项目六 新一代信息技术概述

项目六

新一代信息技术概述项目导读新一代信息技术是以物联网、人工智能、区块链、量子信息、移动通信等为代表的新兴技术。它既是信息技术的纵向升级，也是信息技术之间及其与相关产业的横向融合。本项目就来学习新一代信息技术的基本概念、技术特点和典型应用等。知识目标了解以物联网、人工智能、区块链、量子信息、移动通信等为代表的新一代信息技术的基本概念、技术特点等，对新一代信息技术的发展现状和趋势有一定的认识。能力目标能够清晰描述运用新一代信息技术解决实际问题的典型案例，正确分析其应用价值，并能够运用新一代信息技术解决本专业领域实际问题。理解新一代信息技术对人们的生产生活所产生的影响，认同并维护我国科教兴国战略，自觉培养创新意识，勇担民族复兴使命，发扬时代精神。素养目标任务一了解物联网目录|contents任务二了解人工智能式了解量子信息了解移动通信技术任务三了解区块链任务四任务五任务一|了解物联网体验探究——了解校园一卡通校园一卡通取代了学生在校学习和生活中所使用的各种卡证，使学生仅需持有一张小小的RFIDIC卡，即可在食堂、超市、水房、图书馆、教务处、宿舍等多个场景中完成生活消费、学籍管理、身份认证、网上交费等多种操作（见图6-1），真正实现了“一卡在手，走遍校园”。目前的校园一卡通系统大都包含以下子系统（1）身份识别子系统（2）商品消费子系统（3）混合类子系统图6-1校园一卡通的功能一、物联网是什么75%25%图6-2物联网示意图

物联网又称传感网，是利用RFID、传感器、全球定位系统（GPS）、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

物联网的定义包含两层意思：一是物联网的基础仍然是互联网，它是在互联网的基础上延伸和扩展的网络；二是其用户终端延伸和扩展到了任何物体之间，使任何物体之间都可以进行信息交换和通信。简而言之，物联网就是“物物相联的互联网”，如图6-2所示。（1）感知层（2）网络层利用RFID、传感器、摄像头、全球定位系统等传感技术和设备，随时随地获取物体的属性信息并传输给网络层。通过各种网络，将物体的信息实时、准确地传递给应用层。（3）应用层有一个信息处理中心，用来处理从感知层得到的信息，以实现物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等实际应用。二、物联网的体系结构物联网作为一个网络系统，与其他网络一样，也有其特有的体系结构。它包括感知层、网络层和应用层3个层次，如图6-3所示。图6-3物联网的3层结构模型三、物联网的应用场景智能家居可通过互联网实现各设施的互联互通，形成一个小型的物联网系统，这些设施会收集并实时共享环境信息，并根据这些信息智能地调节自身状态。1智能家居图6-4智能家居2智能医疗物联网在智能医疗中的应用包括病人监控、远程医疗、医疗管理、医院物资管理等，如图6-5所示。图6-5智能医疗3智能物流物联网在智能物流中的应用包括库存监控、物品识别、配送管理、运输管理、包装管理、装卸管理、安全追踪等。4智能交通物联网在智能交通中的应用包括车辆定位与调度、交通状况感知、交通智能化管控、停车管理等，如图6-6所示。图6-6智能交通5智能工业物联网在智能工业中的应用包括生产过程控制、供应链跟踪、生产环境监测、产品质量检测等。6智能农业物联网在智能农业中的应用包括自动灌溉、自动施肥、自动喷药、异地监控、环境监测等，如图6-7所示。图6-7智能农业实践探索——了解智能穿戴智能穿戴是指利用物联网技术对日常穿戴（如手表、眼镜、耳机等）进行智能化设计，使开发出的可穿戴设备具备运动辅助、健康监测、安全定位等功能，如图6-8所示。智能穿戴能够充分体现“科技以人为本”和“科技让生活更美好”的理念，是物联网未来发展的一大趋势。请体验生活中的智能穿戴产品（如智能手环），或通过互联网查询相关产品资料，了解常见的智能穿戴设备，谈谈对智能穿戴现状的分析和未来的展望。图6-8智能穿戴任务二|了解人工智能体验探究——体验人脸识别技术人脸识别（又称人像识别或面部识别，俗称刷脸），是一种基于人的脸部特征信息进行身份认证的生物特征识别技术。目前，人脸识别已大规模应用到教育、交通、医疗、安防等行业领域，以及楼宇门禁、交通过检、公共区域监控、服务身份认证、个人终端设备解锁等特定场景。（1）刷脸门禁（2）刷脸支付体验探究——体验人脸识别技术（3）刷脸解锁手机（4）刷脸登录App一、人工智能是什么人工智能（artificialintelligence，AI）是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门学科，其目标是生产出能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器。

具体来说，人工智能就是让机器像人类一样具有感知能力、学习能力、思考能力、沟通能力、判断能力等，从而更好地为人类服务。无论是手机上的指纹识别、人脸识别、导航系统、美颜相机、新闻推荐、智能搜索、语音助手、翻译助手、垃圾邮件过滤等应用，还是智能监控、智能音箱、智能机器人（见图6-13）、自动驾驶汽车（见图6-14）、无人机，这些都与人工智能密切相关。图6-13智能机器人1机器学习二、人工智能的关键技术图6-15机器学习

机器学习是指使计算机能像人类一样学习，以获取新的知识或技能，重新组织已有的知识结构，从而不断改善自身性能，如图6-15所示。机器学习是使计算机具有智能的根本途径，它让计算机不再只是通过特定的编程完成任务，而是可以通过不断学习来掌握本领。

机器学习主要依赖大量数据训练和高效的算法模型，其背后需要具有高性能计算能力的软硬件和大量数据作为支撑。2计算机视觉计算机视觉是指使计算机具备像人类那样通过视觉系统提取、观察、理解和识别图像与视频的能力，如图6-16所示。生物特征识别是指根据人的生理或行为特征对人的身份进行识别、认证，如图6-17所示。从应用流程看，生物特征识别通常分为注册和识别两个阶段。图6-16计算机视觉

3计算机视觉图6-17生物特征识别4自然语言处理自然语言处理是指使计算机拥有理解、处理人类语言的能力，包括机器翻译、语义理解、问答系统等。其中，利用语义理解可以自动识别文章的核心议题，自动将文章按内容进行分类，自动纠正文本错误，自动提取评论中表达的观点，自动检测文本中蕴含的情绪特征等；利用问答系统可以让计算机用自然语言（人类语言）与人交流。语音识别是指将人类语音中的词汇内容转换为计算机可以“读”的数据，即让机器能听懂“人话”。目前，语音识别的应用包括语音拨号、语音导航、室内设备语音控制、语音搜索、语音购物、语音聊天机器人等。图6-18“小爱同学”聊天机器人5语音识别1工业机器人2服务机器人6机器人技术工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或其他形式的机器装置，如图6-19所示。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序自动运行。工业机器人可以降低劳动力成本、提高生产效率，已在制造行业得到广泛应用。服务机器人的定位就是服务，如图6-20所示。从服务机器人的功能特点上来看，它与工业机器人的一个本质区别在于，工业机器人的工作环境都是已知的，而服务机器人所面临的工作环境绝大多数都是未知的，因此制造难度更大。图6-19利用工业机器人组装汽车图6-20利用服务机器人送餐三、人工智能的应用场景1智能制造人工智能在智能制造方面的应用主要表现在以下两个方面：一是智能装备，包括自动识别设备、人机交互系统、工业机器人及数控机床等具体设备；二是智能工厂，包括智能设计、智能生产、智能管理及集成优化等具体内容。2批注文档人工智能在金融领域的应用主要包括以下几个方面。（1）智能获取客户。依托大数据和人工智能技术对金融用户进行画像，提升获客效率。（2）用户身份验证。通过人脸识别、声纹识别等生物识别手段，对用户身份进行验证。（3）金融风险控制。通过大数据、计算力、算法的结合，搭建反欺诈、信用风险等模型，多维度控制金融机构的信用风险和操作风险，避免资产损失。（4）智能客服。基于自然语言处理和语音识别技术，建立聊天机器人客服和语音客服系统，降低服务成本，提升用户服务体验。3智能安防智能交通是指借助现代科技手段和设备，将各核心交通元素连通，实现信息互通与共享，以及各交通元素的彼此协调、优化配置和高效使用。4智能交通智能安防技术是一种利用人工智能对视频画面进行采集、存储和分析，从中识别安全隐患并对其进行处理的技术。智能安防与传统安防的最大区别在于，传统安防对人的依赖性比较强，非常耗费人力，而智能安防能够通过机器实现智能判断。国内智能安防分析技术主要有两类。1手术机器人应用案例2医疗影像识别案例5智能医疗世界上最具有代表性的手术机器人是达·芬奇手术系统，如图6-21所示。该人工智能系统的识别速度和准确率均超越了顶级的放射科医生。图6-21利用达·芬奇手术机器人做手术物流企业除利用条形码、射频识别技术、传感器、全球定位系统等优化和改善运输、仓储、配送、装卸等物流业基本活动外，也在尝试使用计算机视觉及智能机器人等技术实现货物自动化搬运和拣选等复杂活动，使货物搬运速度、拣选精度得到大幅度提升。6智能物流图6-22京东无人仓图6-23京东无人机图6-24京东无人车实践探索——体验实物识别和图片查询生活中有很多事物，我们可能不认识或者无法准确地说出它们的名称，借助采用人工智能技术的软件可以帮助我们解决这个问题。请使用具有识别功能的软件（如百度、淘宝、京东、支付宝、形色等App），体验实物识别和图片查询等功能在生活中的应用，如图6-25所示。图6-25实物识别和图片查询在生活中的应用任务三|了解区块链比特币（Bitcoin）是一种电子加密货币，其概念最初由中本聪在2008年11月1日提出，并于2009年1月3日正式诞生。与现有的货币不同，比特币不依靠特定货币机构发行，而是依据特定算法，通过大量的计算产生。比特币网络基于区块链技术，由参与到比特币支付体系的所有节点共同构成。当比特币网络中产生了一笔交易时，网络中的所有节点都会确认这笔交易并将其记录在“账本”上，只有所有人的“账本”上都存在这笔交易，该交易才是真实有效的。这使得在比特币网络中的每一笔交易都是不可伪造、不可篡改的。此外，比特币网络利用了计算机密码学中的加密算法对货币进行加密，确保了货币流通各个环节的匿名性和安全性。体验探究——了解比特币区块链是一种在对等网络环境下，通过透明和可信规则，构建不可伪造、不可篡改和可追溯的块链式数据结构，以实现和管理事务处理的模式。

区块链是分布式数据存储、传输、加密等计算机技术在互联网时代组合创新的应用模式，具有分布式对等、数据块链式、不可伪造和防篡改、透明可信、高可靠性等特征。区块链包括以下三个基本概念。一、区块链是什么（1）交易（transaction）（2）区块（block）（3）链（chain）对账本的一次操作，导致账本状态的一次改变，如添加一条转账记录。记录一段时间内发生的所有交易和状态结果，是对当前账本状态的一次共识。由区块按照发生顺序串联而成，是整个账本状态变化的日志记录。二、区块链的基本原理（1）比特币客户端发起一项交易，广播到比特币网络中并等待确认。（2）一旦节点计算出满足条件的nonce串，这个区块在格式上就被认为是“合法”的，可尝试在网络中将它广播出去。四、区块链的应用场景1区块链带来的潜在优势包括降低交易成本、减少跨组织交易风险等。金融领域的区块链应用目前最受关注，全球不少银行、证券、保险等金融机构都是主力推动者。部分投资机构也在应用区块链技术降低管理成本和管控风险。金融服务中国人民银行成立了“中国人民银行数字货币研究所”，并深入研究了数字货币涉及的相关技术，包括区块链、移动支付、可信可控云计算、密码算法、安全芯片等。（1）（2）2016年，加拿大央行宣称正在开发基于区块链技术的数字版加拿大元（名称为CAD币），将允许用户使用加元来兑换该数字货币。（5）（3）（4）2017年3月，日本国会通过《2017税务改革法案》，该法案将比特币等数字货币定义为货币等价物，允许其用于数字支付和转账。2016年，英国央行推出了基于分布式账本平台的数字化货币——RSCoin。2017年1月，中国邮储银行宣布携手IBM推出基于区块链技术的资产托管系统，这是中国银行业首次将区块链成功应用于核心业务。2征信和权属管理征信和权属的数字化管理是大型社交平台和保险公司都梦寐以求的。目前该领域的主要技术问题包括缺乏足够的数据和分析能力，缺乏可靠的平台支持及有效的数据整合管理等。区块链可以促进数据交易和流动，提供安全可靠的支持。目前，包括美国国际数据集团（IDG）、腾讯、安永、普华永道等都已注资或进入基于区块链的征信管理领域，特别是跟保险和互助经济相关的应用场景。资源共享目前面临的问题主要包括共享过程成本过高、用户行为评价难、共享服务管理难等。3资源共享4贸易管理区块链可以有效地减少自动化国际贸易和物流供应链领域中烦琐的手续和流程。基于区块链设计的贸易管理方案会为参与的多方企业带来更多便利。物联网也是很适合应用区块链的一个领域，预计在未来几年内会有大量应用出现，特别是租赁、物流等特定场景。但就目前阶段而言，物联网自身的技术局限限制了区块链的大规模应用。5物联网实践探索——撰写关于区块链现状及其未来发展的报告区块链具有去中心化、开放性、匿名性、不可篡改和可追溯性的特点，越来越多的国家开始重视这一技术的应用与发展，纷纷出台支持政策，鼓励本国区块链生态的建立与完善。步骤1查阅资料，了解当前各国在区块链应用领域有哪些成果。步骤2由于相关应用还未普及，有兴趣的同学可以了解一下已有的典型区块链应用，如比特币、数字人民币等。步骤3根据查阅的资料，结合我国出台的各项政策，撰写一份关于区块链现状及其未来发展的报告。任务四|了解量子信息体验探索——了解“墨子号”量子科学实验卫星的重要意义“墨子号”量子科学实验卫星（见图6-26）是中科院空间科学战略性先导科技专项中首批确定的5颗科学实验卫星之一，也是世界首颗量子科学实验卫星。2016年8月16日凌晨1时45分，搭载着“墨子号”量子科学实验卫星的长征二号丁运载火箭在酒泉卫星发射中心发射升空。这次发射任务的圆满成功，进一步扩大了我国在量子通信领域的国际领先地位，也为我国建立卫星与地面远距离量子科学实验平台打下了坚实基础，对于推动我国空间科学卫星系列发展具有重大意义。请扫描二维码了解“墨子号”量子科学实验卫星的重要意义量子信息是一种由量子力学与信息技术相结合的新型技术，通过运用量子力学中的理论知识进行信息的采集、处理和传输。一、量子信息是什么量子信息二、量子信息的研究领域（1）量子通信（2）量子计算量子计算是一种利用量子力学基本原理进行计算的新型计算模式，主要研究方向为量子计算机和量子算法。量子通信是利用量子叠加和量子纠缠进行信息传递的新型通信方式，它基于量子力学中的量子测量坍缩、不可分割、不可克隆三大原理提供无法被窃听和计算破解的绝对安全性保证，主要分为量子密钥分发和量子隐形传态两种。量子计算机是指用量子态表示信息，将量子比特作为信息处理和存储单元，采用量子算法和量子编码实现高速计算的新型计算机。量子计算机的信息处理单元是量子比特，由于量子叠加效应，可同时处理0和1，这使得量子比特能承载的信息量远高于传统电子比特。量子计算机超强的计算能力为密码分析、气象预报、城市交通规划、石油探勘、药物设计等需要大规模算力的问题提供了解决方案，并可模拟高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制，为先进材料制造和新能源开发奠定科学基础。三、量子信息的应用场景1量子计算机量子通信网络是一种采用量子通信系统的保密通信网络，其可在广阔的空间范围内，为大量用户提供绝对安全的网络通信。因此，量子通信网络被称为信息安全的“终极武器”，可从根本上解决国防、金融、政务、能源、商业等领域的信息安全问题。2量子通信网络量子雷达（见图6-29）是一种利用量子力学原理，通过收发量子信号来探测目标的新型雷达。

由于量子不可复制、不可分割的特点，量子雷达发射的量子信号无法被拦截和篡改，这使得量子雷达难以欺骗和反探测，常规雷达难以探测的隐形飞机也可被量子雷达轻松发现。量子雷达具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、反隐身能力强、不易被敌方电子侦察设备发现和易于成像等优点，在军事和国防领域（如导弹防御和空间探测）具有极其广阔的应用前景和重大现实价值。3量子雷达量子导航是基于各种量子效应和微加工技术的惯性导航系统，它无须依赖外部的GPS信号即可得到精确的设备位置信息，并可将传统GPS系统数米的导航距离提升至毫米级别，大大提高导航精度，这使得量子导航在无人机、潜艇、导弹、直升机等领域有着广阔的发展前景。4量子导航5量子成像量子成像是利用量子纠缠现象发展起来的一种新型成像技术，理论上可在所有光学波段获得成像效果良好的图像，比目前最先进的激光全息成像技术更加强大。

目前的量子成像研究多处在实验室阶段，需要的成像时间普遍较长（一般为数秒），不适于瞬时成像的场合，但随着日后技术的成熟，量子成像将在航空探测、军事侦察、远程成像等领域发挥重要作用。实践探索——了解量子信息的研究现状与发展情况量子信息对当今及未来社会发展起着至关重要的作用，其发展潜力早已引起了世界主要国家的高度重视。美国、欧洲、日本及我国都将量子信息提升至国家战略高度，并投入大量资金和人才进行研究，加快筹划布局，形成了各自的特点和优势，量子信息领域的竞争日趋白热化。请以小组为单位，查阅相关资料，了解全球量子信息的研究现状与发展情况。实践探索——制作新店开业宣传海报和学校组织结构图查阅相关资料，了解世界各国在量子信息领域的研究历程和现状查阅相关资料，了解我国在量子信息领域的研究历程和现状查阅相关资料，了解我国在量子信息领域的未来趋势和战略目标请各组对比收集到的中外量子信息相关资料，探讨对量子信息重要性的看法和对量子信息未来发展的展望。步骤1步骤2步骤3步骤4任务五|了解移动通信技术在2019年的中国国际信息通信展览会开幕式上，工信部与中国电信、中国联通、中国移动、中国铁塔共同宣布启动5G商用。截至2021年4月，我国5G套餐用户已经超过了3.5亿户，5G信号覆盖了所有地级市，这意味着我国已初步建成全球最大规模的5G移动网络。可以说，5G已走进千家万户，我国正全面迈入5G时代体验探索——走进5G时代请扫描二维码观看走进5G时代步骤1步骤2步骤3查阅资料，了解移动通信技术的发展历程。由于相关应用还不成熟，用户关于5G最直观的感受还是网络速度的大幅度提升。在手机上使用5G下载一部高清电影，体验5G的网络速度。依据5G的网络特点，分组讨论5G未来可能有哪些应用场景。图6-30移动通信技术的发展历程一、第五代移动通信技术与前几代移动通信技术相比，5G具有以下优点：（1）（2）（3）从用户体验看，具有更高速率、更大带宽的5G能够满足消费者对更高网络体验的需求。从行业应用看，5G具有更高的可靠性、更低的时延，能够满足智能制造、自动驾驶等行业应用的特定需求，拓宽融合产业的发展空间，支撑经济社会创新发展。从发展态势看，5G已于2019年在我国正式商用，且在持续高速发展，大有取代4G、占据行业主导地位之势。二、5G的关键技术大规模天线阵列超密集组网新型多址全频谱接入新型网络架构大规模天线阵列的通道数则可达到64～256个，这使得5G的带宽和系统频谱效率得到了成倍提升。通过增加基站部署密度，可实现百倍量级的容量提升，是满足5G千倍容量增长需求的最主要手段之一。通过发送信号的叠加传输来提升系统的接入能力，可有效支撑5G网络千亿设备的连接需求。通过有效利用各类频谱资源，可有效缓解5G网络对频谱资源的巨大需求。基于SDN、NFV和云计算等先进技术的新型网络架构，可实现以用户为中心的更灵活、智能、高效和开放的5G新型网络。三、5G的应用场景1．智慧城市智慧城市是指在城市中利用移动通信技术、物联网、云计算、大数据、人工智能等先进的信息与通信