智能网络城市的关键要素：网络物理对象

# 智能网络城市的关键要素：网络物理对象 ## 1. 网络物理系统概述 网络物理系统（CPS）被定义为计算与物理过程的集成。从经济和社会的角度来看，这类系统的潜力巨大。CPS有着广泛的应用领域，例如高可靠性医疗设备和系统、辅助生活、交通控制与安全、过程控制、节能、环境控制以及关键基础设施控制（如电力、水资源和通信系统）。 ### 1.1 CPS的独特特征与技术挑战 - **跨领域和跨网络**：同时采用多种类型的传感器，这些跨领域的数据将通过异构网络进行交换。 - **嵌入式和移动传感**：传感器不再是静态的，可通过智能手机和车辆等载体实现高度移动性，这会因传感覆盖范围的变化而引入不确定性，因此需要智能发现机制来分析这些移动数据。 - **弹性负载**：随着云计算的成熟，按需付费的概念可能会在CPS中被采用，以满足存储、计算和通信需求。这使CPS开发者能够专注于自身工作，用户也能选择真正需要的CPS应用部分。 - **累积智能**：CPS中的数据可能具有高度动态性和不确定性，因此学习和数据挖掘技术有助于获取知识。 - **多对象交互**：在CPS应用中，可能会出现大量的传感器 - 传感器、传感器 - 用户、传感器 - 执行器、用户 - 用户和用户 - 执行器交互，因此需要像互联网这样灵活的通信渠道。 ### 1.2 中间件与CPS方法的对比 | 对比项 | 中间件方法 | CPS方法 | | ---- | ---- | ---- | | 架构 | 遵循垂直架构，虚拟层的服务器使用网络分析从传感器收集的数据，然后向执行器发送命令 | 更具独立性，设备在同一水平层面围绕不同网络进行集成 | 下面是中间件与CPS方法的流程对比图： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px A[传感器]:::process -->|数据传输| B[服务器（虚拟层）]:::process B -->|分析处理| C[执行器]:::process style A fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px style B fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px style C fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px subgraph CPS方法 D[设备1]:::process ---|水平集成| E[设备2]:::process E ---|水平集成| F[设备3]:::process end ``` 这些特征体现了CPS与传统系统（如桌面计算机、无线传感器网络等）的差异，也为该领域开辟了新的研究方向。在CPS的发展中，网络和计算方面起着关键作用。 ## 2. CPS中的网络技术 网络作为CPS不同参与者之间通信的推动者，起着关键作用。过去几年，研究人员专注于无线通信和网络，在移动自组织网络（MANET）和无线传感器网络（WSN）领域取得了显著进展。CPS可以借鉴MANET和WSN领域的专业知识，尽管它们在许多网络方面有相似之处，但也存在一些重大差异。大致来说，MANET用于临时通信，WSN用于传输传感器数据，而CPS旨在跨不同领域（如传感数据）构建智能，跨越多个传感器网络和互联网。 因此，CPS必须将WSN与互联网结合起来，这需要解决许多互操作性问题。目前广泛部署的互联网协议（如HTTP、TCP甚至IP）过于复杂且资源需求高。以下是一些相关的技术解决方案： - **lIP**：包括基于IEEE 802.15.4为小型嵌入式设备构建的低功耗链路。 - **6LoWPAN**：由IETF引入，定义了能够对IPv6数据报的报头进行分段和压缩的机制。 - **IPv6边界路由器连接多个WSN**：作者考虑通过IP链路（包括以太网、WiFi、GPRS和卫星）连接多个WSN。 - **COAP**：一种为能量受限设备设计的应用层协议，用于处理受限的RESTful环境，提供了HTTP的轻量级替代方案。 这些技术为未来的CPS提供了机会，因为它们使得对象之间的跨领域端到端通信成为可能。 ## 3. CPS中的计算技术 我们认为云计算技术在CPS的发展中可以发挥主要作用。过去几年，云计算因其能够改变整个IT行业的服务提供模式而受到全球关注，具有前期投资减少、预期性能良好、高可用性、强大的容错能力和无限可扩展性等优点。 ### 3.1 云计算服务层次 云计算提供的服务可以分为三层： - **基础设施即服务（IaaS）**：提供计算资源，如处理或存储。 - **平台即服务（PaaS）**：根据软件开发者的规格提供特定平台。 - **软件即服务（SaaS）**：提供供最终用户访问和使用的软件应用程序。 这种服务隔离实现了自动扩展和自动管理功能，这对未来的CPS至关重要。 除了上述主要层次外，文献中还介绍和讨论了其他一些层次，如数据即服务（DaaS）、网络即服务（NaaS）和身份与策略管理即服务（IPMaaS）。万物即服务模型（XaaS）推广了按需付费的方法，允许用户仅根据使用的资源量来消费服务。 ### 3.2 传感即服务模型（SeaS） 传感即服务模型（SeaS）由Perera等人提出，该模型包括四个概念层： - **传感器和传感器所有者层**：管理传感器及其在云中的可能发布。 - **传感器发布者**：检测可用传感器并获得将其发布到云中的权限。 - **扩展服务提供商**：根据客户需求从多个发布者中选择传感器。 - **传感器数据消费者服务提供商**：需要注册以消费传感器数据。 SeaS模型具有诸多优点，例如： - **共享和重用传感器数据**：无需部署其他传感器，通过向所有者支付费用即可访问已部署的传感器。 - **降低数据采集成本**：由于共享性质，降低了数据采集成本。 - **收集以前无法获取的数据**：刺激公司“出售”数据。 SeaS模型的固有特性与智能城市的需求完美匹配。一方面，它提供了重用现有设备和资源的可能性，城市中目前分布着许多传感器和“通信”设备，这些设备可以得到有效和适当的“再利用”；另一方面，其“数据共享”的本质在一定程度上可以应对与信息通信技术城市内在相关的大数据问题。SeaS与其他云计算模型一起，是CPS中满足存储、计算和通信需求的良好方法。 ## 4. CPS的参与者：网络物理对象 为了剖析CPS，我们将构成CPS重要组成部分的这些基本单元/对象称为网络物理对象（CPO）。为了集成到复杂且无处不在的CPS中，对象必须能够自组织、学习和反应，并且可以通过网络访问和查询，以方便人们在家庭、办公室和休闲场所的日常生活。CPO的例子包括监测设备和传感器、家用电器、电梯、汽车、公交车、交通灯、停车收费表、集装箱、安全摄像头、锁、警报器、水阀、风力涡轮机、钻头、零售物品和货架等。 ### 4.1 智能对象的设计维度 Kortuem等人从三个设计维度区分智能对象： - **感知能力**：智能对象理解物理世界中发生的事件和人类活动的能力。 - **表示**：指智能对象的应用和编程模型。 - **交互**：表示对象与用户在输入、输出、控制和反馈方面进行对话的能力。 互联网与近场通信、实时定位和嵌入式传感器等新兴技术的结合，使日常对象能够转变为智能对象，这些智能对象能够理解、通信、交互并对其环境做出反应。这些对象是CPS的构建块，能够实现新颖的计算应用。 与物联网成功的主要参与者RFID技术不同，智能对象携带了大量的应用逻辑，使其能够理解自身的局部情况并与人类用户进行交互。它们能够感知、记录和解释自身及周围世界发生的事情，自主行动，相互通信并与人们交换信息。 ### 4.2 物联网与智能对象 物联网的目标是使事物能够在任何时间、任何地点与任何事物和任何人进行连接，理想情况下可以使用任何路径/网络和任何服务。物联网是互联网的一场新革命，对象通过能够传达自身信息来使自己可识别，并通过做出或促成与上下文相关的决策来获得智能。 不同的技术可用于连接对象，如地铁中的RFID、手机的3G、家庭的WiFi等。然而，由于硬件能力/限制和网络协议的高度异构性，需要基于IP的访问作为统一的网络层，以便将智能对象转变为互联网连接对象（ICO）。 Hauswirth等人指出，需要一种语义表示来理解进出ICO接口的数据。这个“数据交换层”可能会影响发现和路由方法，并且从应用的角度来看，对于实现可扩展性至关重要，因为如果没有这样的层，就无法有效地和可扩展地处理大量的ICO。 ### 4.3 物联网平台 为了管理这些ICO，文献中引入了几种物联网平台，以下是一些比较有代表性的平台： | 平台名称 | 特点 | 局限性 | | ---- | ---- | ---- | | GSN（Global Sensor Networks） | 提供灵活的Java中间件，用于解决传感器数据集成和分布式查询处理的挑战，列出所有可用传感器供用户选择，目的是使应用程序与硬件无关 | 缺乏元数据语义 | | LSM（Linked Sensor Middleware） | 连接实时感知数据和语义网，具有实时数据收集和发布、数据注释和可视化以及SPARQL端点查询统一链接流数据和链接数据等功能 | 不提供数据操作工具 | | Fortino等人提出的多层代理架构 | 用于开发主动、协作和上下文感知的智能对象，考虑了各种类型的智能对象 | 无明确提及 | | Sensor - Cloud | 通过将物理传感器连接到云来管理它们，自动提供服务实例（虚拟传感器），生成服务需要使用SensorML描述传感器设备、服务模板和元数据 | 无明确提及 | | OpenIoT | 基于云计算交付模型，为多个平台提供的物联网服务提供按需访问的云中间件基础设施，可收集和过滤来自互联网连接对象的数据 | 缺乏描述智能城市概念的本体 | | Xively（原Cosm和Pachube） | 提供公共云，以可扩展的方式简化和加速传感器的创建、部署和管理 | 只能管理和检索自身设备的数据 | 这些方法凸显了云解决方案的重要性，但要实现能够管理智能城市的平台，仍需要进行大量的新改进。为了填补这一空白，近年来欧盟委员会资助了多个项目。 ## 5. 欧盟委员会的智能城市倡议 智能城市概念引起了极大的关注，欧盟委员会也发起了多项倡议。欧洲智慧城市和社区创新伙伴关系（EIP - SCC）专注于整合行业、公民和城市，通过综合解决方案提高城市生活的可持续性。欧盟委员会第七框架研究与技术发展计划在智慧城市的号召下资助了不同的项目，以正确识别和解决智慧城市的问题和挑战。以下是一些比较有代表性的项目： - **ClouT**：利用云计算作为桥梁，通过互联网服务将物联网与互联网人连接起来，建立一个高效的通信和协作平台，利用所有可能的信息源使城市更智能，帮助城市应对能源管理、经济增长和发展等新兴挑战。ClouT将提供基础设施、服务、工具和应用程序，供不同的城市利益相关者（如市政当局、公民、服务开发者和应用集成商）重用，以创建、部署和管理以用户为中心的应用程序。 - **SOCIOTAL**：旨在设计和提供可靠、安全和可信的物联网环境的关键推动因素，通过鼓励人们贡献其物联网设备和信息流，实现具有社会意识的以公民为中心的物联网。它将提供技术社会基础，以解锁数十亿新的物联网信息流，采用以公民为中心的物联网方法来创建对社会有意义的大规模物联网解决方案。通过为社区提供增加用户对物联网环境信心的安全和可信工具，SOCIOTAL将推动社区向智能邻里社区和城市转型。 - **CityPulse**：通过采用物联网和互联网人的集成方法，提供创新的智慧城市应用程序。该项目将结合基于知识的计算和可靠性测试两个学科，促进可靠的实时智慧城市应用程序的创建和提供。 - **SMART - ACTION**：由于智慧城市和物联网领域的研究具有高度的跨学科性，不仅需要理解、协调、支持和参与技术元素，还需要涉及生物技术、社会科学和纳米技术等其他领域，以提供物联网概念可以嵌入的正确背景，并用于提供造福整个社会的解决方案。 - **SMARTIE**：旨在创建一个分布式框架，用于在智慧城市应用中共享大量异构信息，根据数据所有者的隐私要求，实现信息交付的端到端安全和信任，以用于决策目的。 - **VITAL**：目标是在多个物联网平台和生态系统之间集成互联网连接对象（ICO）。该项目通过考虑部署的成本效益，探索多个物联网平台的融合和联合。在VITAL的背景下，接口的虚拟化是一个重要的关键因素，它与跨上下文工具相结合，能够实现对不同平台支持的异构对象的访问和管理。VITAL基于W3C SSN本体，该本体被认为是统一不同物联网平台语义的理想基础，因为它与领域无关且可扩展。通过更新本体以添加额外功能，将允许智慧城市应用在不同的城市环境中迁移。 VITAL平台的数据和服务访问基于虚拟通用访问接口（VUAIs）的实现，这使得可以通过单一虚拟访问来考虑，使架构与平台无关。VUAIs层建立在所谓的元架构和迁移层之上，包括多个连接器，用于通信和互连不同的物联网平台和云。实际上，这个模块处理与基于现有物联网架构和云平台构建的整个VITAL基础设施管理相关的问题，并实现异构混搭。VUAIs允许实现一种抽象，其中指向物理项目的“对象”句柄可以被发现、选择、过滤和分配。VITAL还包括一个数据存储，用于存储地理信息和智慧城市利益相关者等数据，预计对这些提供位置感知和其他上下文相关信息的管理可以有效地用于优化各种云的计算和传感管理。 综上所述，网络物理系统及其关键要素网络物理对象在智慧城市的实现中起着至关重要的作用。虽然目前已经取得了一些进展，但仍有许多技术挑战需要克服，欧盟委员会资助的项目为未来智慧城市的发展提供了有价值的探索方向。 ### 5.1 各项目的对比分析 为了更清晰地了解欧盟委员会资助的这些智慧城市项目的特点和差异，我们可以通过以下表格进行对比分析： | 项目名称 | 核心目标 | 关键技术或方法 | 预期成果 | | ---- | ---- | ---- | ---- | | ClouT | 连接物联网与互联网人，建立高效通信和协作平台，使城市更智能 | 云计算 | 提供基础设施、服务、工具和应用程序供利益相关者重用，创建以用户为中心的应用程序 | | SOCIOTAL | 实现以公民为中心的物联网，解锁新的物联网信息流 | 鼓励公民贡献设备和信息流，提供安全可信工具 | 推动社区向智能邻里社区和城市转型 | | CityPulse | 提供创新的智慧城市应用程序 | 集成物联网和互联网人，结合知识计算和可靠性测试 | 促进可靠的实时智慧城市应用程序的创建和提供 | | SMART - ACTION | 解决智慧城市和物联网跨学科研究问题 | 涉及多领域知识，提供正确背景 | 提供造福社会的解决方案 | | SMARTIE | 实现智慧城市信息的安全共享和决策支持 | 创建分布式框架，保障信息安全和信任 | 实现信息交付的端到端安全和信任，用于决策 | | VITAL | 集成多个物联网平台的ICO，探索平台融合 | 接口虚拟化，基于W3C SSN本体 | 实现异构对象的访问和管理，允许智慧城市应用迁移 | 从这个表格中可以看出，不同项目有着不同的侧重点，但都围绕着智慧城市的发展和物联网的应用，通过不同的技术和方法来实现各自的目标。 ### 5.2 项目之间的关联与协同 这些项目并非孤立存在，它们之间存在着一定的关联和协同效应。例如，ClouT提供的云计算平台可以为其他项目如CityPulse和SMARTIE等提供计算和存储资源支持；SOCIOTAL鼓励公民参与的理念可以为其他项目提供更多的数据来源和用户基础；VITAL的接口虚拟化和本体统一技术可以为其他项目解决异构平台之间的互操作性问题。 下面是一个简单的mermaid流程图，展示这些项目之间的协同关系： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px A[ClouT]:::process -->|提供资源| B[CityPulse]:::process A -->|提供资源| C[SMARTIE]:::process D[SOCIOTAL]:::process -->|提供数据和用户| B D -->|提供数据和用户| C E[VITAL]:::process -->|解决互操作性| B E -->|解决互操作性| C E -->|解决互操作性| F[SMART - ACTION]:::process ``` ## 6. 技术挑战与未来展望 ### 6.1 现存的技术挑战 尽管在网络物理系统和智慧城市领域已经取得了一定的进展，但仍然面临着许多技术挑战。 - **网络互操作性**：如前文所述，CPS需要将WSN与互联网结合，不同网络协议和硬件设备的异构性导致互操作性问题仍然是一个难题。虽然已经有一些解决方案，如lIP、6LoWPAN和COAP等，但在实际应用中，这些技术的兼容性和稳定性还需要进一步提高。 - **数据处理与分析**：随着物联网设备的大量增加，产生的数据量呈爆炸式增长。处理和分析这些海量、高动态和不确定的数据，提取有价值的信息，是当前面临的一个重要挑战。现有的数据挖掘和机器学习技术在处理复杂的物联网数据时，还存在效率和准确性不足的问题。 - **安全与隐私**：在智慧城市中，大量的个人和敏感数据被收集和传输，如公民的健康数据、位置信息等。保障这些数据的安全和隐私，防止数据泄露和滥用，是至关重要的。然而，现有的安全技术在面对日益复杂的网络攻击时，还显得不够强大。 - **语义理解**：不同的物联网平台和设备使用不同的语义表示，导致数据的理解和共享存在困难。虽然有一些标准如W3C SSN本体，但在实际应用中，如何统一和扩展这些语义表示，仍然是一个需要解决的问题。 ### 6.2 未来发展方向 为了克服上述技术挑战，未来的研究和发展可以朝着以下几个方向进行： - **统一的网络架构**：开发一种统一的网络架构，能够兼容不同的网络协议和硬件设备，解决网络互操作性问题。例如，可以进一步完善基于IP的访问技术，使其更加高效和灵活。 - **智能的数据处理与分析**：研究和应用更加智能的数据处理和分析技术，如深度学习、强化学习等，提高数据处理的效率和准确性。同时，开发分布式计算和边缘计算技术，减少数据传输和处理的延迟。 - **强化的安全与隐私保护**：加强安全技术的研究和应用，如加密技术、访问控制技术等，保障物联网数据的安全和隐私。同时，建立健全的法律法规和监管机制，规范数据的使用和管理。 - **语义网的发展**：进一步发展语义网技术，完善语义表示和推理机制，实现不同物联网平台和设备之间的数据理解和共享。例如，可以开发更加轻量级的语义表示方法，适用于资源受限的设备。 以下是一个简单的列表，总结未来发展方向的要点： 1. 开发统一网络架构 2. 应用智能数据处理技术 3. 加强安全与隐私保护 4. 发展语义网技术 通过不断地研究和创新，克服技术挑战，网络物理系统和智慧城市有望实现更加高效、智能和可持续的发展。未来，我们可以期待一个更加便捷、安全和绿色的城市生活环境。 综上所述，网络物理系统及其关键要素网络物理对象为智慧城市的实现提供了重要的技术支撑。尽管目前还面临着诸多挑战，但随着技术的不断进步和研究的深入，智慧城市的愿景将逐步成为现实。欧盟委员会资助的项目为我们提供了宝贵的实践经验和研究方向，值得我们进一步关注和借鉴。