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网络的本质：从M2M到物联网
2018-03-22 来源：中国信息产业网-人民邮电报 作者：王一鸣
我们正在迈向一个前所未有的万物互联时代。今天，无论是以5G为代表的新一代移动通信技术的快速落地，主流物联网平台的日渐成熟，还是传感器、芯片、人工智能等技术的不断进步，以及包括车联网、智慧农业、智慧家居等在内的多种行业应用，都在推动整个物联网产业的兴起。虽然从连接、系统、终端、应用等方面看，物联网的成熟还需要很长一段时间，但是物联网的“种子”已经在各行各业种下。未来，物联网的星星之火必将燎原。
任何一种信息系统的价值，都在于“信息价值环路”。在技术层面，“信息环”的构建一直处在变动和发展的状态中。当我们对实现“信息环”的技术进行抽象化的理解，便能从“信息环”的发展趋势中看到网络的未来……
自动化设备的信息环路
即使在没有网络的情况下，自动化设备也能够实现自身与物理世界“感知采集-计算控制-执行操作”的信息环路。设备能够自主地调整其周边的物理环境（也称为“物理交互”），能够影响事物发展的过程，“激励”现实世界根据其目标产生变化。自主的决策控制能力，使得设备可以脱离人的操控和干预而自动化运行，这让各行业的生产效率大为提高。
对于自动化设备，信息处理的本质就是形成一个“现实世界-虚拟世界”的控制信息环路。
工程师通过将各种机械部件、电子元器件系统化地组装起来，制造出自动化设备。设备中主要的信息处理模块包括：传感器、控制器、计算器（存储器）、执行器。如果生产应用的环境比较稳定，设备操作对象的状态简单，决策的逻辑也不复杂，那么计算器和控制器可以共存于同一块芯片或计算模块内；但如果环境的变化较多，设备的工作情况复杂，那么就需要单独的计算器（存储器）来实现复杂的逻辑计算。
M2M的信息环路
自动化设备可以在相对稳定的环境中独立运作，但它通常都不能离开专属的生产环境，设备对动态环境的适应性较低，并且无法与外界互动，以实现更为复杂的逻辑功能。此外，如果设备出现故障、生产流程出现问题，还是需要监管人员留在现场进行监控和维护，这样并不利于企业的成本控制和效率提升。
如果能将设备运行的状态信息以及环境和其他生产资料的现状，通过网络传送到一个集中化的平台进行监管，并且能通过这个中心平台反向控制设备的运行，那不仅能够提高生产设备的适应性，还能降低人员成本，提高资产管理的效率。
所以，“M2M（Machine-to-Machine）”的概念就诞生了。从字面来看，“M2M”是指“机器和机器之间建立连接”，不过从常见的应用形式来看，“M2M”主要是基于“2端”连接的应用：“终端”设备和“云端”应用。通用“端到端”的M2M系统解决方案，即是指：企业资产由M2M设备或模块，通过无线/有线的通信方式连接到集中化的管理应用平台。
一方面，企业资产（机器、工具、耗材等）的各类状态信息，经过M2M设备采集后传递到管理应用平台；另一方面，管理应用平台也可以下发操作指令给M2M设备，控制相应的机械设备。
纯粹的机械设备或生产原材料，可以通过M2M设备上的传感设备实时地侦测其物理、化学等状态；而一部分具有计算能力的生产设备，则可以通过增加通信模块实现与集中管理平台的连接；此外，对于影响生产的各类环境信息，也可以通过M2M设备上的环境检测传感器进行探测并上报。
M2M的应用使得企业员工省去了很多奔波之苦，降低了企业资产管理的成本，提升了系统的自适应能力，因而形成了许多新的商业模式和市场领域。
在M2M应用中，数据的传递形成了一个大而长的信息环，这个环使得系统的应用者可以获取设备信息并控制设备的运作。
M2M服务开放——信息环解耦
从一个更高的层面来看，M2M应用仍有不足，其中最大的问题在于应用的复用性不强。在M2M的应用系统中，自上而下的各个功能单元之间处于“紧耦合”的状态。
整个系统通常属于专项开发的应用，涉及的数据和终端设备一般不具有共享的条件，设备和设备、系统和系统之间也不能相互服务。这种由单一应用“独享”设备能力、信息数据的模式，常称为“烟囱式”或“藩篱式”应用。
“服务端”和“用户端”的一体化设计
早期，M2M应用的使用者通常比较集中，或是企业内部员工，或是产业链上下游的合作伙伴。由于系统的用户数量不会太多，并且仅限于专业团队使用，操控的输入输出设备也部署得相对集中。所以，M2M应用中的两个关键部分：服务端（云端）和操控端（用户端），通常会集成在一起，或是通过内部网络和服务器连接。它们在软件部分形成紧耦合的状态，无法分清系统中的连接层次。
同时，M2M应用系统不会向公众用户开放，也无须在互联网上部署公开的应用入口。如果专业人员有远程进入系统、进行操作的需求，则可以在远程操作终端（电脑）上安装专用的企业VPN连接软件，通过互联网建立专用数据隧道来保证安全使用。
服务端——功能锚点
“物”的特性和功能的数字化定义：在集中化的平台上，设备、环境、物料在生产使用过程中的物理特性、运行状态、操作过程，根据应用的需要被完全地数字化定义。设备的功能在虚拟的数字化空间中，映射成一个完整的字符序列和软件程序。
信息应用的数字化定义：在集中化平台上，“云端”所具备的信息处理能力（大数据分析、视频化呈现、数据搜索、数据库存储等）也被数字化定义。
这样“终端”和“云端”的能力都集中在统一的平台上，实现数字化呈现，形成了一个完整的功能集。
在M2M的应用系统中，必然有一部分核心的计算节点，集中化实现了两种能力的数字映射，即具备了完整的应用功能集。其中的两种能力，一个是“改变现实的能力（终端）”，另一个是“信息处理能力（云端）”。这些核心节点称为应用的“功能锚点”，能够提供完整的“应用服务”。
用户端——M2M系统功能的使用者
在M2M应用中，使用者通过系统所具备的“信息化交互”方式，即通过输入输出终端，就可以和M2M应用系统进行指令交互，在核心计算节点（功能锚点）中，调用终端设备的功能实现对现实世界的改造。在应用过程中，使用者通过操控端（输入输出设备）向应用系统发出的操作指令，称为应用的“激励源”。
