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物联网体系架构和标准体系进展分析

2015/1/17    来源:电子信息产业网    作者:张晖      
关键字:物联网  物联网体系架构  物联网体标准体系  
物物互联应用领域众多,各类应用特点和需求不同,当前技术解决方案无法满足共性需求,尤其在物理世界信息交互和统一表征方面。这对物联网产业发展极为不利,亟须建立统一的体系架构和标准技术体系。

  物联网是以感知为目的的物物互联系统,涉及网络、通信、信息处理、传感器、RFID、安全、服务技术、标识、定位、同步、数据挖掘、多网融合等众多技术领域。经过数年的快速发展,各国不同的单位和机构均初步建立了各自的技术方案,但核心技术研发方面缺乏单位间的协同攻关,各类方案间缺乏统一的规划和接口,处于离散状态。另外,由于物物互联应用领域众多,各类应用特点和需求不同,当前技术解决方案无法满足共性需求,尤其在物理世界信息交互和统一表征方面。这对物联网产业发展极为不利,亟须建立统一的体系架构和标准技术体系。

物联网体系架构

  体系架构分三个层面

  物联网作为一种形式多样的聚合性复杂系统,涉及了信息技术自上而下的每一个层面,其体系架构一般可分为感知层、网络层、应用层三个层面。其中公共技术不属于物联网技术的某个特定层面,而是与物联网技术架构的三层都有关系,它包括标识与解析、安全技术、网络管理和服务质量(QoS)管理等内容。

  感知层:感知层由数据采集子层、短距离通信技术和协同信息处理子层组成。数据采集子层通过各种类型的传感器获取物理世界中发生的物理事件和数据信息,例如各种物理量、标识、音视频多媒体数据。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。短距离通信技术和协同信息处理子层将采集到的数据在局部范围内进行协同处理,以提高信息的精度,降低信息冗余度,并通过具有自组织能力的短距离传感网接入广域承载网络。感知层中间件技术旨在解决感知层数据与多种应用平台间的兼容性问题,包括代码管理、服务管理、状态管理、设备管理、时间同步、定位等。

  网络层:网络层将来自感知层的各类信息通过基础承载网络传输到应用层,包括移动通信网、互联网、卫星网、广电网、行业专网,及形成的融合网络等。根据应用需求,可作为透传的网络层,也可升级以满足未来不同内容传输的要求。经过10余年的快速发展,移动通信、互联网等技术已比较成熟,在物联网的早期阶段基本能够满足物联网中数据传输的需要。网络层主要关注来自于感知层的、经过初步处理的数据经由各类网络的传输问题。这涉及到智能路由器,不同网络传输协议的互通、自组织通信等多种网络技术

  应用层:应用层主要包括服务支撑层和应用子集层。物联网的核心功能是对信息资源进行采集、开发和利用。服务支撑层的主要功能是根据底层采集的数据,形成与业务需求相适应、实时更新的动态数据资源库。

  物联网涉及面广,包含多种业务需求、运营模式、技术体制、信息需求、产品形态均不同的应用系统,因此统一、系统的业务体系结构,才能够满足物联网全面实时感知、多目标业务、异构技术体制融合等需求。各业务应用领域可以对业务类型进行细分,包括绿色农业、工业监控、公共安全、城市管理、远程医疗、智能家居、智能交通和环境监测等各类不同的业务服务,根据业务需求不同,对业务、服务、数据资源、共性支撑、网络和感知层的各项技术进行裁剪,形成不同的解决方案;该部分可以承担一部分呈现和人机交互功能。应用层将为各类业务提供统一的信息资源支撑,通过建立、实时更新可重复使用的信息资源库和应用服务资源库,使得各类业务服务根据用户的需求随需组合,使得物联网的应用系统对于业务的适应能力明显提高。该层能够提升对应用系统资源的重用度,为快速构建新的物联网应用奠定基础,满足在物联网环境中复杂多变的网络资源应用需求和服务。

  除此之外,物联网还需要信息安全、物联网管理、服务质量管理等公共技术支撑,以采用现有标准为主。在各层之间,信息不是单向传递,有交互、控制等,所传递的信息多种多样,其中最为关键的是围绕物品信息,完成海量数据采集、标识解析、传输、智能处理等各个环节,与各业务领域应用融合,完成各业务功能。

  因此物联网的系统架构和标准体系是一个紧密关联的整体,引领了物联网研究的方向和领域。

  逐步完善标准体系建设

  物联网自身能够打造一个巨大的产业链,在当前经济形势下对调整经济结构、转变经济增长方式具有积极意义。但一直以来,一些利益相关方争相进行基于自身利益的解读,使得政府、产业和市场各方对其内涵和外延认识不清,有可能使政府对物联网技术和产业的支持方向产生偏差。此外,我国物联网产业和应用还处于起步阶段,只有少量专门的应用项目,零散地分布在独立于核心网络的领域,而且多数还只是依托科研项目的示范应用。它们采用的是私有协议,尚缺乏完善的物联网标准体系,缺乏对如何采用现有技术标准的指导,在产品设计、系统集成时无统一标准可循,已经严重制约了技术应用和产业的迅速发展。而为了实现无处不在的物联网,要实现与核心网络的融合,关键技术尚需突破,标准化对于实现大规模应用网络所需要的互连互通起到重要作用。

  为解决此问题,必须要对物联网的定义、特点、范围、技术架构等关键问题进行研究,并结合我国物联网标准的实际需求提出自主创新的物联网标准体系,具体规划物联网的标准化工作,以求通过标准体系的指导,将国内龙头企业和相关单位纳入到物联网的标准化工作中,极大地促进物联网产业的发展,并为今后选择方向实现物联网国际标准的重点突破奠定基础。

  根据物联网技术与应用密切相关的特点,按照技术基础标准和应用子集标准两个层次,应采取引用现有标准、裁剪现有标准或制定新规范等策略,形成包括总体技术标准、感知层技术标准、网络层技术标准、服务支撑技术标准和应用子集类标准的标准体系框架,以求通过标准体系指导成体系、系统的物联网标准制定工作,同时为今后的物联网产品研发和应用开发中对标准的采用提供重要的支持。

  标准化推进策略建议

  我国在建立健全物联网标准体系、使之能够为物联网产业大规模发展提供标准化有力支撑的过程中,建议遵循以下标准化推进策略:

  1.进行术语和体系架构等顶层设计,做到认识统一。

  物联网的术语、技术需求、系统体系架构、参考模型等顶层设计是今后物联网标准化工作能够有序、可持续开展的重要保证。作为新出现的事物,物联网具有全新的内涵。面对当前社会各界对物联网存在不同解读、思想较为混乱的形势,应加快进行物联网术语、系统体系架构、参考模型等基础标准的立项和研制,在尽量短的时间内以标准为准则,统一社会各界对物联网实质的思想认识,在最大范围内形成合力,推动物联网技术与产业快速发展。

  2.明确标准化的各阶段任务,做到急用先行。

  物联网是一个动态的概念,其内涵将随技术的发展而不断持续演进。相对应地,物联网的标准化工作也是长期、渐进性的系统工程,必须分步骤、有计划地开展物联网相关领域的标准研制,按照技术发展和需求现状分解各阶段的标准化任务。目前,针对我国基础薄弱或物联网产业急需大规模应用的技术领域,如高端智能传感器、超高频电子标签、传感器网络,应优先进行标准立项,加快标准制定步伐。

  3.分析标准化的基础与现状,做到重点突出。

  具有全新内涵的物联网并非需要全部重新开发全新的技术。尽管目前已出现不少物联网技术应用,但是物联网中相关技术的发展水平并不均衡。经过近些年的投入和发展,RFID、互联网、移动通信网等技术、标准和应用已相对成熟,其中更是涌现出TD-SCDMA等具有自主知识产权的技术与标准。通观物联网的三层技术体系架构,可以看出,网络层作为物联网中数据的远距离传输通道,技术和标准成熟度最好,已经基本能够承载近期物联网的初步应用,当然为满足未来物联网的深度应用,还需对网络层技术和标准进行扩展。作为与物理世界最直接的沟通媒介,物联网的大规模应用必将带来感知层技术和设备的广泛布设。当前,为了提升我国与国外差距巨大的感知层技术与标准整体水平,必须把智能传感器、超高频RFID、嵌入式系统、协同信息处理和服务支持等基础关键技术标准作为重中之重,以自主创新的核心技术带动标准的突破和创新。物联网的应用层直接紧密联系着千差万别的行业应用模式,担负着使得物联网成为可运营可管理可持续壮大的综合性信息服务系统的重任,其标准化工作没有先例可循,需立即着手进行标准化研制工作。总之物联网的标准化应重点突出,集中力量攻克感知层和应用层关键技术与标准。

  4.研究国际国内标准化进展,做到同步推进。

  ISO、IEC、ITU、IEEE、IETF等国际标准化组织已陆续开展了物联网相关技术的标准化工作,如ISO/IEC JTC1的传感器网络标准工作组、ITU的SG13工作组的泛在网络标准研究、IEEE 802.15.4工作组的短距离通信标准研究、IETF 6LoWPAN工作组的短报头IPv6标准研究等。国内一些重要标准化组织也在同步开展国家和行业标准的研制工作,并已提出协同信息处理与服务支撑接口等国际标准提案。未来的物联网将是一个跨部门、跨国界的庞大产业,我国的标准化工作应提早布局,做到国家标准与国际标准同步推进,争取在未来的这一战略性新兴产业高地上占据一席之地。

  5.协调行业和标准化组织关系,做到有序协作。

  物联网是典型的交叉学科,所涉及的技术门类众多,其以数据为中心、面向应用的特性对原有自留地耕作式的标准制定模式和流程提出了新的要求,需要突破固有思维,大胆进行标准化思想创新。反映到标准制定过程中,既要从横向上考虑,做好各行业和部门间的协调合作,保证各自标准相互衔接,满足跨行业、跨地区的应用需求,又要从纵向上考虑,确保网络架构层面的互连互通,做好信息获取、传输、处理、服务等环节标准的配套。特别是加强各个物联网相关标准化组织之间的协调沟通,建立及时有效的联络机制。协调各个标准组织,使其明确各自定位和范围,共同做好物联网标准体系建设。

  6.结合应用示范工程与标准制定,做到良性互动。

  物联网的热潮在全国各地催生出大量的应用示范工程,这些应用示范工程大都是由政府买单,投入相当巨大。如何使得示范应用不是昙花一现,按照政府的初衷,真正起到带动物联网产业发展、促进物联网商业模式创新的作用,是摆在各级政府面前需要解决的急迫问题。与标准化工作的结合,可以使应用示范工程的相关成果和经验得以固化,以标准的形式指导后续应用示范工程的建设,在标准化工作和应用示范工程之间形成良性互动,避免不同技术体制的多个类似应用示范工程的重复建设,并为企业投身物联网产业链提供依据和保障。 

责任编辑:涂君军
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