阿里云科学家丁险峰:万物互联的价值在哪里?

发布于:2020 年 3 月 18 日 14:00

阿里云科学家丁险峰:万物互联的价值在哪里?

工业互联网是消费互联网的下半场

各位同学,我叫丁险峰,花名柯镇。我是阿里云 IoT 事业部的首席科学家,负责阿里云物联网平台的建设,以及工业互联网平台的建设。

首先我想阐述一下,开源对于工业互联网的价值。

开源对于工业互联网这一个庞大工程是极其重要的。为什么要建设工业互联网?工业互联网的内容是什么?工业互联网的本质是数字化人类积累了 200 多年来的工业知识,以软件的形式或者数据的形式放在互联网上。原来的数字化图书馆是把文字数字化了,如果说工业领域的书的话,那么把物理知识、化学知识、数学公式等都用计算机的文字来表达,但还不是一段可以被调用的计算代码,但是人获取知识以后,还要编程序去控制机器。过去 20 年的互联网主要还是解决信息的存储、处理、传播的问题,而未来 20 年人类将更深入一层,把这些数学公式,仿真模型代码化,所以工业互联网将是一个巨大的工程,人类拥有的工业肯定不止 360 行业,可能就是一个轴承行业(机械的重要部件)就可以分成 360 行,有很多很多种人类已经建立的模型,这些人类的知识能不能被重复利用呢?上一个互联网时代是可以共享模型的,数学公司的,但是需要 copy 的,传播的能力严重被限制了。但是一旦这个模型建立了一个 SaaS,那么任何人只要输入参数就可以重复利用这个人类知识的结晶了。显然人类的知识的利用率将会被大大地放大了,人类从 1 万年的农业革命以来的协作再一次被大幅度提升了。

既然我们不仅仅要建立一个数字的四库全书,而是要建立一个四库全书的代码库,这样巨大的工作,有几种工作方式,一是请乾隆皇帝再世,我们可以搜罗全中国,乃至全世界的专家来贡献代码,那将是非常昂贵的过程。第二种方式是学习专利体系,谁贡献了,谁就得到专利,那么大量的已经过期的专利的模型就没有人来贡献了。而且人类共同拥有的知识或者模型,应该属于人类共同所有,而不是被少数人或者公司所有,他们写的代码应该得到报酬,但是知识和模型应该是免费的。既然这么庞大的知识数字化工程,是人类劳动力的一次大跃升,那么全人类参与进来才是最为有意思的。而且很多知识模型应该给整个人类分享,那么首先应该开源,开源意味着分享给整个人类。其次只有开源,整个人类都来贡献,才能穷尽人类 200 年来积累的工业知识。当然现在人类还在不断的发明创造的过程之中,很多公司有的新发明还是可以不开源,客户可以通过付费来获取使用权。

接下来我们探讨下工业互联网和物联网之间的差别。物联网是一个比较通用的名词,而工业互联网是用物联网把人、机、料、法、环数字化以后连在了一起,然后基于这些资源来优化整个生产过程,从而实现更快速敏捷地响应大规模定制化的需求。

过去 20 年主要是消费互联网,它是拉近了商品和消费者之间的关系。而下面的 20 年是工业互联网或者说工业 4.0,我认为是消费互联网的下半场,其目的是要拉近制造系统和消费者之间的关系。消费互联网是先有生产计划,消费者没有对产品需求的定义权,只有等产品做出来,才能够去购买。而工业互联网要解决的问题,是让整个制造系统能够非常敏捷地响应消费者的定制化需求,要让消费者参与到制造的过程当中。

任何一个时代,都是由技术驱动的。比如因为有了牛顿的三大定律,后来瓦特才发明蒸汽机,才有了机械化时代;有了麦克斯韦方程,才会有爱迪生发明了发电机、灯泡,有了电气化时代;有人发明了半导体,从电子管到晶体管再到集成电路,才会引起信息化时代的蓬勃发展。

过去的十年里,移动互联网背后也是由一个庞大的技术浪潮所驱动的。智能手机背后的技术是什么呢?是 4G 技术。芯片技术达到了一定的程度,才能够支撑你做出一个智能手机,从而才点燃了移动互联网时代。那么下面一个时代,我们首先要讲它是一个什么样的技术时代,然后再讲它是一个什么样的产业时代。

解决 1 万亿“物”的信息交换

相对过去的 4G 时代,我们现在更多地是讲 5G 或者是物联网时代,这个时代的技术驱动力是什么呢?不仅仅是像 4G 一样去解决 100 亿人的信息交换问题,而是物联网加上 5G,来解决将近 1 万亿物的信息交换问题。4G 时代很好的解决了人类信息的交换问题,而无论是 5G 还是我一会要讲到的 Ipv6,其技术本身就是为了解决物的信息交换问题。

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从 Bits、Farmes,到 Packets、Messages……最后是未来有 participant x 和 participant y,有可能是 1 万亿物里面有 100 亿人,不再是两个人在交换信息,而是有可能一个人和一个灯泡,或者一个人和一辆车,或者是你的车跟你的家在交换信息。下一个时代的技术驱动力,是来自于物联网的技术。

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一旦建立了万物互联,最重要的一件事情就是我们能够建立一个物理世界抽象层,把每一个物体从物理世界映射到数字世界。有了这个数字世界,计算机就能够发挥它强大的计算能力,来处理大数据、小数据或者时序数据,就能够再一次大幅提升人类生活方方面面的效率。

有机构预测,到 2025 年或者是 2030 年,物联网、AI、5G 等技术将会对人类社会产生 11 万亿美元的价值。其中制造业预估会产生 1.2 万亿美元到 3.7 万亿美元的价值,比其他的行业都要大。制造业本身就是人类的第二大产业,在中国也是占据 40% 左右的 GDP。所以哪怕 1% 的影响,也会产生几千亿元的利润,再乘以估值,那就是几万亿元的估值差别。

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在 PC 时代,中国的参与度是比较小的。芯片主要是英特尔,软件主要是微软、甲骨文这样的公司。中国只有联想这一家公司,占到了全世界分工的 20%。移动互联网时代呢,我们中国有华为、Oppo、vivo、小米等等公司,占据了手机硬件设备出货量的 50%。芯片上也取得了长足的进展,像海思和展讯,目前已经占到了整个手机芯片出货量的将近 20%。而移动时代的软件也就是 APP,无论是电商软件、搜索软件还是社交软件,中国已经是仅次于美国的第二大 APP 市场,也是接近世界市场的 20%。

进入下一个时代,物联网时代,将会需要大量的传感器和连接器,或者有连接的传感器。预测,到 2030 年,中国将会设计制造世界上 80%~90% 的物联网硬件设备和 50% 的物联网相关的芯片。

这里我们要提出一个问题,我们能做世界上 50% 的硬件, 50% 的物联网的芯片,我们能不能做世界上 50% 的处理这些物联网数据的 SaaS 呢?现在还是一个巨大的问号,美日欧在 SaaS 的生产上还是要比中国还要强大得多,所以我也要跟各位同仁说一声,革命尚未成功,同志仍需努力。

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5G 与 IPV6

讲完了大的趋势,接下来重点要讲一下物联网相关的最重要的几个技术。我不是要讲技术怎么做,而是要讲为什么说这些技术是为物联网而生的。

第一个最重要的技术,我认为是 5G。5G 不仅仅是 4G 的延伸,4G 的延伸其实只有一个点,叫做移动增强带宽。现在我们的手机可以视频通话,移动增强带宽无非是让视频通话可能达到 3D 视频通话。5G 的海量机器类通讯,和超高可靠低时延通讯,其实是为了解决物联网设备的问题。

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5G 有三大重点功能,第一个是增强移动宽带,它主要是解决高清视频、AR/VR 的人机交互。第二个是大连接低功耗机器通信,主要是解决比如家里的电表、水表、气表这些低功耗 / 超低功耗的连接。这些表计的密度也非常的高,所以要把通讯切分成很多细密度的信道,也要让通讯保持超低功耗、超低成本。而第三个低时延高可靠连接,主要是为了工业高精度控制、自动驾驶这类的应用。一个运转中的机械臂或者一辆行驶中的自动驾驶汽车,它的通讯要求非常低的时延,而且一定要传达,所以必须是超高可靠的。

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5G 既然是为物联网所生,那么它其实不再需要一个非常宽广的移动通讯的手段,所以未来私有网络是非常重要的,低成本的基于云化的核心网是非常重要的。阿里巴巴也投入了基于云化的 5G 核心网,以及 MEC 移动边缘计算单元,在端上新增了 5G 协议栈,来帮助客户做智能家居、智能园区、智能城市和智能工业这些方向。

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然后为什么要做 IPV6?它是一个网络拓扑的革命。不需要二手中转,也不需要 P2P 打洞,两个物联网的设备之间就可以非常好地自由地通讯。每一个设备也不需要躲在网关后面,就可以升级到网络世界的一等公民。而且因为都是直接 IP, Ipv6 网络可以降低 10~30% 的网络延时。

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那么 5G 是解决信道容量的问题,IPV6 是解决 IP 地址的问题,从而能够让世界变成一张扁平的网络。阿里巴巴跟合作伙伴一起,提供了很多 IPV6 的技术,不管你是通过 LoRa 基站、边缘网关、私有云接入,或者是通过 Wi-Fi、蓝牙接入,我们都能够提供 IPV6 的接入方式。

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然后我们会在公有云、私有云和专有云上面提供 IPV6 的接入,也在海外各地提供 IPV6 的接入。我们现在主要是提供 IPV6 的接入,未来会提供 IPV6 的拓扑,再未来我们会提供 IPV6 M2M 的能力给客户。

室外定位技术与 GIS

定位技术也是物联网时代非常重要的一个技术。在物联网时代,每一个物都需要一个时空的基准。无论是飞机、车辆、手机还是物联网设备,移动的或者不移动的,都需要准确的位置。所以物联网时代的定位技术,需要比移动互联网时代更加精确、低功耗,高覆盖。从室内到室外,需要多种无线技术、传感技术以及先进的融合算法。

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目前手机的定位技术主要有几类。第一类是 GNSS,包括 GPS、北斗或者伽利略等,还有各种各样的滤波算法和融合算法,以及一些网络辅助化的定位技术。第二大类是网络定位技术,比如全球 IP 定位,全球基站定位,全球 wifi 定位,逆地理编码服务,运动状态检测等,还包括一些离线定位的服务。还有一类就是传感器辅助,比如行人航迹推算或者导航航迹推算,在没有 GPS 或网络的情况下,还能够继续推算人或者车的轨迹。最后一类是地图匹配导航,你可以在云上,也可以在端上做地图匹配,比如一个轨迹,显然跟地图上的某条路是匹配的,就可以把你的定位漂移给拉回来。

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车载的定位技术也分成几类,包括 VIO/SLAM、语义定位、多传感器融合以及高精地图技术。在手机定位技术的基础上,发展车载的定位技术和导航技术。未来车载的定位,一定比手机的定位要求覆盖更精准,更低的覆盖面积,更多的信息特征。

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定位技术和数据技术,未来会形成很多数据的闭环。定位技术和数据服务之间相互进行不断的校准,然后让整个物联网,比如说城市和空间里面地图数据和定位技术越来越准确,原来因为 GPS 漂移产生的一些误差,也因为大量的众包数据而得到了校准。

讲完了室外定位技术,我也略微讲一下跟定位技术配合的 GIS 技术。GIS 技术是一种软件,主要是把地图信息,道路信息,还有高层信息等等联合起来。GIS 技术主要有几大组成部分,包括数据采集、管理、分析和应用。

GIS 技术经过几十年的发展,从萌芽期基本上进入了成熟期。GIS 和 IoT 的关系,将会变成 IoT 提供实时数据,GIS 提供数据的采集和分析引擎能力,这些能力会帮助物联网的应用进行更好的处理和展示。比如一个智能城市的管理里面,IoT 提供大量的动态数据,比如人、车、物的数据,雨雪天气的数据,还有很多视频的数据,然后 GIS 提供大量时空基准的数据,这样就能够帮助解决很多商业的应用,比如城市雨洪,污染扩散,综合管网,城市沉降等等。

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室内定位技术

我们下面说说对物联网很重要的室内定位技术。常见的几种室内定位技术有 WiFi、蓝牙和 ZiBee 的三角定位,还有地磁的定位技术等。

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绝大部分的定位技术都是用多边定位,包括 WiFi、蓝牙 RSSI、超声波、UWB、ZiBee 技术等,现在也有新的蓝牙 5.2 的 AOA 技术、RFID 技术,能够为室内定位提供更加精准的定位技术。

其他的一些定位技术,比如说指纹定位技术,室内的惯性导航定位,以及三维视觉的成像定位,比如说室内机器人用的激光雷达、毫米波、超声波,这样的定位技术,未来应用在工厂里面,像自动上料、仓储运输、物流送料等等,都是让工业 4.0 能够得到应用的重要的基础技术。毫无疑问,室内定位将会是多种传感器或者是多种技术的融合,从而提供室内机器人等物体的定位技术,成为工业 4.0 的一个基础产品。

讲到室内定位,也会讲到一些室内三维坐标的信息,室内三维坐标的信息主要是通过 BIM 软件,能够把一个楼的这个管廊啊,墙面啊等等三维数据,都描述在一个数据库里面,就像 GIS 描绘室外的地理信息系统一样。

GIS 信息、IoT 信息、定位信息放在一起,就可以基于室内定位技术和室内的时空技术,通过 IoT 的数据平台,把设备的实时数据输入到 BIM(Building Information Modeling) 系统里面,把人员事件等都在数字世界里面展现出来,从而能够进行一些数据的分析,然后解决很多场景问题,比如说消防疏散的紧急预案,商场里的人员行为分析,人流热力图,甚至哪个地方要多开点暖风,都能够有实时在线的理解。

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所以说把物理世界和数字世界用室内定位提供时空基准,然后加上 BIM 信息,能够把这个数据分析和展现出来,从而能够建立一个这个更好的物联网的应用。前面讲的这几个技术,分别解决了不同的问题,让我们能够准确的描述一个数字世界。

区块链、数字孪生体

接下来我们简单聊一下区块链,区块链到其实是一个什么意思?打个比方你去买房子,原来你需要一个账本,记录这个交易和合约的条款,必须有一个非常可信的第三方,能够把银行、经理人和你自己的钱,都放在一个账本里面,来创建一个交易。但是呢,这个账本持有者是可以篡改它的。

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为了让账本不可篡改,你可以怎么办呢?首先每一笔记录加上签名和时间戳,并记录到账本,要改一个记录,就要把前面的所有的记录都改掉,那么在交易了几百次以后,这个交易记录就很难去篡改了。

其次是要多处备份,交易中的每一个人都有一份自己的账本副本,放在物联网里面,就是每个人都有一个边缘计算节点。要改一个账本容易,但是改多个账本是比较难的,从而把信任移到了网络上去中心化,用群体的共识机制来建立信任。

物联网天然的有这样一个技术,因为基本上每个房子都有一个路由器,都有一个边缘计算节点,每个小区都有一个边缘服务器,都可以成为数据交易的账本。比如说有一个人调用了你家里的灯,他调用了多少次,用了多少度电,都会被记录下来,他是无法抵赖的。

阿里云基于蚂蚁区块链,开发了 IoT 的技术栈,包括数据层、网络层、共识层、合约层、访控层和应用层。我们用边缘 IoT 联盟链分布式账本网络来采集数据,放到 IoT 联盟链管理微服务集群里,从而支撑各种各样的区块链物联网的应用。比如说物流服务、仓储服务、金融、保险等等这些数据的消费方,来做数据的交换。

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工业互联网还有一个蛮重要的事情就是数字孪生体,它的好处是能够让我们更好地进行人机交互。数字孪生体有很多的应用,例如可视化维护、设备状态可视化、远程互动交互、设备三维操作指南等。比方说采集了一个水泵的数据之后,可以把它的状态实时地叠加到你眼睛看见的这个水泵上面,其他人也能够远程地帮助你识别这里面有些什么问题,从而辅助前线的运维人员变得更加高效。

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结语

4G 时代是移动互联网时代,最主要的应用是在 mobile、social、local。那么物联网时代产生的最有价值的应用是什么?我认为是工业互联网。前面我们讲了,5G 解决了通讯大容量的问题,IPV6 解决了 IP 的问题,然后室外定位和室内定位解决了时空基准的问题,区块链解决了数据保护和信任问题。再加上数字孪生体,在数字世界建立了一个又一个 digital entity(数字人)。基于这几大技术,我认为未来的爆发,指向最大的一个方向就是工业制造技术。

本文转载自公众号阿里技术(ID:ali_tech)。

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