随着经济社会数字化转型、智能化升级步伐加快,物联网已是数字化的经济中新型基础设施的重要组成部分,对于培育数字化的经济增长点、支撑产业转型升级具备极其重大意义。
物联网关键核心技术形成阶段性突破,尤其是在感知、网络、平台、融合应用等技术方向取得显著进展。物联网作为信息化和工业化融合的切入点,促进了诸多行业信息化、数字化、网络化、智能化的加速应用。随着物联网技术的持续渗透,人机一体化智能系统、现代农业、智慧电网、智能医疗、智能交通、智慧环保等领域的应用场景继续扩展,初步实现从生产到产品再到服务的转型升级,成为以技术改变生产关系的范例。
在制造领域、农业领域、医疗领域、交通领域、能源领域和环保领域物联网应用实践初见成效。也需清醒认识到,物联网核心技术受制于人的基本局面尚未得到根本性改变,供应链、产业链协同基础薄弱,应用领域相互连通困难,数据开放共享及隐私保护力度不足等问题仍有显现。除了网络发展范式有待创新、平台体系架构及系统异构集成/优化/智联亟待突破、新型应用软件开发环境的友好性不佳之外,诸多行业融合应用方面的矛盾突出。例如,制造领域供给与市场需求适配性不佳;农业领域中的现代种业底层驱动技术发展不成熟;能源领域支撑“碳达峰、碳中和”战略目标的新型能源产业生态发展滞后;医疗领域底层软硬件技术的临床适用性等要进一步改善;环保领域新技术在智慧环保中的创新应用与环境保护业务的发展需求不相匹配。
随着物联网技术演进快速,呈现以下趋势。①海量连接产生的交互及数据分析需求,促使物联网与AI更深层次融合并形成人工智能物联网;②以智能传感器为核心的传感技术将深化发展;③物联网芯片向高性能、高可靠、低功耗、低成本方向发展;④模组朝着定制化、多功能方向发展,窄带物联网模组、5G模组成为未来新方向;⑤未来网络发展将在蜂窝通信、局域网技术方面不断迭代,第六代无线G)是技术发展重点;⑥发展中的新技术,如元宇宙技术。
智慧物联网系统指,在新发展理念与新一代AI技术等的引领下,“人、信息空间与物理空间”融合;其中,新一代AI技术包括数据驱动下深度强化学习智能、基于网络的群体智能、人机与脑机交互技术为导向的混合智能、跨媒体推理智能、自主智能系统等;智慧物联网系统的“智慧”,指在新发展理念、新一代AI技术等的引领下,以人为中心的“人、信息空间与物理空间”相互联系、层层递进系统的智能化。
智慧物联网系统将具备“新技术、新模式、新业态,新特征、新内容、新目标”,服务于应用领域数字化、网络化、云化、智能化转变发展方式与经济转型。新技术,基于新型互联网,在新发展理念、新一代AI技术等的引领下,借助新技术深层次地融合的技术工具,将人、信息空间与物理空间中的人/机/物/环境/信息进行智能连接,提供智慧能力的随时随地按需服务。新模式以用户为中心的智慧协同互联。新业态,具有万物智联、智能引领、数/模驱动、共享服务、跨界融合、万众创新等特点。④新特征,在全系统及全生命周期活动中,人/机/物/环境/信息“自主智能”地感知、互联、协同、学习、分析、认知、决策、控制、执行。⑤新内容,促使全系统及全生命周期活动中的人、设备等形成数字化、网络化、云化、智能化的产品、设备和全生命周期活动。⑥新目标,支持系统数字化转型与智慧化升级,追求创新、绿色、开放、共享、个性。
智慧物联网系统的体系架构(见图1)包括:新智慧资源产品层,新智慧感知通信层,新智慧边缘处理平台层,新智慧系统云端服务平台层,新智慧云服务应用层,新的人。各层拥有相对应的新标准及新安全管理支撑。
智慧物联网系统的体系架构,特色大多数表现在七方面。边缘/云端协同的新架构;云计算/AI/大数据/新互联网/建模仿真/数字孪生等为代表的新信息通信技术,与新应用领域技术相融合;感知/接入/通信层的虚拟化及服务化,采用云网超融合、网络操作系统、新型网络承载架构,实现网络虚拟化、网络控制编排、软件定义网络、云网融合、网络安全组件等功能,提高物联网环境下异构网络资源的利用率、安全性、可靠性;模型驱动、云原生的新型应用程序(APP)开发环境,突破传统意义上的“开发环境”概念,转向物联网技术上的支持的开发环境,更适合智慧物联网场景下的应用开发;各层具有新时代的内涵与内容,如以用户为中心的新智能资源/新智能产品/新智能能力/智慧共享服务;物联网体系架构在各应用领域进行智慧化拓展;人、信息空间、物理空间的深层次地融合,通过新一代赋能技术与各领域专业方面技术的交叉应用,构建由人、信息空间与物理空间所形成的智能应用系统,以系统持续优化达到人机共生的和谐生态。
智慧物联网系统的技术谱系分为整体架构子体系、支撑技术子体系、软件技术子体系、安全技术子体系、标准技术子体系、应用技术子体系。整体架构子体系包括总体技术体系、智慧产品专业方面技术体系、感知/接入/通信层技术体系、边缘处理平台技术体系、云端平台技术体系、“智慧物联网+”融合应用技术体系等;支撑技术子体系涵盖新信息通信技术、新智能科学技术、新网络技术、新应用领域专业方面技术等;软件技术子体系包括系统软件技术、平台软件技术、新型应用软件技术等;安全技术子体系涵盖物理安全防护、技术安全防护、管理安全防护、商业安全防护等安全防护技术;标准技术子体系包括基础共性标准、平台/支撑标准、关键技术标准、产品及服务标准、应用标准等;应用技术子体系涵盖智慧工业物联网、智慧农业物联网、智慧能源物联网、智慧医疗物联网、智慧交通物联网、智慧环保物联网等方面的应用技术。
智慧物联网系统的共性使能关键技术包括12类技术。传感技术为智慧物联网系统提供各种各样的形式信息的采集、处理、识别相关使能技术;泛在网络技术为智慧物联网系统提供随时随地按需获取信息的传输使能技术;平台技术为智慧物联网系统提供数据、模型、资源等要素的解耦、整合、重构相关使能技术;大数据技术为智慧物联网系统提供全生命周期活动的精准化、高效化、智能化使能技术;云服务技术为智慧物联网系统提供信息、资源、能力的存取/共享/协同及智能计算相关使能技术;AI技术为智慧物联网系统提供人/机/物/环境/信息的智能感知、认知、学习、分析、融合、运算、监控、处理相关使能技术;边缘计算技术为智慧物联网系统提供快速端计算使能技术;高性能计算技术为智慧物联网系统提供求解复杂问题、开展大规模智能协同相关使能技术;系统集成/优化技术为智慧物联网系统提供优化的综合统筹设计使能技术;嵌入式建模仿真/数字孪生技术为智慧物联网系统提供基于模型的高效智能研制与运行使能技术;标准技术为智慧物联网系统提供技术、产品的相互协调与配合标准化相关使能技术;安全技术为智慧物联网系统提供安全使能技术。
应用的关键技术,一是智慧工业物联网应用关键技术,分为工业智能、工业AR、工业大数据等。其中,工业智能实现设计模式创新应用使能,工业AR将信息转化为可视内容,工业大数据使工业系统具备智能化功能的模式与结果。
二是智慧农业物联网应用关键技术,包括生命信息传感器技术、表型信息获取技术、表型组数据解析技术、表型组大数据管理及建库技术等。其中,生命信息传感器技术将种子及其繁种/制种环境的信息集合起来,通过信号转化和AI数据处理得到相应的生理及生态信息;表型信息获取技术从海量信息中自动抽取重要表型特征和逻辑关系,实现表型性状自动精准识别;表型组数据解析技术覆盖从初始数据采集到最终细化分析的完整过程;表型组大数据管理及建库技术用于对表型数据来进行管理、存储和共享。
三是智慧能源物联网应用关键技术,包括电力知识图谱技术、终端智能管控平台及透明电网数据平台技术等。其中,电力知识图谱技术根据图数据结构,将各电力业务的对象信息组成巨大关系网络;终端智能管控平台及透明电网数据平台技术指通过智能终端为透明电网提供感知功能和海量的多源异构大数据资产,对智能终端工作状态进行管控。
四是智慧医疗物联网应用关键技术,包括人体生理与体征传感技术,面向医疗的5G技术、医疗个性化服务技术等。其中,人体生理与体征传感技术通过传感方式全面采集人体生理与体征信号,作为临床诊断与治疗的基础;面向医疗的5G技术通过5G技术实现人与人、人与物、物与物的海量连接,解决传统低效率通信方式对智慧医疗建设的限制,来提升医疗服务效率。
五是智慧交通物联网应用关键技术,包括多源协同高精度定位与感知技术、“北斗+5G”车联网精准控制技术、智能高精度地图等。其中,多源协同高精度定位与感知技术指发挥多种信息源优势以实现精度高、可用性及连续性好的室内外无缝定位导航处理技术。
六是智慧环保物联网应用关键技术,包括环境大数据技术、智能预警环境大数据挖掘分析技术、环境系统多模超级集合模拟技术等。其中,环保大数据技术对生态环境数据资源进行高效、有序的组织管理和应用;智能预警环境大数据挖掘分析技术通过数据挖掘方式建立科学的事件模型,在环境监管中发挥空气质量预测预报、环境承载能力监测评估预警等作用;
智慧工业物联网在工业领域的代表性应用场景有:在研发设计阶段,利用5G、物联网、AR/VR技术,实时采集实验现场的画面与数据,实现跨地域在线联合攻关以解决包括异地协同设计在内的各类问题;在生产制造阶段,基于数字孪生系统和工业物联网技术,实现多维度的实时监控;在销售服务阶段,基于AI技术建立高精准度的预测模型,实现各类预测功能并制定相关销售策略。
基于区块链的智能供应链管控案例。某公司运用区块链技术,开发了区块链防疫物资可信追溯系统,提供了防疫物资上链可视化展示、供需信息审核标注等功能,为企业、管理部门提供了及时可靠的抗疫物资数据。
智慧农业物联网的代表性应用场景有:面向管理部门的种业监管场景,覆盖种业行业的各项数据,实现品种可追溯、种子质量可追溯、市场主体可追溯、一站式信息查询与业务办理;面向科研单位的种质资源管理场景,用于作物种质资源、遗传材料的数字化管理及利用,支持育种资源保管与优良品种选育;面向育种单位的商业化育种场景,搭建各类功能模块,实现育种过程的标准化、程序化、数字化,提供育种选择效率效果、育种数据科学分析等功能;面向育/繁种基地的种业物联网场景,采用传感器网络、视频监控、移动通信等信息技术和作物表型观测技术,以全过程的自动化、数字化、智能化来实现制种、繁种的提质增效;面向市场的种业社会化服务场景,打通种子等农资行业信息流,提供基于电子交易信息系统的融资与交易服务,最终实现种业社会化服务。
智慧能源物联网的代表性应用场景主要是透明电网系统。透明电网以数据为核心,实现电力系统的可见、可知、可控以及状态任意透明;应用云计算、大数据、物联网、移动互联网、AI、区块链等数字技术对传统电网进行数字化改造,发挥数据的生产要素作用,以数据流引领来优化能量流及业务流。
智慧医疗物联网的代表性应用场景有:智慧临床场景,通过5G、物联网等技术,实现普通智慧病房的床旁智能交互、专家远程实时诊疗等功能;智慧就医服务场景,以5G、物联网等技术构建医院院内系统,支持患者自助医疗,提高医院服务水平和管理效率;健康管理场景,通过AI、物联网等技术,对社区进行全方位慢病管理和疾病筛查,达到预防疾病发生的效果;智慧医院管理场景,提升智慧医院后勤、医院物资物流管理、医疗废物管理能力。
智慧养老平台案例。发展数字化的智慧养老服务平台,汇集民政、卫健、公安、财政等领域的涉老数据,健全基本业务的数字化管理。
智慧交通物联网的代表性应用场景有:智能道路场景,运用物联网等信息技术,构建以数据为核心的城市交通信息采集与发布的智慧载体,实现道路交互与通行运行状态趋势自动感知与辨别,为智能汽车实现车路协同提供技术支撑,创造安全、高效、舒适的出行环境及服务;智能网联汽车场景,搭载先进传感器,运用信息通信等技术,逐步实现无人驾驶功能。
智慧环保物联网的代表性应用场景有:天空地一体化立体监测系统,获取大气环境监视测定的各类数据资源;在水环境监测方面,以流域控制单元为基础,获取卫星遥感、无人船、监测子站等监测手段的数据,建立立体且精细化的流域单元监测功能;精准治霾立体监测系统,集成卫星遥感等技术,全面采集空气质量和污染源数据,通过环境大数据、多元模型分析,快速诊断污染排放趋势,支持空气质量动态调控。
智慧物联网作为新型数字基础设施的重要组成部分,与5G等数字孪生等技术深层次地融合与群体突破,保持能力快速演进。利用融合的新技术来赋能并支持产品创新、用户服务等核心业务的数字化、网络化、智能化,从而明显提升企业的市场竞争力;
在需求牵引、技术推动下,智慧物联网系统的模式、技术、业态还将持续发展。注重技术创新体系建设,加强跨学科、跨领域协作机制以形成统筹协调生态;注重培养各领域复合型人才,特别是物联网技术与信息通信技术、应用领域专业方面技术融合的人才;注重全球/国家/地方多层级的物联网新型基础设施等数字基础设施建设;注重全球/国家/地方的政策及资源支持;注重实现“技术、应用、产业”的协调发展。
在技术研究方面,建议7个“重视”。重视新一代AI技术的引领作用,以5G等为代表的信息通信技术与新应用领域专业方面技术的深层次地融合,驱动智慧物联网系统的技术体系及平台做持续创新;重视发展如智能感知技术、未来网络技术、新型通信技术等核心关键技术;重视开展智慧物联网系统应用领域的新模式、新流程、新技术方法、新业态研究,覆盖相关应用领域全生命周期活动的各个阶段;重视物联网应用数据库、算法库、模型库、平台、计算能力等基础能力的研究与建设;重视智慧物联网商业模式研究;重视物联网安全技术、评估体系研究;重视未来技术与生态发展,特别是融入正在加快速度进行发展中的元宇宙理念及技术,驱动诸多领域在全生命周期活动中减少相关成本、提高效率、保持绿色/柔性,强化智慧物联网系统的数字孪生能力,实现智智慧物联网系统的转型升级。
在产业发展方面,建议5个“加强”。加强云原生平台应用开发环境及工具集等产品,重点提升嵌入式工业软件及集成开发环境、面向细分行业的集成化工业软件平台,吸引更多企业共建服务型生态;加强面向智慧物联网的高端传感器、物联网芯片、嵌入式物联网操作系统等智能产品,推动物联网产业生态向高端演进,构建国产化网络控制器和操作系统并推进网络设备的国产化和白盒化;加强基于隐私计算、分布式泛在计算,构建以健康医疗数据与技术共享平台为代表的一系列国家级数据平台,形成数据资产、数据要素等的安全可信、隐私保护能力;加强知识软件化、架构开源化、软件云化,形成自主可控的新型“物联网+”开发环境与应用生态.
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