云計算環(huán)境下基于大數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)信息化建設(shè)研究

方文祥，胡偉清

（華信咨詢設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引 言

時代的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步促使物聯(lián)網(wǎng)信息化建設(shè)進(jìn)入全新階段，而基于大數(shù)據(jù)的云硬件架構(gòu)及物聯(lián)網(wǎng)信息化管理系統(tǒng)正是這一時期出現(xiàn)的產(chǎn)物之一。它是一種新型的信息化管理模式，也是當(dāng)前社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要推動力。因此，研究大數(shù)據(jù)背景下物聯(lián)網(wǎng)信息化管理方式以及關(guān)鍵技術(shù)問題有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 技術(shù)簡介

1.1 云計算技術(shù)

云計算技術(shù)以互聯(lián)網(wǎng)作為基礎(chǔ)平臺，并借助計算機(jī)和軟件技術(shù)來完成網(wǎng)絡(luò)存儲與虛擬化、分布式計算、負(fù)載均衡等。它可以將復(fù)雜龐大的數(shù)據(jù)處理成一個相對簡單的模塊，并且具有很好的可擴(kuò)展性和低成本的構(gòu)建與管理能力，同時也能在對傳統(tǒng)信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行有效調(diào)整的基礎(chǔ)上，滿足不同領(lǐng)域內(nèi)用戶的需要。

1.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)技術(shù)是近幾年新興的一項(xiàng)計算機(jī)技術(shù)，它是指海量、高增長率、無時間間隔性以及非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)集合，涵蓋了社會生活的方方面面，其中包括金融、電信、交通、氣象等行業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)對各種海量數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析與關(guān)聯(lián)，從而創(chuàng)造出一種更具價值的信息業(yè)態(tài)[1]。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動通信技術(shù)等為核心的新一代信息技術(shù)，可以分為傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)2 種。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有效融合了傳感網(wǎng)、信息網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)，其目標(biāo)是建立物與物、人與物之間的聯(lián)系，使人們享受更方便快捷且豐富的感知與體驗(yàn)，而這些功能的實(shí)現(xiàn)離不開約定協(xié)議與信息傳感設(shè)備的支撐[2]。

2 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)在云計算環(huán)境下的信息化建設(shè)

2.1 總體框架結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)信息化管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)信息化管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1.1 應(yīng)用層

應(yīng)用層由各種應(yīng)用軟件及其適配平臺組成，其作用就是實(shí)現(xiàn)云計算技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)信息化系統(tǒng)中的有效連接與融合，這一功能的實(shí)現(xiàn)離不開應(yīng)用層內(nèi)部應(yīng)用軟件平臺的支撐。各個應(yīng)用軟件的設(shè)計者在物聯(lián)網(wǎng)信息化建設(shè)工作中除了要進(jìn)行日常軟件設(shè)計，還應(yīng)提供包括軟件管理、系統(tǒng)硬件更新、使用規(guī)則與權(quán)限明確、知識產(chǎn)權(quán)管理等的支持平臺，并盡可能保證該軟件與其配套平臺的設(shè)計和營銷都在同一運(yùn)營商指導(dǎo)下進(jìn)行。

為了增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)信息化系統(tǒng)的精確性和運(yùn)行可靠性，還應(yīng)將設(shè)計與建設(shè)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到軟件與平臺的參數(shù)協(xié)調(diào)方面，必要時可以將二者合為一個板塊，這樣既能減輕物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，又能增強(qiáng)其整體功能性，推動物聯(lián)網(wǎng)信息化建設(shè)的順利進(jìn)行。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)層

云計算網(wǎng)絡(luò)層是基于大數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)信息化系統(tǒng)在云計算環(huán)境下的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層，其作用是利用內(nèi)部現(xiàn)有操作板塊，如業(yè)務(wù)操作、營銷作業(yè)等實(shí)現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)所產(chǎn)生各類數(shù)據(jù)信息的存儲和處理。它主要通過網(wǎng)絡(luò)將各個企業(yè)、機(jī)構(gòu)相互關(guān)聯(lián)起來進(jìn)行統(tǒng)一管理，根據(jù)自身需求為用戶提供各種服務(wù)。通過對這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行合理的加工和處理，物聯(lián)網(wǎng)信息化系統(tǒng)能夠更好地服務(wù)于企業(yè)管理和決策[3]。不僅如此，云計算網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)也被稱為容器化基礎(chǔ)架構(gòu)。它通過虛擬化方式構(gòu)建出多個物理機(jī)，每個物理機(jī)都有自己獨(dú)立的操作系統(tǒng)，不同的主機(jī)之間采用不同的虛擬機(jī)，這樣就使得整個數(shù)據(jù)中心的負(fù)載分布更加均勻，同時減少了服務(wù)器數(shù)量和硬件設(shè)備。

云計算網(wǎng)絡(luò)層由云應(yīng)用框架、云軟件框架和云硬件框架3 個部分組成。其中，云應(yīng)用框架直接與物聯(lián)網(wǎng)信息化管理系統(tǒng)的內(nèi)部應(yīng)用中心進(jìn)行聯(lián)系，能夠?qū)崿F(xiàn)在不同環(huán)境下的智能作業(yè)，如智能電網(wǎng)、工業(yè)監(jiān)控、智能交通等。云軟件框架又分為云訪問和云服務(wù)，在二者的作用支撐下，云軟件現(xiàn)已成為云計算網(wǎng)絡(luò)層的運(yùn)行核心，為物聯(lián)網(wǎng)信息化系統(tǒng)增設(shè)了訪問管理與嵌入控制2 大功能。而云服務(wù)則主要用來滿足不同設(shè)備之間對信息資源的共享要求，同時還具備網(wǎng)絡(luò)接入能力、存儲能力、計算能力以及網(wǎng)絡(luò)通信能力等，能夠?qū)⒏黝悜?yīng)用服務(wù)集成起來，形成統(tǒng)一的服務(wù)接口，從而滿足各種業(yè)務(wù)場景下對其服務(wù)性能和服務(wù)質(zhì)量要求較高的客戶群體的實(shí)際使用需求。云硬件框架與物聯(lián)網(wǎng)信息化管理系統(tǒng)的內(nèi)部云計算設(shè)施相連，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)底層硬件平臺的搭建工作，并對物聯(lián)網(wǎng)信息化系統(tǒng)中涉及到的相關(guān)硬件進(jìn)行安裝調(diào)試[4]。

2.1.3 接入層

大數(shù)據(jù)接入層在物聯(lián)網(wǎng)信息化系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。作為物聯(lián)網(wǎng)信息化系統(tǒng)的底層支撐部分，大數(shù)據(jù)接入層負(fù)責(zé)將物聯(lián)網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)采集到的各類數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，能夠?qū)⒋罅慨悩?gòu)、分散的數(shù)據(jù)整合起來，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉庫模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚，最終形成統(tǒng)一的業(yè)務(wù)模型，以便后續(xù)分析與挖掘利用。其組成包括無線網(wǎng)關(guān)、有線網(wǎng)關(guān)以及核心網(wǎng)關(guān)3 個部分，無線網(wǎng)關(guān)采用了蜂窩數(shù)據(jù)和衛(wèi)星實(shí)時網(wǎng)絡(luò)，有線網(wǎng)關(guān)采用了傳統(tǒng)撥號網(wǎng)，而核心網(wǎng)關(guān)則使用了先進(jìn)的同步數(shù)字技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了傳輸網(wǎng)與光纖寬帶的協(xié)調(diào)合作[5]。

除此之外，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)信息化系統(tǒng)中的大數(shù)據(jù)接入層還肩負(fù)著對各種信息進(jìn)行存儲和管理的任務(wù)，如網(wǎng)絡(luò)訪問日志、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、告警事件處理等，這些功能都依賴于數(shù)據(jù)的完整性和正確性。因此，為了保證物聯(lián)網(wǎng)信息化系統(tǒng)中大數(shù)據(jù)接入層的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對大數(shù)據(jù)接入層上安全性能的測試就顯得尤為重要，這也是目前物聯(lián)網(wǎng)在信息化建設(shè)中需要關(guān)注的重點(diǎn)問題之一。

2.1.4 感知層

大數(shù)據(jù)感知層的主要工作就是獲取環(huán)境實(shí)時數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些實(shí)時數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的預(yù)測結(jié)果，然后通過相關(guān)算法來計算出用戶所需的服務(wù)參數(shù)，最后將這些結(jié)果發(fā)送給服務(wù)端，使得服務(wù)端可以根據(jù)這些服務(wù)參數(shù)來提供個性化的服務(wù)或定制化的服務(wù)[6]。

具體應(yīng)用原理為在云平臺上構(gòu)建一個具有高并發(fā)能力的數(shù)據(jù)庫，收集來自不同位置無線傳感器節(jié)點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)。經(jīng)過預(yù)處理后得到具有時間序列特性的歷史數(shù)據(jù)，再由數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)挖掘出其中蘊(yùn)含的隱含規(guī)律，進(jìn)而預(yù)測出未來一段時間內(nèi)各個節(jié)點(diǎn)的負(fù)載情況以及用戶對于服務(wù)參數(shù)的請求情況，然后由該數(shù)據(jù)庫向各個不同類型的終端發(fā)送請求消息。當(dāng)接收到來自于終端的響應(yīng)消息時，便可獲得當(dāng)前時刻下的實(shí)時數(shù)據(jù)，包括時間戳和對應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)，而所有的這些數(shù)據(jù)都是經(jīng)過加密后才被傳送給服務(wù)端。當(dāng)接收來自于云平臺服務(wù)器的請求消息之后，客戶端會自動啟動自身的應(yīng)用程序，完成一次完整的操作流程，即完成了整個大數(shù)據(jù)感知層的開發(fā)與應(yīng)用過程[7]。

2.2 功能模塊與接口邏輯

就目前的現(xiàn)實(shí)情況來看，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)信息化系統(tǒng)在建設(shè)過程中主要有6個不同的接口，每個接口之間的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)信息化系統(tǒng)的接口邏輯

接口1 為大數(shù)據(jù)訪問接口，能夠?qū)崿F(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)支持。接口2 為對接接口，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)大數(shù)據(jù)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的有效連接，還能在物聯(lián)網(wǎng)信息化建設(shè)的大環(huán)境下增強(qiáng)其原有的信息化營銷功能。接口3 為業(yè)務(wù)接口，與大數(shù)據(jù)訪問接口不同，業(yè)務(wù)接口的作用主要體現(xiàn)在其與物聯(lián)網(wǎng)信息化管理系統(tǒng)內(nèi)部大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能力平臺的整合，用戶能夠借此接口來實(shí)現(xiàn)短信傳輸和語音傳送。接口4 是大數(shù)據(jù)管理接口，與存儲模塊相連，使用該物聯(lián)網(wǎng)信息化管理系統(tǒng)的相關(guān)工作人員能夠通過管理接口對其所需的信息資源進(jìn)行有效收集，如當(dāng)前業(yè)務(wù)的受理情況、實(shí)施進(jìn)度等。此外，還能在聚合模塊的作用推動下自動登錄系統(tǒng)后臺，對每位用戶的基礎(chǔ)性信息進(jìn)行查詢和修改[8]。與大數(shù)據(jù)管理接口相同，接口5 也是由存儲模塊發(fā)出的。該接口為消費(fèi)計算接口，物聯(lián)網(wǎng)信息化管理系統(tǒng)能夠根據(jù)此接口來對所用費(fèi)用進(jìn)行計算，將計算結(jié)果發(fā)送給與其相對應(yīng)的用戶，提醒用戶進(jìn)入繳費(fèi)鏈接中按照步驟繳納業(yè)務(wù)費(fèi)用，并向其提供電子消費(fèi)賬單和已繳費(fèi)憑證。接口6 為物聯(lián)網(wǎng)信息化管理系統(tǒng)的代理接口，除了能夠?qū)崿F(xiàn)存儲模塊與代理接口的連接以外，還能對該系統(tǒng)中所涉及的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行整合管理與研究分析[9]。

3 基于大數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)信息化在云計算環(huán)境下的功能展現(xiàn)

基于大數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)信息化在云計算環(huán)境下的功能展現(xiàn)體現(xiàn)在以下4 點(diǎn)：一是通過對大量傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的分析來獲取相應(yīng)信息，并利用這些數(shù)據(jù)來建立起一個相對精確的數(shù)學(xué)模型，為用戶提供更為準(zhǔn)確可靠的決策支持；二是通過對采集到的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到有價值的結(jié)果，并且可以根據(jù)這一模型快速做出正確的判斷和推理，從而得到更加合理的決策方案，進(jìn)而提升了整個物聯(lián)網(wǎng)信息化管理工作的水平，降低了運(yùn)營成本，促進(jìn)了行業(yè)發(fā)展進(jìn)程[10]；三是利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)為用戶提供方便快捷且具有較高準(zhǔn)確度的個性化推薦服務(wù)；四是建立了一個安全可靠的數(shù)據(jù)安全傳輸通道，確保數(shù)據(jù)傳輸過程的安全性，防止非法攻擊。

4 結(jié) 論

目前，我國物聯(lián)網(wǎng)信息化建設(shè)在云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的推動下已取得了較為不錯的成效，技術(shù)人員和研究人員應(yīng)在此基礎(chǔ)上通過各種手段進(jìn)一步加深對云計算和大數(shù)據(jù)的認(rèn)識，并站在全局視角下重新審視物聯(lián)網(wǎng)的信息化建設(shè)工作，從而增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)的功能性和穩(wěn)定性，為我國現(xiàn)代信息技術(shù)與整個社會的發(fā)展提供助力。