第1章緒論1.1物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)知識(shí)1.2物聯(lián)網(wǎng)的建模探究1.3物聯(lián)網(wǎng)的控制理論基礎(chǔ)

1.1物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)知識(shí)

1.1.1物聯(lián)網(wǎng)的定義

國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)的概念最早由麻省理工學(xué)院的Ashton教授于1999年提出，其整體結(jié)構(gòu)的定義如圖1-1所示。該定義的理念是基于射頻識(shí)別(RFID)、電子代碼(EPC)等技術(shù)，以互聯(lián)網(wǎng)為平臺(tái)，構(gòu)造一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)全球物品信息實(shí)時(shí)共享的實(shí)物網(wǎng)絡(luò)，即物聯(lián)網(wǎng)。圖1-1麻省理工學(xué)院的Ashton教授給出的物聯(lián)網(wǎng)定義此設(shè)想包含以下兩層含義：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)是互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；第二，在物聯(lián)網(wǎng)中，用戶(hù)端可以延伸和擴(kuò)展到任何物體，并可以在物體間進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信的功能。

2010年在十一屆全國(guó)人大三次會(huì)議上，溫總理所作出的政府工作報(bào)告中對(duì)物聯(lián)網(wǎng)有如下定義：物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)，它是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)。

除了上面的定義之外，還有一些在具體環(huán)境下為物聯(lián)網(wǎng)做出的定義。歐盟的定義：將現(xiàn)有的互聯(lián)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到互聯(lián)的物品網(wǎng)絡(luò)，便形成了物聯(lián)網(wǎng)。國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）的定義：物聯(lián)網(wǎng)主要解決物品到物品（ThingtoThing，T2T）、人到物品（HumantoThing，H2T）、人到人（HumantoHuman,H2H）之間的互聯(lián)。這里與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)不同的是，H2T是指人利用通用裝置與物品進(jìn)行的互聯(lián)，H2H是指人與人之間不依賴(lài)于個(gè)人電腦所建立的互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)解決的是傳統(tǒng)意義上的互聯(lián)網(wǎng)沒(méi)有考慮的、對(duì)于任何物品連接的問(wèn)題。因此，我們可以認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)是連接物品的網(wǎng)絡(luò)，有些學(xué)者在討論物聯(lián)網(wǎng)時(shí)，常常提到M2M的

概念，我們可以將其解釋為人到人（MantoMan）、人到機(jī)器（MantoMachine）、機(jī)器到機(jī)器（MachinetoMachine）。從本質(zhì)上講，在人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器的交互中，其主要目的是為了實(shí)現(xiàn)人與人之間的信息交互。

ITU物聯(lián)網(wǎng)研究組認(rèn)為：物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)是普適網(wǎng)絡(luò)、下一代網(wǎng)絡(luò)和普適計(jì)算。這三項(xiàng)核心技術(shù)的簡(jiǎn)單定義如下：普適網(wǎng)絡(luò)，即無(wú)處不在的、普遍存在的網(wǎng)絡(luò)；下一代網(wǎng)絡(luò)，指可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，互聯(lián)任何物品，提供多種形式信息訪問(wèn)和信息管理的網(wǎng)絡(luò)；普適計(jì)算，指無(wú)處不在的、普遍存在的計(jì)算。其中，下一代網(wǎng)絡(luò)中所提到的“互聯(lián)任何物品”便是ITU物聯(lián)網(wǎng)研究組對(duì)下一代網(wǎng)絡(luò)定義的擴(kuò)展，是對(duì)下一代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)的高度概括。已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)的多種裝置的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，例如手機(jī)互聯(lián)、移動(dòng)裝置互聯(lián)、汽車(chē)互聯(lián)、傳感器互聯(lián)等，都揭示了下一代網(wǎng)絡(luò)在“互聯(lián)任何物品”方面的發(fā)展趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)物聯(lián)網(wǎng)還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)定義，但從物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)分析，物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展到一定階段后才出現(xiàn)的一種聚合性應(yīng)用與技術(shù)提升，它將各種感知技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能與自動(dòng)化技術(shù)聚合，形成一種大型集成化的應(yīng)用，使人與物智慧對(duì)話，以此來(lái)創(chuàng)造一個(gè)智慧的世界。正因如此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展幾乎涉及信息技術(shù)的方方面面，作為一種聚合性、系統(tǒng)性的創(chuàng)新應(yīng)用與發(fā)展，它被譽(yù)為信息產(chǎn)業(yè)的第三次革命性創(chuàng)新，其本質(zhì)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)特征，即對(duì)需要聯(lián)網(wǎng)的“物”一定要能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)、互通；二是識(shí)別與通信特征，即納入物聯(lián)網(wǎng)的“物”一定要具備自動(dòng)識(shí)別、物物通信的功能；三是智能化特征，即網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)具有自動(dòng)化、自我反饋與智能控制的特點(diǎn)。總體上物聯(lián)網(wǎng)可以概括為：通過(guò)傳感器、射頻識(shí)別（RFID）、全球定位、激光掃描等技術(shù)，實(shí)時(shí)地采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)程的聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種信息，通過(guò)各種可能的網(wǎng)絡(luò)接入，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物品和過(guò)程的智能化感知、識(shí)別與管理。特別要注意的是，物聯(lián)網(wǎng)中的“物”，不是普通意義的萬(wàn)事萬(wàn)物，這里的“物”要滿(mǎn)足以下條件：（1）要有相應(yīng)信息的接收器；

（2）要有數(shù)據(jù)傳輸通路；

（3）要有一定的存儲(chǔ)功能；

（4）要有處理運(yùn)算單元(CPU)；

（5）要有操作系統(tǒng)；

（6）要有專(zhuān)門(mén)的應(yīng)用程序；

（7）要有數(shù)據(jù)發(fā)送器；

（8）要遵循物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議；

（9）要在世界網(wǎng)絡(luò)中有可被識(shí)別的唯一編號(hào)。通過(guò)以上分析可知，物聯(lián)網(wǎng)的核心是物與物以及人與物之間的信息交互，其基本特征可簡(jiǎn)要地概括為全面感知、可靠傳送和智能處理，如表1-1所示。1.1.2物聯(lián)網(wǎng)的體系框架

在物聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，相關(guān)統(tǒng)一協(xié)議的制定正在迅速推進(jìn)，無(wú)論是美國(guó)、歐盟、日本、中國(guó)等物聯(lián)網(wǎng)積極推進(jìn)國(guó)，還是國(guó)際電信聯(lián)盟等國(guó)際組織都提出了自己的協(xié)議方案，并力求使其上升為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但是到目前為止還沒(méi)有世界公認(rèn)的物聯(lián)網(wǎng)通用規(guī)范協(xié)議。從整體上看，物聯(lián)網(wǎng)體系可以分為軟件和硬件兩大部分。軟件部分即為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用服務(wù)層，包括應(yīng)用、支撐兩個(gè)子部分；硬件部分分為網(wǎng)絡(luò)傳輸層和感知控制層，分別對(duì)應(yīng)傳輸和感知兩個(gè)子部分。軟件部分大都基于互聯(lián)網(wǎng)的TCP/IP通信協(xié)議，而硬件部分則有GPRS、傳感器等通信協(xié)議。

在日后的學(xué)習(xí)中，我們需要通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的主要技術(shù)，分析其知識(shí)點(diǎn)、知識(shí)單元、知識(shí)體系，從而掌握實(shí)用的軟件、硬件技術(shù)和平臺(tái)，理解物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)科基礎(chǔ)，進(jìn)而真正地領(lǐng)悟物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)。物聯(lián)網(wǎng)的體系框架見(jiàn)表1-2。物聯(lián)網(wǎng)作為一種形式多樣的聚合性復(fù)雜系統(tǒng)，涉及信息技術(shù)自上而下的每個(gè)層面，其體系結(jié)構(gòu)可分為感知控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用服務(wù)層，如圖1-2所示?；ヂ?lián)網(wǎng)的公共技術(shù)包括標(biāo)識(shí)解析、安全技術(shù)、服務(wù)質(zhì)量（QoS）管理和網(wǎng)絡(luò)管理，這些技術(shù)雖然不屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的某個(gè)特定層面，卻與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)的每個(gè)層面都有緊密的聯(lián)系。圖1-2物聯(lián)網(wǎng)的體系框架感知控制層由數(shù)據(jù)采集子層、短距離通信技術(shù)和協(xié)同信息處理子層組成。數(shù)據(jù)采集子層通過(guò)各種類(lèi)型的傳感器獲取物理世界中發(fā)生的物理事件和數(shù)據(jù)信息，例如各種物理量、標(biāo)識(shí)、音頻和視頻多媒體數(shù)據(jù)等。物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集涉及傳感器、RFID、多媒體信息采集、二維條碼和實(shí)時(shí)定位等技術(shù)。短距離通信技術(shù)和協(xié)同信息處理子層將采集到的數(shù)據(jù)在局部

范圍內(nèi)進(jìn)行協(xié)同處理，以提高信息的精度，降低信息的冗余度，并通過(guò)自組織組網(wǎng)技術(shù)將短距離傳感網(wǎng)接入廣域承載網(wǎng)絡(luò)中。傳感器網(wǎng)絡(luò)的中間件技術(shù)旨在解決感知控制層的數(shù)據(jù)與多種應(yīng)用平臺(tái)間的兼容性問(wèn)題，包括代碼管理、服務(wù)管理、狀態(tài)管理、設(shè)備管理、時(shí)間同步、定位等，在有些應(yīng)用中還需要通過(guò)執(zhí)行器或其他智能終端對(duì)感知結(jié)果作出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)智能控制。網(wǎng)絡(luò)傳輸層將來(lái)自感知控制層的各類(lèi)信息通過(guò)基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綉?yīng)用服務(wù)層，包括移動(dòng)通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)、廣電網(wǎng)、行業(yè)專(zhuān)網(wǎng)及形成的融合網(wǎng)絡(luò)等。根據(jù)應(yīng)用需求，網(wǎng)絡(luò)傳輸層可作為透明傳送的網(wǎng)絡(luò)層，并具備升級(jí)能力以滿(mǎn)足未來(lái)不同內(nèi)容傳輸?shù)囊蟆＝?jīng)過(guò)十余年的快速發(fā)展，移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已比較成熟，在早期階段基本能夠滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需要。應(yīng)用服務(wù)層主要將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與行業(yè)專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)廣泛的物物互聯(lián)的應(yīng)用解決方案，主要包括業(yè)務(wù)中間件和行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。其中，物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)支撐子層用于支撐跨行業(yè)、跨應(yīng)用、跨系統(tǒng)之間的信息協(xié)同、共享、互通；物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)子層包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能電力、智能交通、工業(yè)監(jiān)控、智能家居等多種行業(yè)應(yīng)用。從物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)、學(xué)習(xí)的角度分析，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高度集成性需要學(xué)習(xí)者的基礎(chǔ)知識(shí)積累較多，表1-3詳細(xì)地說(shuō)明了物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)習(xí)所需要的知識(shí)準(zhǔn)備和積累，按照物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)規(guī)劃，給出了學(xué)生應(yīng)達(dá)到的培養(yǎng)目標(biāo)。1.1.3物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)

從物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程和定義可以發(fā)現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)所具有的顯著特點(diǎn)是技術(shù)高度集成、學(xué)科復(fù)雜交叉、綜合應(yīng)用廣泛。物聯(lián)網(wǎng)的涵蓋范圍廣闊，涉及學(xué)科領(lǐng)域眾多，運(yùn)用到的原理技術(shù)復(fù)雜，至今還未能達(dá)成世界公認(rèn)的統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但通過(guò)分析其技術(shù)基礎(chǔ)，以及展望未來(lái)的應(yīng)用需求，發(fā)現(xiàn)了如表1-4所示的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵支撐技術(shù)，這些技術(shù)構(gòu)成了目前物聯(lián)網(wǎng)研究的重要平臺(tái)，并為后續(xù)發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。簡(jiǎn)要地概括，物聯(lián)網(wǎng)可以被看做傳感網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)以及智能服務(wù)的綜合體，其中智能服務(wù)將成為未來(lái)發(fā)展與應(yīng)用的核心，更直接地說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)就是把世界上所有的物體連接起來(lái)形成的網(wǎng)絡(luò)。目前物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展正處于將理想轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的階段，在這樣一個(gè)實(shí)際發(fā)展的過(guò)程中，物聯(lián)網(wǎng)將不可避免地遇到很多技術(shù)以及產(chǎn)業(yè)問(wèn)題。表1-5為目前物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中亟待解決的問(wèn)題。1.1.4物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域

在日常生活中，物聯(lián)網(wǎng)更多地被解讀為一個(gè)商業(yè)術(shù)語(yǔ)，而不是嚴(yán)格意義上的科學(xué)概念，無(wú)論是對(duì)商業(yè)服務(wù)者，還是對(duì)科學(xué)研究者來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)都可以稱(chēng)得上是科技以人為本與服務(wù)引領(lǐng)生活的完美融合體。各個(gè)行業(yè)的小規(guī)模具體應(yīng)用逐漸構(gòu)建成如今高度集成、兼容并包的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，總的來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用架構(gòu)由三個(gè)干流組成，如圖1-3所示。圖1-3物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用架構(gòu)

2010中國(guó)國(guó)際物聯(lián)網(wǎng)博覽會(huì)上發(fā)布的《2009－2010中國(guó)

物聯(lián)網(wǎng)年度發(fā)展報(bào)告》稱(chēng)，2009年中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到1716億元，預(yù)計(jì)2010年將超過(guò)2000億元，至2015年，中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)整體市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到7500億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)30%，市場(chǎng)前景將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信等領(lǐng)域。與此同時(shí)，工業(yè)和信息化部已將物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃納入到“十二五”的專(zhuān)題規(guī)劃中，將其列為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的五大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，并明確地提出要大力發(fā)展寬帶融合的下一代國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施，推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)“十二五”規(guī)劃已經(jīng)鎖定十大應(yīng)用領(lǐng)域，下面簡(jiǎn)要地介紹各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用概況。

1.智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過(guò)先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標(biāo)，其主要特征包括可自愈性、較強(qiáng)的抵御攻擊的能力、可提供滿(mǎn)足21世紀(jì)用戶(hù)需求的電能質(zhì)量、容許各種不同發(fā)電形式的接入、可啟動(dòng)電力市場(chǎng)以及資產(chǎn)的優(yōu)化高效運(yùn)行。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以應(yīng)用于整個(gè)電力系統(tǒng)，從電廠、大壩、變電站、高壓輸電線路直至用戶(hù)終端，全面打造智能化電力運(yùn)行平臺(tái)，其中包括對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)故障處理，監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的整體健康水平，觸發(fā)可能導(dǎo)致電網(wǎng)故障的預(yù)警機(jī)制并判斷是否需要即刻檢查或采取相應(yīng)的措施，分析電網(wǎng)的系統(tǒng)故障以及電壓降低、電能質(zhì)量差、過(guò)載等不良系統(tǒng)狀態(tài)并生成自適應(yīng)的控制方案等。目前，智能電網(wǎng)的主要應(yīng)用有智能變電站、智能配電網(wǎng)、智能電能表、智能交互終端、智能調(diào)度、智能家電、智能用電樓宇、智能城市用電網(wǎng)、智能發(fā)電系統(tǒng)和新型儲(chǔ)能系統(tǒng)等。

2.智能交通

“車(chē)—路”信息系統(tǒng)一直是智能交通發(fā)展的重點(diǎn)方向，繼互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)之后，“車(chē)聯(lián)網(wǎng)”已成為未來(lái)智能城市的新標(biāo)志。車(chē)聯(lián)網(wǎng)是指在車(chē)輛上裝載電子標(biāo)簽，并通過(guò)無(wú)線射頻等識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)在信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上對(duì)所有車(chē)輛的屬性信息和靜、動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)提取和有效利用，根據(jù)不同的功能需求對(duì)所有車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效地監(jiān)管并提供智能化的綜合服務(wù)。將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于交通領(lǐng)域，司機(jī)便可以通過(guò)車(chē)載信息智能終端享受集實(shí)時(shí)定位、動(dòng)態(tài)導(dǎo)航、車(chē)輛保障、安全駕駛、休閑娛樂(lè)、資訊播報(bào)為一體的全方位綜合服務(wù)。此外，交通信息采集、車(chē)輛環(huán)境監(jiān)控、汽車(chē)駕駛導(dǎo)航、不停車(chē)收費(fèi)等

智能交通服務(wù)，也無(wú)疑可以有效地提高道路利用率、改善不良駕駛習(xí)慣、減少車(chē)輛擁堵、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，同時(shí)這種智能化的交通服務(wù)方式也有利于提高出行效率，促進(jìn)和諧交通的發(fā)展。

3.智能物流

智能物流是指在物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)的信息采集、信息處理、信息流通和信息管理技術(shù)，在需要寄遞的信件和包裹上嵌入電子標(biāo)簽、條形碼等能夠存儲(chǔ)物品信息的標(biāo)識(shí)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的方式將相關(guān)信息及時(shí)地發(fā)送到后臺(tái)信息處理系統(tǒng)中，各子信息系統(tǒng)可互聯(lián)形成一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)，從而達(dá)到對(duì)物品快速收寄、分發(fā)、運(yùn)輸、投遞以及實(shí)施跟蹤、監(jiān)控等智能化管理的目的，并最終依照承諾時(shí)限遞送到收件人或指定地點(diǎn)獲得簽收的新型寄遞服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用極大地促進(jìn)了物流業(yè)的智能化進(jìn)程，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)手段將物流智能化已成為物流領(lǐng)域的全新發(fā)展方向。國(guó)家近期出臺(tái)的《十大振興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃細(xì)則》中明確將物流快遞業(yè)作為未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的行業(yè)之一?？陀^來(lái)說(shuō)，物流業(yè)也以其規(guī)模快速增長(zhǎng)、基礎(chǔ)設(shè)施急需完善等顯著行業(yè)特征被視為最適宜同物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的產(chǎn)業(yè)之一，并且國(guó)外的許多物流企業(yè)正在逐步開(kāi)始嘗試智能化物流模式，已取得一定的成績(jī)。

4.智能家居

智能家居利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信，將家庭中的各種設(shè)備（如照明、環(huán)境控制、安防系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)家電等）通過(guò)家庭網(wǎng)絡(luò)連接到一起。智能家居在讓用戶(hù)方便地管理家庭設(shè)備的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了家居環(huán)境內(nèi)的設(shè)備互聯(lián)、互通，在無(wú)需人為操作的情況下，自組織地為用戶(hù)服務(wù)。智能家居以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音頻和視頻技術(shù)構(gòu)建出高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)綜合管理系統(tǒng)，提升了家居的安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)了環(huán)保節(jié)能的生態(tài)理念。智能家居作為一個(gè)新生產(chǎn)業(yè)，目前處于導(dǎo)入期與成長(zhǎng)期的臨界點(diǎn)，市場(chǎng)消費(fèi)觀念還未形成，但隨著智能家居市場(chǎng)推廣、普及的進(jìn)一步落實(shí)，可以培育起消費(fèi)者的使用習(xí)慣，智能家居市場(chǎng)的消費(fèi)潛力必然是巨大的，產(chǎn)業(yè)前景一片光明。

5.金融與服務(wù)業(yè)

物聯(lián)網(wǎng)的誕生將商務(wù)延伸到所有物品上，真正地實(shí)現(xiàn)了突破空間和時(shí)間束縛的金融構(gòu)想，使商務(wù)活動(dòng)的參與主體可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)實(shí)時(shí)地獲取和采集商業(yè)信息，擺脫了單一的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境束縛，使得“移動(dòng)支付”、“移動(dòng)購(gòu)物”、“手機(jī)錢(qián)包”、“手機(jī)銀行”、“電子機(jī)票”等方便快捷的應(yīng)用形式層出不窮。此外，將國(guó)家、省、市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的金融機(jī)構(gòu)聯(lián)網(wǎng)，建立各金融部門(mén)信息共享的平臺(tái)，可以有效地遏制傳統(tǒng)金融市場(chǎng)因缺乏有效監(jiān)管而帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)蔓延，對(duì)維護(hù)個(gè)人及國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全和社會(huì)金融穩(wěn)定具有重要意義。

6.智能農(nóng)業(yè)

智能農(nóng)業(yè)是指在相對(duì)可控的環(huán)境條件下，采用工業(yè)化生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)集約高效可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。它集科研、生產(chǎn)、加工、銷(xiāo)售于一體，實(shí)現(xiàn)周年性、全天候、反季節(jié)的企業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)；集成現(xiàn)代生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)工程、農(nóng)用新材料等學(xué)科，以現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)設(shè)施為依托，科技含量高，產(chǎn)品附加值高，土地產(chǎn)出率高，勞動(dòng)生產(chǎn)率高。把物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可根據(jù)用戶(hù)的需求，實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境溫度、濕度信號(hào)以及光照、土壤溫度、二氧化碳

濃度、葉面濕度、露點(diǎn)溫度、蟲(chóng)害情況等環(huán)境參數(shù)，在牲畜體內(nèi)植入傳感芯片跟蹤放牧情況，并采用無(wú)線信號(hào)收發(fā)模塊傳輸數(shù)據(jù)，開(kāi)關(guān)或調(diào)節(jié)指定設(shè)備，降低人力成本，量化農(nóng)副業(yè)產(chǎn)品生長(zhǎng)環(huán)境，打造食品溯源體系，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品生長(zhǎng)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，為實(shí)施農(nóng)牧業(yè)綜合生態(tài)信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)以及農(nóng)牧業(yè)智能化管理提供科學(xué)依據(jù)。

7.智能醫(yī)療

智能醫(yī)療通過(guò)打造健康檔案區(qū)域醫(yī)療信息平臺(tái)，利用最先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)患者與醫(yī)務(wù)人員、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、醫(yī)療設(shè)備之間的互動(dòng)，逐步達(dá)到信息化。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療健康領(lǐng)域，可以解決醫(yī)療資源緊張、醫(yī)療費(fèi)用昂貴、老齡化壓力增大等各種社會(huì)問(wèn)題。借助實(shí)用的醫(yī)療傳感設(shè)備，可以實(shí)時(shí)感知、處理和分析重大的醫(yī)療事件。從而快速、有效地做出響應(yīng)；鄉(xiāng)村衛(wèi)生所、鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)院和社區(qū)醫(yī)院也可以無(wú)縫地連接到中心醫(yī)院，從而實(shí)時(shí)地進(jìn)行遠(yuǎn)程醫(yī)務(wù)人員培訓(xùn)、獲取專(zhuān)家建議、安排轉(zhuǎn)診調(diào)度方案；還可以通過(guò)聯(lián)網(wǎng)整合并共享各醫(yī)療機(jī)構(gòu)的醫(yī)療信息記錄，構(gòu)建一個(gè)綜合的專(zhuān)業(yè)醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)。在中國(guó)新醫(yī)改的大背景下，智能醫(yī)療正在走進(jìn)尋常百姓的生活，在不久的將來(lái)醫(yī)療行業(yè)將融入更多的人工智能、傳感技術(shù)等高科技，使醫(yī)療服務(wù)走向真正意義的智能化，推動(dòng)醫(yī)療事業(yè)的繁榮發(fā)展。

8.工業(yè)與自動(dòng)化控制

以感知和智能為代表的新興技術(shù)使得未來(lái)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展由以人類(lèi)信息為主導(dǎo)的互聯(lián)網(wǎng)，向以物與物互聯(lián)信息為主導(dǎo)的物聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型。面向工業(yè)與自動(dòng)化領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是以泛在網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、以泛在感知為核心、以泛在服務(wù)為目的、以泛在智能拓展和提升為目標(biāo)的綜合性一體化信息處理技術(shù)，它是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分。物聯(lián)網(wǎng)大大地加快了工業(yè)化進(jìn)程，顯著地提高了人類(lèi)的物質(zhì)生活水平，并且在推進(jìn)我國(guó)工業(yè)和制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、促進(jìn)工業(yè)企業(yè)節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品品質(zhì)、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益等方面發(fā)揮了巨大的推動(dòng)作用。因此，物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。近期，冶金工業(yè)、石化工業(yè)和汽車(chē)工業(yè)等均成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的熱點(diǎn)領(lǐng)域?？傊?，基于物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)自動(dòng)化是人機(jī)和諧、智能制造系統(tǒng)發(fā)展的嶄新歷史階段，一方面，物聯(lián)網(wǎng)將改變工業(yè)的生產(chǎn)和管理模式，提高生產(chǎn)和管理效率，增強(qiáng)我國(guó)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力；另一方面，工業(yè)是我國(guó)的“耗能污染大戶(hù)”，工業(yè)用能占全國(guó)能源消費(fèi)總量的70％以上，化學(xué)需氧量以及二氧化硫排放量分別占到全國(guó)總排放量的38％和

86％，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究與推廣將是使我國(guó)工業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗總目標(biāo)的重要機(jī)遇。

9.環(huán)境與安全監(jiān)測(cè)

安全問(wèn)題是人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的問(wèn)題之一，因此，我們可以利用物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)出高度智能化的安防產(chǎn)品與安防系統(tǒng)，進(jìn)行智能分析、判斷及監(jiān)控，最大限度地降低因傳感器問(wèn)題及外部干擾造成的誤報(bào)，實(shí)現(xiàn)高度智能化的人機(jī)對(duì)話、由面到點(diǎn)的實(shí)時(shí)安防及精確治理等功能，彌補(bǔ)傳統(tǒng)安防系統(tǒng)的缺陷，確保人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。此外，物聯(lián)網(wǎng)還可以用于煙花爆竹銷(xiāo)售點(diǎn)的監(jiān)測(cè)、危險(xiǎn)品運(yùn)輸車(chē)輛的監(jiān)管、火災(zāi)事故的監(jiān)控、氣候?yàn)?zāi)害的預(yù)警、智能城管、平安城市建設(shè)等領(lǐng)域；同時(shí)還可以用于對(duì)殘障人員、弱勢(shì)群體(老人、兒童等)、寵物進(jìn)行跟蹤定位，防止走失等；還可以用于井蓋、變壓器等公共財(cái)產(chǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和跟蹤定位，保障人們生活環(huán)境的安全，防止公共財(cái)產(chǎn)的損失。

10.國(guó)防軍事

物聯(lián)網(wǎng)被許多軍事專(zhuān)家譽(yù)為“一個(gè)未探明儲(chǔ)量的金礦”，它為正在孕育的軍事變革提供了新的契機(jī)。物聯(lián)網(wǎng)概念的問(wèn)世，對(duì)現(xiàn)有軍事系統(tǒng)的格局產(chǎn)生了巨大的沖擊，可能會(huì)使軍隊(duì)建設(shè)和作戰(zhàn)方式發(fā)生新的重大變化?？梢栽O(shè)想，在國(guó)防科研、軍工企業(yè)及武器平臺(tái)等各個(gè)環(huán)節(jié)中設(shè)置標(biāo)簽讀取裝置，并通過(guò)無(wú)線和有線網(wǎng)絡(luò)將其聯(lián)接起來(lái)，那么每個(gè)國(guó)防要素及作戰(zhàn)單元甚至整個(gè)國(guó)家軍事力量都將處于全信息和全數(shù)字化狀態(tài)。大到衛(wèi)星、導(dǎo)彈、飛機(jī)、艦船、坦克、火炮等軍事裝備，小到單兵作戰(zhàn)器械，從通信技偵系統(tǒng)到后勤保障系統(tǒng)，從軍事科學(xué)試驗(yàn)到軍事裝備工程，其應(yīng)用遍及戰(zhàn)爭(zhēng)準(zhǔn)備、戰(zhàn)爭(zhēng)實(shí)施的每一個(gè)環(huán)節(jié)。可以說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)大了未來(lái)作戰(zhàn)的時(shí)域、空域，對(duì)國(guó)防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，將引

發(fā)一場(chǎng)劃時(shí)代意義的軍事技術(shù)革命和作戰(zhàn)方式的變革。以上對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了介紹，但物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用絕不局限于此，用一句形象的話來(lái)說(shuō)，就是“物聯(lián)無(wú)所不達(dá)，應(yīng)用無(wú)所不能”?，F(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展已取得一定成就，在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中可能還會(huì)遇到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，但可以肯定的是，物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)和推廣必將極大地改變我們的生活，物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)已是大勢(shì)所趨，未來(lái)將出現(xiàn)越來(lái)越多的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品及相應(yīng)的服務(wù)模式。

1.2物聯(lián)網(wǎng)的建模探究

1.2.1物聯(lián)網(wǎng)的基本原理

物聯(lián)網(wǎng)是在能量的支持下實(shí)現(xiàn)物質(zhì)與信息聯(lián)合運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)形態(tài)，是研究信息流、物質(zhì)流和能量流彼此作用、相互轉(zhuǎn)換的方法與技術(shù)。這里我們首先需要了解一下物質(zhì)不滅定律的基本含義。物質(zhì)不滅定律（又稱(chēng)物質(zhì)守恒定律）是指：在任何與周?chē)艚^的物質(zhì)系統(tǒng)中，即在孤立系統(tǒng)中，不論發(fā)生何種變化和過(guò)程，物質(zhì)的總質(zhì)量保持不變。信息作為物質(zhì)及其屬性的集合，是物質(zhì)有效的描述載體。在2004年7月21日舉行的“第17屆國(guó)際廣義相對(duì)論和萬(wàn)有引力大會(huì)”上，英國(guó)傳奇科學(xué)家斯蒂芬·霍金教授宣布了信息不滅的理論，即系統(tǒng)中存儲(chǔ)信息的增加等于進(jìn)入系統(tǒng)的信息減去離開(kāi)系統(tǒng)的信息。生態(tài)系統(tǒng)中各種環(huán)境的信息、物的信息、人的信息經(jīng)感知關(guān)聯(lián)后形成網(wǎng)絡(luò)，信息在各產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)中傳遞、流通，被讀取和識(shí)別后形成反饋，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的有效運(yùn)行，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)信息全面連接，使物與物之間形成正向的信息聯(lián)動(dòng)。能量作為物質(zhì)與信息聯(lián)合運(yùn)動(dòng)的支持者，既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，能

量的總和保持不變。物聯(lián)網(wǎng)在建立物物聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中消耗能量，感知物流與信息流的同時(shí)也將感知能量流，如圖1-4所示，可以認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)空間溝通了物質(zhì)空間、信息空間和能量空間，并在這三個(gè)空間中相互轉(zhuǎn)化。物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)實(shí)物聯(lián)的過(guò)程中以低消耗的能量來(lái)取代生產(chǎn)中較高的能量散失部分，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)能源消耗的趨零化。物聯(lián)網(wǎng)在一定意義上講就是讓沒(méi)有生命的物所蘊(yùn)含的信息流動(dòng)起來(lái)，為生命與生機(jī)永恒地在這個(gè)星球上流動(dòng)提供了一種手段。圖1-4物聯(lián)網(wǎng)空間1.2.2物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的科學(xué)問(wèn)題

1.大規(guī)模異質(zhì)網(wǎng)元的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題

大規(guī)模異質(zhì)網(wǎng)元的接入和海量數(shù)據(jù)的交換是物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用所需要的新的技術(shù)突破：一方面，物聯(lián)網(wǎng)借助互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)等主流平臺(tái)實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)連接和網(wǎng)絡(luò)融合，進(jìn)而提供信息共享和協(xié)同服務(wù)；另一方面，在局部緊耦合區(qū)域內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)表現(xiàn)出很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)自治需求，局部區(qū)域的各種網(wǎng)元為了執(zhí)行特定的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)，動(dòng)態(tài)地自我組織，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、互通、互操作，綜合利用局部自治域內(nèi)的信息來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的效率。因此，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展面臨的首要難題是：如何解決物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模性、多元異構(gòu)性、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性與高效數(shù)據(jù)交換之間的矛盾。為此，將物聯(lián)網(wǎng)要解決的大規(guī)模異質(zhì)網(wǎng)元高效互聯(lián)凝練為第一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，其主要研究的是局部動(dòng)態(tài)自治和高效網(wǎng)絡(luò)融合中面臨的大規(guī)模異質(zhì)網(wǎng)元的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題。

2.不確定信息的有效整合與交互適配問(wèn)題

物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)各種智能化設(shè)備對(duì)物理世界進(jìn)行全面的感知，所感知的信息具有顯著的不確定性，這種不確定性需要確定的表達(dá)方式，并且信息需要通過(guò)重組、清洗、融合等網(wǎng)內(nèi)處理后才能整合為可用的信息服務(wù)。其中，網(wǎng)元之間的信息融合需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的需求，隨時(shí)隨地地進(jìn)行網(wǎng)元間的信息交互，實(shí)現(xiàn)信息的高效共享。因此，物聯(lián)網(wǎng)面臨的又一難題是：如何對(duì)感知信息進(jìn)行標(biāo)識(shí)、整合與利用，解決網(wǎng)元在信息交互過(guò)程中存在的信息表達(dá)、效能平衡和權(quán)限保護(hù)等適配問(wèn)題，從而為應(yīng)用服務(wù)提供有效的支撐。因此，將解決不確定感知信息的有效利用問(wèn)題凝練為第二個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，即不確定信息的有效整合與交互適配問(wèn)題。

3.動(dòng)態(tài)系統(tǒng)環(huán)境中服務(wù)自適應(yīng)問(wèn)題

在動(dòng)態(tài)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)環(huán)境中，需要有針對(duì)性地處理交互對(duì)象實(shí)體的不確定性、與環(huán)境交互的隨機(jī)性，以及滿(mǎn)足變化的運(yùn)行平臺(tái)約束等問(wèn)題，并研究新型的軟件開(kāi)發(fā)理論體系和支撐技術(shù)，使物聯(lián)網(wǎng)軟件系統(tǒng)具有更強(qiáng)的情境感知能力和動(dòng)態(tài)調(diào)配能力，以此提升物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的環(huán)境適配性；同時(shí)還需要建立能夠提供靈活時(shí)變服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)軟件結(jié)構(gòu)，使物聯(lián)網(wǎng)軟件具備自主性和演化性，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)需求域、信息空間域和物理空間域三者的協(xié)同，靈活地適應(yīng)不斷變化的環(huán)境，從而提供智慧的服務(wù)。1.2.3物聯(lián)網(wǎng)的建模

在客觀世界的各個(gè)領(lǐng)域，特別是生命、社會(huì)、思維領(lǐng)域，普遍存在著這樣一類(lèi)現(xiàn)象：諸多部分一旦按照某種方式形成系統(tǒng)，就會(huì)產(chǎn)生出系統(tǒng)整體具有而部分或部分總和不具有的屬性、特征、行為、功能等，一旦把整體還原為互不相干的各部分，這些屬性、特征、行為、功能就不復(fù)存在。系統(tǒng)科學(xué)把這種整體具有而部分不具有的東西，稱(chēng)為涌現(xiàn)性（EmergentProperty）。物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)顯然也具有涌現(xiàn)性，從層次結(jié)構(gòu)的角度看，涌現(xiàn)性是指那些高層次具有而還原到低層次就不復(fù)存在的屬性、特征和行為功能。當(dāng)然新質(zhì)的涌現(xiàn)不一定都伴隨著層次的提升，同一層次上一種新結(jié)構(gòu)取代原結(jié)構(gòu)的演化也會(huì)伴隨著不同質(zhì)的整體涌現(xiàn)性的形成，單層次的提升必定伴隨著原層次所沒(méi)有的新質(zhì)的涌現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)混雜的復(fù)雜非線性多變量系統(tǒng)，既包含虛擬的網(wǎng)絡(luò)，也包含真實(shí)的物理世界；既有連續(xù)變量，也有離散變量；既有非線性問(wèn)題，也有線性問(wèn)題；既蘊(yùn)含對(duì)稱(chēng)性，

也蘊(yùn)含非對(duì)稱(chēng)性。其兩者既對(duì)立又統(tǒng)一，彼此互相關(guān)聯(lián)、相互轉(zhuǎn)化，可見(jiàn)對(duì)立統(tǒng)一是物聯(lián)網(wǎng)建模的基本原則。這樣，我們就可以采用已經(jīng)存在的復(fù)雜系統(tǒng)之?dāng)?shù)學(xué)方法與統(tǒng)計(jì)方法對(duì)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行描述和分析。物聯(lián)網(wǎng)空間中存在信息流、物質(zhì)流和能量流三種流體，它們彼此間可以相互轉(zhuǎn)化、相互制約。如何表述它們?nèi)叩年P(guān)系從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的控制功能就集中體現(xiàn)為對(duì)物體的四個(gè)確定原則，即定性、定質(zhì)、定位、定量。對(duì)“四定”進(jìn)行描述和分析需要建立一個(gè)統(tǒng)一的純數(shù)學(xué)特征空間，并在此空間中對(duì)信息流、物質(zhì)流和能量流三種流體進(jìn)行統(tǒng)一的分析和優(yōu)化。在任何數(shù)學(xué)分析體系中，基本尺度都是必不可少的，物聯(lián)網(wǎng)的基本尺度需要考慮信息流的尺度、物質(zhì)流的尺度以及能量流的尺度。由此，我們將物聯(lián)網(wǎng)的建模問(wèn)題簡(jiǎn)化為如何統(tǒng)一這三種尺度的問(wèn)題。

物聯(lián)網(wǎng)作為復(fù)雜大系統(tǒng)的一個(gè)分支，我們可以通過(guò)理論分析的方法對(duì)其逐步進(jìn)行深入的研究。首先，可以將物聯(lián)網(wǎng)的非線性特征線性化，再利用牛頓數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析，比如，把虛擬網(wǎng)絡(luò)空間看做是虛部，把實(shí)際物理空間看做是實(shí)部，利用復(fù)變函數(shù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行描述解析。以上一系列建模的最終目標(biāo)是為了實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的以下控制目標(biāo)：一是M2M、P2P環(huán)境下的控制問(wèn)題，這里雙滑模控制模型可能是一種有效的控制方法；二是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)大網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理、控制和優(yōu)化的問(wèn)題；三是提升物聯(lián)網(wǎng)控制安全性的問(wèn)題。如何圍繞物聯(lián)網(wǎng)安全進(jìn)行數(shù)理方法研究，是需要深

入探索的問(wèn)題。

1.3物聯(lián)網(wǎng)的控制理論基礎(chǔ)

RFID、ZigBee、WiFi等技術(shù)已經(jīng)在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，然而，作為物聯(lián)網(wǎng)研究的另一重要方面——物聯(lián)網(wǎng)的理論與相關(guān)方法，也不容忽視。物聯(lián)網(wǎng)的理論研究以網(wǎng)絡(luò)理論、控制理論、信息論等為基礎(chǔ)，需要打破學(xué)科壁壘，融合多學(xué)科知識(shí)，建立起新的物聯(lián)網(wǎng)理論與模型。發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)理論的目的是使人—機(jī)—環(huán)境可以和諧地運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能，提高生產(chǎn)效率，建立以人為中心的服務(wù)體系。物聯(lián)網(wǎng)將虛擬網(wǎng)絡(luò)空間和實(shí)際物理世界相結(jié)合，研究信息流、物質(zhì)流、能量流的彼此作用及相互轉(zhuǎn)換過(guò)程?？刂普搶W(xué)科起源于20世紀(jì)40年代，它的誕生以美國(guó)數(shù)學(xué)家諾伯特·維納(NorbertWiener，1894—1964)1948年出版的《控制論》一書(shū)作為標(biāo)志。該著作表明要發(fā)展一門(mén)通用的控制科學(xué)，就必須從統(tǒng)一的觀點(diǎn)來(lái)考察各種系統(tǒng)的控制和通信問(wèn)題。書(shū)中這種“統(tǒng)一”的新穎思想吸引了各領(lǐng)域的眾多學(xué)者，并被引入到諸多科學(xué)領(lǐng)域?？刂普摓楝F(xiàn)代科學(xué)的研究提供了新的思想和觀點(diǎn)，促進(jìn)了當(dāng)代哲學(xué)觀點(diǎn)的變革，也因此被認(rèn)為是20世紀(jì)上半葉科學(xué)理論的偉業(yè)之一。1.3.1控制理論的基本思想

控制理論（ControlTheory）產(chǎn)生于控制論誕生之前，它是研究如何對(duì)工程對(duì)象或系統(tǒng)施加控制信號(hào)使其達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的一門(mén)技術(shù)學(xué)科。所謂控制（Control），是指為了改善系

統(tǒng)的性能或達(dá)到某個(gè)特定的目的，對(duì)系統(tǒng)輸出信號(hào)進(jìn)行采集和加工，并將由此產(chǎn)生的控制信號(hào)施加到系統(tǒng)中的過(guò)程。在通常情況下，系統(tǒng)可以分為不可控系統(tǒng)和可控系統(tǒng)兩大類(lèi)，前者是指無(wú)法進(jìn)行人工控制、干預(yù)的系統(tǒng)，后者是指可以進(jìn)行人工控制、干預(yù)的系統(tǒng)。人們討論的控制系統(tǒng)一般是指可控系統(tǒng)，它由控制部分和被控對(duì)象組成。控制部分一般由傳感器（Sensor）、控制器（Controller）和執(zhí)行器（Actuator）組成。傳感器用來(lái)采集信息，并將其轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)男问絺魉徒o控制器。作為控制系統(tǒng)的核心，控制器用來(lái)加工信息、產(chǎn)生控制信號(hào)。執(zhí)行器則將控制器產(chǎn)生的控制信號(hào)進(jìn)行放大和變換，最終施加到被控對(duì)象上產(chǎn)生控制作用?？刂破鲗y(cè)量信息（系統(tǒng)輸出信號(hào)）加工成控制信號(hào)的方法稱(chēng)為控制算法（Algorithm），設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)控制算法是控制理論中最重要的研究課題。我們可以將以上概念直觀地串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，如圖1-5所示。圖1-5控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)圖控制系統(tǒng)的輸出也稱(chēng)為系統(tǒng)響應(yīng)，如果控制的目的是使得系統(tǒng)響應(yīng)跟隨某個(gè)設(shè)定的輸入信號(hào)變化，則稱(chēng)其為伺服控制；如果要求系統(tǒng)輸出信號(hào)保持在某個(gè)設(shè)定的固定值附近，則稱(chēng)其為調(diào)節(jié)控制，簡(jiǎn)稱(chēng)為調(diào)節(jié)（Regulation）。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，諸如溫度、速度、壓力、液壓等參量的控制問(wèn)題，大都屬于參量保持恒定或在給定范圍之內(nèi)的調(diào)節(jié)問(wèn)題，因而早年的經(jīng)典控制理論也稱(chēng)為自動(dòng)調(diào)節(jié)原理。

20世紀(jì)60年代，第二代控制理論——現(xiàn)代控制理論問(wèn)世，其中包括以狀態(tài)為基礎(chǔ)的狀態(tài)空間法、貝爾曼的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、龐特里亞金的極小值原理以及卡爾曼濾波器。與經(jīng)典控制理論不同，現(xiàn)代控制理論主要研究具有高性能、高精度和多回路耦合的多變量系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。表1-6將經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論進(jìn)行對(duì)比分析。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，可編程控制器和工業(yè)機(jī)器人等以計(jì)算機(jī)控制為代表的新的自動(dòng)化技術(shù)逐步出現(xiàn)，由此自動(dòng)化技術(shù)發(fā)生了根本性的變化，其相應(yīng)的自動(dòng)控制科學(xué)研究也出現(xiàn)了許多分支，如自適應(yīng)控制、混雜控制、模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。此外，控制的概念、原理和方法還被用于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、人口和環(huán)境等復(fù)雜系統(tǒng)的分析與管理，形成了經(jīng)濟(jì)控制論和人口控制論等科學(xué)分支。目前，控制理論還在繼續(xù)發(fā)展，并朝著以控制論、信息論和仿生學(xué)為基礎(chǔ)的智能控制理論方向不斷地深入。1.3.2“三論”與物聯(lián)網(wǎng)

20世紀(jì)40年代末，隨著科技的進(jìn)步，各個(gè)科學(xué)研究領(lǐng)域的分支日益細(xì)化，與此同時(shí)各學(xué)科之間相互滲透的現(xiàn)象越來(lái)越明顯。為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，信息論、系統(tǒng)論、控制論這三門(mén)邊緣學(xué)科幾乎同時(shí)產(chǎn)生，因此將其簡(jiǎn)稱(chēng)為“三論”，它們的出現(xiàn)對(duì)科學(xué)技術(shù)和思維的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用，為現(xiàn)代多門(mén)新學(xué)科的出現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。信息論是一門(mén)研究信息傳輸和信息處理系統(tǒng)中一般規(guī)律的學(xué)科。香農(nóng)（C.E.Shannon）在《通信的數(shù)學(xué)理論》中明確提出：“通信的基本問(wèn)題是在通信的一端精確地或近似地復(fù)現(xiàn)另一端所挑選的消息”。此書(shū)主要討論如何解決通信過(guò)程中的技術(shù)問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上威沃爾（W.Weaver）展開(kāi)了進(jìn)一步的研究，將通信擴(kuò)展為技術(shù)問(wèn)題、語(yǔ)義問(wèn)題和效用問(wèn)題三個(gè)層次，擴(kuò)大了其使用范圍。這樣，信息論的基本思想撇開(kāi)了物質(zhì)與能量的具體運(yùn)動(dòng)形態(tài)，系統(tǒng)有目的的運(yùn)動(dòng)被抽象為信息變換過(guò)程，系統(tǒng)的控制過(guò)程通過(guò)信息的傳遞來(lái)完成。系統(tǒng)論是研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能（包括演化、協(xié)同和控制）的一般規(guī)律的學(xué)科，其研究對(duì)象為各類(lèi)系統(tǒng)。人們可以根據(jù)組成系統(tǒng)的元素和元素種類(lèi)的多少來(lái)預(yù)估系統(tǒng)的復(fù)雜程度，從而將其分為簡(jiǎn)單系統(tǒng)與巨系統(tǒng)兩大類(lèi)。簡(jiǎn)單系統(tǒng)是指系統(tǒng)的元素比較少且元素間的關(guān)系比較單純，如某些非生命系統(tǒng)或工程系統(tǒng)；巨系統(tǒng)（GiantSystem）是指組成系統(tǒng)的