云計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究

孫 穎

（中國信息通信研究院，北京 100037）

云計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究

孫 穎

（中國信息通信研究院，北京 100037）

物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算是當(dāng)今IT時代的兩大熱點(diǎn)技術(shù)，隨著兩種技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景運(yùn)用了云計(jì)算的技術(shù)和理念。兩者相輔相成，作為信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮的物聯(lián)網(wǎng)被賦予了更廣闊的發(fā)展空間。

物聯(lián)網(wǎng)；云計(jì)算；智能交通；智能電網(wǎng)

1 引言

2013年，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》，住建部分批次公布了193個智慧城市試點(diǎn)，由此我國大物聯(lián)網(wǎng)時代拉開序幕[1]。作為當(dāng)今信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)具有廣闊的發(fā)展前景。隨著物理世界中的物體逐步成為通信對象，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將滿足世間萬物的互聯(lián)互通的需求，給生產(chǎn)、生活、管理等各個方面帶來深刻變化。

作為世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，物聯(lián)網(wǎng)覆蓋的區(qū)域越來越廣，必將誕生大量的各種類型的終端設(shè)備，其中，也必然產(chǎn)生需要實(shí)時處理的紛亂無章的海量數(shù)據(jù)與信息。具備高效信息處理性能的云計(jì)算技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施的重要部分，物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模應(yīng)用也將大大推動云計(jì)算服務(wù)發(fā)展。

2 云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系

2.1 物聯(lián)網(wǎng)的定義和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

從1999年物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，到2005年國際電信聯(lián)盟（ITU）的年度互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告引發(fā)全球范圍內(nèi)對物聯(lián)網(wǎng)的討論，再到2009年IBM提出“智慧地球”的概念，物聯(lián)網(wǎng)的定義和范圍已經(jīng)發(fā)生了天翻地覆的變化。目前，物聯(lián)網(wǎng)在國內(nèi)普遍引用的定義是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[2]。

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層（見圖1）。感知層主要實(shí)現(xiàn)智能感知功能，包括信息采集、捕獲和物體識別；網(wǎng)絡(luò)層依托公眾電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)及專用網(wǎng)絡(luò)將終端采集的信息準(zhǔn)確地傳遞出去；應(yīng)用層將感知層收集的物體信息通過處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理等實(shí)際應(yīng)用[3]。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)時代的核心技術(shù)就是在全面感知、可靠傳遞的基礎(chǔ)上，利用高效的智能處理技術(shù)，對海量的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處理，對物體實(shí)施智能化的控制。

2.2 云計(jì)算的定義和技術(shù)特點(diǎn)

云計(jì)算是把需要巨大計(jì)算能力解決的問題分布在互聯(lián)網(wǎng)中大量的分布式計(jì)算機(jī)上。與此同時，云計(jì)算也是一種按使用量付費(fèi)的模式，這種模式可提供便捷，按需訪問可配置的計(jì)算資源（資源包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、應(yīng)用軟件、存儲等）共享池。這些資源能夠快速提供，卻只需投入很少的管理工作。云計(jì)算主要有以下六個特點(diǎn)：

（1）分布式處理：使計(jì)算分布在互聯(lián)網(wǎng)中數(shù)以百萬計(jì)的服務(wù)器計(jì)算節(jié)點(diǎn)上調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的快速處理。

（2）成本低：由于使用廉價(jià)的云計(jì)算節(jié)點(diǎn)來構(gòu)成云，它的自動化集中式管理可降低數(shù)據(jù)中心的管理成本。

（3）高可靠性：使用數(shù)據(jù)多副本容錯和計(jì)算節(jié)點(diǎn)同構(gòu)可互換等措施來確保云計(jì)算服務(wù)的高可靠性。

（4）虛擬化：作為云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)，提供給用戶的可以是一個實(shí)際的物理資源，也可以是跨越物理資源的虛擬資源，云計(jì)算保證用戶在任何位置各種終端獲取服務(wù)。

（5）多功能性：在云計(jì)算的支撐下可以構(gòu)造出多種多樣的應(yīng)用，而且同一個云可以同時支撐不同的應(yīng)用運(yùn)行。

（6）高可擴(kuò)展性：云計(jì)算提供了一個資源池中設(shè)定了不同的集群類型，并由其特定的擴(kuò)展方式，并會根據(jù)變化自動為應(yīng)用集群增減資源[4]。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算的融合

物聯(lián)網(wǎng)是對互聯(lián)網(wǎng)的極大拓展，將真實(shí)世界中的物體利用射頻識別等技術(shù)通過傳感器設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)，促進(jìn)與互聯(lián)網(wǎng)的智能融合。隨著物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)量的增加，對數(shù)據(jù)存儲和計(jì)算量的需求日益增大。大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)必然要依托云計(jì)算平臺的分布式計(jì)算能力，后者帶來的高效率的運(yùn)算模式也正好為物聯(lián)網(wǎng)提供良好的應(yīng)用基礎(chǔ)，它接收物聯(lián)網(wǎng)里各種設(shè)備傳來的信息，通過存儲處理后，運(yùn)用云計(jì)算模式對物聯(lián)網(wǎng)中的各類物體進(jìn)行實(shí)時動態(tài)管理和智能分析。

云計(jì)算從根本上改變了傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將計(jì)算能力由個人終端向服務(wù)端聚合，運(yùn)用分布式計(jì)算技術(shù)，提高了計(jì)算資源的整體利用率[5]。在量化計(jì)算資源的基礎(chǔ)上，云計(jì)算實(shí)現(xiàn)了由提供設(shè)備向提供服務(wù)演進(jìn)的過程，其服務(wù)領(lǐng)域已經(jīng)不僅限于熟知的IaaS、PaaS、SaaS等，擴(kuò)展到DaaS、TaaS等。隨著全球物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，恰恰為云計(jì)算平臺的完善及大規(guī)模的應(yīng)用提供了最大的用戶，同時云計(jì)算被賦予了更廣闊的定義，從連接計(jì)算資源到連接物理世界中所有的人和物體[5]，計(jì)算能力也將進(jìn)一步的智能化。

3 云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的應(yīng)用場景

物聯(lián)網(wǎng)在全面感知、可靠傳遞的基礎(chǔ)上，利用云計(jì)算平臺的智能處理技術(shù)，向社會提供高效的智能服務(wù)。同時，物聯(lián)網(wǎng)為云計(jì)算提供應(yīng)用方向和產(chǎn)業(yè)環(huán)境。目前，越來越多的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景運(yùn)用了云計(jì)算的技術(shù)和理念，智能交通和智能電網(wǎng)是二者相結(jié)合的應(yīng)用典范。

3.1 智能交通

隨著物聯(lián)網(wǎng)“概念”向“產(chǎn)業(yè)”轉(zhuǎn)變，大量的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用正惠及交通領(lǐng)域，給我們的生活和出行帶來便利。智能交通是將先進(jìn)的電子、信息、傳感與檢測、自動控制、系統(tǒng)工程等技術(shù)綜合運(yùn)用于地面交通，建立起安全、實(shí)時、準(zhǔn)確、高效的地面運(yùn)輸系統(tǒng)，利用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)運(yùn)輸系統(tǒng)而形成的一種信息化、自動化、智能化、社會化的新型運(yùn)輸系統(tǒng)。應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)，探索交通領(lǐng)域信息化是一種新思路。一方面，主要表現(xiàn)在目前交通信息化運(yùn)營管理系統(tǒng)基本已進(jìn)入到一個平穩(wěn)運(yùn)行的階段，對傳統(tǒng)的硬件設(shè)備的需求趨于穩(wěn)定，從而加大了對信息化軟件升級改造和應(yīng)用服務(wù)的投入，云計(jì)算提供的資源按需服務(wù)恰好解決了軟件大幅投入帶來的成本問題。另一方面，交通領(lǐng)域的基礎(chǔ)建設(shè)快速發(fā)展，鐵路新干線、客運(yùn)專線、新車站、新機(jī)場等建設(shè)大量出現(xiàn)，也投入了很多IT基礎(chǔ)設(shè)施的相關(guān)建設(shè)[6]，因此，在交通領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的建設(shè)中利用云計(jì)算技術(shù)創(chuàng)新交通信息化應(yīng)用，助力智能交通快速發(fā)展。

例如，進(jìn)入高鐵時代的鐵路信息系統(tǒng)，車速的跨越式提高給鐵路信息化管理帶來了巨大的挑戰(zhàn)和壓力。傳統(tǒng)的基于大型服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心，離散的信息管理模式已無法適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)時代的信息化需求[6]，把傳統(tǒng)的鐵路信息應(yīng)用系統(tǒng)及管理系統(tǒng)遷移到擁有百萬級服務(wù)器集群的云計(jì)算大平臺上，在云端建立鐵路管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心，利用云計(jì)算技術(shù)助力實(shí)現(xiàn)更加安全、便捷、綠色環(huán)保的交通環(huán)境。智能時代迎合城市化的發(fā)展需求，日益嚴(yán)峻的交通擁堵給智能交通領(lǐng)域帶來了許多發(fā)展契機(jī)。一方面，通過攝像頭實(shí)時采集各路段交通信息，在云計(jì)算平臺上監(jiān)控和分析各路段交通流量，從而預(yù)測擁堵地點(diǎn)。另一方面，利用GPS來搜集開車人的習(xí)慣，利用云計(jì)算的分布式計(jì)算和調(diào)度能力給行車人設(shè)計(jì)一條最佳的出行線路，如果開車人能夠很好配合，將減少30%的道路擁堵。隨著消費(fèi)者的需求日益增多、道路建設(shè)的日新月異、道路安全事故的增加，智能化的汽車互聯(lián)將是未來汽車電子行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

3.2 智能電網(wǎng)

為支撐能源轉(zhuǎn)型和資源節(jié)約，物聯(lián)網(wǎng)時代開啟電網(wǎng)“智能模式”。智能電網(wǎng)是指集成新能源、新材料、新設(shè)備和先進(jìn)的信息技術(shù)、電網(wǎng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力在發(fā)、輸、配、用過程中的數(shù)字化管理、智能化決策、互動化交易[7]，優(yōu)化資源配置，充分滿足用戶對電力的需求，確保電力供應(yīng)的可靠、安全和經(jīng)濟(jì)，滿足環(huán)保要求，適應(yīng)電力市場化發(fā)展。電力行業(yè)的應(yīng)用特點(diǎn)非常符合云計(jì)算的技術(shù)模式和服務(wù)模式。云計(jì)算模式就是將原本分散的資源聚集起來，再向群體提供服務(wù)。采用云計(jì)算，不僅可以實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)共享，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘，提供智能的決策分析，促進(jìn)生產(chǎn)過程協(xié)調(diào)發(fā)展，也可以幫助電網(wǎng)公司將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為服務(wù)，提升服務(wù)價(jià)值。

智能電網(wǎng)的發(fā)展給家庭能源的消費(fèi)帶來革新，用電的智能化使得數(shù)以千計(jì)的家庭安裝和使用能源管理終端。“云+端”的家庭能源管理模式將使智能家庭能源管理終端主動注冊到能源管理門戶上，簡化了傳統(tǒng)的由于大量的家庭能源管理終端接入帶來的系統(tǒng)管理困難[8]。同時，通過運(yùn)用云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)對智能電網(wǎng)中各環(huán)節(jié)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時感知和監(jiān)視預(yù)警，對產(chǎn)生的海量歷史數(shù)據(jù)在云平臺上進(jìn)行集中存儲和共享，對外提供標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的訪問服務(wù)，提升電網(wǎng)智能化水平。云計(jì)算與電力行業(yè)的結(jié)合既避免了云技術(shù)帶來的不安全性，又適合電網(wǎng)這樣的大型企業(yè)建設(shè)，創(chuàng)新電力系統(tǒng)信息化應(yīng)用。

云計(jì)算以其分布式處理、虛擬化及高可靠性等特點(diǎn)助力物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域相關(guān)應(yīng)用，不僅涉及智能交通、智能電網(wǎng)以上兩個領(lǐng)域，還涉及智能家居、智能醫(yī)療、智能農(nóng)業(yè)等其他相關(guān)領(lǐng)域。云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)緊密結(jié)合，為創(chuàng)新信息化應(yīng)用提供有利的工具和環(huán)境。

4 云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的發(fā)展前景

從國家到各行各業(yè)都在密切關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算這兩個新興技術(shù)，兩者都具有美好的技術(shù)愿景和規(guī)模龐大的潛在市場，能夠?qū)ι鐣a(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，兩者相輔相成，合則兩利。

4.1 信息消費(fèi)

互聯(lián)網(wǎng)時代，信息消費(fèi)作為拉動內(nèi)需的重要組成部分，無疑受到產(chǎn)業(yè)各方密切關(guān)注，物聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算等作為新的消費(fèi)形式出現(xiàn)推動了信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。2013年，國務(wù)院下發(fā)《關(guān)于促進(jìn)信息消費(fèi)擴(kuò)大內(nèi)需的若干意見》中提到開展物聯(lián)網(wǎng)重大應(yīng)用示范，提升物聯(lián)網(wǎng)的公共服務(wù)能力，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為國家促進(jìn)信息消費(fèi)戰(zhàn)略的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心正是建立在云計(jì)算的基礎(chǔ)之上，云計(jì)算模式提供對物聯(lián)網(wǎng)中感知終端的服務(wù)延伸，豐富信息消費(fèi)環(huán)境，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步滲透。同時，包括物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的信息消費(fèi)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，勢將大大帶動網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、智能終端、內(nèi)容應(yīng)用等各領(lǐng)域的快速增長。

4.2 智慧城市

云計(jì)算是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的核心，而物聯(lián)網(wǎng)為云計(jì)算提供了廣闊的應(yīng)用平臺，云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)的智能融合，將大大提速智慧城市的建設(shè)。隨著2013年國家“智慧城市”技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)試點(diǎn)城市的確定，智慧城市目前已成為國內(nèi)城市建設(shè)的重點(diǎn)，將全面帶動國家信息化產(chǎn)業(yè)發(fā)展，成為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。智慧城市的建設(shè)從技術(shù)發(fā)展視角來看，要求通過以移動技術(shù)為代表的物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等新一代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)全面感知、互聯(lián)以及融合應(yīng)用[9]。將云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)定位于智慧城市中重要的基礎(chǔ)設(shè)施。隨著智慧城市對物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步滲透、拉動，兩種技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用快速普及，將促進(jìn)智慧城市建設(shè)提速，帶動各方產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展。

4.3 寬帶網(wǎng)絡(luò)

隨著2013年4G牌照的正式發(fā)牌及國家寬帶戰(zhàn)略的實(shí)施，意味著更多的信息化應(yīng)用將在寬帶網(wǎng)絡(luò)上快速發(fā)展，4G網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行讓云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合有巨大的想象空間。隨著物聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，移動智能設(shè)備的大范圍普及，人們的生活日益智能化、數(shù)字化。在移動智能設(shè)備、廣播視頻工具及PC設(shè)備之間可以隨時隨地交互信息。寬帶網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為推動云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展的重要載體，云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)的融合應(yīng)用為寬帶網(wǎng)絡(luò)提供巨大的發(fā)展?jié)摿Α？梢哉f，4G技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用與寬帶網(wǎng)絡(luò)的能力普及，為新興技術(shù)提供了有利環(huán)境和發(fā)展機(jī)遇，強(qiáng)有力地推動了智慧城市的發(fā)展和建設(shè)，同時豐富了云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用模式。

4.4 其他

圍繞應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)急需，著力突破物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算核心基礎(chǔ)共性技術(shù)，關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算平臺融合的改造升級問題，加快傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能終端、大數(shù)據(jù)處理等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新，推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算與新一代移動通信、下一代互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信等技術(shù)的融合發(fā)展。

5 結(jié)束語

云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)時代的熱點(diǎn)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的極大拓展，將真實(shí)世界的物體通過信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化的控制與管理。云計(jì)算利用其分布式處理模式基于服務(wù)和資源提供按需、便捷的網(wǎng)絡(luò)訪問。云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合促進(jìn)兩者在真正意義上從概念走向應(yīng)用，這種進(jìn)步是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。同時，隨著兩種技術(shù)的快速發(fā)展，從技術(shù)到模式的融合，勢必帶來一系列的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

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Resarch on Application of Cloud Computing in the Internet of Things

Sun Ying

(China Academy of Information and Communications Technology, Beijing, 100037)

Internet of things and Cloud Computing are two hot technologies in the current IT age. With the rapid development of both technologies, the technologies and ideas of Cloud Computing are applied in the Internet of Things in more and more scenarios. Complementing each other, the Internet of Things, as the third wave for the information industry, have been given a broader space for development.

Internet of Things; Cloud Computing; Intelligent Transportation System; Smart Grid

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.05.012

TN92，TP3

A

1672-7274（2015）05-0042-04