【技术详解】阿里云AIoT物模型支撑设备规模已超亿级

简介：本文介绍的物模型技术，对于阿里云AIoT来讲，物模型技术早已沉淀多年，因此可以让各类硬件产品实现真正的智能化链接。

物模型技术对于物联网企业来讲是一项很是重要的技术，由于要实现万物互联，必需要有物模型体系沉淀，才可以让各类硬件产品实现真正的智能化链接。对于阿里云AIoT来讲，物模型技术早已完成了多年的沉淀，目前，阿里云AIoT物模型技术已成为行业的引领者。

对于行业来讲，阿里云AIoT的物模型技术主要具有了两大核心优点——生态优点和平台优点，依托阿里巴巴强大的生态体系、成上千万的各种合做伙伴和商品，为阿里带来了独有的模型沉淀，而阿里做为一个平台型企业，又不一样于垂直领域的企业，能开放的支撑各行各业的客户，这两个优点，堪称阿里云AIoT 物模型技术的杀手锏。目前，阿里云AIoT物模型支撑设备规模已超亿级。

如今，阿里云AIoT物模型技术专家熊益群，为你们带来了一份物模型技术全攻略，解析物模型技术为何这么重要？

物模型技术须要了解的三个问题：

一、为何须要物模型？

海量的物联网数据、设备、业务，异构的设备和数据描述方式，难以理解，互通困难，首先，产业链内部自成体系，模组、芯片、平台、方案商角色多样，跨角色协做时，数据标准各异，协做困难；其次，采集数据解析困难，难以结构化，数据利用效率低，数据价值难挖掘；最后，随着行业应用和设备量增加，新增应用须要针对不一样的设备协议重复开发，难以规模化。

二、物模型技术能解决行业的什么问题？目前物联网行业广泛存在着设备孤岛、软硬开发强耦合的问题，须要构建模型统一描述语言、面向物理实体的统一建模，物模型做为物的抽象层屏蔽了底层终端差别，标准化了设备的能力表达和交互方式，极大下降了物联网应用开发和快速复制的成本。

三、物模型能够最终带来什么价值？

• 低门槛接入：提供设备建模和交互协议基础能力。这是最基础的价值，全部设备上云都须要建模和交互协议。物模型和协议设计是否足够专业，这实际上是绝大多数中小企业的门槛，他们刚开始意识不到，随意设计，随着规模和业务变化弊端就会体现出来。

• 标准化：物模型做为物联网的抽象层，相似操做系统屏蔽硬件、JVM屏蔽OS的差别性同样，经过标准化设备的能力表达和交互方式，解决了物联网严重碎片化状况下协议差别、软硬开发耦合、全链路验证流程长、设备孤岛、数据孤岛等问题。

• 生态化：软、硬件一旦基于物模型标准化开发和交互，围绕物联网的多角色，包括ISV，SI，IHV等在设备开发、生产、运维、售卖、集成、运行等环节相互之间可以解耦，提高了设备的流通性，促进生态化。

深度解析

物模型如今面临什么样的技术挑战？

以一个灯泡为例

咱们先来看一看一盏普通的智能灯会有哪些能力或特性，好比开关、色调、亮度、过温告警、恢复出厂设置等能力，其中包含有传感器采集的状态、有危险告警、也有控制器可执行的指令。那么不一样行业场景设备复杂度、差别性都不同，简单到消费类设备"灯"、复杂到工业类设备"锅炉"都须要可表达，定义一套足够抽象通用面向万物的物模型仍是很是有挑战的，所以须要遵循必定的设计原则，好比简单、普适、可扩展、模块化、易用性。

延展开来讲，物模型的技术挑战具体有这几项

物模型因为描述全部异构设备完整能力，并且在设备全生命周期都发挥着做用，所以物模型设计过程当中存在如下须要解决的难题：

• 普适性：物模型的定义和设计可以适应全部设备，须要可覆盖工业、生活、农业、交通多个不一样行业。所以在设计上须要找到设备最本质的共性、抽象出一套模型。

• 超大点位和超复杂结构：尤为工业场景，一般须要对包含大量传感器（万级别）的传统自动化系统进行数字化，对物模型提出了很是大的挑战，物模型复杂度变成了和物理实体和环境复杂度成正相关，咱们须要从中找到最本质的破解方法，避免物模型复杂度变得不可控。
• 国际化：设备能够在任何阶段售往全球各地，物模型可以让设备在各地具有多语言的能力。
• 可插拔：工业文明发展快很重要的一点在于标准化，大量复杂设备均可以标准化组装而成，好比汽车、轮船、家居等，模块能够根据产品特性进行动态插拔，所以物模型一样须要可以适应物理设备模块可插拔特性。
• 安全开发：物模型在设备开发阶段定义，在设备运行阶段被引用，须要保障开发阶段定义或调试的物模型不影响生产阶段正在运行的设备。
• 快速调试：传统硬件开发和软件开发须要全链路一块儿配合调试，周期长成本高。有了物模型，调试阶段须要确保软硬解耦，不相互依赖。
• 高可靠：线下化是物联网与互联网很大的差别点，大量线下的物理设备，地理位置和应用场景及其普遍，设备出现问题现场运维成本很是高，并且对社会影响大，所以物模型在设备运行阶段的可靠性要求很是高。
• 可回滚：为了保障高可靠，物模型在开发到运行过程当中，一旦出现异常须要确保可快速回滚。
• 可适配：因为行业里面已经有很多设备模型和交互协议，好比工业场景的Modbus，opc等，生活场景的ble，zigbee等，固然还有大量三方平台私有协议，为了帮助这些存量设备可以使用物模型，物模型须要具有模型和协议适配能力。
• 统一交互协议：设备除了须要可表达以外，还须要可访问，物模型不只须要定义设备能力描述规范，还须要定义设备被访问方式，全部设备都可以使用同一套交互协议进行访问，设计上也存在着不小挑战，好比资源受限设备、弱网环境设备、工业边缘设备对协议要求都会不同，有些追求低功耗、有些追求少带宽、有些追求大点位高频、也有追求网络多级级联等等。
• 孪生代理：物模型核心价值在于物理实体数字化，物理实体在云上数字化后会构建数字孪生体，数字孪生体的数据模型、访问方式均基于物模型，数字孪生体代理物理设备与行业应用进行交互，从而达到软件与硬件的解耦。然而孪生代理应该具有哪些特性以确保硬件能力均可以高效可靠地访问是很是有挑战的，好比设备断网或异常状况孪生代理如何与应用交互，是确保指令必达仍是快速失败，可能不一样场景诉求不同。固然具有海量数据的孪生体如何基于数据智能化，反向指导物理设备生产运维，达到和物理设备共智的目标这是更大的挑战。

那咱们应该怎么去设计物模型呢？

早期大多数物联网平台好比Azure、AWS都只作链接和基础管理能力，并无围绕数字化的设备建模和数字孪生能力，不过这两年几乎全部物联网平台都开始重视物模型和数字孪生的建设。 大多数对于设备建模都采用的是面向对象语言的思路，好比WoT、OPC、OMA、OCF、CWMP、AllJoin等，面向对象语言的抽象能力在计算机编程发展的几十年已经被证实，咱们物模型定义也充分借鉴，却又因物联网而有所不一样。

咱们以面向对象语言java里面的class作类比，class用属性和方法描述对象的状态和行为；物模型也能够用属性和方法来描述物的状态和行为。同时结合设备特性，咱们将物模型schema进行了必定的扩展，定义为属性、服务(方法)和事件三要素，事件是一类特殊的属性，好比空调的故障告警，这类属性严重性高，实时性强，通常须要监控并及时响应。为了对设备更精确的描述，物模型针对每种数据类型还定义了很是严谨的数据规范，好比在数据类型以外，还须要定义数据范围、精度、步长等规范。

【图为物模型基础schema（没有包括模块化、多语言、多版本等一系列高阶特性）】

解决了这些挑战后，物模型的技术架构就呈现出来了

阿里云AIoT物模型除了经过属性、事件、服务三要素描述了物理实体能力以外，物模型还支持千级大点位、多语言、多版本、多模块、多级级联、协议适配、云边端一体化等能力，达到能够应对生活、城市、工业等不一样场景定义诉求。固然为了应对上文提到的一系列技术挑战，咱们还经过构建Alink协议、数字孪生搭建了一整套面向物理实体的数字化能力。

还有一点要注意，物模型和数据标准是不同的

物模型可以以同一套schema描述设备的能力，但因为物联网碎片化，你们对于设备能力的定义差别性很是大，一样一款空调，不一样厂商定义的能力会不同。至关于面向对象语言里面接口标准化了，但实现没有标准化。数据标准核心在于下降差别化。

数据标准是一批可用于组装物模型的标准化素材，物模型构建过程能够方便地从数据标准库中选择素材进行积木式搭建。

在传统领域碎片化严重的状况下，定义数据标准很是有挑战，一般只有深耕传统行业才能定义出来，所以咱们更多的是引入这些行业领先者贡献数据标准，而不是本身制定。阿里云IoT数据标准的沉淀主要来自ICA标准联盟，ICA标准库包括基本资源、功能模块、物模板三类素材：

• 资源:标准库中最原子的能力，有属性、事件、服务三种类型（三要素）；

• 功能模块:一组资源的集合。集合中的资源能够是标准库中已有资源的组装，也能够是在当前功能模块新增的资源；
• 物模板:一组功能模块和一组资源的集合。集合中的模块和资源能够是标准库中已有模块和资源的组装，也能够是在当前物模板新增的资源；

下图描述了物模型、数据标准之间的关系

最终咱们看下灯泡物模型示意图

那数据标准的核心价值是什么呢？

阿里牵头的ICA标准联盟，已经沉淀了一批标准化的数据模型，核心价值一是为了建模过程能够快速组装、积木式搭建、提升建模效率；另外一方面标准物模板能够促进软硬件标准化，从而实现软件商、集成商对购买的硬件即插即用。

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