导语
智慧城市的重要基础是数字空间与物理空间的连接(感知与控制)关系建立,物联网技术和应用的成熟使ICT技术与城市空间具备建立这种关系的能力,同时,在城市中的诸多要素——人、事、物等与智能化的融合逐渐深化的过程中,物联网在工业、农业、交通、安全等领域与大数据、云计算、人工智能、区块链、5G等新兴技术进行耦合,改变城市的管理、运营、规划方式,也深刻地影响了城市中各类主体的关系,物联网的发展和应用水平体现了智慧城市建设的核心能力及其成熟程度。因此,城市管理者、经营者尤其是规划师群体等需要在洞察物联网技术发展和应用场景的基础上探究智慧城市的发展趋势与内在逻辑。
此文为智慧城市与智能空间前沿研究系列第二篇,中规院学术信息中心(创新中心)与中规院(北京)规划设计公司新技术中心及科技公司将持续推出系列前瞻研究,敬请关注。
一、物联网是什么
新时代城市建设的总要求是高质量发展、高品质生活、高水平治理,核心矛盾是“着力解决人民与日俱增的需求增长与发展不充分不平衡之间的不匹配”,规划师需要新理论、新方法,深入建设的各个环节,以人民群众满意度为核心标准进行规划设计工作,在物联网、人工智能等新技术在各个城市场景应用逐步深入的背景下,城市空间新技术的应用及智慧城市建设中的新场景、新要素是规划师不得不深入研究的重点领域。
而物联网广泛与“智慧化”“万物互联”“数字孪生”等愿景紧密联系,物联网的基础知识是规划师洞察城市智慧化发展及空间要素与新技术应用场景的重要抓手,要探究物联网在城市发展尤其是智慧城市的建设中能发挥什么作用,城市研究者的首要任务就是厘清物联网的定义与核心内涵。
行业常见的定义
2005年国际电信联盟(ITU)在《ITU互联网报告2005:物联网》报告中,重新定义了物联网的意义和范畴。新的定义是:
“通过射频识别装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合成一个全新的巨大网络,实现现有的互联网、通信网、广电网以及各种接入网和专用网连接起来,实现智能化识别和管理。”
我们在谈物联网的时候,实际在谈什么?
广义来讲,我们在谈物联网时,主要内容包括终端设备、网络、平台及应用场景等四部分,这四部分很多时候被简化为感知层、传输层、平台层来构建工程性的架构。狭义来讲,物联网是专指网络部分,即传输层所承担的功能。
大多数时候,我们讨论的物联网已经超过狭义的网络概念,物联网是从互联网衍生出的一个概念,我们将之与互联网对比,发现互联网和物联网都不是能被孤立定义的,不能将互联网带来的创造性变革简单归因于TCP/IP协议或者HTTP协议,物联网和物联网的应用都设及终端设备、网络、平台、应用场景等四部分:
网络:网络主要指的是通信方式(协议)及围绕各通信方式建设的基础设施建设。物联网通信方式主要包括局域无线连接、广域无线连接(主要包括以NB-IOT为代表的授权频谱网络及LoRa为代表的非授权频谱网络和3G4G5G等运营商网络)、有线连接,及卫星通信、量子通信等其他通信方式。其中广域无线连接是物联网发展的关键影响技术,协议的规模化统一和基础设施的普及将直接推动物联网应用速度。
终端设备:指构成各类终端的核心元器件的技术及工艺,终端设备的发展由尖端工艺与各个学科集成共同作用。终端设备发展与物联网的相互作用类似于iPhone带来的智能机创新与4G网络普及的相互促进关系,两者的发展步调必须相对一致,才能产生颠覆性的创新。物联网时代终端设备的核心技术主要包括芯片技术(设及、测试、制造)、传感器、物联网编码(RFID)及电源管理、通信模组、屏幕面板灯等微电子技术。
平台:主要指横向集成管理网络、终端设备及其产生的数据流、业务流的平台技术。主要包括云服务、操作系统、大数据、人工智能、通用交互模块、安全运维等部分。平台技术主要由国内外行业巨头推动,与应用场景的挖掘及行业对市场的认识直接相关。
应用场景:网络、终端、平台等技术突破可以视为物联网的供给能力,应用场景是由这些供给能力与行业、市场、社会发展及国情政策等需求相互作用的结果。现阶段,应用场景依然可以分为to C(车联网、智能家居、智能医疗、休闲娱乐等),to B(智能制造、智慧物流、智能零售、智慧农业等)、to G(公共安全管理、城市部件管理、城市环卫管理等)三部分。
物联网的特性是什么?物联网什么问题是互联网不能解决的?
互联网广义来说是一个巨大网络,其与物联网的关系有两种理解方式,其一为互联网与物联网共同组成一个更加广大的网络,其二物联网是互联网巨大网络的一部分,当通信成本大幅降低、性能提高到一定程度,这两种理解方式的边界会逐渐消失。那么物联网到底解决了什么问题是互联网不能解决的问题或有哪些特性是现阶段互联网不具备的?为何物联网会发展成为与互联网并驾齐驱的全新理念。这个问题也可以从终端、网络、平台及应用场景四个部分去阐述。
终端:与互联网简单交互的设备相比,物联网终端需要具备精确感知,精密控制的能力,智能手机等设备制造的高精工艺是发展物联网终端的基础,在此基础上,物联网终端还应具备将复杂交互任务简单化的能力,感知与控制能力涉及更多的技术突破与学科领域。
网络:在互联网的基础上,物联网通信有两类新的需求,其一是高带宽,高精度、低延迟,比如在自动驾驶、车路协同、VR娱乐、智能制造等场景中的需求;二是低能耗、广覆盖的需求,比如在各类设备运行状态监控、简单感知器件等场景。
平台:互联网平台主要处理与人相关的文字、语音、视频、属性数据,而物联网平台将处理各类机器的感知数据、复杂指令及精确交互,并且对稳定性、及时性和并发量有较高要求,需要专门平台技术进行赋能,例如端云结合的智能云服务、针对各类设备的操作系统、更精确复杂的交互能力(VR、AR、生物识别、语音识别、视觉处理)及更泛在化且稳定的安全保障系统。
应用场景:由于具备网络、终端、平台等几个层面的技术支撑,物联网的应用场景将加强数字世界与现实现实的融合,在更多的细分领域推动数字化赋能,通过更强的感知、计算与控制能力,深度改变生产生活场景,创造大量新的社会价值。
基于物联网的数字孪生场景
现在谈互联网,主要在谈终端、平台、及应用,网络反而谈的很少,这是技术应用发展的不同阶段,可以预见,物联网技术的成熟标志就是网络协议与基础设施有广泛的普及与统一。物联网和互联网一样,很难单独定义,不能说HTTP或IP/TCP协议就是某个伟大互联网公司的核心技术。物联网作为互联网对现实改造的延伸,不仅是物联网技术改变现实,而是各种技术和应用场景与技术和物联网技术有机耦合产生改变世界的力量。物联网基础设施的完善、终端技术的突破及应用场景的落地对城市环境品质优化、城市功能提升、文化延续复兴、全民共治共等深远的影响,因此有对网络、终端、平台及应用的综合性认识将会有助于规划师整体地探讨技术和市场的发展,这也是本文尝试的目标和核心内容。
新一代智能城市对物联网、云计算、地理信息等新一代信息技术的运用,打造一张覆盖城市的“人、事、物”多位一体的低功耗物联网。将城市各个角落的路灯、井盖、消防栓等设施通过传感器进行采集,将这些基础设施进行集中管理和有效监控,让城市管理更科学、更有效(”劳拉物联2018报告“)。
本文第一部分介绍了作者对物联网的基本理解,第二部分第三部分将对物联网的四个组成部分——网络、终端、平台与应用场景进行解析。其中网络、终端、平台主要涉及其核心技术,将在第二章进行阐述,对与物联网发展关系密切的各项技术进行简单分析后,第三章将探讨物联网与这些技术耦合之后到底能干什、将会干什么以及如何干的问题。本文第四部分将对前三部分进行总结。
二、物联网技术
物联网发展不仅局限于网络通信层面的突破,尤其是物联网在城市中的应用还与多项技术的发展具有紧密的联系,如上文所述,本文将技术体系分为网络、终端平台三个类型。通常来讲,技术突破往往是几项技术或学科综合发展的结果,人工智能算法研究已经在上世纪下半叶取得突破,但在应用上的落地及产生颠覆性的影响则有待本世纪算力资源的丰富和互联网经济带来的海量数据,算法、算力、数据三项资源共同作用才真正推动人工智能产生巨大影响。物联网的发展同样需要期待其他科学技术的突破为其赋能,因此,分析与之关系密切的各项技术发展有助于更好的理解物联网发展的趋势。值得注意的是,这样的分类方式并不是企图将技术应用完全隔离开来,例如平台技术中人工智能广泛应用提供通用或垂直的交互能力,但在终端设备技术的边缘计算部署中,也需要人工智能技术在端侧进行应用。
1.网络技术
互联网经济发展的过程中,已经构成了有线网、无线网、广播电视网及专网局域网组成相对完善的网络体系,推动一种新的网络通信技术——物联网的发展核心驱动力是现有的网络体系不能充分满足各类设备接入网络进行各类业务的需求,因此,网络技术也是狭义物联网或早期物联网发展的核心内容。
物联网通信有两类新的需求,其一是高带宽,高精度、低延迟;二是低能耗、广覆盖的需求。除此以外,在一部分场景中,物联网通信同样可以借助互联网时代发展的运营商网络及局域网技术。因此,物联网的网络通信需求较互联网时代是更加丰富,新建设的网络基础设施也是与原有网络互相补充,而不是替代与覆盖的关系。物联网主要的通信方式包括局域无线连接、广域无线连接、有线连接,及卫星通信、量子通信等。
广域无线连接
总体而言,由于物联网应用普遍有可移动、广覆盖、强稳定性等需求,现阶段物联网通信方法发展的焦点集中于广域无线连接领域。广域无限连接主要由授权频谱网络及非授权频谱网络两种连接方式构成。
授权频谱网络:在国内,授权频谱网络主要指的的就是几大运营商广泛部署的基于3GPP支持的2/3/4/5G蜂窝通信技术的网络。在运营商网络中,NB-IoT(窄带物联网)与eMTC(增强机器类通信)均属于LPWAN(low-power Wide-Area Network, 低功耗广域网)技术,具备成本低、能源消耗少、覆盖广等优势。NB-IoT构建于蜂窝网络,可进一步降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT具有强链接、超低功耗、深度覆盖、安全性强、稳定可靠的特点。eMTC同样具有以上特点,两者之间的核心区别在于,eMTC在时延和吞吐量有较大优势,成本相对较高。现阶段,对吞吐量和时延性的要求尚未达到快速发展阶段,NB-IoT的部署比eMTC更加广泛,长远来说 ,NB-IoT与eMTC是以运营商为主体的授权频谱光广域无线网络的两种互补的LPWAN技术。
面向未来的广域网络连接(GIV@2025)
对于授权频谱网络值得一提的是5G的突破,NB-IoT与eMTC两项LPWAN技术均获得5G支持,而对于物联网应用,eMBB(增强移动宽带应用)将使设备获得峰值速率,是AR、VR等应用的基本支持,uRLLC(超高可靠超低时延通信)与mMTC(大规模机器通信)两项5G业务将满足无人驾驶、智慧城市、工厂自动化等方面的网络通信需求。综合来说,5G的发布将使运营商网络(授权频谱网络)未来在物联网应用领域具备更全的场景应用能力。
未授权频谱网络:未授权频谱网络可以理解为企业自建网络,包括LoRa、Sigfox等技术。未授权频谱网络中LoRa与授权频谱的NB-IoT及eMTC是国内主流的LPWAN技术,尤其使前两者近年来部署最为广泛的两类物联网。由于LoRa的覆盖广、功率低、高稳定性的特点,其是最广受欢迎的为授权频谱物联网技术。LoRa联盟于2005年2月成立,由联盟成员共同参与制定LoRaWAN通信协议标准,其在软件上具备开源的特性,在硬件部署上,LoRa属于自组网是私网,对于有能力自己组网的公司,逐步优化的开源协议及充分自主可控的硬件使LoRa成了物联网部署的首选。
LoRa与NB-IoT两类广域无线网络特点(“劳拉物联”)
就目前来看,国内物联网网络通信发展的大部分份额是广域无线网络,也就是NB-IoT与LoRa所代表的两种参与模式。NB-IoT是运营商建网,参与放不需要考虑基站建设,参与门槛低,但网络质量与组网情况(深度、密度)均受到运营商制约,数据也要经过运营商,存在保密性安全性的风险。LoRa则由业主进行自主组网,可自由把控网络质量,控制网络资源及数据资源,但投入较大,需考虑基站建设及配套设施。当前总体建设运营成本方面,NB-IoT投入略高于LoRa,模组功耗上NB-IoT与LoRa各有特点,总体而言NB-IoT与LoRa将在未来一段时间内共同发展。
长远来看,随着5G的发布,运营商的将能在不同场景提供更多元化的解决方案,同时随着运营商基础设施的建设投入加大,入网成本和边际成本将持平甚至低于LoRa为代表的未授权频谱网络,to C应用将由于巨大的便利性加入运营商网络。然而LoRa由于安全可控可延伸的特性将在to B, to G及其他有特别需求的场景中得到应用。
其他网络连接
虽然物联网接入目前以运营商网络(LTE,NB-IoT,eMTC)及自组网非限定频谱网络(LoRa)为代表的广域无线网为主,但与互联网接入方式类似,在一些场景中其他通信连接方式能满足特定需求。
有线连接:有线连接是一种可控、安全的连接方式,例如在医疗、工业、保密工作等场景中,在中小尺度区域部署的前提下,采取有线连接连接方式,网络通信将会更加安全、可控。而无线连接可以看作是有线连接的延伸局域无限,主要可应用在物联网场景中的无线局域连接方式主要有Wifi、Zigbee、Bluetooth三种,其部署、模组、网关等技术已经较为成熟,有线连接和无线连接可以快速配合部署,尤其在广域无线网络尚不发达的区域,由广电网络、工业有线网络、宽带等有线方式接入,再用区域无线网络进行二次部署,可灵活搭建物联网通讯体系。
有线连接在工业物联网中广泛应用
卫星通讯:卫星通讯是是一种利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波而进行的两个或多个终端之间的通信。其广泛应用在特种通讯行业,对于物联网来说,与其他通信方式类似,需要大量基站保障通讯稳定,但是在无法或不适宜大量建设基站的区域,例如原始森林、沙漠、海洋等,以及各地遭遇海啸、地震、洪涝等自然灾害使基站系统崩溃后,卫星通讯覆盖面广、通信容量大、组网快捷、信号无限制等优势即可应用。由于早期卫星通讯的技术发展和投资门槛限制,卫星物联网尚主要应用于军用通讯、自然科考、救援救灾等特种场景。近年来卫星通讯技术逐渐突破,通讯质量和成本都在持续下降,虽然短时间依然以地面基站为物联网接入主要方式,但卫星通讯除了特种场景中还会有更多的应用。
量子通信:量子信息技术是利用其量子性(quantumness) 在信息技术领域应用的科学,是量子物理与信息技术相结合发展的产物。在物联网领域,量子信息技术的安全性与时效性是期待被广泛应用的,但在量子信息技术有重大突破前,其无上限快速传输尚无法实现,并且其安全性保障仅限于其信令传输过程中不被破译,端侧的信息安全尚无法保障。当前技术条件下的量子信息技术对于物联网的赋能与加持还缺乏应用场景与想象空间。
2.终端技术
终端设备与网络是互为发展基础的,例如智能手机的创新应用与2G快速向3G、4G的快速突破带来的移动互联网经济的繁荣。物联网终端设备的特征是较多对外部环境的感知与交互,同时以机器与机器(Machine to Machine)交互形式为主,这与互联网设备终端主要是人机简单交互为主的形式有较大区别,因此涉及到更精细的芯片工艺、机器网络管理、以及多学科集成的感知与交互技术。物联网终端主要涉及芯片、边缘计算、感知、机器编码管理等关键技术。
各类物联网应用与终端
物联网的应用场景及其广泛,在智慧城市的各个发展方面均涉及海量的终端,正是依靠感知终端构成的感知网和前端,才能连接城市空间中的各类要素之间的有机联系。同时,终端涉及各类工艺及软硬件技术的发展限制,其应用是各类技术的继承体现。
芯片工艺:低功耗,高可靠性的芯片是物联网发展的核心基础,芯片工艺涉及涉及、测试、生产等环节,芯片产业是一个长期性、高投入的行业,同时也是一个全球化程度极高的产业,目前尚没有一个国家能独自打通产业上下游,我国在产业中还处于下游地位。对于物联网感知设备基础的RFID芯片读写装置等专业级芯片部件,我国尚未掌握自主核心技术、标准。在商业发展上处于比较被动的地位,同时也在中美贸易摩擦的大背景下处处受制于人。在芯片技术的核心领域——集成电路方面,决定了终端设备的稳定性,尺寸,性能等指标,物理网的应用场景要求终端具备小型化、低功耗、能柔性封装的特性,都要求较高的集成电路水平。物联网芯片产业需要长期的金融投资、人才培育以及与其他信息技术进行跨界融合。
边缘计算:云服务是下文介绍的物联网平台技术的重要组成部分,云服务是对传统IT部署方式的颠覆式创新,从本地到云端的进程使前端轻量化,在发展初期起到了为各类企业、政府降低成本、增加便利性的作用。在这样的背景下,前端就是一个输出的设备,数据传输到云端进行处理,业务也在云端部署,轻量化成为IT部署的趋势。经过了一段时间发展滞后,中心化的云端起到了统筹和管理资源的作用,同时降低了IT运维管理成本并带来了大量的红利,然而过度依赖中心化云端,会导致网络效率达不到预期,其中主要有两个较大问题:其一为从业务需求考虑,中心化云端会带来安全隐患、数据泄露的隐患及知识产权保护不足等等问题;其二则是所有原始数据均从端到云,处理计算之后再将结果回传到端,在计算资源不变的情况下,传输成本高企造成成本高昂、业务效率低下等现象。
边缘计算是在靠近物或数据源头的网络边缘侧,融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台。值得注意的是,边缘计算是根据业务场景将计算任务从云计算中心,迁移到产生源数据的边缘设备上,而不是完全构建一个去中心化的平台,同时围绕计算产生的算法和数据也可以在源数据设备和边缘设备之间进行处理交换,因此边缘计算可以解决几个问题:安全性问题,其中包括数据安全、网络安全、设备运行安全,通过算法和硬件的前置化,对于特定场景需求可以构建一个相对封闭的环境,减少不必要的开放。同时前置部署可以增加对网络设备的控制能力,保障设备运行稳定性能;数据隐私及知识产权保护,前置设备将避免对于用户敏感且需要算力算法资源进行计算的数据暴露到公共网络,尤其是面对科技伦理问题日益严重的挑战,这对个人使用和商业应用都是极其重要的一点;交互体验优化和弹性,算法和算力前置将减少数据处理时间,增加交互优化,尤其是对于自动驾驶这样需要毫秒级超大数据交互应用,边缘计算保障的即时性和交互体验是必不可少的。同时边缘部署也能保障工业、医疗等物联网具备弹性,可以保留局部运转能力;传输成本问题,边缘计算将减少大量不必要的传输成本,因为大多数数据可以在前端进行处理,例如图像识别,可在前端进行结构化处理,再回传到云端进行结果分析或由云端下发最新算进行计算。
边缘计算与云计算结合
传感器:感知环境是物联网终端的重要任务,除了视觉、语音等常见通用能力,还有气压、湿度、压强等繁复的传感技术可集成到感知终端,为物联网提供远远强于人类的感知能力,增强对环境的感知能力将有助于我们将现实数字化,感知能力是集成物理、化学、工程学等多个学科的综合领域,需要增加感知能力,在提高感知稳定性、准确度的同时也需要降低感知元器件的价格和尺寸。
典型农牧业智能物联感知系统(智农云禽)
智能传感器体系(《智能传感器型谱体系与发展战略白皮书》)
设备管理:以RFID的物联网表示设备是对感知设备进行管理的主要技术,这方面国内外技术研究已经逐渐成熟,在供应链管理、体育分析等方面广泛应用,对各类设备及物体进行表示和状态跟踪将使数字化管理现实环境逐步实现。同时,物联网设备除了与其它互联网进行交互,还有大量的机器与机器的交互(M to M),对物品和设备的编码需要由统一的标准和管理规范,将有助于物联网在某个区域更深入的应用和在更广泛的场景应用。
终端与网络深度融合带来突破(GIV@2025)
3.平台技术
智慧城市的平台技术与物联网平台技术有较大的相似性,在基础设施的建设上也有很多共通的方面,都包括云服务,通用交互能力(语言,视觉,身份识别,生物识别),垂直领域AI,大数据,操作系统,安全维护等。
物联网平台将处理各类机器的感知数据、复杂指令及精确交互,并且对稳定性、及时性和并发量有较高要求,需要专门平台技术进行赋能,包括端云结合的智能云服务、针对各类设备的操作系统、更精确复杂的交互能力(VR、AR、生物识别、语音识别、视觉处理)及更泛在化且稳定的安全保障系统。
操作系统:对于物联网操作系统,其与传统PC及移动医用操作系统的最大区别就是碎片化,其中芯片、传感器、通信协议都各有特点,技术方案不同意已经阻碍了物联网的发展,也使万物互联更加困难,各个大厂对物联网操作系统如何来破题都做了尝试,总体来说物联网操作系统需有以下能力才能满足各类应用场景需求:跨硬件平台,物联网系统对操作系统的最大要求就是跨硬件平台能运行,因为物联网设备比互联网更加多样,其编写的程序必须具备能不修改或简单修改就能在各类设备上进行运行;硬件要求低,物联网王设备的特点是量大、面广,其主流操作系统对于硬件最低要求越低,越有利于物联网广发部署;面向对象与高效的开发方式,物联网是高度贴合应用场景的应用,其开发环境应尽量贴近对象运行的逻辑,有利于大型工程组合、调试、部署,同时高效的语言也将降低物联网开发的门槛与成本,才能应对物联网复杂的运行逻辑;丰富开发组件,物联网丰富的业务节点和复杂的业务逻辑,要求对常见的通信协议接入,设备管理,边缘计算部署,云化设备的开发进行模块化开发,提升开发和管理效率。
云服务:物联网泛在化的特征,使除了可以进行边缘计算的大多数业务进行云化是最优的解决方案,云服务平台提供的是中心化的算力资源和IT组件管理。各大云服务商均在互联网云服务的基础上进行针对物联网的提升与优化,同时各类专业物联网云服务企业例如工业物联网、医疗物联网等云服务商也有其根据行业特性推出的云服务平台,云服务平台的基础是基础设施构建及连接管理服务,这相当于物联网云服务市场的运营商,其他云服务参与者在基础设施的基础上进行开发,推出包括设备管理、应用使能、业务管理等物联网云服务。同时前沿大数据技术在云端得到充分应用,数据与算力的快速整合为大数据的应用提供养分,降低了大数据处理的成本和门槛,同时促进算法的迭代优化。
泛在化的物联网云服务
通用交互能力:终端设备即使通过边缘计算进行数据的结构化及其他初步处理,但大多数时候其与复杂环境的交互能力还是通过平台赋能,人工智能算法的进步使平台侧可以为智能设备提供语音交互、视觉处理、生物识别等基本的通用交互能力,而通过增强感知能力获取大量数据,平台人工智能平台还可以训练出许多专门的强大交互能力,例如通过光谱确定食品是否编制,通过X光确定骨折情况、通过对土壤化学成分分析更换履带等强交互能力。另外VR及AR为人类与物联网各类设备交互,从而与现实进行融合提供了更多的想象空间。总的来说,人工智能为物联网获取的海量数据提升了价值,人工智能驱动的大数据技术也使处理海量数据成为可能,人工智能与更强大更精细的交互方式的结合将创造更多数字世界与现实进行融合的场景。
物联网支撑AR与VR结合交互体系
三、物联网能干什么
对物联网及与其发展关系密切的技术进行了不甚详尽且略显枯燥的解释后,这部分将探讨物联网与这些技术耦合后能为智慧城市建设做什么,为什么我们说物联网是智慧城市建设的基础,这些事现在物联网干的怎么样?
物联网能做什么?怎么做?
现在我们谈的广义的物联网——由终端、网络、平台、应用共同组成,其内涵已与智慧城市、智能化等概念有许多重叠的地方,宽泛来讲,很多时候谈论的内容并无二致。就物联网的定义来讲,物联网的核心是对设备进行管理,通过设备对环境进行感知、改变,随着智能化程度越来越高,即代表我们将借助机器替我们做越来越多的事,而这样的智能化进程也是智慧城市愿景的主要组成部分,因此广义来说,智能化是物联网发展的表现形式,物联网是智慧城市的重要组成部分。
物联网与智能化的要义便是通过机器替人类做越来越多的事,有替代人的工作,也有原来人不能做的事。可以通过对我们希望物联网做的事来进行梳理来认识物联网的核心能力,总体来说,物联网与智能化能做的事包括:感知,操作,思考。前两者是物联网的较为公认的能力,思考则有超出物联网的范畴,然则思考却是感知与操作能力能更达到智能化、泛在化的基础。从狭义的角度来说,也许思考是大数据、人工智能的领域,但思考确是建设网络、设备、平台等物联网设施之后希望物联网能替我们做的最重要的事。
帮助人类感知环境:感知是最为人所认可的物联网基本能力,从其对于人类的替代性来说可以分为两类:一类是人能感知的,可以替代人类做的工作,主要以人类五感——看、看、触、味觉、嗅觉为基础,这一类感知能力的发展主要以替代人类工作为主,但各类技术的赋能将使设备的感知能力远比人类更稳定、更灵敏,各类基本感知能力均需要较多的数据计算,从而感知能力需要先进芯片工艺水平和人工智能算法的支持;第二类便是感知人类能力以外的环境信息,包括机器的运行态势,红外能量、化学成分等,除了同样需要算法与芯片的支撑外,多样化的感知数据及频繁的感知数据交互需求,都对物联网通信提出了低功耗、低延迟、超大带宽等特性要求。
基于物联网的智慧工地系统
帮助人类进行操作:可以将需要物联网终端与网络帮助人类进行的操作也可以分为两类:第一类为不需要机器替人思考的操作,这类操作指人主动通过前端设备或其他信息源获得信息即可确定该如何进行或提前根据某些参数设计好的操作,例如蔬菜大棚的空气传感器监测湿度不足,花洒既可以自动喷水,这类操作不需要强大的平台思考能力支撑即可完成,也是早期物联网应用最多的场景,但这类操作也许需要强大的网络和终端能力支撑,例如医生远程通过模拟器为病人进行手术,消防员通过操控机器人进厂灭火等;而第二类则是需要物联网或人工智能系统替人做思考决策或部分思考再做的操作,典型场景是自动驾驶,终端设备会对环境进行实时感知,感知的信息人类大多数无法识别同时人脑也不具备分析海量数据的能力,这类场景下替人类思考的能力则显得至关重要。同时面对海量的感知终端,人类逐一进行分析决策也是不经济与不现实的,物联网应具备处理海量数据,根据感知做出决策操作的能力。这两类操作都需要具备物联网特征的网络支撑,同时对终端工艺提出较高要求,也需要平台提供稳定的操作系统、强大计算能力与先进的交互能力算法。
物联网基础设施的完善将促进消防等场景应用
替代人类进行思考决策:思考决策指的是将终端设备获取的各类数据进行汇聚融合,通过人工智能及其他算法转化为操作或决策信息的过程。其作用类似于人的大脑,与最近“城市大脑”的概念类似,决策有单体决策和宏观决策两类:单体决策为对于单个终端来说,通过感知能力获取环境信息,自动经过物联网平台的各类应用并且与其他信息进行交互,将信息转化为决策信息进信息给行动完成某个或某类特定任务,例如各大只能仓库中的搬运机器人;宏观决策为物联网数据与各类数据(包括物联网及其他数据)进行融合分析,这类分析决策远超于人类的计算能力,例如通过某省所有农业土壤传感器,雨量计、往年降雨量、交通状态分析等数据进行综合分析,再结合人类对制定规则的输入,对有限的灌溉用水进行方案设计,这类决策能使资源配置不断优化,这是一个线性增长的过程,虽然还有还能多因子能改变现状,但从技术层面能不断改善人类的生活质量与生产效率。
城市级商用物联网网络建设(劳拉物联)
感知、操作、决策是智能化及物联网应用的基本能力,终端、网络、平台则是应用的重要组成部分,这几部分是基本能力的载体,而各类基础技术和新兴技术是建设各部分和培养各项能力的核心驱动力。基本能力、组成部分和核心技术是技术创新带来社会进步的前提和基础,类似于勾拳、踢腿、摆拳这样的基本招式,在这一阶段这些基本招式因为还有较大的不确定性、发展空间及许多差强人意的地方而广泛地被关注,而现在市场对于这些基本能力和组成部分已经基本取得一致,市场的参与者思考的将是如何通过技术应用在终端网络平台等组建上提升感知、决策、操作等基本能力,以及如何组合这些基本招式以解决具体的问题。
超级智能城市(德勤—超级智能城市:更高质量的幸福社会)
物联网的网络、终端、平台技术日趋成熟,其与城市空间加速融合,物联网系统能力持续强化,感知、操作、决策能力的提升是当下提出超级智能城市的核心基础。通过物联网网基础设施的建设,构建”能感知、会思考、可操作、以人为本的智慧城市“是面对城市安全与卫生、经济转型和就业机会、社区和社会问题、人居(建筑)环境衰败和功能更替、资源约束、环境质量和可持续发展等新型城市问题的重要抓手。
小结
总体来说,中国城镇化水平已经到了中等发达水平,正是城市品质改善、存量优化的关键时期。从城镇化发展阶段来看,是快速发展有别于土建基础设施的信息化基础设施的建设的阶段,信息化基础设施建设是保证我国城镇化品质提升、质量跃升的重要保障,因此一张感知网作为信息基础设施的核心支撑,是应该在城市建设规划中应该也是必须先行考虑的,城市空间设计也应与物联网建设的发展相契合,使城市空间各要素与技术深度融合,从物理空间向虚拟空间迭代,实现智能化、精细化管理。
本文对物联网的概念及内涵进行了探讨,同时从几个角度对物联网技术进行了简单的阐述,物联网的多个特性及能力与智慧城市“万物互联“数字孪生“的远景紧密联系,物联网在城市中的深度应用将给城市规划、空间设计等学科带来新的挑战与机遇。在下一篇文章中将对物联网的应用场景及这些应用场景在市场中的情况,包括对提供这些场景和技术的主要组织进行讨论,同时对一些具体的案例进行分析,希望对智慧城市的物联网应用有更全面和具体的认识。
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