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物联网开放体系架构解读.docx
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物联网开放体系架构解读
物联网开放体系架构
一、物联网概述
1.1.物联网的定义
物联网自问世以来,就引起了人们的极大关注,被认为是继计算机,互联网,移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。
从技术角度来看,物联网可以被认为是物体的信息通过传输网络,到达其他物体和人,并且能够被理解和利用,最终实现物与物、人与物之间的自动化信息交互、处理的一种智能网络。
从应用角度来看,物联网可以把大范围内,甚至是世界上所有的物理物体和虚拟物体都连接到一个网络中,形成“物联网”,实现人类社会与虚拟社会的整合,从而以更加精细和动态的方式管理生产和生活。
物联网的关键技术不仅是对物实现操控,而是通过技术手段扩张,实现人与物,物与物之间的相融和沟通,使得他们之间能够进行更为复杂的信息交换和通信。
物联网既不是互联网的简单翻版,也不是互联网的接口,而是互联网的一种延伸与升级。
1.2.物联网的发展
目前,国内外对于物联网还没有一个统一公认的标准定义,但从物联网的本质分析,物联网是现代信息技术发展到一定阶段后,出现的一种聚合性应用与技术的提升,它是将各种互联网技术、传感器技术和人工智能等技术的聚合与集成应用,使物与物能够智慧互联。
物联网的发展过程可以分为四个主要阶段:
(1)传感器网络:
许多在空间上分布的自动装置组成的一种计算机网络,这些装置使用传感器协作的监控不同位置的物理或环境状况。
(2)传感控制网络:
在传统传感器基础上通过一系列的通信信道构成一个或多个控制闭环,同时具备信号处理、优化决策和控制操作的功能。
(3)物物智慧互联:
在没有人工干预的情况下,网络中的物体可以理解物体的能力,发现物体,利用物体,物体之间智慧互联。
(4)物联网时代:
万物互联,物联网超越了现有的互联网,不仅包括了现有互联网上的所有的资源,并通过物体极大丰富了互联网资源。
其中,传感器网络和传感控制网络两个阶段技术相对成熟,是物联网实现产业化的重要基础,物物的智慧互联阶段是未来研究的关键,是实现最终物联网时代的必经之路。
1.3.物联网面临的问题
物联网的发展空间虽然巨大,但仍然有一些问题需要解决,从系统架构的角度来看,物联网横跨众多的行业领域且跨度相对较大,各行各业又有相应不同的特点需求,需要制定统一的体系架构标准,从而使参与其中的物体、个人、公司、企业、团体以及机构实现互联互通,协同开发。
要想实现这种大范围的物体协作与互联互通,有三个基本问题就亟待解决:
(1)物体是什么:
如何对物联网物体进行语义互通的描述?
(2)物体在哪里:
如何在物联网中找到相应的物体?
(3)物体怎么用:
如何使用找到的物体?
二、物联网开放体系架构
中国电子科技集团公司在总结大量互联网发展的经验基础上,从能力的智慧互联出发,创新性的提出基于能力的物联网开放体系架构,旨在解决物体的描述、发现与使用三个根本问题,提升网络的智慧能力,催生新形态物联网应用模式,推动“互联网时代”迈入“物联网时代”。
2.1架构理念
∙兼容:
在互联网基础能力上提升,兼容发展,推进“互联网时代”迈入“物联网时代”。
∙开放:
立足网络整体,提升网络对物体能力的描述与搜索,建立开放的公共基础设施。
∙弹性:
可扩展,从解决现实需求入手,对未来发展留有空间,支持可持续发展。
2.2架构目标
∙解决物体是什么:
提出物体能力描述概念,对物体的能力进行描述,并提供能力的本体构建,创建能力知识图谱。
∙解决物体在哪里:
构建开放物联网架构标识解析体系,兼容现有标识与解析,并提供能力的标识与解析。
∙解决物体怎么用:
运用平台层的技术,对物体的能力进行管理,提供能力集成服务,实现物体能力智慧互联。
2.3架构关键技术
∙物体描述:
解决物体是什么,针对物联网中物体描述语言不统一、能力描述不足、元数据格式不互通等问题提出的一系列解决方案。
∙物体发现:
解决物体在哪里,针对物联网中物体标识多元化,对能力标识解析不足、现有解析体系安全性不高提出的全新解析体系。
∙物体集成:
解决物体怎么用,针对物体数量众多,接口不相同,需要对外统一暴露能力等问题,构建物体集成平台,实现物体的统一管理。
图1物联网开放体系架构关键技术
三、物体描述
物联网中的物体及能力种类繁多,并且同一种类的物体也可能具有不同的元数据格式,呈现出显著的异构特性。
从信息层面来讲,相同的物体与能力之间的数据语义千差万别,实现不同物体之间的相互理解与智慧互联。
这一方面导致了物联网应用系统开发过程中,大部分工作都在重复统一物体与网络之间的信息交互格式,使得开发难度大,开发成本高;另一方面,也导致了物体之间以及物体与网络之间无法做到互连互通互操作,从而形成孤立的物联网应用系统,无法实现广域互连的物联网。
3.1物体描述的特点
(1)能力描述:
针对物体的能力进行描述,一个物体可以有多种能力,多种物体也可以具有同一种能力,实现能力与物体的分离。
(2)能力抽取:
针对不同物体间相同能力和单一物体的多种能力进行共性抽取,形成一类物体或者一类能力的共性集合。
(3)能力图谱:
随着共性能力的不断丰富,构建能力知识图谱,逐步规范多种能力的语义描述,形成物体与物体间的能力互通的基础设施。
3.2物体描述的关键技术
(1)ASAC自描述语言:
把接入物联网的物体按照统一的四段进行描述,实现了物体到虚拟世界的映射,物体之间可同通过相互的描述元数据实现相互识别和互操作。
这四段分别为:
属性(Attribute)、状态(State)、动作(Action)和能力(Capability)。
(2)能力语义识别技术:
通过ASAC描述的物体,得到了描述实体,也就是物体在虚拟世界的映射,利用ASAC描述语言的能力段描述,对能力进行语义识别,实现能力描述的一定规范化。
(3)能力本体自构建技术:
以往的本体构建往往需要人工干预,并需要有相关领域专家参与,而能力本体自构建技术通过能力语义识别和前期描述形成的描述能力,可以实现无人工干预的能力本体自构建。
(4)能力知识图谱技术:
能力知识图谱是依靠语义网技术,构建的基于能力本体的大型公共服务基础设施。
它融合了所有的领域的能力信息,以便于物体能力的语义互通。
物体能力与知识图谱交互次数越多,范围越广,知识图谱就能获取越多能力信息。
图2物体描述关键技术图
物体描述方法实现了物体与网络交互特征的抽象和归一化描述,一方面使得物联网应用系统的开发人员能将主要精力集中在业务流程上,节约了开发和维护成本;另一方面,使得物联网应用系统能够对异构物体与网络的交互信息形成一致性理解,是实现异构物体在不同物联网应用中互联互通,协同工作的基础,也是实现跨地域、跨行业物联网应用系统互连互通互操作和物体/信息共享的基础。
四、物体发现
由于物联网的物体标识具有分散性和多样性,而互联网中的DNS只能对域名这种具有统一性和单一性的资源名称进行解析,其他的一些物名解析只是在一定范围内使用,不能互联互通。
所以需要一种新型解析体系来解决这一问题。
TRS系统(ThingResolutionSystem)是物联网中用于解决物体在哪里的问题,实现物体跨域统一通信的物联网基础设施级系统,是对物联网中物体进行标识与解析的基础设施级平台。
TRS系统不仅完全兼容DNS和现有的其他物体标识体系,还针对能力的标识和位置标识模块进行了设计,使得不仅可以搜索物体,而且能对能力和位置进行单独搜索,极大的扩展了物联网时代的标识解析体系,三个子系统相互独立又联合运作,通过三级服务进行标识融合,既安全又全面高效。
图3TRS标识解析系统图
因此,TRS系统是未来物联网应用的核心入口,是建立在其它解析系统之上的顶层解析系统。
物联网中的一切解析请求,如DNS解析请求、OID解析请求、能力与位置解析请求等都交由TRS系统解析。
图4物联网TRS系统交互图
五、物体集成
物联网本质上是将各种物体通过网络以服务化、模型化的方式表现出来,实现世界上所有的人和物在任何时间、任何地点,都可以方便地实现人与人、人与物、物与物之间的信息交互。
因此,需要通过一个广泛的平台统一广域范围内物体间信息的交互模式,并实现物体间的能力相互调用与集成。
图5物联网物体集成平台功能图
物体集成平台的功能:
(1)物体接入管理:
提供多种接入方式,对于有接入能力的物体可以进行直联,而没有能力接入的物体,提供接入网关或其他方式接入。
(2)描述实体与描述能力管理:
平台层对物体相应的描述实体进行统一管理和维护,其物体的描述能力也由平台层进行管理,并与相应的描述实体进行映射,进而管理物体与物体能力。
(3)物体能力集成:
物体集成管理通过平台层的构建可以根据需求对其内物体的能力进行一定层级的集成,提供集成能力服务。
物体集成平台是解决如何使用物体的软件系统,利用物体集成平台,可以在服务器、PC或者嵌入式设备上构建硬件承载方式、规模大小不同的物体集成平台,支撑多样化的物联网物体接入和应用构建方式。
物体集成平台可以在一定程度上对物体分散的能力进行集成,可以使原来不具备相应能力的物体通过平台集成一定程度的能力,实现原本自身无法实现的功能。
六、物联网开放体系架构应用
最近十几年来,物联网的发展得到了各国政府和业界的持续关注,物联网产业呈现出加速发展的可喜态势。
随着物联网技术和相关产业的持续推进,人们逐步认识到封闭型、垂直式的发展模式不利于物联网产业的高效、可持续发展,越来越多的政府机构和研究组织把精力投入到开放型的发展模式和体系架构中去。
为了推进“开放物联网”建设,中国电子科技集团公司实施了一系列应用示范工程、实际项目落地、标准化工作。
(1)标准化工作:
国家标准:
《面向WEB开放服务的系统实现第一部分:
参考架构》
《面向WEB开放服务的系统实现第二部分:
物体描述方法》
国际标准:
《RequirementsofthingsdescriptionintheIoT》
(2)项目落地实施:
由中国电科信息科学研究院联合北京物联港科技有限公司,借助中国电科研发的成熟物联网开放体系架构平台,在房地产行业内推动的“易联港”项目,联合的是众多房地产开发商推广应用,并由智慧硬件厂商和专业方案提供方提出物联网智慧家庭、智慧社区解决方案,进而推进在房地产社区和写字楼物业中应用落地。
目前已完成和实施的项目有:
1.文化都汇(北京)
2.优客工场(北京)
3.远洋大运河商务区(杭州)
4.天安云谷(深圳)
5.万科柏翠城(长春)
6.联创谷物联网产业园(湖州)
7.一山湖(三亚)
图6基于物联网开放系统架构智能家居
(3)智慧城市建设:
物联网开放体系架构为智慧城市提供统一的物体感知、管理与服务,支持接入城管、环境、水务、交通等各领域行业的异构感知设备,并对设备进行统一标识寻址,形成一体化全方位的城市空间感知体系。
同时在物联接入层面实现横向打通,支撑不同行业和区域之间物联网应用系统设备共享,应用互通,为提升城市的民生服务,加强城市治理能力提供支撑。
七、总结
物联网当前正处在物物智慧互联的研究阶段,开放的共性技术是物联网发挥其潜力的基础,是推动物联网进入爆发式发展阶段的催化剂。
建立开放的物联网体系架构,推动物联网更加开放的发展,形成既符合我国实际情况,又与国际前沿技术兼容的开放的接口、协议、软件和服务等共性技术标准,有利于降低物联网技术门槛,提高用户参与度,打破行业壁垒,减少重复建设,降低建设成本,推进公共资源发展,从而引领物联网技术和产业快速向前发展,最终迎接物联网时代的到来。
目前,大力发展自主可控信息系统已经成为国家的一项基本战略,是确保我国一些关键领域的信息安全的基石。
在物联网发展的关键时期,抓住物体描述、物体发现、物体集成三个关键技术方向,加快建立我国具有自主知识产权的开放的物联网体系架构,对促进我国经济发展方式转变和转型升级、打破西方在网络技术上的垄断地位、掌握物联网发展和物联网安全的主动权,具有十分重大的战略意义。
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