08 第八章 工程与物联网工程.ppt

5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,1,物联网工程概论,主讲教师MAIL:wanglmMAIL:xsm,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,2,第八讲工程与物联网工程,什么是工程信息化工程网络工程软件工程物联网工程的相关命题,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,3,引言,在日常生活中，尤其在大学里，我们常常谈及科学、技术、工程以及应用四个名词，我们知道这些名词之间是有差异的，隐隐觉得科学更重视理论，技术和工程贴近应用，因此常常出现技术和工程不区分的现象。但是，技术和工程是等同的吗？行业或者社会分工，从事科学工作的是科学家，从事技术应用的是技术员，从事工程设计的是工程师，从事生产应用的是产业工人。我们介绍了“物联网”和物联网“技术”，但是没有介绍物联网“工程”。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,4,什么是工程,在中文里，工程早已成了一个大众词汇。日常生活中，我们不仅说南水北调工程、三峡工程，还说希望工程、菜篮子工程等；在学校里，仅信息相关专业就有电气工程、电子工程、网络工程、软件工程和我们的物联网工程，其他专业有机械工程，还有汽车工程；工厂里有工程师、总工程师和高级工程师，还有统一称谓的工程技术人员。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,5,我们常见与工程相关的词汇有：科学、技术、工程，还有项目、计划与应用。显然，南水北调工程可以说一个计划、规划或者项目，但是技术和工程真的就等同吗？这些相关概念各自有什么区别呢？,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,6,工程的定义,工程在现代汉语词典中的定义是：“工程是指土木建筑和其他生产、制造部门用比较大而复杂的设备来进行的工作，如土木工程、机械工程、化学工程、采矿工程、水利工程、航空工程。”工程师在美国工程和技术资格认证委员会的定义是：“工程师是通过研究、经验和实践所得到的数学和自然科学知识，以开发有效利用自然的物质和力量为人类利益服务的职业。”综合起来，可以认为工程是科学和数学的某种应用，通过这一应用，使自然界的物质和能源的特性能够通过各种结构、机器、产品、系统和过程，是以最短的时间和精而少的人力做出高效、可靠且对人类有用的东西。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,7,工程活动一直是人类文明史的重要内容，相对于科学的发现活动和技术的发明活动，工程是一种造物活动，建造一个新的存在物是工程的标志。从具体问题的角度来看，工程是由某些专业技术为主体和与之配套的相关技术，按照一定的规划、规律组成，为了实现某一目标的集成活动；从哲学的角度看，工程活动的核心标志是构建一个新的存在物，工程活动中各类技术的集成过程都是围绕着某一新的存在物而进行的，这个新的存在物应该是在一定边界条件下优化构成的集成体。工程活动应该包括确立正确的工程理念和一系列决策、设计、构建和运行等过程的活动，其结果又往往具体地体现为特定形式的技术集成体。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,8,工程的特征,工程是有原理的，是在一定的边界条件下的技术集成。工程不是技术和装备的简单堆砌和拼凑，工程在集成过程中有其自身的理论、原则和规律，是科学在面对实践时针对特定问题的技术化，是技术与应用实践结合的具体化。工程项目是通过建造目标来完成的。工程项目都具有其特殊的对象、明确的目标、要求等，这个目标通常是一个当前不存在的客观事物，工程项目要通过具体的设计、建造和建设等实施过程来建造这个新的客观存在。因此，工程是一个复杂的建构和运行过程，是通过合理的工序、工艺和工期来完成的；工程实施要与环境协调一致。工程的实施和运行，都要对自然生态系统产生一定的影响，必须考虑到工程活动可能引起的环境问题，以人为本，努力使工程与环境、生态协调一致。科学的设计步骤和实施阶段、合理的资金投入，工程的成本、质量、效率是工程的生命所在。工程设计是可优化。一个工程往往有多种技术、多个方案、多种途径可被选择，如何利用最小的投入获得最大的回报，取得良好的经济效益、环境效益和社会效益，就要求工程实现在一定边界条件下的综合集成和多目标优化。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,9,学工程，学什么？,工程原理是工程实施过程中的基本方法及一般性原理，是抽象化的规律；工程项目是一个工程实施的实例，是具体化的工程；工程设计是指为工程项目的建设提供技术依据的设计文件和图纸的整个活动过程，是建设项目生命期中的一个重要阶段。,我们作为“工程”专业的人才，就要：了解工程的一般性原理，在工程实施的具体化过程(项目中)积累经验，而真正需要学习的是工程设计在了解工程技术的基础上，设计安排这些具体的技术如何使用这些技术，是将技术应用于解决一个具体的问题的系统技术。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,10,工程教育,工程教育的知识背景需要跨学科的融合和渗透。工程既不同于科学，也不同于人文，而是在人文和科学的基础上形成的跨学科知识体系和实践体系，具体体现为以科学为基础对各种技术因素和各种社会因素的集成。工程问题本质上就属于跨学科问题，工程教育则是一项跨学科的造就人才的事业。,我国的工程教育在很大程度上是狭隘的技术教育，学生缺乏跨学科的知识背景，不仅欠缺自然科学和人文与社会科学的知识，而且对自己所学专业以外的相关工程知识也掌握不够。其实正是各种技术的彼此渗透和融合，才为新技术的产生和工程的实施提供了前提，只具有特定专业技术知识的工程人员，其创造性将会大打折扣。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,11,工程教育应该是实践能力基础上的系统思维能力培养。工程的核心是解决实践问题，因此，工程专业知识和技能必须在实践过程训练，才能更好地被掌握，这是由工程知识本身的难言性所决定的。同样，工程所需要的宽口径知识背景的需要，使得工程教学需要考虑的一个关键问题是：在学时有限的情况下，如何平衡“知识面拓宽”和“专业能力提高”之间的紧张关系。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,12,系统的教育方法以培养学生的整体思维对工程教育是非常关键的。缺乏整体思维的学生，就难以从整体角度理解工程，就难以高屋建瓴地把握工程创新的方向。一个没有扎实学科基础的人，一个不具有广博专业知识的人，一个不具有动手能力的人，一个不明白社会需求的人，一个不具有整体思维的人，是难以成为一名合格的工程技术人员的。因此，我们要在教育过程中练就未来工程技术人员的整体思维能力。重视知识的学习，更应重视知识的综合应用分析能力、创造能力的培养任何一门学科的发展都离不开分析、发现和创造，课本知识到实践的应用是综合性的如果不能把握一个学科的整体性及其发展，那么一门课程的学习就变成简单的知识积累而已。专业人才应具备分析和解决实际工程问题的能力，应具有较强的学习与消化能力，能够不断扩展知识并终身获取新知识的能力。在当今社会条件下，技术更新速度越来越快，学生在学校得到的知识很快就会过时，如果不具备自我更新知识的能力，就不能适应工程的实践要求，更无法成为技术进步和工程创新的领军人物。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,13,第八讲工程与物联网工程,什么是工程信息化工程网络工程软件工程物联网工程的相关命题,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,14,信息化工程,美国著名的管理与信息技术专家詹姆斯马丁(JamesMartin)在20世纪80年代初提出我国著名信息化专家高复先教授于1986年率先在国内引入并结合实际进行研究和推广。信息化工程作为一门学科理论采用信息化工程方法论作为理论指导，是多技术、多学科的综合，以现代数据库系统为基础目标是建立计算机化的企业管理系统。根据国标信息化工程监理规范，信息化工程是指信息化工程建设中的信息网络系统、信息资源系统、信息应用系统的新建、升级和改造工程。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,15,信息化工程的特点,信息化工程的开发活动属于非重复性活动，具有独特性。涉及高科技领域，决策难度大。拥有非常复杂的管理及整合技术，需整合资源。结果难以预测，具风险性、不确定性。目标不精确，任务边界模糊，质量要求主要由项目团队定义。客户需求随项目进展而变，导致项目进度、费用等不断变更。信息系统项目属于知识密集型工程。信息系统的开发特别是软件开发渗透了人的因素，带有较强的个人风格。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,16,第八讲工程与物联网工程,什么是工程信息化工程网络工程软件工程物联网工程的相关命题,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,17,网络工程定义,网络工程就是组建计算机网络的工作，凡是与组建计算机网络有关的事情统统归纳在网络工程中。换言之，网络工程是指为满足一定的应用需求和达到一定的功能目标，按照一定的设计方案和组织流程进行的计算机网络建网工作。可见，计算机网络工程必须具备以下几个要素：满足明确的业务和应用需求；具备相应的功能；遵照成熟可行的设计方案实施；在完善的组织流程规范下进行。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,18,网络工程的定义,狭义的网络工程就是建设计算机网络的硬件系统平台，涉及的工作主要是硬件设备的选型、安装、网络布线和调试。广义计算机网络工程至少要建设三个平台，即网络硬件系统平台、网络软件系统平台以及网络安全和管理平台。网络硬件系统平台包括主机、网络设备、外部设备、布线系统等硬件；网络软件系统平台包括网络操作系统、工作站操作系统、通信及协议软件、数据库管理系统以及开发工具软件，各种网络服务软件系统、应用软件系统也可以纳入广义的计算机网络工程中；网络安全和管理平台包括网络安全软件系统和网络管理软件系统网络安全系统又包含数据加密子系统、入侵检测子系统、防火墙子系统、网络防毒子系统和身份认证子系统。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,19,计算机网络的三个基本平台,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,20,计算机网络的硬件系统包括：若干个主机计算机网络资源的主要载体，是网络服务的主要提供者和使用者按用途和功能的不同，主机系统可以分为工作站和服务器一些专用的网络互联设备网络互联设备是构成计算机网络的重要组成部分。目前，网络互联设备主要有网卡、集线器、交换机、路由器、网关和网桥等。连接网络设备的传输介质传输介质是网卡与网络设备、网络设备与网络设备之间的物理连线。传输介质的两端通过连接器连接到网络设备和网卡的通信端口，从而实现主机与设备、设备与设备之间的互联。在计算机网络中，传输介质分有线介质和无线介质两大类,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,21,网络拓扑结构,在网络中，将不同设备根据不同的工作方式进行连接被称作拓扑(Topology)。总线结构,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,22,星型结构网状结构等,环型结构,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,23,网络体系结构及OSI参考模型,计算机之间相互通信的层次以及各层中的协议和层次之间接口的集合称为网络体系结构。开放系统互联参考模型OSI由国际标准化组织制定，是一个标准化的、开放的计算机网络层次结构模型。OSI由7层组成，自下而上依次为：物理层数据链路层网络层运输层会话层表示层应用层,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,24,TCP/IP协议结构,TCP/IP协议的使用范围极广，是目前异种网络通信使用的唯一协议体系，适用连接多种机型，既可用于局域网又可用于广域网，事实上，TCP/IP协议已经成为一种既成事实的工业标准。TCP/IP模型同样按照分层的概念描述网络的功能，TCP/IP模型由4层组成，自下而上依次为物理层、网络层、运输层和应用层，每一层都有若干协议支持该层的功能。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,25,网络工程实施,计算机网络工程实施是下述两个环节之后：完成了工程规划制定了工程设计方案网络工程实施是将设计方案付诸实践的过程，主要包括工程现场调查设备及系统采办系统集成工程验收与优化,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,26,第八讲工程与物联网工程,什么是工程信息化工程网络工程软件工程物联网工程的相关命题,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,27,软件工程,信息化工程中，无论是信息存储系统、信息网络系统还是信息应用系统，任何信息系统的建设，都离不开软件开发是软件在实现这些应用系统需求的功能。庞大的系统需要系统化的软件来支持。复杂的软件系统的开发，也带来的一个新的领域软件工程。软件工程是采用工程的概念、原理、技术和方法来开发与维护软件，将经过时间考验而证明正确的管理技术与当前能够得到的最好的技术方法结合起来，其目的在于提高软件的质量与生产率，最终实现软件的工业化生产。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,28,软件工程的基本原理,软件工程专家B.W.Boechm综合学者们的意见和软件开发的经验，于1983年提出了软件工程的7条基本原理，这7条基本原理是确保软件产品质量和开发效率的最小集合用分阶段的生产周期计划严格管理坚持进行阶段评审实行严格的产品控制采用现代程序设计程序结果应能清楚地审查开发小组的人员应该少而精承认不断改进软件工程实践的必要性,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,29,软件生命周期,软件生命周期是从用户需求开始，经过软件开发、交付使用、在使用中不断维护等一系列相关活动的全周期，一般包括软件定义软件开发软件维护,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,30,软件定义阶段,主要解决的问题是“做什么”，也就是要确定软件的处理对象、软件与外界的接口、软件的功能和性能、界面以及有关的约束和限制。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,31,软件开发阶段,主要解决问题是“怎么做”，也就是最终得到可交付使用的软件产品。软件开发阶段通常可分为软件设计、编码、软件测试阶段,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,32,软件维护,软件维护主要是指根据需求变化或硬件环境的变化对应用程序进行部分或全部的修改，修改时应充分利用源程序，修改后填写程序修改登记表，并在程序变更通知书上写明新旧程序的不同之处。需要强调的是，程序只是完整的软件产品的一个组成部分，文档应该是在软件开发过程中产生的，而且应该是“最新的”(即与程序代码完全一致)。软件开发组织和管理人员可以将文档作为里程碑，来管理和评价软件开发工程的进展状况；软件开发人员可以利用文档作为通信工具，在软件开发过程中准确地交流信息；软件维护人员可以利用文档资料理解被维护的软件。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,33,软件过程,为了获得高质量的软件产品，必须采用科学、合理的软件开发过程。软件过程定义了运用方法的顺序应该交付的文档资料为保证软件质量和协调变化所需要采取的管理措施以及标志软件开发各个阶段任务完成的里程碑。软件过程模型描述软件过程的整体框架，它是软件过程的一种抽象表示。不同的软件过程模型以不同的方式定义了软件过程活动的流程框架，并在实际应用中体现出各自的特点。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,34,瀑布模型是经典的软件开发过程模型，它是由WinstonRoyce在1970年提出的，直到20世纪80年代早期一直是唯一被广泛采用的软件开发模型。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,35,快速原型模型,快速原型模型第一步是迅速构建一个可以运行的软件原型，实现客户或未来的用户与系统的交互，由用户或客户对该原型进行评价，并进一步细化待开发软件的需求。经过逐步调整原型使其满足客户的要求之后，开发人员可以将客户的真正需求确定下来；第二步则在第一步的基础上开发客户满意的软件产品。快速原型的关键在于尽可能“快速”地构建原型一旦确定了客户的真正需求，所构建的原型将被丢弃。原型系统的内部结构并不重要，重要的是必须迅速建立原型，随之迅速修改原型，以反映客户的需求。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,36,增量模型,增量模型把原型作为最终产品的一部分，可满足用户的部分需求，经用户试用后提出进一步需求，开发人员根据反馈信息实施开发的迭代过程。如果一次迭代中有些需求还不能满足用户的需求，可在下一次迭代重予以修正，直到实现了所有用户需求后，软件才可最终交付用户,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,37,增量模型优缺点,增量模型具有能在软件开发的早期阶段使投资获得明显回报和易于维护的优点；在开发过程中，需求的变化是不可避免的。增量模型的灵活性可以使其适应这种变化的能力大大优于瀑布模型增量模型也存在以下缺陷：由于各个构件是逐渐并入已有的软件体系结构中，所以加入构件必须不破坏已构造好的系统部分，这需要软件具备开放式的体系结构。增量模型也很容易退化为边做边改的方式，从而使软件过程的控制失去整体性,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,38,螺旋模型,1988年，BarryBoehm正式发表了软件系统开发的“螺旋模型”，它将瀑布模型和快速原型模型结合起来，强调了其它模型所忽视的风险分析，特别适合于大型复杂的软件系统。螺旋模型将软件开发划分为制定计划、风险分析、实施开发和用户评估4类活动，沿着螺旋线每转一圈，表示开发出一个新的软件版本,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,39,软件开发方法,先进的软件开发方法可以在很大程度上降低软件开发成本、提高软件质量。没有一种软件开发方法能适用于所有的软件开发。事实上，由于软件的种类、规模、使用对象不同，采用的开发方法也不同。结构化方法面向对象方法。结构化方法就是强调所开发的软件在结构上的合理性，体现指系统内容各组成要素之间的相互关系、相互作用的框架。由此提出了一组提高软件结构合理性的准则，如：分解和抽象模块独立信息隐蔽等。结构化方法分为结构化分析、结构化设计、结构化编程和结构化测试等。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,40,在软件开发过程中把面向对象的思想运用其中并指导开发活动的系统方法，称为面向对象方法。所谓面向对象就是基于对象概念，以对象为中心，以类和继承为构造机制，来认识、理解、刻画客观世界，来设计、构建相应的软件系统。用面向对象方法开发的软件，其结构是基于客观世界的对象结构，与传统的软件相比，软件本身的复用性和扩充性都得到了提高，更重要的是能够支持需求的变化。用面向对象方法开发软件，通常需要建立三种模型：(1)对象模型描述系统的静态结构；(2)动态结构描述系统的控制结构；(3)功能模型描述系统的计算结构。功能模型指明了系统应该“做什么”；动态模型规定了“什么时候做”；对象模型定义了“谁在做”。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,41,软件质量管理,软件质量是软件产品与明确的和隐含的需求相一致的程度，它通常由一系列的质量特性来描述。软件质量可以用6个特性来评价：功能性、可靠性、可用性、有效性、可维护性和可移植性。软件工程的一个重要目标是“开发出高质量的软件”软件正确运行软件运行的响应时间符合要求软件使用方便快捷程序代码易于理解等“程序代码易于理解”往往是一种用户没有明确提出的需求，但却是影响软件质量的重要因素。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,42,有效的软件项目管理集中于4个方面：人员(People)、产品（Product）、过程（Process）和项目（Project），简称为项目管理的“4P”，,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,43,第八讲工程与物联网工程,什么是工程信息化工程网络工程软件工程物联网工程的相关命题,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,44,有两个初始命题：物联网工程是干什么的，物联网工程人才的培养定位是什么？毫无疑问，物联网工程的目标是建设物联网，物联网建设是属于信息化建设的一部分，物联网系统依然是信息系统。有所不同的是，物联网是信息化建设的新阶段，包含了更多的内容。从第2章物联网的体系结构可以看出，它包含感知子网、传输子网、信息处理支撑平台和应用子网四个部分；从第3-7章的物联网关键技术可知，相关内容涉及电子工程、通信工程、网络工程、软件工程和控制科学与技术还有应用领域可能涉及汽车工程、环境工程、交通工程、农业工程、物流管理等。,5/28/2020,江苏大学计算机科学与通信工程学院,45,物联网工程相关知识如此繁多，背景知识结构如此庞杂作为一个“物联网工程”专业的人才，不可能精通所有的领域。那么物联网工程的技术人员需要什么样的知识结构、在物联网工程中究竟干什么工作呢？我们作为