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物联网技术形态:硬件与软件

物联网资本论 2017-12-06 06:49 次阅读
对于非物联网相关专业的人来说,物联网犹如一个黑箱。他们阅读物联网相关的文章,犹如“咀嚼”天书,其中的专业术语根本无法从字面意思来理解,即使联系上下文,也是“摸不着门道”。其实,对于不少物联网的从业人员和物联网专业的学生来讲,也是如此,局限于原本专业的限制或教科书纯粹的技术描述,“盲人摸象”般地理解物联网,往往并不全面而有所缺失。 物联网是一个数据汇聚的信息系统,所以就会涉及几乎所有的信息技术,而要把这些信息技术都罗列出来,恐怕就和编一本辞典没什么差别。 在学习物联网技术的过程中,我自己也发现,不懂的知识点太多了,陌生的专有名词无处不在。 我想我需要在学习中,整理一张物联网的图谱,这张图谱能够标示出物联网技术的整体结构、核心技术,以及技术之间普适性的关联,这样在学习新技术的时候,我就能根据物联网技术图谱,快速定位新技术在整个物联网中的位置和作用,从一个整体的角度去理解新技术的特性和影响力。 要摸清物联网技术的构架,就需要从技术的本质谈起。这不仅是为了洞察物联网技术的本质,也是探究物联网技术和其它各行业技术创新之间的关联。这是一个既理论又实际的话题。 通常情况下,我们会将某项技术理解为一种手段、一种装置、一种方法或一个流程。但当我们具体讨论或者实践的时候,会发现它们往往又涉及到很多与其相关的技术。 在开发网页应用的时候,软件工程师需要考虑数据库的搭建、TCP/IP的网络协议、HTTP的交互流程等等相关互联网编程技术,说不定还需要温习一下“P图技术”(用Photoshop修图),用以加深用户对Web网页的印象。 而作为通信工程师,我和同事在谈论NB-IoT技术(运营商力推的一种通信技术)时,自然会提及:低功耗的芯片技术、简化的信令流程、“PSM”和“eDRX”两种省电模式等等这些与LPWA业务息息相关的技术。 由此看来,我们讨论的某项技术往往是一个“集合”,一个由技术为元素的有序集合。 理解技术的组成,先要溯源技术的由来。最基本的技术,实质上是对自然现象的有意利用。或者可以这样说:最基础的技术,就是自然科学。 用碗盛水、用火加热、用蓑挡雨、用泥沙筑坝,这些对事物常识性的利用,就是技术的开端-基础的技术元素。而后,通过将不同基础技术元素进行组合,形成更为复杂和高级的技术应用。 例如印刷术的发展,便是多种技术的融合和迭代。古代在发明了造纸术后,相当一段时间内还只能用手抄的方式记录文字、制作纸质书籍;而在雕木印刷术发明之后,书籍制作的模式从“抄写”变为“印刷”,便能够快速并批量的制作书本;此后活字印刷的技术,在“活字”的材料技术不断推进下(胶泥活字->锡制活字->铜制活字->铅制活字),最终成为全世界通用的印刷技术,流行了好几个世纪。 基础性的技术就是利用或开发某种(几种)自然效应(effect)或现象(phenomenon)。高级技术相对于基础技术更为复杂,是基础技术的有序组合。应用之下的技术结构就好像一个金字塔,大量简单的基础技术不断向上组合成复杂的高等级技术,并最终形成应用。技术所具有的组合结构被称为“递归性(recursive)结构”。 在技术的组成中,基础的技术元素是对自然效应或现象的利用和开发。如果从软件角度来理解的话,技术就是“对‘硬件(物理设备)特性’进行‘编程’”。其中,“硬件特性”就是指“自然效应和现象”;而“利用和开发”便是指“编程”,是对各种效应和现象的结构化组合、流程化操作。 一个复杂应用,是对高层级技术的组合和编程,而高层级技术亦是通过对底层级技术进行组合和编程来实现的。 可见,技术(包括应用)都是由“软件”和“硬件”组成的,而不同层级的技术之间是由“软件”链接的。 布莱恩﹒阿瑟在《技术的本质》中提到:“技术由技术构成、技术是对现象的编程,技术发明是需求和现象的链接。”。对技术的解构,能够帮助我们看清技术创新(技术发明)的真面目。 从技术组成来看,技术创新主要从两个方面来实现。 一方面,技术创新是组合进化(combinatorial evolution),主要是指将多种已有的技术拼装成新的技术。在组合进化中,已有技术成为了新创技术的一个组成部分,而新创技术亦可能是未来某项技术的组成部分。技术组合从简单到复杂、涉及范围从狭到广、数量从少到多,不断复加融合,通过层层叠加技术元素参与组合,来进行跨层次创新。当然,组合进化还包括“技术优化”这一概念,即替换已有的技术组件形成新的效益(局部创新),这一理念在工业领域称之为“精益”。 另一方面,技术创新是对新现象的捕获与驾驭。从“烧开一壶水”到建造蒸汽机,从发现天然磁石到制作指南针,从涉水观鱼到发明“船桨橹舵”,人类发现并利用新的自然效应和现象,作为新的技术元素,不断和旧有技术融合形成更多新颖的技术和应用。 一开始人类通过自有的感知(五官)来发现自然效应和现象,并实现技术发明。而随着技术飞快演进,人类感知终究跟不上技术创新的步伐,逐渐需要通过各类技术工具(量尺、传感器、计量器)和方法(数学计算、试验、理论推导)从基础科学领域出发,来感知这个世界所蕴含的丰富信息。 现今,传统技术(主要指制造业)的发展已逐渐趋缓。根据技术的结构来看,要实现技术突破就需要新颖的技术或自然效应加入进来(技术创新的本质)。 而物联网技术,包括与物联网相关的各类技术的加入,将实现传统技术和信息技术的“组合进化”,组合后的技术将更加复杂和多样化,与其相关的制造业系统、商业运营系统将跨越多种技术、商业领域,进一步向自动化、个性化、敏锐、智能的方向演进,在技术体量(技术的集合大小)上超越以往任何一种复合技术所涵盖的范围和数量,从而“进化”到一个崭新的技术层级,一个虚实融合、由信息与智能驱动的技术层级。 在上文中谈到过技术创新的两个路径:“组合进化”和“融合新效应”。物联网及相关的信息技术,可以帮助传统技术实现在两类路径上的突破创新: 1、 物联网技术和传统技术相结合实现“组合进化”:物联网技术,使得传统产业可以实现更复杂的应用。在物联网工具的帮助下,质量管理人员可以实时地对“物”(材料、零件、设备、产品)进行全量抽样监测,并将监测的时间跨度覆盖到整个产品的生命周期。 基于物联网的智能化应用,可以协助管理人员进行更大规模的动态、灵活的资源调配和管理,使得企业业务所涉及的范围(趋向全球化)和领域(跨领域应用)更为广阔。在嵌入物联网的信息化工具后,生产系统的自动化程度会更高,以实现更为复杂的自动化生产的流程和工艺。 2、 系统结构优化,提高传统技术组合进化的效能:物联网所带来的各类信息技术,能够帮助传统产业系统性地解构技术模块并实现数字化映射,这有利于对各行业的技术进行重新组合和局部优化,进一步简化产品设计,实现生产和业务的灵活“编程”,更具效率地满足更复杂、更个性化的市场需求。 正如工业领域的“数字孪生”(也称为“数字化双胞胎”):通过物联网技术,实时感知工业设备的性能状态,形成虚拟的数字映射(3D建模),在数字映射的基础上对设备运营的状态进行预测分析、模拟演练、结构设计等,最终实现产品和设备的迭代和升级。 3、 帮助传统产业发现并利用新的现象和效应。物联网可以帮助技术人员,关注到一些以往被忽略的细节,从而发现新颖的现象和效应,并加以利用或进行系统调整。 归功于大量的传感器部署在生产系统中,设备系统运行中的“异常”情况会被完整、实时地捕捉,并送到云端。对于云端汇聚后的“异常”信息,技术人员利用数据分析便能够发现隐藏于现象中的事物关联。一旦新的现象和效应被发现,就能够进一步对生产系统进行调整,从而使得该系统更加严谨和完善。 各传统领域的生产系统或产品,通过传感器捕捉“自然现象”,基于边缘、云端的计算服务完成对技术(结构、流程等)的“编程”,再通过执行器产生“效应”。由物联网信息的“环路”,将物理世界变得可感知、可理解、可编程、可控制。 通过物联网的信息技术,缩短传统产品和业务的研发、设计周期,并降低技术准入门槛;使得生产系统的自动化程度再上一个层次,并能够适应灵活的市场需求;通过打通产业链中各个环节,对产品的全生命周期进行管理,挖掘产品的使用信息价值,从而使得商业模式从产品销售向服务运营转型。 物联网将融聚所有领域的技术元素,将人类的技术推向一个崭新的高度:一个能够凝炼出“智能”的技术层级。

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