術對于可穿戴計算設備、智能機器人、自動駕駛汽車、無人機等智能設備，它們在設計、研發(fā)、運行中，無處不體現(xiàn)機器學習的應用效果“智”的特征總結1.4智能物聯(lián)網體系結構

1.4.1智能物聯(lián)網體系結構研究對于大量復雜的物聯(lián)網系統(tǒng)，我們需要總結出不同類型應用系統(tǒng)結構的共性特征需要用“分層結構”的思想去研究出描述物聯(lián)網共性結構的抽象模型能夠從更深層次去表述物聯(lián)網應用系統(tǒng)結構、功能與原理，指導技術人員規(guī)劃、設計、研發(fā)、運行與維護大型物聯(lián)網應用系統(tǒng)物聯(lián)網與“互聯(lián)網+”的關系“互聯(lián)網+”是對我國社會與經濟發(fā)展思路高度凝練的表述，它涵蓋著互聯(lián)網、移動互聯(lián)網與物聯(lián)網與各行各業(yè)、社會各個層面“跨界融合”的豐富內容物聯(lián)網是支撐“互聯(lián)網+”發(fā)展的核心技術之一推進“互聯(lián)網+”將為物聯(lián)網產業(yè)開辟更加廣闊的發(fā)展空間研究物聯(lián)網體系結構的基本方法研究物聯(lián)網體系結構可以借鑒互聯(lián)網成熟的研究方法與思路互聯(lián)網處理體系結構的基本思路采用“化整為零，分而治之”的方法，提出了“層次”、“接口”與“協(xié)議”的概念按層次結構組織大量網絡通信協(xié)議的難題，使得看似“無法駕馭”的互聯(lián)網從“無序”變成“有序”

通信雙方事先規(guī)定好的通信規(guī)則叫做“協(xié)議”“協(xié)議”包括：語義、語法與時序語義：做什么？

語法：怎么做？

時序：按什么順序去做？為了保證物聯(lián)網有條不紊的工作，就必須制定很多的規(guī)定為了將物聯(lián)網這些規(guī)定組成一個體系，就必須研究物聯(lián)網的層次結構模型協(xié)議的概念

層次結構模型的概念“分層”結構的設計思想：將覆蓋全球郵政系統(tǒng)要實現(xiàn)的多個功能分配在不同的層次不同地區(qū)的郵政系統(tǒng)具有相同的層次不同地區(qū)郵政系統(tǒng)的同等層具有相同功能人對物理世界問題的處理方法智能物聯(lián)網的七層結構模型是不是需要同時具備感知能力和控制、執(zhí)行能力，以及需要什么樣的控制、執(zhí)行能力感知層感知層設備的分類自動感知設備人工生成信息設備感知能力與控制能力從一塊簡單的RFID標簽、一個溫度傳感器或測控裝置，到一個復