日前，天津大學智能與計算學部 王曉飛 教授應《人民論壇·學術前沿》邀請，發表《智慧邊緣計算：萬物互聯到萬物賦能的橋樑》萬字長文，邊緣計算社區經過和王曉飛教授溝通討論，爲了方便大家閱讀，將論文整理成幾篇。字字珠璣，願大家有收穫，對論文有不同觀點和意見看法的，可以通過文末郵箱聯繫王曉飛教授。
本文爲第一篇《5G及後5G時代：萬物互聯到萬物智能的黃金時代》。
萬物互聯的發展歷程
創造是專屬於人類的生產方式，科技則是人們在實踐過程中產生的觀念。
馬克思曾說過，這一觀念包含着人與自然、人與人、人與自身的全部關係。網絡信息技術的發展無疑改變着這些關係，即時通訊、掃碼支付、日推歌單、共享單車、智能定位……人們是客體也是主體，以數據的方式得到確認，又將享受着數據和算法帶來的便捷與智能。
從十九世紀八十年代誕生的僅支持語音信號傳輸的第一代通訊技術，到現在已成熟並廣泛應用的第四代通訊技術，以及正在建設的第五代通訊技術，無線通信技術已成爲構建智能世界的主要趨勢之一，成爲了維繫人與人、設備與設備、人與設備之間的紐帶，打破了“數據（Data）困境”的壁壘，形成各種各樣的信息（Information），萬物互聯正是科技發展驅動下的必然產物。
萬物互聯使得人們無需對每一個物品下指令就能夠獲得貼心的服務，對於工業和經濟的發展更是一大推動力。報告顯示，未來的無線通信系統將必須容納約1000億個連接設備，其中包括人類和機器通信設備。其主要目標是建立一個互聯的社會，在這個社會中，無人機、汽車、傳感器、醫療和可穿戴設備都將通過蜂窩網絡相互連接，與終端用戶交互，提供不同的創新型服務，如智能城市、智能家居、智能汽車、先進的安全和遠程手術。
但實現這個全面互聯的目標所必需的多設備連接、高速率、低延遲、少干擾也對網絡提出了更高的要求。需求催生進步，5G技術帶着顛覆世界的使命向我們走來，它具有超高速率（峯值速率大於每秒20Gbit，相當於4G的20倍）、低時延（網絡時延從4G的50ms縮減到1ms）、海量設備連接（滿足1000億量級的連接）、低功耗的特點。
萬物互聯的發展離不開物聯網的支撐，5G技術則爲其提供了良好的保障。2019年9月，在世界物聯網博覽會上，中國經濟信息社發佈《2018-2019中國物聯網發展年度報告》，指出了我國對物聯網發展的政策支持力度不斷加大，闡述了我國物聯網應用領域和產業規模。正是由於國家政策導向和支持，我國物聯網技術取得了很大的進步，萬物互聯的時代正式形成。
萬物智能時代到來：
人工智能技術發展催化物聯網應用落地
萬物互聯加速了信息的融合與聯動，以物聯網等技術作爲載體，加持人類行爲的驅動，不同維度下的信息邊界正在消失，形成了具有時空性（Spatial-temporal）的知識（Knowledge），而第四次工業革命作爲人類文明的一個新時代出現，不僅帶來了5G技術，還促進了以人工智能爲基礎的技術領域不斷地快速發展。如果說5G是物聯網發展的堅實基礎，人工智能則是物聯網廣泛應用的催化劑，成爲了推動人類進入萬物智能時代的決定性力量。人工智能在醫療、交通、教育、商業和信息安全等領域的發展已經影響到人們日常生活的許多方面。信息的高度互聯，也受到了人工智能技術的加持。
人工智能技術、雲計算和5G等各項技術的融入，賦予了機器“思考”的能力，打破了各類應用場景的邊界，將萬物互聯推向了萬物智能時代。
智能物聯網落地應用越來越多，進入我們生活的方方面面。例如，2017年阿里巴巴推出了阿里雲Link互聯網平臺，宣佈正式進軍物聯網領域，預計未來5年實現100億臺設備的接入，這些產品涉及智慧城市、智慧物流、智能醫療等領域。其中包括：在外賣服務方面，阿里雲對餓了麼的配送流程進行優化，餐廳的廚師做好飯之後，點擊一個集成IoTSDK的按鈕，後臺管理系統可以選擇距離餐廳最近的配送員進行取餐，大大減少配送人員等餐時間，提高送餐效率；在城市管理方面，阿里雲Link爲無錫鴻山的每一個路燈、煤氣管道、河流配備了傳感器，使其可以互聯互通，小鎮的管理者可以輕鬆實現城市治理智能化。
此外，很多公司在物聯網應用方面也有很好的成就。例如，英特爾和福建升騰資訊合作完成的自助終端和金融服務機器人，提高了無人銀行的客戶體驗；在事故預防方面，英特爾推出了互聯消防員，他將Quark處理器連接到消防員的呼吸面罩中，根據消防員的氧氣剩餘含量和所處環境作出最優的決策；在人際交往方面，IBM公司推出了一個物聯網應用——智能泰迪熊，它可以長時間追蹤孩子的情緒並向父母發送相應的文本消息，父母可以根據追蹤得到的結果實時瞭解孩子的心情，並及時進行回覆。
物聯網使得原本冷冰冰的物體成爲人類意識的另一種顯現方式，甚至能進行思維、判斷，傾聽和感知，如果說智慧是人類永遠的嚮往，智能則是物聯網的追求目標。
設備的爆炸式增長也爲數字孿生的發展奠定了基礎。所謂數字孿生，就是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命週期過程。簡而言之就是再創造一個系統或設備的數字版的“克隆體”。
數字孿生主要運用於工業的產品設計、生產、維護及維修等環節中，如美國GE公司爲每個引擎、核磁共振等創造了數字孿生體，利用仿真技術，在數字空間完成對機器的調試。除了在工業領域內的應用，數字欒生技術還可以應用於醫療行業和“智慧城市”的建設。如通過5G等傳輸技術，成功完成了全國首例遠程人體手術——帕金森病“腦起搏器”植入手術和將雄安新區定位於綠色、智能的數字孿生城市，實現了物理空間與虛擬數字空間的融合共生等。
萬物智能中的變化和挑戰
隨着移動設備的普及，網絡環境中的每個用戶都已經從互聯網內容的消費者成爲了內容的創造者，實現人人智聯。隨着互聯網技術和電子設備的發展，移動設備的多樣性增加，不僅僅是移動電話､個人電腦，其他現有的智能對象，如智能電錶､傳感器、識別閱讀器和家用電器等也是物聯網中的重要組成部分。能夠介入到互聯網中的設備將越來越多，數量呈指數級增長，呈現出了一個多方合一的新局面，形成網絡､設備､人工智能等各專業領域的知識融合，但在帶來巨大變化的同時，也面臨着更多的挑戰。
首先，物與物的直接連接需要更多樣穩定的接入方式。萬物互聯涉及到以太網、電力線通訊等多種通信方式，大部分被連接的設備還是會利用無線通信來傳輸傳感器和執行器的信息。無線網絡的接入方式是多種多樣的，比如，WiFi､藍牙､LoRa（一種長距離無線通信技術）等。多網絡的異構性與不同的接入網絡和連接能力有關，隨着網絡技術和人類社會的發展，大部分區域將會出現多種無線通信方式共存的情況，所以尋找更優的網絡接入策略、解決物聯網無線網絡的接入問題將成爲挑戰之一。
其次，多領域多元素的網絡框架，就像一個要同時處理多種事物的綜合辦公室。在這個框架中，用戶､信息､過程和事務將被同時考慮，並允許其通過互聯網技術進行擴展，實現智能管理、監控､定位､識別等功能，以一個更有效的方式滿足人們的日常需求。在這個過程中，物聯網既是環境也是橋樑，應推進所有內容的集成，並填補由內容演變帶來的需求空白，讓人與人、人與物之間的信息溝通更加通暢便捷，做到隨時感知、隨時共享、隨時控制，以達到更深程度的人人互聯、服務互聯和最終市場所期望的萬物互聯。
再次，如何優化頻譜資源的利用率是未來需要解決的問題之一。不同的傳感器擁有不同的感知､處理和通信能力，在異構的無線環境需要可靠的通信鏈路來實現更高效的通信。與4G相比，5G應達到1000倍的系統吞吐量，10倍的頻譜效率，以及更高的數據速率和更大的數據傳輸量，對頻譜資源的利用也因此有了更高的要求，同時，在真實的物聯網場景中，存在着多種類型的傳感器，來自於不同的製造商，並且涵蓋多種協議，因而，許多問題解決方案的設計需要獨立於設備類型和配置，以應對複雜多變的感知與傳輸環境。
最後，設備及基建設施面臨巨大的能耗也是亟待解決的挑戰。截至2019年底，我國已有超過13萬個5G基站，而5G基站的耗電量是現有4G基站的數十倍甚至百倍，其中80%用於物聯網，同時，考慮設備電池的壽命，它取決於設備如何有效地利用各種空閒和休眠模式，在設計中需要合理地對這些模式進行安排。然而，物聯網並不僅僅是建立多方的聯繫，而是進一步實現從連接到智能，除了設備的連接，設備的計算能力纔是讓這張網能夠活起來的關鍵。
無論是自然界還是在人類的生產生活中，需求和進化都是相輔相成的，隨着技術的進步，需求也在不斷升級。每一次技術的革新都影響着人類生活。高速無線通信互聯網連接和更高的數據率在社會中有着很高的需求，是智能經濟發展和社會與世界的數字化的一個重要因素，4G在很多時候可以滿足當前大部分用戶的上網需求，但在物理層和網絡層的設計及其應用領域依然存在着無法滿足當前許多需求的問題。
5G時代的到來，在提供新機遇的同時，也有着更高的技術要求，海量設備的接入，對數據流量和服務的需求大大增加，與此同時，也需要更大的穩定性和更加廣泛的覆蓋性，這些需求無疑呼喚着更加成熟靈活的架構與算法。
邊緣計算應運而生
隨着移動通信技術的快速發展，邊緣計算理論和技術越來越引起關注，在這個數據爆炸的時代，邊緣計算就也是一種應對數據壓力的有效方法。
設備的智能化和數據量的增加，對帶寬､功率､延遲､隱私等方面的需求逐漸加深，將所有數據傳送到雲中是不現實的，因此，利用網絡“邊緣”對雲端分流，能夠有效減小云端的流量與計算壓力。人工智能促使邊緣不僅僅是連接而是變得智能的同時，邊緣端多種多樣的應用場景，如車聯網、智慧家居等，不斷產生着大量的數據，邊緣計算中的豐富數據可以支持人工智能。邊緣計算與人工智能是互補的，也是相輔相成的，與傳統的算法相比，具有更加靈活的、可擴展的分佈式計算的特性。
邊緣生態系統通過爲人工智能帶來海量的信息，將爲人工智能提供許多新的應用場景，邊緣計算與智能相結合，推動着物聯網的持續蓬勃發展，也預示着萬物賦能的基本趨勢。每個人都被裹挾在時代進步的潮流中，無論你是享受着技術帶來的便利，還是早早將目光聚焦於未來，都已經與之融爲一體。未來的變化和挑戰，是從萬物互聯到萬物賦能必須要面對和經歷的，但迎接它的更多是一片又一片“藍海”。
關於作者：
王曉飛，天津大學智能與計算學部教授、博導，國家青年千人，北洋青年學者。研究方向爲智能網絡、5G移動網絡、移動邊緣計算。主要著作有《Edge AI》等。
ps:邊緣計算社區通過打探得知王曉飛老師團隊目前在招募博士生和博士後研究員！加分項：985/211 /雙一流的本碩加一定的科研經歷。沒有也沒事，經驗與實力終究可以證明一切。編程和系統強或數學強是很重要的，但更重要的是態度正，有個性，有想法。有意者請聯繫[email protected]！
本文首發於《人民論壇·學術前沿》，責編／肖晗題
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