“大智移云”技術綜述及“智慧農機”應用實例

馬建斌 滕桂法 張玉新 張 璠

(河北農業大學信息科學與技術學院 河北 保定 071001)

0 引 言

“大智移云”是由中國工程院院士鄔賀銓于2013年8月的互聯網大會上首先提出來的[1]，是大數據、智能化、移動互聯網和云計算的統稱[2-3]。目前，信息技術的應用與發展進入“大智移云”時代，“大智移云”不僅深刻影響著人們的生產和生活，而且將掀起新一輪的產業革命[3]。

2015年9月，國務院印發了《促進大數據發展行動綱要》[4]，意味著大數據成為國家將來的發展戰略。2014年2月25日，貴州省人民政府印發了《關于加快大數據產業發展應用若干政策的意見》[5]，把大數據產業的發展作為培育、壯大戰略性新興產業的有效途徑[6]。河北省省委辦公廳省政府辦公廳2017年3月印發了《關于加快發展“大智移云”的指導意見》[7]，提出加快發展以“大智移云”為核心的網絡信息技術產業。在河北省，張家口張北縣建設了阿里云張北云聯數據中心和數據港張北數據中心。這是阿里巴巴在張北部署大規模云計算服務基礎設施的重要基地之一。廊坊市2016年9月制定了《關于加快發展“大智移云”引領產業升級行動計劃(2016—2018年)》[8]，截止2016年底，廊坊市“大智移云”產業規模已達到1 200億元。

“大智移云”信息技術產業已經成為國家和各省市政府新興產業發展的戰略方向，但是“大智移云”發展的一個突出問題是重視基礎設施和硬件投入，輕視具體應用。國家信息中心、南海大數據應用研究院聯合發布的《2017年中國大數據發展報告》披露，在政府投資項目中，超過七成都是大數據平臺和基礎設施建設，應用層面的軟件開發不到5%，“重建設、輕應用”的問題比較明顯。因此，本文以如何構建“大智移云”應用系統為研究目的，綜述構建“大智移云”應用系統需要的技術體系，分析其技術現狀及發展動態。并以河北農業大數據協同創新中心主開發的“智慧農機”項目為應用實例，介紹此項目的技術方案和主要功能，以其為“大智移云”在其他領域的應用提供技術借鑒和參考。

1 “大智移云”技術綜述

“大智移云”是大數據、智能化、移動互聯網和云計算信息技術相互交融和滲透的產物。圖1為“大智移云”應用系統的技術框架。“大智移云”的各個技術環節是相互關聯的，移動互聯網和云計算是“大智移云”應用的基礎，移動互聯網需要云計算技術的支撐，云計算又為大數據存儲和處理提供技術和經濟上的可行性，大數據的智能分析和處理，并與其他行業進行融合，會創造無限潛力的經濟增長點。

圖1 “大智移云”應用系統的技術框架

1.1 云計算技術綜述

“云計算”是使用互聯網接入存儲或運行在遠程服務器上的應用、數據或服務。根據云計算服務模式的不同，可以將云計算分為SaaS、PaaS和IaaS三層，如圖1所示。

(1) SaaS(軟件即服務)以軟件程序提供服務。

(2) PaaS(平臺即服務)以應用服務器平臺或開發環境提供服務。

(3) IaaS是基礎設施即服務，用戶通過Internet可以獲得虛擬的服務器、存儲和網絡。

基礎設施服務在最底端，平臺服務在中間層，軟件服務在最頂端。

根據云計算服務性質的不同，可以將云計算分為公有云、私有云和混合云。公有云指第三方提供商提供的云，比如阿里云。私有云是為一個用戶單獨使用而構建的。混合云則是融合了公有云與私有云的優劣勢。

美國云計算領域在全球占主導地位。美國政府從2009年開始出臺政策支持云計算產業的發展[9]，云計算產業在之后的幾年中保持了非常高的增長速度。近幾年福布斯公布的全球最佳100強云計算公司中，美國占90%左右，其中，谷歌云計算平臺、亞馬遜云計算平臺AWS、微軟云計算平臺Azure、IBM云計算平臺和Salesforce云計算平臺占很大的市場份額。

谷歌云是云計算最大的實踐者，在全球有30多個數據中心，服務器超過100萬臺。其關鍵技術包括文件系統GFS[10]、分布式計算編程模型MapReduce[11]和分布式結構化數據存儲系統BigTable[12]。亞馬遜是早期的云計算提供商，不涉及應用層面的計算，主要通過虛擬化技術提供存儲、服務器和數據庫管理系統等租用式服務。IBM在集合云技術、深層流程知識、云解決方案產品組合和全球交付中心網絡方面具有獨特的領先優勢。Salesforce是一家客戶關系管理(CRM)軟件服務提供商，開辟了一種新的軟件應用模式。微軟云計算服務與其操作系統和辦公軟件無縫集成，用戶接收較快，所以，微軟云計算服務擁有龐大的客戶群。

在中國，國家對發展云計算產業十分重視，2015年1月國務院發布《國務院關于促進云計算創新發展培育信息產業新業態的意見》[13]。近幾年，中國云計算發展速度很快，2016年云計算市場調查顯示，中國云計算占全球市場的5%，且以較快速度增長。中國云計算基礎設施集群化分布已初步形成長三角、珠三角、環渤海、京津及周邊區域為核心，西南、東北等重點區域快速發展的格局[14]。

阿里云的大數據處理基礎設施和用戶規模已經可以與美國亞馬遜和谷歌公司相媲美，目前服務著制造、金融、政務、交通、醫療、電信、能源等眾多領域的領軍企業。百度云是百度提供的公有云平臺，于2015年正式開放運營。2016年，百度正式對外發布了“云計算+大數據+人工智能”三位一體的云計算戰略，為社會各個行業提供安全、高性能、智能的計算和數據處理服務。浪潮云計算已經涵蓋SaaS、PaaS和IaaS三方面的服務，憑借浪潮云操作系統、高端服務器、海量存儲、信息安全保障技術等領先技術為客戶打造高效的云計算基礎架構平臺[15]，已為全球30多個國家和地區提供服務。另外，華為云、中興云、騰訊云等也初具規模。

1.2 移動互聯網技術綜述

隨著3G技術的日益完善和4G技術的使用，大大地推進了通信網絡與互聯網的融合，移動互聯網正在逐漸應用和普及[16]。

目前，對于“移動互聯網”還沒有統一的定義。總結文獻中對移動互聯網的定義，移動互聯網包含三層含義：(1) 移動互聯網需要有移動終端設備，常見的移動終端設備包括手機、平板、便攜式電腦或專用的移動互聯網終端；(2) 移動終端設備通過移動通信網絡接入互聯網，這些移動通信網絡包括3G網絡、4G網絡、WLAN等；(3) 發揮移動終端的可移動、可定位和隨身攜帶等特性，可在移動終端上開發出各種應用程序，為用戶提供個性化、位置相關的服務[17]。

1) 無線接入技術 無線接入技術是無線通信的關鍵問題。它是指通過無線介質將移動終端與網絡節點連接起來，以實現用戶與網絡間的信息傳遞。無線接入技術按照覆蓋區域分類，可分為如下幾種：

(1) 無線個域網(WPAN)：覆蓋范圍從幾米到幾十米，為不同設備間提供雙向短程通信的微蜂窩網。常見的無線個域網技術包括：藍牙(Bluetooth)技術，超寬帶(UWB)，Zigbee，紅外技術(IrDA)，家庭射頻(HomeRF)，電子標簽(RFID)等。

(2) 無線局域網(WLAN)：覆蓋范圍從幾十米到幾百米，可為短距離范圍內的用戶提供無線接入服務。日常生活中常見的有WiFi網絡。

(3) 無線城域網(WMAN)：覆蓋范圍從幾百米到幾千米，以微波等無線傳輸為媒介，可支持服務質量QoS能力和一定范圍移動性的接入能力。微波多路分配系統(MMDS)、本地多點分配業務(LMDS)和WiMAX等技術屬于此范疇。

(4) 無線廣域網：覆蓋范圍更廣，可以支持全球廣泛的移動性和無線寬帶接入。目前，在用的無線廣域網有3G和4G網絡，5G網絡還在研究中。

2) 移動終端技術 移動終端就是具有通信功能的微型計算機設備，和普通計算機設備一樣，也有其硬件和軟件系統。移動終端具有CPU、存儲器、輸入部件和輸出部件。常見的移動終端操作系統有Windows Mobile、Symbian、Palm、Android、iOS等。在通信能力上，移動終端具有靈活的接入方式和高寬帶通信功能。在功能上，移動終端更加注重個性化和多功能化，移動終端集成了嵌入式計算、控制技術、人工智能技術以及生物認證技術等，可開發各種個性化的應用程序，并集中眾多軟件和硬件于一體，功能越來越強大。

3) 移動終端應用技術 移動終端具有強大的信息處理能力，已成為互聯網業務的關鍵入口，因此，在移動終端上可開發各種應用程序。移動通信技術及移動終端技術的發展揭開了移動互聯網產業的序幕，開啟了新的技術產業周期[18]。典型的移動終端應用包括流行的共享單車、微信支付、手機銀行、手機導航等。

1.3 大數據技術綜述

云計算、物聯網和移動互聯網的迅猛發展，為大數據技術帶來廣闊的發展空間[19]。云計算為大數據的處理和利用提供便利條件，用戶可以從“云”中方便地獲取各種類型的海量數據。物聯網和移動互聯網每天會產生海量數據，為大數據提供了數據來源。

美國IT產業界如Google、亞馬遜、IBM、Facebook等國際知名企業相繼推出了各自的大數據產品。其中，谷歌公司作為大數據時代的奠基者，其公布的GFS、MapReduce和BigTable技術是大數據行業爭相學習和研究的重點，也是行業大數據技術架構的標桿。谷歌的三個技術不是開源的，Hadoop由Apache公司為實現谷歌的三個技術開發的一個云計算開源平臺[20-21]，Hadoop對應MapReduce，HDFS對應GFS，Hbase對應Bigtable，Hadoop是目前最為流行的大數據處理平臺[22]。Apache Spark是專為大規模數據處理而設計的快速通用的計算引擎，產生了多種大數據處理高級查詢語言，如Facebook 的Hive、雅虎的Pig、谷歌的Sawzall、微軟的Dryad等。

國內大數據技術的起步較晚，近幾年，大IT公司如百度、阿里巴巴、騰訊等開發的大數據平臺初具規模，已在工業、農業、交通管理、天氣預報等行業廣泛應用，并創造了巨大社會價值和商業價值。阿里巴巴研發的大數據處理平臺maxcompute，能提供快速、完全托管的TB/PB級數據倉庫解決方案，能夠快速解決海量數據的計算能力。百度提供的大數據和人工智能平臺百度天算，提供了完備的大數據托管服務，能夠完成百度機器學習和深度學習、分析引擎等數據分析服務。華為的大數據平臺FusionInsight是一個分布式數據處理系統，提供企業級大數據存儲、查詢和分析的統一平臺，幫助企業快速構建海量數據的信息處理系統。

1.4 大數據智能分析技術

基于云計算平臺，利用最新的人工智能、機器學習、數據挖掘等技術，對海量數據進行智能分析是大數據研究的目標和發展趨勢。以百度天算為例，其提供如下智能分析服務。

(1) 機器學習：利用并行化分布式的數據處理組件，可以快速完成復雜的數據預處理過程，支持對數據的清理、替換、組合、采樣、去重、拆分等操作，可完成模型訓練和評估，進行邏輯回歸LR、深度神經網絡DNN、聚類Kmeans、模型LDA、協同過濾CF等多種模型訓練，支持高并發的在線預測和大批量的離線預測。

(2) 深度學習：基于PaddlePaddle/TensorFlow開源計算框架，支持GPU運算，依托百度云分布式技術，為深度學習技術的研發和應用提供可靠性高、擴展靈活的云端托管服務。

基于機器學習和深度學習技術，百度天算還提供日志分析、輿情分析、異常檢測、人臉識別、文字識別、語音識別、客戶流失預測等智能服務。

2 “大智移云”應用實例—智慧農機

智慧農機項目是由河北省農機局、農機監理總站發起，河北農業大學河北農業大數據協同創新中心、保定天河電子技術有限公司、河北省農業智能裝備研究院等單位聯合開發的。河北省智慧農機項目是“大智移云”應用的一個成功案例。此項目現已投入使用，可為政府管理部門、農機合作社、農機手、種植戶、農機維修站點等提供智能精準服務，帶來了巨大的經濟效益和社會效益。智慧農機部署圖如圖2所示。

圖2 智慧農機部署圖

本項目具有如下特點：

(1) 智能終端感知系統：在農機設備上安裝了北斗/GPS定位終端、傳感器、攝像頭等，實現對農機作業環境自動感知，獲取及時準確的數據。

(2) 電子政務平臺：開發了河北省智慧農機決策管理信息平臺，農機管理部門(農機監理站、農機局、農機鑒定站和農機修造站)可通過管理信息平臺對農機進行管理。

(3) 農機大數據智能分析：運用農業物聯網、大數據、移動互聯網等技術，實現了深松作業智能監控、農機作業智能調度、農機管理智能決策等功能。

(4) 智慧農機系統“云上部署”：響應河北省“云上河北”建設工程，智慧農機系統全部實現云上部署，實現了信息共享和數據開放。

智慧農機大數據平臺是一個集農機業務管理、農機作業生產、農機百科等數據于一體，為農機用戶提供農機管理與決策、農機生產作業服務的平臺。完成的主要功能如圖3所示。

圖3 智慧農機大數據平臺功能圖

典型功能的詳細介紹如下：

(1) 精確定位：通過智能終端，借助北斗/GPS和移動互聯網，實時獲取農機位置、作業狀態、速度及環境等信息。

(2) 規劃調度：基于多因素、多目標智能規劃模型，自動規劃最優的作業方案，科學調度農機作業。

(3) 智能導航：根據調度信息，通過地理信息系統，為機手提供智能導航。

(4) 精確測畝：通過農機智能終端，自動測算出農機作業的面積，并通過短信通知供需雙方。

(5) 自動測產：通過測產傳感器，自動測量作物的產量。

(6) 智慧決策：以大數據平臺為支撐，通過對農機大數據進行分析，為政府管理部門的農機調度、政策制定、生產指揮等提供智能決策支持。

圖4為機手手機App部分界面圖。

圖4 機手的手機App部分界面圖

智慧農機項目集成了云計算、物聯網、移動互聯網、大數據分析等技術，是“互聯網+”現代農業及“大智移云”在農業領域的典型應用，實現了農機信息自動獲取、農機作業智能管理、農機管理作業智能決策。

3 結 語

信息技術與應用的發展已進入“大智移云”時代，大數據是這一時代的特征，大數據的應用正在引發新的產業變革。目前，“大智移云”的應用水平還處于初級發展階段。本文綜述“大智移云”的技術體系，分析國內外云計算、移動互聯網、大數據和智能化的發展現狀和趨勢。并引入河北農業大學河北農業大數據協同創新中心主開發的“智慧農機”項目，介紹此項目的技術方案和主要功能，為“大智移云”在其他行業的應用提供技術參考。

參 考 文 獻

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