物联网建模与要素：揭秘物联网与传感器技术

1.物联网的物理模型

从物联网的技术内涵CPS为切入点，依次讨论网络科学理论的发展、Cyber模型、物理模型以及构建CPS的科学问题，并对构建人、机、物三元世界做出了构想，系统地了解相关的理论和技术的关系。网络科学理论及CPS的科学问题的基石是建立在网络科学的基础上的，网络科学理论的发展、基本方法和建模要研究的问题和各要素之间的关系见表2-3。

表2-3 网络建模要素

物联网现阶段是建立在Cyber模型基础之上的，该模型的具体化就是互联网，互联网是由规模巨大的节点和链接关系，以及错综复杂的边而构成的网络结构（复杂的网络）。互联网通过超文本协议链接成一个广大而虚拟空间。我国网民规模已达4.85亿，互联网普及率进一步提升，达到36.2%；手机网民一年增加约1亿，手机上网已成为我国互联网用户的新增长点。受3G业务开展的影响，在未来几年内，手机网民数量将迅速增长，因此有必要关心这种网络的特点。

复杂网络是由完全规则网络到完全随机网络的转变，许多实际的复杂网络的连接度分布具有幂律形式。由于幂律分布没有明显的特征长度，该类网络又被称为无尺度网络。目前有代表性的复杂网络主要是无尺度网络和小世界网络，以及一些新型的复杂网络。随着微纳米技术的加入，以及对物联网未来发展有重要影响的传感器技术等，有必要了解无尺度网络的内容。

（1）无尺度网络模型

按生长方式定义：如果网络的每个节点的连接数与此节点产生新连接的概率成增函数关系，这个网络就叫做无尺度网络。按分布定义：如果网络中有一定数量的连接节点数与此连接数量成减函数，这个网络就叫做无尺度网络。人工网络结构大多是规则结构，在随机的网络结构中，节点与其他节点的连接数量呈正态分布。在规则网络结构中，节点与其他节点的连接数量是固定的。以上两类网络中，节点与其他节点的连接数量分布都有规则可循，因此是有尺度网络。

用数学方法描绘互联网时，出乎意料地发现有些节点与大量的其他节点连接，形成一个个集散节点，因而把互联网这样的网络称为无尺度网络。表2-4则给出了无尺度网络的列子。

表2-4 无尺度网络的例子

（2）Barabási-Albert模型

20世纪末发现了在真实网络中的幂律度分布，提出了无尺度网络概念和众多真实网络所共有的两种演化机理增长和择优连接。在无尺度网络中，将逐渐出现大多数节点仅有少量连线，而少数节点拥有大量连线的趋势。一个节点的连线数目叫做该节点的度，随机选择网络中的一个节点，其度数K的概率分布p（A）称为网络的度分布，这是一个看似简单而实际上非常重要的网络特征参数。Barabási在研究万维网的度分布时，发现它并不服从泊松分布，因此他提出了无尺度网络模型。它的度分布曲线没有峰值，且按照幂律随A连续衰减，通常称为具有幂律尾部，如果用双对数坐标系来描述幂律，得到一条直线。无尺度网络的大多数节点仅有少量连线，而少数节点拥有大量连线。

无尺度网络形成的举例，通常采用无尺度网络中的节点从2个成长到11个。当新的节点决定建立连接时，总是倾向于与已经拥有多连接的节点相连接，成长性和优先性连接这两种基本机制。最终会造成拥有大量连接的集散节点所控制的系统。

在B-A模型建立之前的所有模型都包含这样两种假设：一个假设是网络中最初有N个节点，在整个过程中，节点数N不变，节点之间可以随机连接和重连接；另一个假设是两个节点的连接概率与节点度无关。实际上，许多真实网络描述的是一个生长的开放系统，外界会不断地有节点加入这个系统，而且新的链接也不是随意连接的，许多真实网络都展现了有选择的连接偏好特征，这说明节点的连接概率与节点度是有关的。比如说，一个网页更可能关注那些已经很受欢迎的文档，并与它们保持超链接，这是因为如此高链接的文档很容易被发现，因而也很著名。

2.运动参量与基本的理论

在物联网中，最常用的是有关运动的参量。众所周知，物体通常不是静止的，而运动并不是一成不变、机械地简单重复式的，即或快或慢地总是有所向前变化着。其运动是有一定规律的，这个规律是可以被人们发现、认识和掌握的。对其认识就如同人们对物质构造的认识，是一步一步地深入发展一样的，即随着科学技术水平的提高、人类认识能力水平的提高与加深，从而不断深入地发现并认识到大自然的秘密那样，超越现有对物质认识所达到的限度，发现物质所具备的更为深层的性质之所在。表2-5是研究物理运动的理论，是最基本的描述物理运动的方法。

表2-5 理论与概念

控制论是自动控制、通信技术、计算机科学、数理逻辑、神经生理学、统计力学、行为科学等多种科学技术相互渗透形成的一门横断性学科。它研究生物体和机器以及各种不同基质系统的通信和控制的过程，探讨它们共同具有的信息交换、反馈调节、自组织、自适应的原理和改善系统行为、使系统稳定运行的机制，从而形成了一套适用于各门科学的概念、模型、原理和方法。控制论的基本思想和方法是强调系统的行为能力和系统的目的性。维纳提出了负反馈概念和功能模拟法。其特点如下：

行为：系统在外界环境作用（输入）下所作的反应（输出）。人和生命有机体的行为是有目的、有意识的。生物系统的目的性行为又总是同外界环境发生联系的，这种联系是通过信息的交换实现的。外界环境的改变对生物体的刺激对生物系统来说就是一种信息输入，生物体对这种刺激的反应对生物系统来说就是信息的输出。控制论认为任何系统要保持或达到一定目标，就必须采取一定的行为。输入和输出就是系统的行为。

反馈：系统输出信息返回输入端，经处理，再对系统输出施加影响的过程。反馈分为正反馈和负反馈。负反馈是控制论的核心问题。

正反馈：反馈信息与原信息起相同的作用，使总输入增大，系统目标偏离增加，加剧系统的不稳定。

负反馈：反馈信息与原信息起相反的作用，使总输入减小，系统目标偏离减小，使系统稳定。

控制论的研究表明，无论自动机器，还是神经系统、生命系统，以至经济系统、社会系统，不考虑各自的质态特点，都可以看作是一个自动控制系统。在这类系统中，有专门的调节装置来控制系统的运转，维持自身的稳定和系统的目的功能。控制机构发出指令，作为控制信息传递到系统的各个部分（即控制对象）中，在它们按指令执行之后，再把执行的情况作为反馈信息输送回来，并作为决定下一步调整控制的依据。这样就可看到，整个控制过程就是一个信息流通的过程，控制就是通过信息的传输、变换、加工、处理来实现的。(www.xing528.com)

反馈对系统的控制和稳定起着决定性的作用，无论是生物体保持自身的动态平稳（如温度、血压的稳定），或机器自动保持自身功能的稳定，都是通过反馈机制实现的。控制论是研究如何利用控制器，通过信息的变换和反馈作用，使系统能自动按照人们预定的程序运行，最终达到最优目标。控制论是具有方法论意义的科学理论。控制论的理论、观点可以成为研究各门科学问题的科学方法，把研究对象看作是一个控制系统，分析它的信息流程、反机制和控制原理，往往能够寻找到使系统达到最佳状态的方法。这种方法称为控制方法。控制论的主要方法有控制方法、信息方法、反馈方法、功能模拟方法和黑箱方法等。

3.物联网中的赛博数字物理系统

赛博一词最初的基本意思是指以计算机技术、现代通信网络技术（包括虚拟现实技术等信息技术）的综合运用为基础，以知识和信息为内容的新型空间。简单地说，是人类现阶段用知识创造的人工世界，是一种用于知识交互的虚拟空间。由于所包含内容不仅广博，而且还在不断地补充和丰富这个概念，因此目前人们还不能表达其全部的内涵，而是用数学和物理之间的关系来给出一个范围的导向。

赛博数字物理系统（Cyber-Physical System，CPS）也可认为是将物理空间转换到数学空间，并通过数学分析和解说其对应的构成，来预测和控制物理空间可能发生的各种可能。所谓赛博空间即Cyberspace。目前对Cyberspace的译法繁多，有人将它译作“赛博空间”，更有译作“异次元空间”、“多维信息空间”、“电脑空间”、“网络空间”等。作者认为将意译与音译相结合的“赛博空间”更为贴切。这个词的本义是指以计算机技术、现代通信网络技术，甚至还包括虚拟现实技术等信息技术的综合运用为基础，以知识和信息为内容的新型空间，这是人类用知识创造的人工世界，一种用于知识交流的虚拟空间，因此采用“电脑空间”等译法都不能表达其广博的内涵。美国国家科学基金会（NSF）认为，数字物理系统可将整个世界互连起来。就像今天的互联网改变了人与人的联系方式一样，CPS也将会改变人与物理世界的互动关系。他们认为CPS-物联网的技术内涵如下：CPS是计算机驱动的数字世界和物理世界交互的网络系统，该系统通过传感器和执行器将数字系统连接到物理世界，具有关键的监视和控制功能，业界常把这种连接物理系统的网络称为物联网。航空运输管制系统、电网、水运系统、工业过程控制系统都属于这类系统。IBM公司大力倡导的“智慧地球”就是将电力、交通等传统基础设施与计算机网络融为一体的CPS。随着新的计算机技术、网络技术和控制技术的不断涌现，它已成为物理设备系统发展的新趋势。对照国际电信联盟有关物联网的定义以及美国总统科技顾问委员会（PCAST）咨询报告有关CPS定义，我们也可认为CPS是对物联网的网络特点的一种专业称呼，它反映了物联网内部的技术内涵的特点；而物联网是CPS的通俗称呼，侧重于CPS在日常生活中的应用。

从专业角度看，CPS提供了物联网研究和开发所需要的理论和技术内涵；从应用角度看，物联网提供了CPS未来应用的一个直观画面，更加适合于普及CPS方面的科学知识。物联网的研究和开发应该从CPS入手和深入，而CPS技术和产品的普及和应用可以从物联网角度来介绍和举例。

CPS中的物理设备指的是自然界中的客体，因此不仅指的是冷冰冰的设备，而且还包括活生生的生物。现有互联网的边界是各种终端设备，人们与互联网之间是通过这些终端来进行信息交换的。而在CPS中，人成为CPS网络的“接入设备”，这种信息的交互可能是通过芯片与人的神经系统直接互连实现的。我们甚至可以做这样的假设：当智能交通系统感知到高速行驶的汽车与将要穿越马路的行人之间存在发生碰撞的可能时，通常的做法是系统让汽车紧急制动，或者告诉行人“留步”，而更直接的方法是通过脑-机接口让人“不走脑子”就“立定”，从而避免事故的发生。

4.物联网的技术及注意问题

（1）信息硬件与软件

长期以来，互补金属氧化物半导体（CMOS）电路技术已经遇到严重挑战，摩尔定律照亮了半导体产业半个世纪的发展，到2020年左右定律有可能暗淡下来。不论是集成电路技术、互联网技术，还是高性能计算机体系结构和存储技术，2020年前后都会遇到延续当前技术难以逾越的障碍。如功耗和成本问题越来越突出，一条32nm工艺的CMOS电路生产线的建造成本高达数十亿美元，几年后18nm工艺的生产线成本可能超过100亿美元。因此，我们将不得不彻底改变依赖摩尔定律的习惯思维，不得不从其他渠道发现信息科技进步和信息市场价值提升的规律。如果硬件为信息市场的“第一产业”，软件与服务将成为信息市场的“第二产业”与“第三产业”，网络效应可能比摩尔定律更为重要，业界将可能像今天制定半导体技术发展路线图一样，制定关键软件平台和服务技术的路线图。

（2）人、机、物超并行编程

超并行技术给人、机、物三元世界带来的重要变化之一是，网络特征要求信息应用系统的负载大量的并行化，信息软件和服务将会越来越多地采用并行程序，甚至分布式、分散式的程序。一个信息软件可能有上百万个协同工作的部件。另一方面，运行信息应用的硬件平台都会是并行系统。尽管应用负载和硬件都出现了并行化的趋势，但人们的并行编程的知识和技术积累都很弱。人们已经认识到，并行编程像人工智能一样难。今天的客户端设备运行的应用程序大部分是串行程序，服务器的应用程序只有极少数科学计算能够利用上万级的硬件并行。未来的个人计算机没有单核芯片，使得并行编程成为业界最迫切的一个问题。构造运行在多核芯片之上的高效系统软件也是一大难点。

另一个重要变化就是应用负载和硬件平台的不断变化，缺乏稳定性。比如，今天的一些大型互联网服务提供商不得不采用频繁升级应用软件的方式，来适应和利用这些变化，其升级频度已经达到每周一次。人们尚不知道如何开发像生物系统那样可以适应环境的软件与服务，可以随应用负载和硬件平台的变化而自我优化、自动发育和进化。

（3）设备的时间同步

现在控制理论还无法准确预测下一时间将要发生什么事情，计算大多是异步的，并不关心什么时间实现，怎样实现。而CPS需要整合这两类模型，如何整合正是一个大的科学问题。

（4）海量处理与利用

复杂系统的应用带来了数据处理的难题，不论是科学工程数据、生产业务数据，还是人们生活中的多媒体数据、各种网络数据，都仍在迅速增长。各种传感器网络、嵌入式系统还会产生更多的数据。一些网络内容服务提供商已经从传统的“小数据量-高质量结果”思路转移到了利用海量数据获取足够好质量的知识的新思路。利用统计方法和高性能计算处理海量网络数据正在成为智能信息处理的新亮点。如何从数据中有效地获得知识，特别是呈现海量、高维度、不精确特征的数据，尚有很多基础性问题有待解决。

（5）安全与隐私

从互联网的虚拟空间到物联网的多维空间，物联网除了面对移动通信网络的传统网络安全问题之外，还存在着一些与已有移动网络安全不同的特殊安全问题，这些安全问题和危机所带来的挑战绝非现有技术可以应对。海量的现实世界信息自动进入网络，一切都将越来越“透明”，信息管理的权限设定将涉及基本的法律问题，甚至伦理道德问题，有专家称物联网的发展会改变人们对于隐私的理解，所以个人隐私也是物联网建设中尤其要重视的问题。

5.CPS——人、机、物关系

人机分工：人做直觉的、无意识的事，计算机做有意识的、确定的、机械的操作；人确定目标和动机，做决策和判断，计算机的作用是处理琐碎细节，执行预定流程。

由信息世界、物理世界、人类社会三者组成人、机、物社会。与一人一机组成的、分工明确的人机共生系统不同，人、机、物三元世界是一个多人、多机、多物组成的动态开放的网络社会。人、机、物三元世界强调人的融入，这是构建未来CPS的重要一环。未来科学发展的特征是对人的研究、对人和自然和谐相处的研究，其表现是纳米-生物-信息-认知（Nano-Bio-Info-Cognition，NBIC）多学科交叉、多技术融合的应用。NBIC汇聚技术代表了一种大统一、大科学和以人为本的整体发展观，这种发展观以学科的融合为基础，通过技术汇聚，以人类和社会可持续发展为目的，将促使社会生活结构和经济结构发生革命性的变化，极大地推动社会的发展和人类生活质量及自身能力的提高。各种技术的汇聚基础是纳米尺度的物质联合和技术综合，构成物质的微粒对于源于纳米尺度的所有科学而言，是最基本的。

生命的大分子都是纳米水平的，不管是核糖核酸（RNA）、脱氧核糖核酸（DNA），还是核糖类各种复合物，作为生命的基本载体，都存在于纳米水平。纳米水平上的生命科学与生物技术研究下面一些内容：RNA、DNA、蛋白质、其他生物大分子以及它们的各种复合物；细胞与细胞间的联系；物质和能量代谢及信息交流；可调、可控、可适应的自组装的纳米系统等。纳米技术的发展为信息技术的进一步发展奠定了基础，纳米技术研究所提供的一些新的工具为信息技术的研究提供了平台和手段。这一信息技术的研究内容有材料、硬件、人机界面、超微系统和仿生（计算、逻辑与智能）等。

人工心理作为NBIC汇聚技术分支之一，就是利用信息科学的手段，对人的心理活动的更全面内容（尤其是情感、意志、性格、创造等）的再一次用人工机器（计算机、模型算法等）实现，它的应用前景是十分广泛的，如支持开发有情感、意识和智能的设备。拟人控制理论主要就是维纳的“反馈”控制论和人工智能，这与人脑控制模式还有很大差别，因为人脑控制模式是感觉、知觉+情感决定行为；而现有的控制系统决策不考虑也无法考虑情感的因素。毫不夸张地说，人工心理理论是人工智能的高级阶段，是自动化乃至信息科学的全新研究领域，是构建未来的CPS人、机、物三元世界的重要一环。人工智能是计算机与认知科学相结合的，它包括：物联网对人工心理与人工情感的需求、情感计算与人工情感能够提供哪些方法和技术为其服务，以及人工情感在物联网中的应用形式等问题。另一方面，物联网也给我们提供了应对挑战的机遇。迎接挑战能够更好地促进人工心理与人工情感理论的研究，并扩展其应用领域。