中国移动:下一代物联网发展构想白皮书(附报告)

1.概述

物联网(Internet of Things)由美国麻省理工大学 Auto-ID Center 的 Ashton 教授于 1999 年首次提出,把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来,实现智能化识别和管理。2005 年,国际电信联盟(ITU)发布《ITU 互联网报告 2005:物联网》,正式提出了“物联网”的概念,即将各种信息传感设备,如射频识别装置、各种传感器节点等,以及各种无线通信设备与互联网结合起来形成的一个庞大、智能网络。物联网经过多年的不断发展与认识,目前被普遍认为是指通过信息传感设备, 按照约定的协议, 把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络,是在互联网基础上延伸和扩展的网络。

在产业方面,物联网技术和方案在全球各行业渗透率不断加速。各行业对物联网的应用力度持续增强,根据不同咨询公司预测数据统计,智慧工业、智慧交通、智慧医疗、智慧能源等领域将最有可能成为物联网产业发展最快的领域。

2.物联网发展趋势

物联网正逐步向着数字化、智能化的方向发展。丰富的应用、领先的技术、海量的数据成为物联网快速发展的原生动力。同时,数字孪生作为全球产业数字化、智能化转型的焦点,将助力物联网的全新优化与演进。

下一代物联网的智能化与数字化程度将逐步演进与加深,数字孪生在物联网快速发展的过程中将占有浓墨重彩的一笔。借鉴数字孪生技术,将充分展示物联网系统中的拓扑结构、能源分配和设备实时情况,物理世界的设备与数字世界中的孪生体时时对应,贯穿整个产品生命周期,形成一套完整的物联网系统的全生命周期的模拟和数字化交互,实现业务运行状态实时监控优化,漏洞提前预测及防护。升级人们对于模拟世界的认知,借助数字世界实现物理世界的改造。未来,在面向教育、医疗、生产、交通等各个应用领域,数字孪生将渗透到产品研发、生产制造、系统维护、优化管理、用户呈现等端到端的各个环节,通过抽象理念具象化,物理实体数字化,有效降低生产、研发风险,提升系统效率,为下一代物联网的迭代演进保驾护航。

下一代物联网的发展驱动力

业务驱动:新业务需求的导入是任何一个系统发展的原动力。伴随着智能化的快速发展,下一代物联网在时效性、精确性方面达到了崭新的需求高度,对网络的基本功能要求如时延、带宽、功率、能耗等都提出全新挑战;此外,对于网络资源的管理、运维,也需要满足灵活可控、可预测的全新维度[8]。这些的实现前提,除了网络能力的增强以外,最重要的一点就是业务和网络的互相感知,网络对业务需求深度理解,业务对网络质量实时掌控,最终实现业网融合、网随业动。

技术驱动:技术的变革是物联网得以快速发展的保障。下一代物联网是一个与人工智能、大数据、智能传感等技术不断深入融合的非决定性、开放的网络,其中自组织的或智能的实体和虚拟物品能够和环境交互并基于各自的目的自主运行。物联网技术的探索性变革和创新,不断演进与发展,才能最终推动物联网业务的实现。物联网关键技术主要涉及三层:感知层实现泛在感知,即利用传感器等随时随地获取物体的信息;网络层实现可靠传递,通过融合各种网络,将物体的信息实时准确地传递出去;应用层实现智能处理,利用各种智能计算技术,对物体实施智能化的控制。

数据驱动:数据是物联网快速发展的基石。大量的物联网设备,在 AI 作用的加持下产生海量数据。数据的高效传输对物联网的交互及计算能力提出巨大挑战,需要根据数据的共享需求实现合理的传输、计算资源分配,需要网元智能化,路由的灵活化控制,以及存储、计算资源的合理分配。同时,数据的共享将带来一定的业务价值增长,优化业务发展,给网络带来更多的收益,网络也将会更加优化,形成良性循环。

3.下一代物联网典型应用

从服务对象来看物联网应用分为三大主线,分别是面向个人用户的消费型物联网、面向企业的生产型物联网和面向政府的管理型物联网。消费型物联网的应用主要面向个人消费者,如智慧教育、智慧医疗、智能家居等领域。生产型物联网更多考虑制造和生产行业相关产业,如智慧工厂、智慧农业等领域。管理型物联网则与城市管理息息相关,如智慧交通、智慧城市等领域。随着智能化,数字化技术的引入,下一代物联网应用也将朝着智能化、个性化、自动化快速发展。

3.1消费性物联网

3.1.1智慧教育

随着全球教育信息化战略推进和教育投入稳步增长,各国的教育信息化建设取得重大进展,教育水平持续提升。传统教育正在向开放、共享、交互、协作的现代化智慧教育转型,并呈技术化、网络化、个性化的发展趋势。借助互联网、物联网、云计算、大数据、人工智能等技术打造智能化、感知化、泛在化的智慧教育新模式,通过个性化、精细化、沉浸式的学习教学,提高课堂教学效果,提升学生学习兴趣和学习效率。

3.1.2智慧医疗

智慧医疗是综合应用新一代信息及生物技术,整合卫计部门、医院、社区、服务机构、家庭的医疗资源和设备,创新医疗健康管理和服务,形成全息全程的健康动态监测和服务体系。智慧医疗可以广泛应用于疾病预防、医疗就诊和个体保健等社会医疗卫生领域,是人的健康管理与医疗信息化、智能化相互融合发展的高级阶段。

3.1.3智能家居

智能家居是以住宅为平台,利用综合计算机、网络通讯、家电控制等技术将家庭智能控制、信息交流及消费服务等家居生活有效结合起来,构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统,提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性,并实现环保节能的居住环境。它是互联网技术和物联网技术的集中体现。智能家居发展可以分为三个阶段,单机智能、设备互联互通,和全屋智能阶段。全屋智能服务通过学习来完成用户画像,捕捉用户信息和意图,根据用户个性化需求主动提供个性化的全屋智能服务。

3.2生产型物联网

3.2.1智慧工厂

智慧工厂是现代工厂信息化发展的新阶段,是在数字化工厂的基础上,集绿色智能的手段和智能系统等新兴技术于一体,构建一个高效节能、绿色环保的人性化工厂。智慧工厂管理平台集合“排产”与“生产调度”、在线质量控制、车间物料规划与控制、生产过程追溯、可视化过程监控和生产状态分析等功能于一身,通过实现高度的自动化和信息化,打造智慧工厂,达到成本削减、生产效能提升和品质保证的目的。当前,我国正在积极打造智慧工厂,在政策、技术、市场等多重驱动下,我国智慧工厂建设正在步入快车道。

3.2.2智慧农业

农业是关系到国计民生的重要领域,我国正处于传统农业向现代农业转型的过程中,国家高度重视农业现代化建设,不断出台相关政策推动智慧农业的技术研发和工程实施。智慧农业以智慧生产为核心,依托云计算、大数据、人工智能、卫星遥感等现代信息技术,实现生产数字化、智能化、低碳化、生态化和集约化,从空间、组织、管理整合现有农业基础建设、通信设备和信息化设施。

3.3管理型物联网

3.3.1智慧交通

智慧交通融入了物联网、云计算、大数据、移动互联网、人工智能等新技术,通过高新技术汇集交通信息,对交通管理、交通运输、公众出行等交通领域全方面以及交通建设管理全过程进行管控支撑,充分保障交通安全、发挥交通基础设施效能、提升交通系统运行效率和管理水平,为通畅的公众出行和可持续的经济发展服务。

3.3.2智慧城市

智慧城市是以信息技术为核心,物联网为基础,利用智能识别、移动互联网和云计算等高新技术,集数字化、网络化、智能化于一体,依托信息产业发展和技术创新应用,通过整合信息资源,实现以用户创新、开放创新、大众创新、协同创新为特征的可持续创新,全面提升城市居民的生活质量和幸福指数,推动城市经济社会发展模式的转型和城市治理的现代化。

3.4下一代物联网业务共性需求

总体来看,无论是消费型物联网、生产型物联网还是管理型物联网,都是以如何更加优化的满足人类生活,服务于人的“衣、食、住、行、学、医、养、服”多方需求应运而生。传统服务于人-人通信的网络,可以基于人类的高度智能实现信息的决策及系统的控制,通信质量的提升即可满足需求。服务于物的物联网要能实现去人工的全自动化,需从物物连接到物物智联,不仅要实现物体之间的联通,还要保证连接的可靠性、灵活性、可控性,以及信息传递的准确性、及时性、时效性。

4.下一代物联网6S特征构想

结合下一代物联网的典型应用及共性需求,综合考虑物联网业务的全生命周期,从业务的产生识别,到信息的可靠传输、数据的高效处理,再到安全的整体保障、系统的极简管理,最后推进业务的未来衍生,未来物联网需具备如下特征:一是敏捷(Speedy),能够快速实现物联网丰富业务的识别、管理与优化;二是融合(Syncretic),实现物联网蜂窝网络与短距网络等异构网络间的纵向及横向融合,实现高可靠,高性能的一体化数据传输;三是协同(Synergistic),基于多系统、多维度的协同,实现物联网海量数据的实时、精准分析与处理;四是安全(Security),实现面向物联网业务的定制化全方位安全防护;五是极简(Simple),面向物联网的管理者,实现系统的全方位便捷化管理;六是共享(Shared),基于统一的系统架构,实现网络能力及资源的共享,支持物联网业务的不断丰富与衍生基于以上下一代物联网的 6S 特征,一个崭新的物物连接的时代即将开启。

4.1敏捷

未来随着物联网的快速发展,将催生出不计其数的业务需求。与传统物联网业务不同的是,下一代物联网业务将随着数据的交互、分析而灵活化生成,即业务将具有自生长的特性。为适应物联网业务灵活化、随机化产生的特性,物联网系统需准确理解不同业务的差异化意图,并能适应跨多技术领域的复杂环境,快速地完成业务意图的准确发现与识别。同时,系统需具备快速且精准分析网络资源的能力,以实现业务需求与网络能力的精准匹配。其次,系统需实时监控业务需求的变化,提前识别网络故障,及时调整网络资源配置,保证业务和资源的高效动态匹配,从而形成集聚业务意图感知、分析、决策下发、智能运维于一体的全生命周期闭环系统,实现网随业动。

4.2融合

4G 时代,移动网络虽然覆盖了全球 90%的人口,却只覆盖了不到 20%的全球区域,在其他 80%的区域里,环境监测、灾害防护、应急搜救、国防监测等都需要通过扩大网络覆盖来实现。为了实现全球化的无缝网络覆盖,陆、海、空、天四位一体化融合通信已成为下一代物联网的发展趋势。下一代物联网通过地面无线通信(蜂窝、短距等)、无人机等空中通信、高中低轨卫星通信、海洋通信(岸基、无人平台、水下运动载体等)技术的融合实现网络的“纵横联合”,解决不同网络间互联互通问题,实现端到端的数据互通、数据无缝传输。同时,陆-海-空-天融合通信可以提升物物传输性能,提高网络的可用性和可靠性、扩大网络覆盖范围、充分利用网络的资源、降低网络运营商和服务商成本、满足多样化的业务需求。

4.3协同

互联网时代,主要是解决信息在人与人之间的传输,通过人类本身具有的信息处理能力来完成对于信息的理解及后续的决策,因此,信息的互通在互联网时代是重中之重。而在物联网时代,仅实现物物连接的信息互通无法解决根本问题,因为物体对于信息的处理能力远不及人类,尤其物体在获取多源信息后将如何解析,这就需要赋予物以协同化数据处理能力。因此,在物联网的时代,协同化需要全面植入到下一代物联网数据处理的各个层级中,从多源感知数据处理、多类型数据协同存储、统一数据分析架构设计等多方面去定义与实现物联网多源数据的协同处理,从而应对不断激增的物联网海量多源数据处理的需求,并且满足不断衍生的物联网新应用对于强大算力的匹配需求。

4.4安全

物联网市场发展迅速,终端数量剧增,安全隐患大,而失去安全防护的物联网也将一无是处。物联网设备具有型号多、微型化、轻量化的特点,这些特点将在未来发展中更加明显,现有粗粒度、大体量的安全解决方案无法适应。同时,在业务云化趋势下,安全边界愈加模糊,传统单点防御手段难以发挥作用;新型攻击复杂且隐蔽,传统被动防御手段无法有效识别,威胁检测及响应处置周期变长。因此,面对下一代物联网的安全需求,应实现从粗放防护到精准防护,单点防护到整体防护,被动防护到主动防护,静态防护到动态防护的多维度变革。

4.5极简

为满足丰富化、海量化、微型化物联网业务发展需求,下一代物联网系统将引入众多高精尖技术,但任何一个高效、灵活的网络一定是朝着极简化方向进行发展,极简可以加速物联网敏捷化、智能化、融合化的发展进程,因此,极简是下一代物联网发展的重要目标。通过操作简化、部署简化、和运维简化等,实现业务敏捷高效,网络统一承载、计算智能协同、资源按需调度、安全策略随行,有效增强用户体验感、提升业务部署效率、降低运维成本,极大降低网络优化调整的时间及难度,满足下一代物联网高动态、高灵活化需求,打造端到端极简的下一代物联网体系架构。

4.6共享

为满足物联网业务不断丰富,不断衍生的需求,需尽可能发掘物联网系统的可复用性,提升系统的利用效率,从而基于一套物联网系统来支持实现丰富的物联网业务,“以不变应万变”,创造无限可能。下一代物联网的共享特性包括能力和资源的共享。现阶段,物联网以垂直应用为主的“烟囱式”发展,以行业应用、闭环应用为主,一定程度上属于内联网、专用网。这种模式建设成本高、重复性大、物体/信息共享难、应用系统间互联互通难,既难以适应规模化、协同化发展要求,也难以引导和催生物联网更大的、潜在的发展。通过能力和资源的共享,可以实现共性能力、资源的有效利用,降低重复建设、减少烟囱式协作的成本,同时满足物联网系统数据通用、业务组件化、可复用、灵活扩展的需求。

5.结束语

近年来,以数字驱动为特征、数据资源为要素的数字经济蓬勃发展,激发出新的经济增长动力,带动下一代物联网快速成长。同时,随着各式各样智能设备的普及以及传感器的大规模部署,下一代物联网的智能化与数字化程度将逐步演进与加深,进一步助力整个社会的数字经济转型。智能数据的产生、收集、处理、决策和应用将成为新的核心价值增长点,催生新的业务场景和需求。人工智能(AI)、云计算、大数据、区块链、边缘计算等一系列新的技术的引入,将助力物联网在教育、交通、医疗、工业等各领域快速落地应用。同时丰富的应用以及海量的终端将产生海量的数据处理及传输的需求,整个系统的资源需求量会随之增加。业务场景的丰富化,技术发展的精进化,终端数据的海量化,将成为下一代物联网快速发展的原生动力,共同驱动基于数字孪生的下一代物联网向数据多维化、共享化,网络融合化、自治化,处理智能化、协同化,终端泛在化、集成化的趋势发展,全面构建满足“敏捷、融合、协同、安全、极简、共享”6S 特征的下一代物联网。

 

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