邬贺铨：大数据时代的机遇与挑战

邬贺铨：大数据时代的机遇与挑战2012-12-1809:04:30今天的报告将讲无线化网络的革命、智能化制造的前景、大数据时代的机遇、颠覆性技术的影响与新一轮产业的变革等五个方面的内容。我为什么会选择这么几个题目？今年2月22日《华尔街日报》有一篇文章——科...今天的报告将讲无线化网络的革命、智能化制造的前景、大数据时代的机遇、颠覆性技术的影响与新一轮产业的变革等五个方面的内容。我为什么会选择这么几个题目？今年2月22日《华尔街日报》有一篇文章——“科技引领的繁荣即将到来”，谈到三大技术创新，第一个是大数据时代，第二智能化制造，第三无线网络革命。无线网络革命无线3G普及率超过固网宽带，这里是指注册的宽带用户，我们的固网宽带普及率比较低，2012年7月只有12.4％，全球发达国家一般是26%，我们国家的固网宽带化普及率只是发达国家的一半。无线发展非常之快，预计到2015年固网宽带用户达到2.5亿，3G用户将达到4.5亿，移动用户达到12.5亿。在电信运营商的收入中，非话业务的收入占电信业务的收入将近50%，以前主要靠电话收入，今年上半年全国的非话收入已经占到电信业务收入的一半，中国电信更高达60%多，中国联通50%多，中国移动28％。全球移动互联网流量占全部互联网流量10%左右，亚太地区这一数字将近20%，这是因为东方民族比较酷爱使用手机。预计2016年全中国产生的移动数据流量要占全世界移动数据流量的10%，这个比例也是比较高的，无线的比例更大，2012年无线流量占到互联网流量的一半，因为有很多的Wi-Fi，贡献了很多无线流量。我们再来看移动通信中数据流量与话音流量的比例。今年一季度，移动数据大概是移动话音流量的5倍，即现在移动网络里面，五分之四的流量都是上网的流量，只有五分之一是打电话，所以整个移动网络也是互联网化，估计到2015年全世界移动数据业务流量会比2010年增加26倍。在移动通信的收入里面数据占多少？从全国看占32%，中国电信更高一点占45%，中国联通40%，中国移动占28%。中国移动是最大的移动运营商，反而比例比较低，他们的话音收入占比比较高。我们来看美国AT&T公司的网络流量情况，移动互联网的流量规模相当于8年前固定互联网的流量，2011年全球移动数据业务流量是2000年全球互联网流量的8倍。（图1）流量的增长需要更先进的宽带技术来支持。局域网技术本来用在企业网里面，现在实际上已经涉及到城域网，它的发展非常快，从10M到100M，用15年完成标准化，从100M到1G只用4年，从1G到10G用了3年。1999年制定了10M无线局域网标准，今年年初中国颁布了1G的超高速无线局域网标准。我们来看移动通信技术的进展。1990年大家大量使用GSM、CDMA，2G是数字电路交换，2000年3G采用分组交换，现在网上是增强型的3G，之后出现了演进型3G即LTE，今年1月份国际电信联盟通过4G标准。从1G到4G，每一代技术都是革命性的。第一代移动通讯，它是频分多址。2G的TDMA是时分多址，CDMA是码分多址，LTE和将来的4G是正交频分多址OFDMA，几乎是10年一代。革命的技术在哪里？以LTE为例，一个频带内分为多个子载波，相邻的子载波间可以部分重叠并通过正交的方法来避免干扰，频率应用率能提高很多。不仅如此，过去都是一根天线发送，现在多根天线一起发送和接收，这称为MIMO，即空间复用。假如离基站近，可以直接从基站把信号发送到终端，如果距离远，可通过另外一个终端转发，这称为中继接力。甚至可以几何分布的多根天线一起发射。现在频率不够，回到家里自动把手机转到家里的Wi-Fi，这称为异构网协同。传统的移动网中，电话信号走的是传统的电路交换网，数据走的是互联网，两种业务由不同的网络来传送。LTE会变成全IP，无论是电话也好数据也好，都走互联网。传统的移动网信号要经过基站、基站控制器、网关和交换机，数据流量越来越大，为了减少迟延，希望更加扁平化，增强型的基站直接连到演进形的分组核心节点。过去移动通信考虑人们在家里使用固定电话，上街用手机，回到家里手机关机，现在随着移动通信资费下降，有很多人拿着手机打电话，尽管旁边还有固定电话，但手机更方便。现在80%的移动通信都是在房间里发出来的，实际上移动电话相当于固定电话在用，因此移动通信的控制管理可以放在边缘上，这样更有利于管理。基站有潮汐效应，位于办公区的基站白天业务量大，晚上流量小，而位于住宅区的基站则相反。如何把基站做到忙闲均匀呢？将相邻的多个基站的基带处理器集中在一起，可以把流量很小的基站资源调给另外一个小区用，达到资源的均衡。基带处理集中的另一个好处是不需要每个基站用单独的空调，从而节省能耗。无线移动通信的能力不断提升，最早GSM除了通话只能发短信，之后到GPRS，UMTS、HSDPA，到现在的LTE，目标是峰值速率达到100M。手机的功能也不断增强，早年我们的手机只是听和讲，最多显示号码，现在可以触摸了，可以写了，可以感知了。2000年手机可以听歌，2001年有彩屏，2002年有照相机，2003年有手写输入，2004年有录音功能，2005年有TV功能，2006年有内置游戏加速卡，2007年有3G和Wi-Fi，2008年有触摸屏，2009年嵌入传感器功能，2010年加入PC功能，2011年出现双核处理器、GPU、遥控器，2012年发展到四核处理器，重力感应、光线感应、手势输入、语音搜索、语音翻译、健康检测器等等，手机还可以检测这个地方的辐射严重不严重，现在手机变成了感知世界的工具，通信功能变成手机里面比较小的一项能力，更多是日常生活当中不能离开的个人助理功能。苹果公司iPhone/iPad上的语音助理Siri，让你的终端能够明白你所说的一切事情，并做出相应的反映。6月11日新版的Siri能够搜索当天的体育比赛得分，读出当地影院的电影上映时间表以及为你预订酒店餐位。Google推出的GoogleGlasses，不仅能够通过触摸和语音的方式进行控制，而且还能通过视觉进行操作，通过眨眼睛或者注视正确的方向来操控摄像头进行拍照，并将照片上传到Google+，该眼镜还将提供地图服务导航功能。美LeapMotion公司开发了一个打火机大小的接口装置，内有3个微型摄像头，将它连到PC上就成为可以识别手势的设备，根据对3个摄像头捕捉到的画面进行分析，软件可以跟踪用户的手指，探测到不足10微米的细微运动。未来办公室的职员和游戏玩家将用各种手势动作来隔空与他们的设备互动。智能手机是指具有独立操作系统可以由用户自行安装软件、游戏等第三方应用程序的手机，智能手机的能力相当于8年前的PC，已经是当年美国阿波罗计算机的几百倍的能力。过去人们是以PC作为数字世界的核心，将来可能是以手机作为数字世界的核心。现在普通手机上网流量不高，一般是10-50M，智能手机是100M-1G，移动智能终端的流量比功能终端高1-2个数量级。移动互联网现在为什么发展那么快？严格来讲手机屏幕没有PC大，移动网的带宽没有固网高，移动网的资费比固网高，这都是不利条件，但是手机可以利用碎片化的时间，个性化、私密化、娱乐化、互动性，获得用户身份识别、用户位置信息、用户在线状态信息、用户终端和应用偏好，用户消费行为统计数据。可以定制终端、语音和数据服务，因此移动互联网用户数肯定要超过桌面互联网，这是一个趋势。移动互联网基于“端”与“云”的应用模式比较。基于“端”的应用模式，大家买了iPhone，上到苹果的AppStore平台上，花一些钱下载你需要的应用软件，苹果系统有这些应用软件60万个，下载到终端上，这个时候可以离开网络来玩这个游戏，这个体验是比较好的。但也有不好的地方，你的内存是有限的，“愤怒的小鸟”挺好，但玩完之后还想玩新的，要把原来花钱买的东西卸载后再换新的。基于“云”的应用模式，使用浏览器连接网上的游戏等应用，无需下载到终端上，在线玩游戏。一般来说手机屏幕小，使用传统的浏览器难有好体验，现在专门为手机开发的HTML5浏览器，更容易在网页中处理多媒体和图片内容，使Web由内容平台向统一应用层平台转变，云计算还将加速这种转变。基于“云”的方式对操作系统要求不是那么高，可以做一个薄的操作系统，我们只要把浏览器做好就可以了，所以未来基于“端”和基于“云”这两种方式都是可能的。利用云平台还可增强移动互联网的智能性，移动手机、平板电脑有不同尺寸，网络要识别手机屏幕大小和分辨率，形成适合终端播放的文件和视频流，终端显示时能对图像进行拼接及屏幕播放。iPhone4S结合在云计算后台的语音识别和合成功能，开拓了智能的语音搜索和应答业务。智能化制造的前景美国《华尔街日报》网站2012年2月22日发表题为“科技引领的繁荣即将到来”的文章，指出大数据时代、智能化制造和无线网络革命是重要的三大技术变革。制造业的智能化一开始是2D绘图，然后是3D建模、数字样机、数字制造，现在发展到智能制造，在生产过程中或产品出厂前能体验用户的感受。整个数字化设计的过程是这样的，一个汽轮机，以前把汽轮机每一个零件做出来，然后拼接在一起看它设计是否好，功能是否完善，如果不好要重新做零件，这个过程非常慢。现在不仅仅在网络上面设计，一个大企业在上海、北京、杭州都有技术部门，可以在不同地方的技术人员协同设计，在网上模拟以完善产品，这是制造过程新的变化。原来生产体系是刚性的，适合大规模生产，现在需要灵活制造、计算机集成制造、精益制造、精准制造、并行工程、敏捷制造。数字化制造不仅能规模化也能个性化生产，不仅仅针对产品，而且要对制造流程的设计、工具设计、厂房布局等全面优化。进一步发展智能化制造。早期的电气化解决了驱动问题，后来发展到数控，解决控制自动化问题，按程序来加工工件，但数控只是一个“傻瓜”的动作，按固定程序加工，不管加工工件在今天加工跟昨天加工温度有什么变化，环境有什么变化，不管加工材料属性有什么变化，只会死板执行程序，所以加工出来的精度不能保证。智能化制造将传感器及智能诊断和决策软件集成到装备中，由程序控制的装备上升到智能控制，能自适应反馈被加工工件在过程中的状况。三维打印是新出现的技术。把一个被加工的工件分解为切片，然后将切片层层叠加方式完成整个工件的加工，这种方式也叫添加制造。以前的制造叫做减法制造，将被加工工件的毛坯通过切削去掉不要的部分，实际仅利用了很少一部分材料。添加制造把要的东西往上叠加，这种方式用在设计样机可以很快。又例如人造骨头、假牙，不可能大规模的生产，三维打印是一种好方式。也有人认为未来的添加制造对某些产品也可以做到大规模的生产。美国提出添加制造可以提升美国的高端的制造，重新夺回制造业的优势，认为添加制造对制造业大国中国将是严峻挑战。在美国先进制造伙伴关系计划中有一个材料基因组计划，这是类似于人类基因组计划，现在提出来要像分析人体的基因一样找材料基因，为什么现在提出材料基因组？传统研制材料，像“炒菜”那样，根据已有的认识和经验，选择一些基本材料的组合，通过反复配试，往往并非最佳的结果。例如想开发航空发动机的材料，把不同的金属放在一起，然后试一下行不行，不行再试，这个过程非常慢。现在要从分子结构来分析材料，通过原子排列找出相-显微组织-材料性能-环境参数-使用寿命等的关系，建立原子、分子的结构跟材料性能的关系，这种办法可以把发现、开发、生产和应用先进材料的速度提高一倍，美国的材料基因组计划被赋予复兴美国制造业和保持全球竞争力的重任。另外一个新技术叫做合成生物学，过去都在谈转基因，转基因是把一个物种某一个基因改变了，实际上一个物种有成千上万的基因，我们只改变它一两个基因，现在都害怕农产品转基因，担心吃了不好。现在美国提出要把动物植物里面的DNA作为编程语言的软件，然后用DNA片断组合来开发新硬件，人、动物、植物都有DNA，由DNA组成细胞，合成生物学可用来设计药品、化学用品，为残疾病人造出新的肢体。美国把合成生物学列入新一代制造业的支撑技术。现在提《第三次工业革命》，该书提出一种建立在把互联网和新材料、新能源相结合基础上的第三次工业革命。第三次工业革命会