数字基础设施:数字中国的底层架构和技术基础——工保科技

来源:本站原创 发布时间:2021-10-22

  数字基础设施,顾名思义就是“数字化”的基础设施,主要是指以网络通信、大数据、云计算、区块链、人工智能、量子科技、物联网以及工业互联网等数字技术为主要应用的新型基础设施。数字基础设施是在数据成为关键生产力要素的时代背景下,在软硬件一体化的基础上,以知识产权为核心价值,用数据表达新型生产力结构和生产关系,并用以支撑数字中国建设的底层架构和技术基础。

  数字中国建设包括数字经济、数字政务、数字民生、数字国防以及数字安全等诸多领域的事务,由于经济建设在国家治理与社会发展中居于核心引领地位,因此数字经济也成为人们优先关注的对象。从宏观角度看,数字经济在中国新时代形势下“小荷才露尖尖角”,比如电子商务是商业流通领域的数字化应用,但电商只是数字经济领域内一个比较细微的分支,从数字经济未来前景看,电商仅仅是一个开端和序幕。

  当下,数字经济正逐渐成为推动中国经济快速变革发展的新动能,而作为一种全新的社会经济形态,其内里则是以“数据”为核心的驱动引擎。“数据”构筑起全新的生产力结构和社会生产关系,数据运行机制和作用规律也改变了基础设施的形态,并对全新基础设施即“数字基础设施”建设提出要求。

  物理基础设施是以钢筋、水泥、砖石、钢结构以及其它工业材料为主体构建的基础设施。从视觉角度讲,物理基础设施都是有形可见的,比如传统的道路设施、桥梁设施、电力设施、水利设施、港口码头,以及满足民生为主的房地产和市政服务等物理基础设施,眼睛都是可见的。

  数字基础设施是以数据、软件、芯片、通信及分子涂层等“数字材料”为主体构建的软硬件一体的基础设施。数字基础设施中的硬件部分,比如机房或数据中心等硬件设施,在数字基础设施中的价值比重并非是主体,而由芯片、软件以及数字材料等构成的软件部分才是数字基础设施的核心价值所在。物理基础设施在空间位置上具有相对稳定性,比如桥梁和道路等基础设施的位置相对固定。然而数字基础设施在空间上通常具有移动性和泛在性,比如量子通信设施可以安装在卫星上,遨游外太空,并与地面的物联网或通信网络等基础设施连接起来,共同形成万物互联、人机交互、空天一体的数字世界空间。通常情况下,数字基础设施的科技优势是传统的物理基础设施无法比拟的。

  在工业经济时代,经济活动主要建立在以“铁公基”为代表的物理基础设施之上。所谓“铁公基”,主要是指铁路、公路、机场、港口、水利、厂房、工业园区等基础设施,这些传统的物理基础设施,既对社会经济发展起着重要的基础性支撑作用,同时又作为国民经济的组成部分,对GDP增长产生强有力的拉动作用。随着中国完成了世界最大规模的工业化运动,传统基础设施领域的项目建设日趋饱和,过剩的产能和资金客观上具有向“一带一路”沿线国家转移的必然趋势。

  在数字经济时代,数字基础设施正在成为拉动社会经济增长的源头基础和新生动力。数字基础设施是以数字技术或知识产权为核心价值的新型基础设施,主要包括网络通信、大数据、云计算、区块链、人工智能、量子科技、物联网以及工业互联网等不同领域和不同类型的新型基础设施。

  每一次产业革命或科技革命都会伴随着基础设施的变革,随着我国工业型经济向数字型经济转变,传统基础设施建设日益退潮,而数字基础设施建设方兴未艾。数字基础设施加速了社会经济各领域的数字化进程,并在实现人与人、人与物以及物与物之间全联接状态的基础上,使得生产制造、商业运营、民生服务、人际交流乃至国防建设等各领域工作变得更加高效而灵活,并激发出无限创新的可能性。

  中国确立了网络强国的伟大战略目标,网络通信技术是网络强国战略的前提基础,更是数字基础设施建设领域“基础中的基础”,只有建好了网络通信基础设施这条“数字高速公路”,才能实现海量数据的运行、储存和流通,才能在此基础上开展大数据和云计算等相关技术应用,并建立起多样化的数字基础设施,因此网络强国的第一步战略就是搞好网络通信基础设施。

  网络通信速度、质量和成本等是制约数字中国建设和数字经济发展的重要因素,因此提高数字基础设施服务的质量和效率,首要任务是网络带宽和网络性能的大幅提升。第四代移动通信技术(4G)已经较好地实现了人与人之间的移动互联,但伴随物联网和工业互联网的兴起,4G等网络通信技术的弊端和缺陷也逐步显露出来,这种状况促使第五代移动通信技术(5G)快速崛起。5G不仅适应人的通信需要,还要适应物联网和工业互联网的发展需要,最终实现人与人、人与物、物与物的大连接,有力支撑社会经济的创新发展。

  5G网络通信的技术特性是高速率、大连接、低时延、高可靠。 除了满足移动互联网的需要,5G的应用重点是向物联网和产业互联网等领域扩展。随着移动互联网和物联网的蓬勃发展,人与人、人与物、物与物的互联互通得以实现,数据量呈现爆发式增长。未来的物联网、工业4.0、产业互联网、智慧城市建设等,都需要大规模的传感器和大片连接, 5G的目标是一平方公里支撑100万个传感器,这是非常高密度的大连接,5G可以支撑起这类连接。

  首先,5G能够解决人工智能(AI)所需的数据问题。人工智能的绝大部分数据来源于物联网,数据越多,AI就会越准确、越智能。物联网的高速发展会产生大量的数据,5G能够连接海量的物联网设备,从而能够让人工智能的潜力得到充分发挥。

  其次,5G能够促进人工智能(AI)取得算力突破。相比于4G等网络,5G核心网分布式架构能完美适应边缘计算的要求,使得边缘计算的算力得到了解放,这就解决了万物互联的算力瓶颈,其中也包括了人工智能(AI)的算力瓶颈。

  借助于数据突破和算力突破,5G促进了人工智能AI的发展,反过来,人工智能也可以应用在5G核心网中,帮助核心网在规划部署、运行维护等方面实现高度的自动化和智能化。

  5G是高速网络,AI是通用技术,两者相互赋能,并结合大数据等其它数字技术,共同构成社会经济的中枢神经系统。5G与AI的关系不是简单的叠加与促进,而是互为指数,在智能制造、智能驾驶、智能医疗乃至于智慧城市等领域相互解放生产力。在未来发展中,5G技术和AI技术将会深度结合,并通过数字基础设施服务等方式,深刻改变人类生产与生活的各个方面。

  首先,5G低时延、高可靠的技术特性,可以保证高铁等运输装备500公里时速下的流畅通信;

  其次,5G可以促进车联网体系的构建,大大降低高速公路上发生交通事故的概率;

  最后,5G可以与自动驾驶相融合。自动驾驶的安全性必须由单车智能来顾及,5G能够克服传感器的滞后效应,同时还可增加安全验证,无人车信息采集设备获取的激光雷达数据、毫米波雷达数据、摄像头数据等,需要进行安全验证,验证层次和数量越多,数据就会越安全,从而越能够保证自动驾驶车辆的安全性。

  除了以上专业领域和主流应用之外,在5G技术和国家政策的双重加持下,我国平台经济也将迎来发展的新阶段。通过数据资源的释放与流动,促进大规模社会化协作体系的完善,为我国平台经济的高质量发展提供强劲动力和全方位支撑,并对数字中国建设和数字经济发展产生空前巨大的推动作用。

  大数据堪称数字经济时代的“新石油”,它被广泛应用于金融、证券、保险、航空、政务、零售、交通、医疗、教育、能源、健康以及社会服务等各个领域。在大数据时代,数据开始呈现爆发性增长,互联网、移动互联网、物联网、成千上万的传感器、穿戴设备、GPS等,都在推动大数据处理技术快速发展。

  无人驾驶汽车每天行驶4小时,就会产生超过100EB的数据,要保障如此庞大的数据传输和人机交互,高速稳定和大并发的数字基础设施建设至关重要。

  现代高铁一启动,就会产生大数据,以前铁路工人在铁轨上敲敲打打,通过声音检查问题;如今高铁传感设备实时传回车辆大数据,及时诊断故障、预警、排查和定位,提高效率,降低成本。

  喷气式客机一起飞,就会产生海量数据,帮助人们实时掌握飞行状态,发现潜在问题并预警,提前采取预防保护措施,大大减少故障率。

  再比如远程医疗、物联网、电视节目、卫星定位以及各种形式的人机交互等,不胜枚举的生产和生活场景,已经将人们包围在大数据的海洋中。

  大数据通常是指巨大而复杂的数据集合,它超出传统工具或单台计算机的处理能力。大数据技术体系庞大而复杂,基础技术包含数据采集、数据传输、数据预处理、分布式存储、数据清洗、数据挖掘、数据仓库、并行计算、数据可视化等。其中数据挖掘处于核心重要地位。

  通俗地讲,数据挖掘就是利用大数据探测有价值的规则或有意义的模式的过程。数据挖掘的目的是从大数据中发现隐含的规律性的内容,用于解决数据应用质量或应用效率等问题。

  建设现代化经济体系离不开大数据发展和应用,要构建以数据为关键要素的数字经济。国家坚持以供给侧结构性改革为主线,加快发展数字经济,推动实体经济和数字经济融合发展,推动互联网、大数据、人工智能同实体经济深度融合,推动制造业加速向数字化、网络化、智能化发展。

  要深入实施工业互联网创新发展战略,系统推进工业互联网基础设施和数据资源管理体系建设,发挥数据的基础资源作用,加快形成以创新为主要引领和支撑的数字经济。

  要运用大数据提升国家治理现代化水平。要建立健全大数据辅助科学决策和社会治理的机制,推进政府管理和社会治理模式创新,实现政府决策科学化、社会治理精准化、公共服务高效化。要以推行电子政务、建设智慧城市等为抓手,以数据集中和共享为途径,推动技术融合、业务融合、数据融合,打通信息壁垒,形成覆盖全国、统筹利用、统一接入的数据共享大平台,构建全国信息资源共享体系,实现跨层级、跨地域、跨系统、跨部门、跨业务的协同管理和服务。

  “云”是数字经济时代的基础设施,它为企业生产或社会服务提供强大的计算能力。云是网络或互联网的一种形象比喻,是互联网及底层基础设施的抽象说法。云的本质就是计算机群,每一个机群包括了几十万甚至上百万台计算机,每一朵云,都由分布在各处的数据中心(机房)联网而成。

  云计算的基本原理是,把计算服务布署在大量的分布式计算机上,而非本地计算机或中心化服务器中,用户通过互联网访问远程计算机和存储系统,并根据需要切换到相应的服务上。云计算在互联网上布署并交付应用,且可以按需求灵活扩展。

  云计算将计算能力及服务作为一种基础设施提供给公众,使人们方便快捷地使用计算机资源,而不必购买计算机软硬件,只需租用运营商提供的云计算服务即可。人们以较低的成本从云中获取高质量的计算、存储、数据、平台和应用服务,而不必关心存储和计算发生在哪朵“云”上。无论何时何地,人们只需一台电脑或一部手机上网,就能快速获得计算服务或查找资料,而且不用担心资料丢失等问题。

  有云服务的核心思想实际是借鉴了电厂经营模式,通过集中生产和规模效应,既能避免用户购买发电设备,又能降低电力价格,客户只需要通过电网接上插头,并按使用量付费即可。这就意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通,就像水电煤气一样,取用方便,费用低廉,只不过这种商品是通过互联网进行传输的。

  大数据和云计算密不可分,两者就像一枚硬币的正反两个面。从底层技术角度看,大数据和云计算都离不开数据中心,数据中心是云计算的根,云计算是数据中心的“叶子”。大数据和云计算都必须依托数据中心才能落地。大数据提供的是“材料”,云计算提供的是“算力”,算力的发挥需要数据材料作为支撑,因此大数据和云计算相互依存,互相促进。

  大数据天然具备分布式存储结构,因此无法用单台计算机进行分析处理,而必须对海量数据进行分布式存储和分布式挖掘,这是大数据的优势所在,但大数据不会自动产生价值,只有通过云计算处理分析后才能创造价值。云计算就是大数据的处理平台,它依托云服务提供的分布式存储、分布式计算以及虚拟化技术为数据分析和挖掘提供了最佳的技术解决方案。

  云计算是互联网发展过程中的一种质变,云计算可以共享软硬件资源,并将计算能力按照一定比例分配给需求方,而需求方只需按使用量付费,这样可以更加有效地使用社会整体的运算资源。云计算的主要特点是以互联网为基础,通过动态可伸缩的虚拟化资源来进行计算,作为一项全新的技术,云计算可以对数字经济时代的各个产业进行全新赋能。

  云计算带来的是游戏规则的全新改变。云计算已经在物联网、智能出行、基因测序、虚拟试验、区块链等许多高算力需求领域广泛应用。

  在其它新兴领域及传统领域内,云计算的应用也无处不在,比如金融、医疗、保险、制造、零售、物流、农业、视频、游戏、电商、社交、移动通信、公共服务、生命科学、机器学习、3D渲染等,都构建在云平台之上。每个行业需求并不一致,拥有行业经验的服务商可以更好理解客户的需求,更快的辐射到细分领域客户。

  区块链通过加密技术形成一个去中心化的可靠、透明、安全、可追溯的分布式数据库,推动互联网数据记录、传播及存储管理方式变革,大大降低信用成本,简化业务流程,提高交易效率,重塑现有的产业组织模式、社会管理模式,提高公共服务水平,实现互联网从信息传播向价值传递的转变。因此,作为数字基础设施,区块链也被称为“创造信任的机器”。区块链技术本质上是一种分布式数据库,是互联网数据记录、传播及存储的新方式,另一方面,区块链数据的分析、解读同样离不开大数据、人工智能等技术,将相关物品连接起来,还需要物联网的技术支撑等。

  区块链可以与大数据、云计算、人工智能等产生紧密联系,比如区块链与人工智能结合在一起,可能会带来人工智能的加速发展。区块链在人工智能应用领域,一方面可以帮助解决算法的开发难题,另一方面也可以解决数据应用的安全性问题。因此区块链与人工智能的合并,将成为一种必然趋势。

  区块链作为数字中国建设的底层架构和基础设施,目前正在进行大规模布局。作为天生的去中心化的账本数据库,区块链具有分布式、不可篡改、可追溯等特性。未来社会与经济全部由数据驱动,区块链能够保证数据真实不可篡改,为数据驱动的数字经济和智能社会,提供基石保障。

  区块链技术已经在实体经济和虚拟经济等许多领域落地应用,它不仅延伸到物联网、智能制造、供应链管理、数字资产交易等许多新兴领域,同时广泛地与金融、法律、科技、管理、环保、能源等传统领域结合,并正在成为数字中国建设和数字经济发展的重要技术基础。

  人工智能通过训练计算机使其能够完成类似于人类的自主学习、判断、决策等行为。人工智能促使智能机器会听(语音识别、机器翻译等)、会看(图像识别、文字识别等)、会说(语音合成、人机对话等)、会思考(人机对弈、定理证明等)、会学习(机器学习、知识表示等)、会行动(机器人、自动驾驶汽车等)。

  物联网、大数据、云计算等基础设施服务为人工智能技术的发展提供了所需要的关键要素。

  大数据是当前科技领域的基调,大数据催生了人工智能的爆发。大数据是人工智能的基础,将大数据转变为知识或生产力,离不开机器学习。机器学习是实现人工智能的一种方法,它既是让机器实现人工智能的技术核心,又是让机器具有类似人的智能的根本途径。机器学习实现人工智能的关键就是利用海量数据的训练,通过算法解析数据,从中学习,然后对真实世界中的事件做出决策和预测。

  人工智能、机器学习和深度学习,三者是层层包含的关系,机器学习是实现人工智能的一种技术或方法,而深度学习则是实现机器学习的一种技术或方法。深度学习是机器学习的一个子领域,是利用一系列”深层次”的神经网络模型来解决更复杂问题的技术。深度学习的核心是让机器模仿人脑的机制去解释图像、文本和声音等数据,进而自己获得“知识”,并在不断地解释数据中修正和增长已有的知识,提高智能水平,这为机器自身的智力“成长”提供了一条路径。

  大数据技术帮助提升了深度学习的算法性能,反过来人工智能技术的发展显著提高了大数据自主分析的能力。如果不具有智能技术,即使存在所需的庞大数据,也无法对大数据进行收集、处理、分析,无法从中发掘出新的意义、产生新的价值。人工智能技术通过读懂视频、音频甚至人类自语言,分析物联网中大量琐碎的非结构化数据,可以总结出其中隐含的规律,支持智能决策。

  区块链可以为人工智能的发展提供非常大的支持,因为在人工智能发展过程中,机器学习需要依赖算法的不断改进和优化,期间需要不断地试错,这正是区块链的优势所在。区块链可以快速有效地让一个人工智能项目实现小组分工,更大可能地获取人工智能开发所需的各类资源,并通过散布在各地的终端,把人们都拉进人工智能的开发小组中,实现人工智能的快速迭代。

  区块链模式不仅有利于人工智能技术的开发,而且在某种程度上解决了人工智能潜在的道德问题,比如说,现在很多人认为隐私不安全、个人行为不受控,甚至对整个人类社会信用体系不信任,这些都可能通过区块链技术来解决,因为所有的开发者分布在不同的领域、不同的地区,不同的国度,拥有不同的目标倾向,因此人工智能的学习最终可能会涵盖各种各样不同的价值观,而这可能会带来远超出人类想象的成功。

  云平台或云设施已经成为企业或客户低成本获取人工智能服务的最重要渠道。云计算的大规模并行和分布式计算能力带来了低成本、高效率的计算力,并降低了计算成本。目前在商业领域,经过云服务商自身业务验证的人工智能技术备受企业决策者青睐。业内认为与微软、亚马逊、谷歌等企业相比,阿里巴巴的智能商业能力在商业和技术结合层面仍是最佳范例。

  物联网简单的说就是物物相连的网络,没有单纯的某个技术是物联网技术,它是互联网在人与人、人与物、物与物之间更广泛领域内的功能扩展。物联网是由无数的产业热点和技术热点组合起来的,它主要强调网络应用领域的创新。

  过去通过研究大数据集寻找创新性商业模式或算法比较费时,回报也不确定。物联网兴起后,这个过程变得更加具体,因为物联网提供了非常具体的参照领域或对象。比如,制造企业想要确定最佳的机器维护计划,通过大数据可以推测何时需要进行维护,从而不断提高企业的制造质量标准。因此,物联网支持用户查找具体的模式,实现具体的商业产出,使客户的目标更加清晰,这反过来又推动了对大数据项目更合理的投入,并更快地获得回报。

  物联网与人工智能之间最直接的一个联系就是“大数据”,物联网为大数据提供了主要的数据来源(90%以上的数据来源于物联网),并加快了大数据的更新速度,没有物联网大数据的价值就会打折扣,而大数据是人工智能的重要基础,所以从这个角度来说,物联网也是人工智能的重要基础。物联网发展的结果是“万物互联”,而万物互联必然会带来“万物智能”,所以物联网的发展会进一步促进人工智能的发展。

  区块链对物联网行业的改造具有重大作用,一是形成数字化资产,确保隐私和授权交易,二是通过信任机制打破信息孤岛,强化生态协作;第三,物联网加入支付体系,扩大商业模型的想象空间。

  数字基础设施是数字技术发挥效能的“放大器”,是海量数据交互、运行、存储与流通的“高速公路”,是社会、经济、国防、民生等诸多领域内实现核心技术突破的重要基石。在传统经济模式下,曾经流行一句谚语“要想富,先修路”,形象比喻了道路基础设施建设对于经济发展的关键支撑意义。无独有偶,在数字经济形态下,只有先解决了“数字主干道”的基础设施建设问题,才能有效解决数字中国建设的创新瓶颈和动力瓶颈。作为物理空间和虚拟空间的连接纽带,作为数字中国的新型引擎和动力,数字基础设施建设任重而道远。

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