1 引言

    當(dāng)前，以M2M業(yè)務(wù)（機(jī)器對(duì)機(jī)器通信或者人對(duì)機(jī)器通信）為代表的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用高速成長(zhǎng)，以M2M為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)模型（包括感知層、傳輸層和應(yīng)用層）被廣泛認(rèn)知。但是，物聯(lián)網(wǎng)所涉及的物理空間和信息空間的耦合關(guān)聯(lián)在上述分層模型中未得到充分呈現(xiàn)，從而影響了物聯(lián)網(wǎng)中業(yè)務(wù)信息特征的表述。

    本文將分析當(dāng)前M2M分層架構(gòu)模型及業(yè)務(wù)信息特征的不足，在依托信息空間和物理空間融合關(guān)聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上，探討其業(yè)務(wù)信息表征的特點(diǎn)及與M2M業(yè)務(wù)信息的差別，以利于深化對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)知。

2 M2M的物聯(lián)網(wǎng)分層模型及業(yè)務(wù)信息特征

圖1 以M2M業(yè)務(wù)為代表的物聯(lián)網(wǎng)分層模型

    當(dāng)前，以M2M業(yè)務(wù)為代表的物聯(lián)網(wǎng)分層模型，如圖1所示。在此模型中，包括了感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。而在電信運(yùn)營(yíng)領(lǐng)域，又將網(wǎng)絡(luò)層作為實(shí)現(xiàn)M2M業(yè)務(wù)能力的關(guān)鍵。該模型的網(wǎng)絡(luò)層分為業(yè)務(wù)網(wǎng)、核心網(wǎng)和接入網(wǎng)，其中業(yè)務(wù)網(wǎng)被視為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能力和運(yùn)營(yíng)支撐能力的核心組成部分，包括了通信業(yè)務(wù)能力層、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能力層、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)接入層和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)管理域，提供通信業(yè)務(wù)能力和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能力，并進(jìn)行業(yè)務(wù)能力統(tǒng)一封裝、業(yè)務(wù)路由分發(fā)、應(yīng)用接入管理、業(yè)務(wù)鑒權(quán)和業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)管理等。其中，通信業(yè)務(wù)能力層提供通信業(yè)務(wù)能力的調(diào)用；物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能力層提供物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能力的調(diào)用，以及終端管理、感知層管理、信息匯聚及應(yīng)用開(kāi)發(fā)；物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)接入層將通信業(yè)務(wù)能力和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)能力進(jìn)行封裝，供統(tǒng)一接入和調(diào)用，并實(shí)現(xiàn)協(xié)議解析、適配、轉(zhuǎn)發(fā)及鑒權(quán)；物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)管理域的功能，包括業(yè)務(wù)、接入、用戶(hù)、鑒權(quán)、QoS及故障管理[3]。

    在以M2M業(yè)務(wù)為代表的物聯(lián)網(wǎng)分層模型基礎(chǔ)上，ETSI和3GPP都制定了M2M的業(yè)務(wù)需求，包括提供可以承諾服務(wù)質(zhì)量的通信保障、提供端到端的業(yè)務(wù)安全、可以尋址到各種M2M終端設(shè)備、支持群組管理、終端設(shè)備遠(yuǎn)程管理、支持不同流量的數(shù)據(jù)傳輸、支持多種接入方式、支持終端設(shè)備數(shù)量的擴(kuò)展、支持多種信息傳遞方式、支持具有不同移動(dòng)性的終端設(shè)備以及支持終端設(shè)備的休眠模式等11種業(yè)務(wù)需求。而3GPP早在2005年9月就開(kāi)展了移動(dòng)通信系統(tǒng)支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的可行性研究，并針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)MTC（機(jī)器對(duì)機(jī)器）的特性總結(jié)了16類(lèi)網(wǎng)絡(luò)需求[4]。

    要使信息空間的網(wǎng)絡(luò)能對(duì)物理空間的業(yè)務(wù)特征進(jìn)行控制，一是網(wǎng)絡(luò)要知悉物理空間的終端所需的業(yè)務(wù)特性，二是網(wǎng)絡(luò)對(duì)物理空間終端所需的業(yè)務(wù)具有不同特性的控制能力。但是，表1并沒(méi)有描述業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中信息的生成、傳播路徑以及信息的特征。另外，由于缺乏對(duì)物理空間和信息空間耦合關(guān)聯(lián)問(wèn)題的深入研究，現(xiàn)有的信息感知和決策方法等通常面向單一的應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用目標(biāo)，與物聯(lián)網(wǎng)跨行業(yè)、規(guī)模化的應(yīng)用需求形成明顯落差。

    綜上，可將M2M業(yè)務(wù)需求所反映的信息特點(diǎn)歸納為：

    （1）明確了實(shí)現(xiàn)M2M業(yè)務(wù)的信息類(lèi)型和作用；

    （2）從信息承載網(wǎng)的角度闡述了M2M業(yè)務(wù)需求所產(chǎn)生的信息形態(tài)；

    （3）未明確M2M業(yè)務(wù)需求中信息的傳遞路徑；

    （4）缺少物理空間和信息空間的信息耦合與轉(zhuǎn)換特征的挖掘。

3 物理空間與信息空間融合的物聯(lián)網(wǎng)模型

    從上可見(jiàn)，以M2M業(yè)務(wù)為代表的物聯(lián)網(wǎng)分層模型雖然明確了物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的流程和各層的功能分工，但并未解析物聯(lián)網(wǎng)所涉及的物理空間和信息空間耦合關(guān)聯(lián)的復(fù)雜關(guān)系。首先，連續(xù)的具有時(shí)空屬性的物理空間與離散的無(wú)時(shí)空維度的信息空間具有極大的差異性，信息空間和物理空間屬性耦合關(guān)聯(lián)的分析與描述極為困難。物聯(lián)網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)物理空間和信息空間的感知互動(dòng)，涉及環(huán)境、感知、網(wǎng)絡(luò)、處理、服務(wù)等各個(gè)環(huán)節(jié)和作用域的協(xié)同處理與反饋，而其內(nèi)在耦合關(guān)聯(lián)信息的表征是上述協(xié)作機(jī)制的基礎(chǔ)。

    物聯(lián)網(wǎng)客體之間的交互要比互聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜得多，比如，智能手機(jī)的人機(jī)交互過(guò)程通常是不被監(jiān)控的，而汽車(chē)駕駛員觀察儀表和顯示屏、接受導(dǎo)航信息并操作汽車(chē)的過(guò)程則被看成是汽車(chē)駕駛和操作行為，必須被納入閉環(huán)的控制過(guò)程中，因而物聯(lián)網(wǎng)所連接的客體中的操作系統(tǒng)需要具備全新的特征。由此，需要建立物聯(lián)網(wǎng)信息空間和物理空間的關(guān)聯(lián)模型，并體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的特殊性。物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)存在顯著差異，其一是物聯(lián)網(wǎng)需要直接連接和感知物品，其二是物聯(lián)網(wǎng)需要處理物品相關(guān)數(shù)據(jù)。構(gòu)建獨(dú)立于任何具體應(yīng)用領(lǐng)域的抽象物聯(lián)網(wǎng)參考模型，可以形成在不同應(yīng)用領(lǐng)域之上的統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)概念模型。

表1 機(jī)器對(duì)機(jī)器通信(MTC)業(yè)務(wù)特性

    物聯(lián)網(wǎng)的概念模型是網(wǎng)絡(luò)世界與物理世界融合的模型，可從信息物品、自主網(wǎng)絡(luò)、智能應(yīng)用三個(gè)維度反映物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，較為完整地探討物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)特征，見(jiàn)圖2。

    物聯(lián)網(wǎng)首先需要包括物品的功能維度，這是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不具備的維度。連接到物聯(lián)網(wǎng)的物品可以稱(chēng)為信息物品，這些物品具備的基本功能包括：具有電子標(biāo)識(shí)、可以傳遞信息；構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)需要連接多種物品，這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)至少具有自配置和自保護(hù)的功能，屬于自主網(wǎng)絡(luò)； 物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用都是與物品相關(guān)的應(yīng)用，這些應(yīng)用至少能自動(dòng)采集、傳遞和處理數(shù)據(jù)，自動(dòng)進(jìn)行例行的控制，屬于智能應(yīng)用。在圖2中，信息物品、自主網(wǎng)絡(luò)與智能應(yīng)用三個(gè)功能部件的重疊部分就是具有全部物聯(lián)網(wǎng)特征的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可以稱(chēng)為物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，提供包括不同應(yīng)用領(lǐng)域的物品標(biāo)識(shí)、物品空間位置識(shí)別、物品數(shù)據(jù)特征驗(yàn)證和隱私保護(hù)等服務(wù)，這個(gè)部分組成了公共物聯(lián)網(wǎng)的核心。

圖2 多視圖融合的物聯(lián)網(wǎng)參考模型

    物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施類(lèi)技術(shù)包括：

    （1）物品的統(tǒng)一標(biāo)識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，即全球統(tǒng)一的、面向各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的物品統(tǒng)一標(biāo)識(shí)技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，信息物品是這類(lèi)技術(shù)的主要載體，標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)需要依賴(lài)于自主網(wǎng)絡(luò)。

    （2）物理化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)， 包括支持現(xiàn)實(shí)世界空間坐標(biāo)系的網(wǎng)絡(luò)接入和網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)，支持現(xiàn)實(shí)世界統(tǒng)一時(shí)間體系的網(wǎng)絡(luò)操作技術(shù)等，自主網(wǎng)絡(luò)是這類(lèi)技術(shù)的主要載體。

    （3)自主網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的自配置、自愈合、白優(yōu)化和自保護(hù)的技術(shù)，自主網(wǎng)絡(luò)是這類(lèi)技術(shù)的主要載體。

    （4)網(wǎng)絡(luò)化物理系統(tǒng)技術(shù)，包括聯(lián)網(wǎng)嵌入式軟件的實(shí)時(shí)處理技術(shù)、可靠處理技術(shù)，這類(lèi)技術(shù)的載體是智能應(yīng)用，屬于智能應(yīng)用的物理裝置端技術(shù)。

    （5）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合和決策技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下多種數(shù)據(jù)的融合、多類(lèi)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)挖掘和實(shí)時(shí)決策技術(shù)，這類(lèi)技術(shù)的載體是智能應(yīng)用，屬于智能應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)側(cè)技術(shù)。

    因此，在物理空間與信息空間融合的物聯(lián)網(wǎng)中，其信息必然不同于分層結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，在信息類(lèi)型與形式、信息采集與傳遞、信息控制與應(yīng)用、信息存儲(chǔ)與處理等方面具有明顯的特征。

4 物理空間與信息空間融合信息的特征

    從物理空間與信息空間融合的角度看，物聯(lián)網(wǎng)信息可以分為物品信息、物品傳感信息和物品行為控制信息。

    在物理空間與信息空間之間存在雙向的信息流動(dòng)，既有從物理空間中獲取信息形成信息空間的組成過(guò)程，即物理空間→信息空間；也有從信息空間向物理空間提供信息的反饋過(guò)程，即信息空間→物理空間。這樣信息流動(dòng)不但是雙向的，而且二者之間存在對(duì)偶關(guān)系。這種對(duì)偶關(guān)系包括兩個(gè)方面，即從物理空間到信息空間的關(guān)系是通過(guò)傳感器從物理空間獲得原始數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)處理和分析產(chǎn)生與物理空間在各個(gè)層次上的對(duì)應(yīng)關(guān)系；從信息空間到物理空間的關(guān)系是通過(guò)建立不同層次的對(duì)應(yīng)關(guān)系，把信息空間中的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息按照需求發(fā)送與映射到物理空間的物體上。

    在物理空間與信息空間的對(duì)偶及融合中，兩個(gè)流向的信息的特征是不同的，見(jiàn)圖3。從物理空間到信息空間的信息流，是通過(guò)傳感器獲取的物理空間的原始數(shù)據(jù)；而從信息空間到物理空間的信息流，是在信息空間形成的不同層次的數(shù)據(jù)，如特征、表面、物體（包括物體之間的關(guān)系）、事件、場(chǎng)景以及語(yǔ)義描述和上下文等層次的數(shù)據(jù)流。因此，信息空間的信息是有組織和實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化的。信息空間應(yīng)在理解用戶(hù)的命令、意圖和用戶(hù)的所處環(huán)境的基礎(chǔ)上，按用戶(hù)要求對(duì)信息進(jìn)行重新組織，并以合適的方式返回到物理空間。

    也可從物聯(lián)網(wǎng)三個(gè)維度的概念模型（信息物品、自主網(wǎng)絡(luò)、智能應(yīng)用三維模型）分析物聯(lián)網(wǎng)的信息特征。物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中三類(lèi)功能部件之間的相互關(guān)系，不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分層體系結(jié)構(gòu)定義的功能部件之間的相互關(guān)系，即三類(lèi)功能部件之間不再是分層的服務(wù)調(diào)用和服務(wù)提供的關(guān)系。

    信息物品需要依賴(lài)自主網(wǎng)絡(luò)提供的接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，使其成為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以識(shí)別和訪問(wèn)的物品；智能應(yīng)用需要依賴(lài)于自主網(wǎng)絡(luò)提供的數(shù)據(jù)傳遞、遠(yuǎn)地服務(wù)訪問(wèn)功能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳遞和服務(wù)調(diào)用；自主網(wǎng)絡(luò)需要依賴(lài)信息物品的標(biāo)識(shí)，自動(dòng)選擇相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)議和配置協(xié)議，提供接入信息物品的服務(wù)；自主網(wǎng)絡(luò)需要依賴(lài)智能應(yīng)用的需求，確定相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量以及可能的定制服務(wù)；智能應(yīng)用需要依賴(lài)于信息物品的數(shù)據(jù)語(yǔ)義，進(jìn)行相關(guān)的處理和決策，確定對(duì)于信息物品的操作；信息物品依賴(lài)于智能應(yīng)用的需求，確定提供信息的類(lèi)型以及可以執(zhí)行的相關(guān)操作。

    從上述分析可見(jiàn)，物聯(lián)網(wǎng)的三維體系結(jié)構(gòu)中，其信息結(jié)構(gòu)、傳遞路徑和信息作用機(jī)制都體現(xiàn)了物理空間與信息空間的融合及相互轉(zhuǎn)換，與當(dāng)前以M2M業(yè)務(wù)為代表的物聯(lián)網(wǎng)分層模型所表述的信息特征存在很大差別。

5 結(jié)束語(yǔ)

    由于物理空間和信息空間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性、非確定性和高度混雜性等，在物聯(lián)網(wǎng)的信息生成、信息結(jié)構(gòu)、傳遞路徑和信息內(nèi)涵等特征表述上還存在著諸多的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的M2M業(yè)務(wù)分層理論模型和方法難以應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)。因此，迫切需要全面深入地分析物理空間和信息空間的耦合機(jī)理，深入挖掘感知互動(dòng)的機(jī)制和方法，尋找系統(tǒng)內(nèi)在的信息生成、傳遞和作用機(jī)制，為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。

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本文標(biāo)題：物聯(lián)網(wǎng)物理空間與信息空間融合的業(yè)務(wù)信息特征分析

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