《智能物联网导论》AIoT导论-第2章课件

智能物联网导论吴功宜

吴英编著第2章

AIoT的发展

2.1AIoT发展的社会背景为了推动物联网技术与产业的健康发展，我国政府出台了一系列的政策和发展规划：2016年8月，《“十三五”国家科技创新规划》2016年12月，《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》2017年4月，《物联网的十三五规划（2016­­—2020）》2020年7月，《国家新一代人工智能标准体系建设指南》2021年3月，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》2.2AIoT发展的技术背景

2.2.1云计算与AIoT云计算作为一种利用网络技术实现的随时随地、按需访问和共享计算、存储与软件资源的计算模式，它具有以下几个主要的技术特征：按需服务、泛在接入、高可靠性、降低成本、快速部署云计算能够为AIoT应用系统提供灵活、可扩展、可控的计算、存储与网络服务。因此，云计算必然成为了AIoT重要的信息基础设施2.2.25G与AIoT

AIoT规模的超常规发展，大量的AIoT应用系统将部署在山区、森林、水域等偏僻地区。很多的AIoT感知与控制节点，密集部署在大楼内部、地下室、地铁与隧道中，必须依靠5G网络提供的服务AIoT涵盖智能工业、智能农业、智能交通、智能医疗与智能电网等各个行业，5G能够满足车联网、工业控制、移动医疗等行业的特殊应用对超高可靠性、超高带宽与超低延时通信场景的需求5G移动通信网络成为了新技术集成创新的通信网络平台，有力地推动着AIoT应用的发展2.2.3边缘计算与AIoT

传统的“端-云”架构已经不能满足AIoT应用的需求，基于边缘计算与移动边缘计算的“端-边-云”可以满足AIoT应用对超高带宽、超高可靠性、超低延时的技术要求随着边缘计算研究的发展，“边缘”资源的概念已经从最初的部署在边缘节点的计算、存储设备，扩展到从数据源到核心云路径中的任何可利用的计算、存储与网络资源随着5G应用的发展，移动边缘计算正在成为电信移动通信网的一种标准化、规范化的技术2.2.4大数据与AIoT

AIoT中智能交通、智能工业、智能医疗中的大量传感器、RFID芯片、视频监控探头、工业控制系统是造成数据“爆炸”的重要原因之一AIoT为大数据技术的发展提出了重大的应用需求，成为大数据技术发展的重要推动力之一AIoT使用不同的感知手段去获取大量的数据不是目的，如何通过对海量感知数据的智能处理，提取正确的认知、产生准确的反馈控制信息才是AIoT对大数据研究提出的真正需求大数据的智能处理水平决定了AIoT应用系统存在的价值与重要性，是评价AIoT的重要标准之一2.2.5人工智能与AIoT

2006年，“深度学习”研究的发展，开启了人工智能的第三次热潮。第三次人工智能热潮的研究热点主要是机器学习、神经网络、计算机视觉。在过去的几年中，图像识别、语音识别、智能机器人、智能人机交互、无人机、无人驾驶汽车、智能可穿戴设备越来越多地使用深度学习技术AIoT的感知智能、交互智能、通信智能、处理智能、控制智能依赖于AI技术。AI机器学习方法将广泛应用于AIoT的多个功能模块。如何使AIoT系统架构具备原生AI支持能力是AIoT研究的主要课题，也是AIoT未来的发展方向AI机器学习的应用越来越依赖于大规模的数据集和强大的通信、计算、存储能力；AIoT的海量感知数据是AI机器学习的“金矿”；AIoT通过云计算、边缘计算与5G网络能够为AI机器学习提供强大的通信、计算与存储能力支持；AI与AIoT之间存在着相互依存、相互促进的关系2.2.6数字孪生与AIoT

传统控制理论与方法已经不能够满足物联网复杂大系统的智能控制需求。随着“智能+”概念的兴起，数字孪生成为了产业界与学术界研究的热点；工业4.0促进了数字孪生的发展数字孪生是基于AI与机器学习技术，将数据、算法和分析决策结合在一起，通过仿真技术将物理对象映射到虚拟世界，在数字世界建立一个与物理实体一模一样的数字孪生体，通过人工智能的多维数据复杂处理与异常分析，实现对物理世界的设备与系统的精准控制，表现出“精准映射、虚实交互、软件定义、智能控制”的四大特点数字孪生为AIoT闭环智能控制提供了新的设计理念与方法2.2.7区块链与AIoT

互联网金融打破了传统的交易体系，区块链正在成为重新构造互联网信任体系的技术基础AIoT中物流与供应链、云存储与个人隐私保护、智能医疗中个人健康数据合法利用和保护、通信与社交网络中的用户网络关系的维护、无线频段资源共享与保护，都会用到区块链技术“物联网+区块链”将成为建立AIoT系统“可信、可用、可靠”信任体系的理论基础AIoT、区块链与AI技术的融合应用，将引发AIoT新一轮的技术创新和产业变革AIoT形成与发展过程AIoT概念的内涵AIoT并不是一种新的IoT，它是IoT与AI技术成熟应用、交叉融合的必然产物。它标志着IoT技术与应用发展到一个新的阶段IoT实现了“人-机-物”的融合，AIoT将实现“人-机-物-智”的融合AIoT推动了“IoT＋AI+云计算＋边缘计算＋5G＋大数据＋智能决策＋智能控制＋区块链”等新技术的交叉融合，带动了新技术在各行各业、社会的各个层面的创新应用AIoT的核心是AI技术的应用，研究的最终目标是使IoT达到“感知智能、认知智能与控制智能”的更高境界。2.3AIoT的技术特征2.3.1AIoT“物”的特征可以是物理的，也可以是虚拟的可以是固定的，也可以是移动的可以是硬件，也可以是软件或数据可以是有生命的，也可以是无生命的可以是空间的，也可以是地面或水下的可以是微粒，也可以是一个大型的建筑物2.3.2AIoT“网”的特征

IP专网与网络安全典型AIoT应用系统典型AIoT应用系统的网络结构特征AIoT“网”的共性特征网关的作用2.3.3AIoT“智”的特征

1.感知智能自学习、自诊断与自补偿能力复合感知能力灵活的通信组网能力2.交互智能3.通信智能认知无线电具有环境频谱感知和自主学习能力，能够动态、自适应地改变无线发射参数，实现动态频谱分配和频谱共享，是智能技术与无线通信技术融合的产物物联网边缘分析（IoTEdgeAnalytics）、边缘计算智能中间件（MLaaS）与边缘人工智能（EdgeAI）研究尽管目前仍处于初始阶段6G网络架构将具备原生AI支持能力4.处理智能AIoT智能工业、智能医疗、智能家庭、智慧城市等应用系统中大量使用语音识别、图像识别、自然语言理解、计算机视觉等技术，AIoT数据聚类、分析、挖掘与智能决策成为机器学习/深度学习应用最为成熟的领域之一5.控制智能数字孪生引入虚拟空间，建立虚拟空间与物理空间关联与信息交互，通过数字仿真、基于状态的监控、机器学习，将“数据”转变成“知识”，准确地预见未来，实现“虚实融合、以虚控实”的目标6.原生支持智能原生支持智能是AIoT的发展愿景，也是AIoT重要的研究课题2.4物联网体系结构研究2.4.1物联网体系结构与参考模型研究的重要性对于一个复杂的计算机系统结构、计算机网络系统结构，我们需要抽象出能够体现出不同类型计算机、不同类型计算机网络最基本的、共性特征的结构模型体系结构的研究水平是评价一项技术成熟度的重要标志之一研究物联网技术必须要研究物联网的层次结构参考模型与技术架构任何一种物联网层次结构模型与体系结构最终都要接受实践的检验2.4.2AIoT

技术架构

AIoT技术架构：将AIoT应用系统总体功能分解到不同层次，明确各层实现各自功能需采用的技术和协议而抽象出来的共性技术特点

感知层：感知层是物联网的基础，实现感知、控制与用户与系统交互的功能包括传感器与执行器、RFID标签与读写设备、智能手机、GPS与智能测控设备、可穿戴计算设备、智能机器人、智能网联汽车、智能无人机等移动终端设备等涉及到嵌入式计算、可穿戴计算、智能硬件、物联网芯片、物联网操作系统、智能人机交互、深度学习和可视化技术接入层：接入层担负着将海量、多种类型、分布广泛的物联网设备接入到物联网应用系统的功能采用的接入技术包括有线与无线通信技术两类有线接入技术包括Ethernet、ADSL、HFC、现场总线、光纤接入、电力线接入等无线通信技术包括近场通信NFC，BLE蓝牙、ZigBee、6LoWAN、NB-IoT、Wi-Fi，5G云无线接入网C-RAN、异构云无线接入网H-CRAN技术，以及无线传感器网络与光纤传感器网络技术边缘计算层：边缘层将计算与存储资源（如微云Cloudlet、微型数据中心、雾计算节点或微云）部署在更贴近于移动终端设备或传感器网络的边缘将很多对实时性、带宽与可靠性有很高需求的计算任务迁移边缘云中处理，以减小务响应延时、满足实时性AIoT应用需求，优化与改善终端用户体验边缘云与远端核心云协助，形成“端-边-云”的三级结构模式核心交换层：提供行业性、专业性服务，的物联网核心交换层承担着将接入网与分布在不同地理位置的业务网络互联的广域主干网的功能对网络安全要求高的核心交换网需要分为内网与外网两大部分内网与外网通过安全网关连接构建核心交换网内网可采用IP专网、VPN或5G核心网技术应用服务层：应用服务层软件运行在云计算平台之上，云平台可以是私有云，也可以是公有云、混合云或社区云应用服务层为物联网应用层需要实现的功能提供服务提供的共性服务主要包括：从物联网感知数据中挖掘出知识的大数据技术根据大数据分析结论，向高层用户提供可视化的辅助决策技术通过反馈控制指令，实现闭环的智能控制技术数字孪生将大大提升物联网应用系统控制的智能化水平区块链为构建物联网应用系统的信任体系提供重要的技术手段应用层：应用层包括智能工业、智能农业、智能物流等行业应用无论是哪一类应用都是要将代表系统预期目标的核心功能分解为一个个简单和易于实现的功能每一个功能的实现需要为信息交互过程制定一系列的通信协议应用层是实现某一类行业应用的功能、运行模式与协议的集合软件研发人员将依据通信协议，根据任务需要来调用应用服务层的不同服务功能模块，以实现对物联网应用系统的总体服务功能网络安全：网络安全涉及到物联网从感知层到应用层任何一种网络物联网各层之间的安全问题相互关联、相互影响四项跨层的共性服务网络管理：从接入网、核心交换网与后端网络都使用了大量网络设备，接入了各种感知、执行等节点各层网络设备与节点之间都需要交换数据与控制指令网络管理涉及各层，并且是各层之间相互关联与相互影响名字服务：每个连接到物联网的“物”都要有一个全网唯一的“名字”与“地址”“对象名字服务ONS”包括命名规则与“名字/地址解析”服务物联网必须建立提供对象名字解析服务的ONS服务体系物联网用户关心客观的QoS，同时也关心在QoS基础上加上人为主观因素的用户体验