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佈署 IoT Edge 和霧運算技術以開發智慧建築服務

2021年2月19日 星期五

《3S MARKET》這篇報導把物聯網的架構與實作，描寫的非常詳細，雖然在建築的細節上描述不多，但報導中也提及這是個實際驗證，可適用在很多的場域。不知道，有多少人真正看得懂？當然，連這篇都看不懂的人，就別說他真正了解物聯網、Edge 與 Cloud。

事實上這篇報導的描述不難了解，真正物聯網與邊緣運算的挑戰，是在實作。實作真正面臨的，是這些數據處理、融合、分析上的完整度，還有 —— 找到實作的場景！

摘要

基於 SoC 架構的嵌入式系統的進步，使許多商業設備的開發變得足夠強大，足以運行操作系統和複雜的算法。這些設備整合了一組具有連通性、運算能力和成本降低的不同感測器。在這種情況下，物聯網（IoT）的潛力不斷增加，並帶來了其他發展可能性：「事物」現在可以增加數據源附近的運算量；因此，可以在本地系統上，佈署不同的物聯網服務。

這種範例稱為「邊緣運算」，它整合了物聯網技術和雲端運算系統。邊緣運算可以減少感測器與中央數據中心之間，所需的通信頻寬。此方法需要管理感測器、執行器、嵌入式設備，和可能不連續連接到網路的其他資源（例如智慧手機）。這種趨勢對於智慧建築設計非常有吸引力，在智慧建築設計中，必須整合不同的子系統（能源、氣候控制、安全性、舒適性、使用者服務、維護和營運成本）以開發智慧設施。在這項工作中，分析和提出了一種基於邊緣運算範例的智慧服務設計方法。

這種新穎的方法，克服了現有設計中與服務的互操作性，和可伸縮性有關的一些缺點。描述了基於嵌入式設備的實驗架構。能源管理、安全系統、氣候控制和資訊服務，是實施新智慧設施的子系統。

1. 簡介

建築自動化系統使用開放式通信標準和介面，可以整合多種不同的建築控制規則，例如供暖、通風、空調、照明和百葉窗、安全功能和設備。但是，現有建築物通常不具有這些系統。

通常，每種安裝類型都提供特定的服務：供暖通風和空調（HVAC）控制氣候服務，攝影機和感測器提供安全服務等。僅當設計能源管理系統時，不同的子系統相關，但僅透過以下方式，連接建築物的能源管理系統。能源管理服務，集中在專用軟體中。

對於使用者和維護技術人員來說，提供不同服務的不同製造商，發現很難整合新的服務和功能。自動化建築將用於控制和數據採集的軟體，與工業協議和介面整合在一起。此外，將新服務整合到這種解決方案中並不容易，這取決於已安裝軟體的開發。

這些工業發展還為能源管理，提供了雲端連接解決方案和智慧服務。這些服務，也在集中式電腦系統中開發。數據被傳輸到這些系統或雲端進行分析。本文提出使用佈署在物聯網（IoT）技術中的邊緣和霧運算範例，主要有兩個目的：

A. 在自動化和非自動化建築物中，促進新的智慧和可互操作服務的整合（整合）。

B. 允許在建築物的所有子系統之間，分配智慧服務（互操作性）。

透過該建議，可以促進建築物子系統之間的關係。它還促進創建新的智慧服務（例如，新的分佈式智慧控制算法；使用電源管理捕獲的數據，來檢測人類活動；捕獲設備連接的模式辨識，運算可再生電力預測，在安全服務中使用電力數據等）。在這項工作中，我們設計了一個中間軟體的體系結構，該體系結構具有兩個主要層，這些層基於嵌入式設備、IoT 通信協議和硬體支援，來開發人工智慧算法（圖1）。

為了實現這一目標，我們在建築物的設施中添加了兩個概念等級：邊緣節點和霧節點。每個等級都有不同種類的設備和功能。我們佈署並實現了基於層的中間軟體的體系結構，以對模式進行實驗。

本文的組織結構如下：第 2 節回顧了智慧建築技術，建築物中的 IoT 佈署以及邊緣運算範例。第 3 節提出了一種在建築物（自動與否）中佈署邊緣和霧運算範例的方法。第 4 節介紹了進行的實驗。最後，第 5 節介紹了結論和未來的工作。

2. 相關工作

本節介紹與這項工作相關的主要研究領域。首先，我們在分析雲端運算層之後，回顧了基於邊緣運算範例的資源和服務供應。最後，我們研究了實現智慧建築的技術，並在最後的小節中，總結了先前研究的貢獻。

2.1. 邊緣運算資源和服務供應

最近，網路在兩端被標記為「邊緣」和「核心」，以查明處理發生的位置。邊緣端靠近數據源和使用者，核心端由雲端伺服器組成。透過這種方式，邊緣運算範例將運算推送到 IoT 網路的邊緣，以減少數據處理延遲，和發送到雲端的數據數量。基於雲端的後端，可以處理對時間不太敏感，或源設備本身不需要結果的處理請求（例如，物聯網網路狀態下的大數據分析）。

在邊緣運算資源供應方面，正在進行的 Horizo​​n 2020 RECAP 項目，提出了一種整合的雲端 - 邊緣 - 霧端架構，目的在解決應用放置、基礎架構管理和容量供應。雲端/邊緣基礎架構監控功能豐富了應用，基礎架構和工作負載模型，這些模型又被回饋到優化系統中，該系統可以協調應用並持續配置基礎架構。

徐等人進行的研究。 提出了一種用於邊緣運算的實用感知資源分配方法，稱為 Zenith。借助 Zenith，服務提供商可以與邊緣基礎設施提供商，建立資源共享合同，從而允許延遲感知資源調配算法，以滿足其延遲需求的方式，來調度邊緣任務。

邊緣節點資源管理（簡稱 ENORM），是管理邊緣/霧節點資源的框架，可透過監控應用需求，來自動擴展邊緣節點。可以透過靜態優先等級分配，來確定特定應用的優先等級。供應和自動縮放機制，是基於線性搜索的相對簡單的實現。

當源本身是可行動的時，邊緣雲範例也是可行的。 Chen 等人研究了行動設備向邊緣節點（特別是在無線電接入網路邊緣）的智慧運算分流。在這項工作中，作者提供了任務卸載算法，將分佈式運算卸載決策表述，為多使用者運算卸載功能。在同一項工作中，Wang 等人研究了聯合協調卸載任務，到多個邊緣節點的問題，並提出在邊緣等級引入及准入控制，以及兩階段調度方法，與傳統的最近邊緣選擇方法相比，改進了卸載性能。

2.2. 雲端運算服務配置

就社會和行業採用資訊技術而言，雲端運算範例是最具創新性的策略之一。提供的優勢提高了效率，並降低了成本，同時提供了可透過 Internet，普遍存取訪問的按需 IT 資源和服務。

當前，雲端運算服務種類繁多，甚至如何提供，這是一個受到廣泛研究的主題，正在提出許多的方案。甚至有評論總結了雲端運算範例的相關研究。

本小節介紹了有關以下問題的先前工作，這些問題與本手稿的主題有關：（i）安全性； （ii）服務品質（QoS）； （iii）提供邊緣服務。

（i）安全是雲端運算中一個具有挑戰性的問題。雲端服務位於應用環境之外，並且超出了防火牆的保護範圍，因此，需要附加的安全層。另外，邊緣和霧運算應用的行動性和異構性，使得難以定義單個過程。因此，需要一種分佈式安全策略。

此外，必須有一個標準化的環境，才能正確解決此問題，並指定霧運算和邊緣設備，如何相互協作。網路邊緣上的多個霧節點之間的敏感數據通信，需要資源受限的事物的輕量級解決方案。另一個與安全性相關的問題是數據位置。在雲端中運行數據分析是很常見的。因此，關於數據安全或隱私的公有雲與私有雲的爭論就出現了。

（ii）分配給雲端應用的資源，通常是根據合同規定的服務水準協議（SLA）所設置的。但是，實際上，由於偶爾執行大量事務，而導致分配的基礎結構飽和，可能會出現瓶頸。為了解決此問題，可以在資源可用時，動態擴展雲端基礎架構。當前，最具創新性的趨勢，目的在建構自動 SLA 合同合規系統。在 Faniyi 和 Bahsoon，以及 Singh 和 Chana 進行的研究中，可以找到與品質服務管理相關建議的詳盡綜述。考慮到這一點，提出了幾種策略來預測，應用的資源需求和 QoS 的要求。最近的工作試圖將安全性和 QoS 問題結合起來，以提供全面的性能指標。

（iii）最後，濫用雲端服務，是該領域的另一個問題。物聯網環境是霧和邊緣設備不斷加入或離開，動態的執行前後關聯。因此必須在網路邊緣提供彈性的服務。為此，在網路的可用設備之間，共享應用工作負載，可以為高階運算應用提供靈活性。提出了可靠的服務供應方法，來為系統提供更高的彈性，並提供靈活和優化的雲端服務。

在本主題中，將雲端框架和中間軟體技術，設置為與雲端層，以及具有不同介面操作系統，和體系結構的設備之間，進行通信的平台。

2.3. 物聯網在建築服務工程中

物聯網開發為在建築物上，開發數位服務提供了新資源。建築物中常見的物聯網應用，包括節能的過程環節、維護改進、雜務自動化和增強安全性。由於全球變暖，建築物的節能是一個重要的課題。

物聯網技術引入智慧建築，不僅可以減少本地溫室氣體排放，還可以將減少溫室效應擴大到更大的領域。目前，物聯網還被用於建築領域，以協助設施管理。物聯網使營運系統能夠提供更準確和更有用的資訊，從而改善營運，並為房客租戶提供最佳體驗。有基於物聯網的建議，這些建議顯示建築系統，如何與雲端進行通信，並分析所獲取的數據，以開發新的業務見解，從而能夠推動真正的增值和更高的績效。

實驗研究顯示，物聯網平台不僅可以改善，工業能源管理系統中實體的互連性，而且可以降低工業設施的能源成本。 FacilitiesNet 表示，建築物聯網（BIoT）正在推動我們獲取資訊，彼此互動和做出決策的方式發生重大轉變。BIoT 不僅與連接性或設備數量有關，而且還與交付實際和相關結果有關。當前，有很多基於物聯網的智慧家庭應用的例子。

然而，智慧設備或「物」，僅僅是連接到網路的設備或嵌入式系統。增值來自設計協調系統，和提供智慧服務，以提供實際收益的能力。這些特徵基本上，取決於對不同類型連接事物的異質性，及其互操作性的管理，並取決於數據處理提供的情報潛力。

Tolga 和 Esra 進行的研究得出的結論是，就智慧家庭系統中的軟體和硬體而言，物聯網技術尚未變得穩定。原因之一，有可能是物聯網技術仍處於發展階段。McEIhannon 所撰寫有關物聯網應用的邊緣雲和邊緣運算的未來，其評論得出了類似的結論。這篇評論提到概念和發展，目前還處於早期階段，從學術和行業的角度來看，許多挑戰都需要解決。

物聯網帶來了新的機會，但許多企業仍在尋求了解和分析，其將如何影響，並與現有的 IT 結構和管理策略整合。為此，必須創建專門的使用模式和技術，來彌合這一差距。

2.4. 發現

以下結論闡明了這項研究建議的新穎之處：

雲端運算作為「實用」的一般概念，非常適合智慧家庭應用的常規需求。但是，在某些情況下，將所有運算都移到雲端中，是不切實際的。

邊緣計算作為一種計算範例而出現，可以在物聯網設備生成的數據附近執行計算。這種範例可能有助於滿足最新應用的安全性和 QoS 的要求。

當前，控制子系統的高級建築設施，通常使用 Internet、IoT 協議和 Web 服務。專有系統是使用標準的 Internet 通信協議設計的，用於管制和監控。先前的工作顯示，基於無線感測器網路、Web 介面和工業控制模式，用於氣候控制、電源管理或安全性的控制系統，使用不同的監視和控制技術。監控應用分析，得自監控和數據採集系統中的這些子系統。對於不同的子系統，有不同的解決方案。考慮到上述情況，本工作中提出的模式，引入了以下新穎元素：

A. 介紹了一種分層架構（整合了邊緣和霧端等級），以及提供子系統之間互操作性，以及在建築物控制中開發智慧服務的方法，該方法使用了邊緣和霧端範例，這些範例將 IoT 協議整合在一起，並在本地 Intranet 中操作 AI 技術，讓雲端服務的通信層，完善了該層的架構。

B. 介紹了一種基於使用者為中心的方法，用於在互操作性需求下設計、驗證和改進新服務。

C. 該提案允許使用可以在已建的建築物中，實施的非專有硬體和軟體系統。

3. 計算模式設計

建築物中的設施子系統分為有照明、氣候、能源、安全、警報、電梯等。在自動化建築中，這些子系統由專門的控制技術控制和監控。在非自動化建築物中，不存在這些服務，並且子系統透過電子和電氣方式進行控制。在這兩種情況下，所有子系統都為建築營運，提供必要的服務。

從邏輯上講，每個子系統都在其場景中起作用，並且不能與其他子系統互操作。嵌入式電子控制器和連接的不同感測器，可以使每個子系統自動化。這些服務都是基於直接反應性控制規則。除了嵌入式控制系統和感測器之外，通信技術（基於 Internet 協議）和新的行動設備還為開發管制、監控和數據訪問服務，提供了新的可能性。

在智慧型動設備上開發，並連接到 Web 伺服器的人機介面和專用應用，是近年來已實現的服務的範例。每個子系統中的專家（氣候、安全性、電源等），都具有可以轉換為專家規則的知識。這些規則被轉換為用於管理、維護、控制、優化和其他活動的控制算法。這些規則是可以，在可程式設備上編程和實現的。但是，它們是靜態的，不會在出現新情況時發生變化，並且不能互操作，也無法適應每個安裝的特性。

例如，氣候或安全專家決定，如何使用標準啟動條件，來配置每個子系統。每個控制規則僅在一個子系統（此範例中為氣候或安全性）中工作，因此，這些子系統之間沒有互操作性。考慮到這種情況，提出的模式有助於並允許，基於不同子系統的互操作性，來整合新的數位服務，並將人工智慧（AI）技術的新服務，引入當前設施。

例如，諸如電梯控制的設施，可以用於安全服務或建築能源管理服務。氣候控制設施，可以與安全子系統整合在一起。整合到模式中的天氣預報軟體系統，可以由能源管理服務，或建築物空調服務使用。

目的是讓每個子系統中的專家，參與設計整合服務，並將所有子系統轉換為可互操作的系統。該模式會開發自動規則，並允許在考慮安裝行為本身的情況下進行決策。該模式基於一個過程，該過程包括四個開發階段（圖2）和分為不同級別的硬體 - 軟體體系結構（圖3）。該體系結構的主要等級，是邊緣等級和霧等級。這兩個層次介紹了在建築物中，應用物聯網技術的新穎性。下面介紹了模式的各個階段（分析、設計、實施和啟動）。

．分析：在此階段確定了不同的專家使用者（氣候、安全、電力、水、能源、管理人員，以及資訊和通信技術（ICT）技術人員）。諮詢專家使用者，以指定需要控制的主要過程。資訊通信技術專家作為整合環節，參與了這一過程。第一種方法產生了設計控制規則，和潛在服務所需的事物（對象）。在此階段，使用以使用者為中心的方法，並捕獲子系統的需求。

．設計：我們提出了一個三層架構（邊緣、霧端和雲端），如圖 3 所示。

．實施和數據分析：在此階段中已安裝和整合了子系統。服務基於每個子系統中的規則，分析事物（對象）生成的數據，以設計基於機器學習的服務。

．啟動：最初，在每個子系統的監督下制訂專家規則。然後，使用回饋過程安裝規則。最後，透過人工智慧技術，可以推斷出自動的和經過調整的規則。

3.1. 分析與設計

專家使用者對此過程，進行不同的審查。以使用者為中心的技術，用於設計整合流程。目的是獲得所需的所有事物（對象），它們之間的關係，以及潛在的服務。一旦指定了事物（對象）和服務，就必須關聯通信協議和控制技術。選擇了物聯網協議和嵌入式控制器；提出了人機介面；指定了邊緣層和霧層及其功能；分析專家規則和智慧服務。最後，提出了維護和操作方法。所有這些任務在專家技術人員，和資訊技術專家之間共享。

結果是事物的定義，它們之間的關係，以及與邊緣和霧層的交互作用。該過程中代表了建築物的所有子系統，數據感測器、執行器、控制器、規則和過程經過設計，可以整合所有子系統。數據集、對象和設備，由物聯網概念表示。事物由具有狀態和配置數據的實體，和前後關聯組成。事物數據位於霧和邊緣節點中，儲存的不同配置中的關聯性。

事物以數據向量表示：[ID、類型、節點、前後關聯情境]。

– ID是辨識碼。

– 類型可以是感測器、執行器、變量、過程、設備、介面、數據儲存，或可以在 IoT 生態系統中寫入、處理、通信、儲存或讀取數據的任何對象。

– 節點指定建築物子系統、功能描述、層類型（邊緣、霧端、通信或雲端）、IoT 協議和時程存取訪問。

– 前後關聯表示在 IoT 生態系統中，用於發布或讀取數據的時間、日期、位置，與其他事物的關係、狀態和訪問頻率。

表 1 是由事物（[ID、類型、節點]）。所有事物都可以訪問配置文件（CF），以了解如何使用可用數據，以及如何使用適當的訪問權限配置新數據。前後關聯數據位於內建記憶體，或是靜態儲存。使用定義的事物，設計不同的控制規則。這些控制規則是分佈在連接到網路的不同嵌入式系統中，控制過程的一部分。事物表示佈署在安裝的不同子系統中，所有的可用資源。在此等級上，設計師對所有事物進行分析、指定和關聯。基本控制算法是使用此資訊實現的。配置關聯性允許層和設備之間，所有事物的互操作性。

在此階段的另一級設計，必須提出物聯網管理中，使用的節點要求和規範。設計的流程和服務，將在邊緣或模糊節點中實施。必須指定每個節點，以確定其內部功能、通信及其服務。在獲取數據的地方，開發了智慧和處理能力。邊緣和霧層的節點，位於數據感測器、執行器和控制器附近。本文提出的方法，使用具有兩個功能的兩層（邊緣和霧端）。每一層都可以佈署互連節點的網路，以促進互操作性。

邊緣和霧層的功能是：

邊緣層功能：在連接感測器/執行器的嵌入式設備上，開發的控制軟體。某些 AI 算法可以安裝在邊緣節點上。中央處理器（CPU）和計算資源有限。安裝了通信介面，以允許在本地網路中進行整合。

霧層功能：局域網級別的通信、AI 範例、儲存、配置關聯性和監控活動。霧節點透過處理、通信和儲存，來處理 IoT 的Gateway、伺服器設備，或其他設備中的數據。在此等級實施本地、全球的整合服務。利用這些節點的硬體、軟體和通信功能，開發了基於機器學習範例的算法。霧層設備還可以在很少單位的設施或服務中，執行邊緣節點功能。

透過這兩個等級，可以優化建築設施，以獲得不同子系統之間的整合和互操作性。

表 1 顯示了每件事與關聯性配置，和節點規範的關係。節點標識其所屬的子系統（控制、能源、氣候等），層（霧端、邊緣、通信和雲端）及其執行的功能。

3.2. 架構設計

在分析和設計階段，獲得對象（事物）及其關係。規範和要求用於實現每個層。實施取決於提供所需功能的設計，和現有技術（硬體、通信和軟體）。在此階段，開發了一種適合現有設施的體系結構。物聯網協議提供互操作性，而 AI 範例則提供了適應性和優化性。邊緣運算節點用於控制設備，霧運算節點安裝在本地網路節點上。這些等級為配置、安裝和運行新流程，提供了強大的資源。

物聯網協議，傳達所有子系統數據。每個子系統由對象/事物（虛擬等級）組成，安裝為可連接的感測器/執行器/控制器設備（硬體等級）。

物聯網通信中，針對建築場景建立的要求是：標準協議、低功耗、易於存取訪問和維護、支援整合新模組，非專有硬體或軟體，以及低成本設備。

MQTT 協議，是目的在用於提供整合和互操作性資源，異構通信場景的主要物聯網協議之一。該協議被提議作為感測器、執行器、控制器、通信設備，和子系統之間的通信範例。

MQTT 協議的一些主要功能，在不同的著作中有所顯示，這使其特別適合於這項研究。他們之中有一些是：

．它是針對資源受限的場景開發的發布 - 訂閱消息協議。

．它具有低頻寬要求。

．這是一個非常節能的協議。

．編程資源非常簡單，使其特別適合於嵌入式設備。

．具有三個 QoS 等級，它提供了可靠和安全的通信。

MQTT 開發了無所不在的網路，該網路支持 n-m 節點通信模式。任何節點都可以查詢其他節點，並對其進行查詢。在這些情況下，任何節點都可以充當基地台的角色，能夠將其資訊傳輸到遠端處理位置。無處不在的感測器網路（USN）中的節點，可以處理本地數據。如果使用 Gateway，則它們具有全局可訪問性；他們可以提供擴展服務。

節點（邊緣或霧），可以具有本地和全局存取訪問權限。這些設施具有不同的可能性和益處。本地數據處理，對於基本過程控制是必需的，而全局處理則可用於模式檢測和資訊生成。從這個意義上講，擬議的平台使用了組合功能：連接到 IoT 雲端服務，本地網路區域上不同的 USN。在這種情況下，運算層（邊緣或模糊等級）將用作控制流程和雲端服務之間的介面。該層可以在與雲端進行通信之前，進行處理數據。

實現邊緣和霧端運算節點需要執行三個操作：

．連接和通信服務：所有設備必須在同一網路中，並且可以互操作。所有感測器和執行器都可用於開發服務。此活動的一個示例，是在 Internet 上遠端讀取建築物的電源參數、環境條件和開放的天氣預報數據。此活動中應實現其他功能，例如連接的安全性、可靠性和互操作性。

．嵌入式設備（邊緣運算層）中的控制算法和數據處理：在此活動中，這些設備中實現的基本控制規則和數據分析服務，可以開發新功能。此階段可以應用於數據過濾、運算氣候數據或分析功耗、直接反應控製，或使用模式辨識技術檢測事件。

．Gateway 節點（霧運算層）上的高階服務：此等級使用和管理 AI 範例，和 IoT 通信協議。霧運算節點對數據執行智慧分析，對其進行儲存，過濾並將其傳遞到不同等級，以糾正較低級別的新控制措施，或者生成雲端中服務感興趣的資訊。此階段的應用示例，包括分析新模式、預測用水量，或功耗、智慧檢測和其他預測服務。

3.3. 測試與回饋

在測試階段使用標準方法，邊緣和霧層提供不同的功能。提出了針對不同子系統的機器學習模式，並且可以將其安裝在邊緣或霧節點上。必須執行以下操作，來測試機器學習應用：

A. 定義和捕獲數據集：必須辨識、捕獲和儲存主要變量。在不同的建築子系統中，過程數據集是由連接到邊緣層的感測器捕獲的數據。使用通信協議監控和儲存數據集。一個案例是電表，該電表在配電盤中連接到嵌入式設備（邊緣節點），該嵌入式設備傳送電力數據，以在霧節點設備中儲存和處理。

B. 訓練數據集和形式辨識模式。先前數據集的一個子集，用於訓練不同的模式。評估針對從未用於訓練的數據測試模式，此過程的結果已由專家使用者驗證。目的是獲得一組代表性的結果，以了解模式在現實世界中的表現。

C. 實際場景中的驗證：必須在邊緣和霧節點上，實施新的服務和控制算法。這些模式具有用於分析數據，實施特定模式，並使用結果開發最佳參數的算法。在此階段，可以修改或進行改善模式。

D. 用統計術語和模式演變，得出測試結果：基於 AI 算法的模式而將產生近似值，而不是精確的結果。分析應用結果以確定置信度，並允許模式演化。該活動支持開發新的 AI 服務，或對已實現的算法進行修改。有監督的自動更改，是維護和改進系統的過程。此階段的過程，包括所有模式層。

建議對使用邊緣和霧，任何的安裝進行這些活動。如前所述，該模式既可以安裝在既有舊的建築物中，也可以安裝在新建築物中。對於新建築設計，基於建議模式的安裝更易於整合。此外，可以提供的服務的潛力，也使其對於既有建築物具有吸引力。

4.在建築子系統中，實施智慧服務

該模式在預先存在的住宅建築物上，進行了測試。設計和實施電源管理、管制和監控服務。物聯網協議（MQTT 和 HTTP）和 ML 範例，用於建議的層體系結構。基於 KNN 的機器學習方法，和樹決策算法用於管理功耗（家用電器），和可再生能源發電（風能和太陽能）。使用房屋中的霧節點，在雲端平台上實現監控和統計數據。該節點連接到控制可再生，和家用電器子系統的不同邊緣節點。

在圖 6 中，邊緣節點，整合在先前安裝的可再生子系統中。透過邊緣層上的這種新設備、電源管理、安全控制和操作流程得以整合，並且可以與其他子系統互操作。可以設計新的智慧服務。邊緣節點將數據傳輸到霧節點 Gateway，該 Gateway 管理功耗和發電，並控製家用電器。該節點中的輸入，是可再生能源發電的數據。輸出控件是 ON-OFF 開關，用於優化發電、安全性和操作。

4.1. 分析與設計

分析了住宅建築，以設計電源管理，安全和控制服務。 在第一種方法中，所需的主要事物（對象），它們之間的關係和不同的服務，如表 2 所示。

4.2. 執行

分析房屋中的建築子系統，以整合這個執行模式層：邊緣控制、霧服務，與雲端的通信和雲端服務。 選擇了本實驗工作中使用的感測器、執行器和控制過程（事物）。 表 3 列出了使用的嵌入式設備。

家庭服務中的控制過程，需要反應時間和互操作性。人機介面、數據存取訪問和分析服務，是本地和雲端運算上的服務。上面提到的兩個需求，都使用不同的協議處理：控制/通信上的 MQTT，和雲端服務上的 HTTP（RESTful API）是用於整合，並使所有子系統互操作的 IoT 協議。在提出的該層模式中，還使用 MQTT 協議、控制、數據處理，以及使用 RESTful 協議，到雲端的數據通信，來開發機器對機器（M2M）應用。

MQTT 使用開放的消息協議，該協議可以將遙測樣式的數據（即在遠端位置收集的測量結果），以消息的形式，從設備和感測器，沿著不可靠或受約束的網路傳輸，到伺服器（BROKER）。消息是簡單、緊湊的二進制數據包，有效載荷（壓縮的標頭，比超連結傳輸協議（HTTP）少得多的詳細資訊），並且非常適合推送簡單的消息傳遞方案，例如溫度更新或移動通知。例如，消息也可以很好地用於，將受約束的或更小的設備，和感測器連接到 Web 服務。

MQTT 通信協議，使所有對象可以互操作。透過此協議實現的發布者和訂閱者模式，可以互連所有設備和事物。該通信層由安裝在霧節點上的代理設備管理。不同的發布者和訂閱者，在不同的節點上實現。安裝了一個 Gateway 設備（霧節點）和兩個嵌入式控制器（邊緣節點），來控製家用電器和電源管理。事物和流程佈署在所有節點上。

邊緣節點控制子系統，霧節點根據決策樹，以及專家定義的規則，實現 AI 範例。霧設備將數據傳輸到雲端平台，以開發儀表板螢幕，來監看子系統的狀態。

可以開發新的雲端平台服務：事件檢測、機器學習處理、統計分析等。專家使用者設計基本的控制算法。在學習和訓練過程之後，將根據專家系統的結果，對這些算法進行調整和修改。在這項工作中，目標是在不損失生產力的情況下優化資源（控制和能源）。在邊緣或霧節點中，執行不同的控製過程；分類過程和決策樹在霧節點中實現。算法以 Python 語言實現。此語言的開源庫用於不同的應用。

4.3. 佈署與測試

對於現有建築物，邊緣節點交錯插入已安裝的控制器、配電板，以及感測器和執行器中。如果在分析階段指定了新的東西（電錶、氣候和控制器），則會安裝一些新的感測器/執行器。這項工作中佈署的邊緣節點具有以下優點：

．請勿干擾先前的安裝操作。

．他們使用新的專家規則和自動規則，引入新控件。

．他們測試和重新配置，在分析、學習和測試驗證中，設計更新的專家規則。


圖 7. 佈署在配電盤中的節點。 使用 IoT 協議通信，在不同節點中開發數據捕獲、控制算法、數據分析、儲存和通信服務

在電力管理過程中，專家使用者根據電力消耗、發電量、消耗負荷曲線、氣候數據和氣候預測數據，對具有選定流程的時間表，進行可程式處理。邊緣節點捕獲數據，並將其發送到霧節點。

霧節點處理室內和室外環境的日記數據，以及天氣狀況。霧節點還可以捕獲其他感測器數據。對房屋中的這些數據消耗和生成方式，進行檢測和分類。消費和發電結果，作為數據添加，以便與儲存的數據一起進行分析。可以使用機器學習方法開發，作為家用電器或人類活動檢測的智慧服務（圖8）。

4.3.1. 機器學習：數據捕獲過程（邊緣節點）和家用電器分類（霧節點）

連接在主配電盤中的電表，用於捕獲數據，並使用標準的 K 近似值，最近鄰（KNN）分類算法，來開發形式辨識模式。 KNN 是機器學習系統中最常見的方法之一。電表捕獲電流；如果連接了新的家用電器，則電流數據會更改。不同的家用電器具有不同的變化等級。

用於辨識家用電器的不同模式的主要變量，是連接時的電流水準差異。數據捕獲過程流程圖（圖9），顯示了在邊緣節點中實現的算法，以捕獲預處理並傳遞電力數據。

在此過程中，監督階段使用訓練數據集。接下來，真實場景中的驗證，將測試分類模式。家用分類設備將用於不同的服務：人類活動的辨識、負載控制、可再生能源管理、空調、安全性等。在訓練階段，已捕獲了不同的家用電器開機，以獲得一組形式。每個家庭都有一個矩心向量，將用於分類過程中的檢測。如上面所示的算法所示，分類器處理將產生連接時的電流數據作為輸入。KNN 分類過程流程圖（圖10）描述了 KNN 方法，它在霧節點中實現。

4.3.2. 可再生電源管理。控制電力自耗的決策樹

每個建築物都有不同的需求曲線，以及在接入電網方面的特定情況。為此，整合和可互操作的設施，可以實施適用於每種情況的不同解決方案，從而提供對太陽風資源的最佳管理，優化電源效率，簡化管理流程，並實現最高的成本節省。當可再生能源超過消耗的能源時，在使用 AC 耦合到電網的設施中，會出現問題。

在實驗工作中，太陽能在一天的中央時段的能量，大於所消耗的能量（圖11）。但是，在分析了消耗曲線之後，可以在這段時間內連接負載，以避免注入電網。可以透過設計一種算法，來滿足這一要求，該算法可以預測，何時發生此事件，以自動連接不同的負載。利用所有感測器和執行器的整合，和互操作通信，已經開發了在不同節點中，所實現的算法（圖12）。

13. 在電源管理子系統上開發的決策樹。 它由專業使用者設計，並整合在邊緣節點上。該決策樹的目的，在優化可再生能源的使用。

4.3.3. 基於 Edge 和 Fog 節點的 Control Home

圖 14 顯示了安裝在住宅房間中的邊緣節點。 該節點可以控制四個設備（設備），並捕獲感測器數據（功耗、發電量、溫度、濕度等）。該設備可以使用 MQTT 協議進行通信。該協議允許設備之間，進行其他類型的通信：智慧手機、新邊緣節點等。圖 7 和圖 14 顯示了可以在其他建築物中，佈署的標準實現。在所有系統中，都有配電板，這些配電盤佈署了霧節點和邊緣節點，如圖所示。

4.3.4. 使用物聯網協議的雲端服務

雲端服務可以監控，透過霧節點或人機介面（HMI）訪問的數據。 IoT 協議（MQTT）從任何已連接 Internet 的設備推送數據。事件檢測、儲存統計分析等其他服務，完善了該資源的功能。提供類似服務的不同平台，顯示了商用物聯網技術的狀態：Amazon IoT、Microsoft Azure、Ubidots 和 Thingspeak，是提供 IoT 平台的公司一些案例。提供了資源以及客戶端，和 IoT 平台之間的應用程式介面（API）通信，以便可以使用它們。

用於設計儀表板監控和管制的 HMI 資源，是這些平台上的主要實用功能之一。霧節點使用雲端 API 傳達數據和資訊，可以實施其他控制服務。在這些雲端平台上，預先建構了用於監控數據的儀表板設計。使用 API​​ 實用功能，霧節點中的過程處理，會將數據發送到每個儀表板。API 文件指定了在設備、IoT 平台和 Mobile-Alerts Cloud 之間，交換數據的結構，以及用於加速項目的代碼案例和形成資料庫。

圖 15 顯示了在 Ubidots 雲平台上，設計的儀表板。Ubidots是本實驗工作中使用的物聯網平台。該模式可以在實現這些協議的層，和平台中使用不同的標準協議。圖 16 顯示了在雲端平台中，IF 變量 THEN 動作的事件配置。大多數物聯網平台，都提供此功能。

5. 結論

為了設計物聯網系統，越來越多地提出邊緣霧模式。但是，每個範例都提供特定應用領域的解決方案。不同子系統之間的整合和互操作性，可以改善這種情況，並提供更好的服務。這項工作的主要目的，是透過提出一種基於邊緣層和霧層，兩層體系結構的運算模式，來解決這個問題。透過這兩層，可以基於使用邊緣或霧節點中，嵌入式的設備捕獲數據所產生的新型有用資訊，來設計和開發新服務。這些節點使用雲端平台和 IoT 協議（例如 MQTT）。

MQTT 是作為不同層（霧 – 邊緣 – 雲）之間提出的通信協議，並進行實驗的。雲端平台用於開發儀表板的面板資訊和 Internet 上的新服務，例如控制、儲存和通信事件。該平台可用於透過 API，交付不同的服務。

該模式可以在現有建築物和新建築物中，開發這些服務。在這種情況下，要求每個子系統中的專家和專業人員，參與新服務的設計。

為了測試該模式的功能，並顯示如何在實際設施中，實現該模式，在住宅中進行了一項實驗性工作。在此霧和邊緣節點前後關聯中，描述了實現的幾個範例。開發了模式辨識和決策樹方法，以展示人工智慧在設計 IoT 解決方案中的潛力。已安裝服務的結果顯示，邊緣和霧節點佈署，產生了預期中整合和互操作性的好處。

提出的工作演示了，如何將邊緣和霧範例，整合到可以增強其優勢的新架構中，從而擴展了應用領域。該體系結構的主要科學貢獻，是整合、技術的互操作性，及其為開發 AI 服務提供的設施的範例。所有這些改進，都在已開發的實驗的不同示例中顯示。具體的優化和改進，將在以後的工作中進行。此外，使用機器學習平台，和 AI 範例的新控制規則，將確保可以創建和改進新的智慧服務。

附圖：圖1.自動建構子系統和資訊技術環境。
圖2.基於使用者為中心關係的模式。
圖3.通信架構。 每個等級都有不同的功能。 提出了兩個通信等級：IoT（使用消息隊列遙測傳輸（MQTT））和 Web（使用代表性狀態傳輸（REST）協議）。這些協議的層，涵蓋了已建立的整合和互操作性要求。
圖4. 在建築物的現有設施上實施的邊緣霧架構示例：邊緣節點是較低的層次，必須與安裝的設備進行新連接。互連所有子系統的霧節點，是透過整合連接到邊緣節點的新設備來實現的。邊緣和霧節點，可以佈署在所有建築物子系統中。
圖5. 住宅建築中的第一個實驗工作。
圖6. 整合在先前安裝的可再生子系統中，邊緣節點的示例。 該節點可以使用新算法控制 ON-OFF 開關，以管理發電過程，以及通信和監控電源數據。
表1.事物示例描述。寫入 ID、類型和節點數據，以配置 XML 文件。配置關聯性儲存在霧節點中。
表 2. 實驗工作中的分析和設計要求。
表 3. 實驗室內使用的嵌入式設備。
圖 7 顯示了分佈在配電板上的節點（邊緣和霧狀）。在此節點中，設計並安裝了功率計、ON-OFF 開關控件和 AI 服務。
圖 8. 佈署的智慧電源功能。在霧節點中實施的分類過程，可用於檢測電連接和人類活動。可以使用 IoT 通信實現其他服務
圖9. 邊緣節點中捕獲，並預處理的用電量數據；MQTT 協議用於通信數據。另外，其他節點可以使用捕獲的數據，來提供其他智慧服務，佈署了整合和互操作性。
圖10. 分類過程。處理捕獲的電數據以檢測家用電器連接。可以使用 IoT 協議整合，來設計其他智慧服務。
圖11. 該圖顯示了實驗工作中的消耗和生產數據。 在自儲存的電力自備設施中，沒有儲存並且沒有注入電網，所產生的能量必須即時使用，並且不得超過所消耗的能量。 能源經理必須預測此事件，並提前連接電荷。
圖 12. 用電自耗設施中的可再生電源管理。
圖 13 是在電源管理子系統中，開發的算法的示例。 可以在邊緣節點上安裝此過程。該節點獲取氣候數據預測，並預測系統是否可以在不儲存的情況下，使用可再生能源。
圖14. 佈署的邊緣節點。該節點可以使用新算法，控制 ON-OFF 開關，並可以在每個房間或建築物中，通信和監控感測器數據。
圖 15. 在雲平台上配置的儀表板。顯示了風力發電數據和預測風力。
圖 16. 在雲端平台上配置事件的儀表板：IF 事件 THEN 動作。 該服務顯示了，如何使用雲端訪問來控制設施。與霧節點的 Internet 通信，可以控制建築物中的不同子系統，並使用電子郵件，SMS 或其他 Internet 服務來通報事件。

資料來源：https://3smarket-info.blogspot.com/2021/02/iot-edge.html?m=1&fbclid=IwAR0uijX5WdNrfzmGjVsakFGaEsWivPgyH1zumxVr7fwvvgqtdFFTI6jJXS8

改革開放40週年 ：回顧中國人赴美留學史

1978年7月某天凌晨3時許，美國白宮的電話驟然響起，總統吉米•卡特從睡夢中被叫醒。

電話來自北京，打電話的人是總統科學顧問弗蘭克•普雷斯博士，他正在中國訪問。 除了遇到危機，卡特擔任總統期間很少在半夜被叫醒。

卡特問，為什麼這麼早打電話？

普雷斯向他報告說，此時正和鄧小平會見。

卡特問，是有什麼壞消息嗎？

對方說，不是，他問了一個我無法回答的問題，他想知道能不能送中國學生到美國留學。

“當然可以。”

“他問能不能派5000人。”

“你告訴鄧小平，他可以派10萬人。”

那時中美還沒正式建交，十一屆三中全會還沒召開，一窮二白的中國面臨著一堆亟待解決的問題。

“美國戰略智囊”布熱津斯基對鄧小平當時的做法很驚訝，他在回憶錄中曾發出疑問：把中國最聰明的孩子送到美國去，難道他不知道當時中美兩國生活條件的差距 嗎？

鄧小平不那麼認為。

早於這通電話的1978年3月18日，在全國科學技術大會開幕式上，鄧小平說：“任何一個民族、一個國家， 都需要學習別的民族、別的國家的長處，學習人家的先進 科學技術。我們不僅因為今天科學技術落後，需要努力向外國學習，即使我們的科學技術趕上了世界先進水平，也還要學習人家的長處”。 那一年的６月23日，針對留學生派出工作，鄧小平有說：“我贊成留學生數量增大，主要搞自然科學”， “要成千成萬地派，不是只派十個八個”，而且，派出 留學生“要千方百計加快步伐，路子要越走越寬。”

鄧小平在全國科學技術大會開幕式上講話

那是一個一度封閉的大國，在特殊歷史時期再次推開國門。

此後，乘著改革開放的東風，湧動著中國人熱情、智慧和鬥志的留學大潮拍天而起，以不可阻擋的力量向海外世界卷去。

1978-1979 破曉

1978年12月26日晚八九點，小雪，一架飛機靜靜地停在首都機場停機坪上。 52名中年人穿著黑大衣和黑皮鞋、帶著黑色手提包，順序登上飛機，他們要途經法國巴黎轉機去美國留學。 當時，中國經濟落後，外匯奇缺，這麼多人一共就只有50美元，被領隊揣在兜里。

彼時的中國，剛剛開始從革命的狂熱中醒來，貧窮如一根芒刺穿透剛剛甦醒的肌膚，讓人感覺疼痛。

1978年12月26日，首批52名赴美留學人員到達美國

登上飛機的一剎那，這52個人還有些恍惚，在此之前，沒有一個人想到自己能得到去美國的機會。 這是因為，很多人來自“剝削階級家庭”，這種包袱彷彿也有萬鈞之重，足以影響一個人求學的自信心，甚至將他壓垮，大家因此也心有餘悸，害怕萬一去了，國家 的路線改了，就倒霉了，要么回不來，要么回來了又要被戴帽子。

教育部告訴他們，這是國家的需要，是鄧小平的命令！ 到美國去學習他們的科學技術，回來給國家做貢獻，這樣大家才得以安心。

1978年12月底，國務院副總理方毅在人民大會堂為首批52名赴美留學生送行

柳百成，第一批出國留學52人的總領隊，在停止教學的日子裡被打發到鑄造車間勞動，他白天扛沙子，晚上堅持閱讀英文專業書籍，邊看邊做筆記，筆記本積累了一尺多 厚。 開始第一批留學生選拔時，他已經45歲，當時機械工程系分得了一個名額參加清華大學的選拔，系主任親自面試，他得了第一名。 接著學校、教育部也組織了統一考試，他連闖三關後最終入選。

1978年12月26日，飛機萬里西行，滿座的中國學者難抑心中興奮，當時大家對美國就像對月球一樣陌生。

這52名公費留學生學成後，悉數回國，成為了各個領域的佼佼者，個人命運的軌跡也因此發生急速轉折。 1981年初，柳百成回國。 當年清華赴美的9人中，如今已有3人當選為中國科學院院士或工程院院士。 柳百成也在促進信息化技術與先進製造業深度融合上作出了自己的貢獻，使愛國奉獻、報效祖國的夙願得以實現。 改革開放確實為知識分子帶來了春天，使知識分子有了充分發揮聰明才智的平台。

52名首航留學生名單

1980-1983：生長

70年代末的中國留學生所學專業主要集中在科技領域，而到了80年代，更多的留學生選擇了經濟學、企業管理等專業。 這種微妙的變化跟改革開放的深入推進分不開。

52人去美國留學的次年，中美建交。

在金門島，聽到這個消息的27歲台灣陸軍連長林正誼，站在一塊巨石上，凝望著對岸，內心正翻騰著大海一樣的波濤。 林正誼當即判斷出，腐敗的國民黨當局“反攻”大陸是零概率事件，日後的中國一定會更加開放的走向世界舞台。 在一個夜深人靜的晚上，他悄悄下水，遊了三個小時後到達大陸，隨後就讀於北京大學經濟系，林正誼還給自己改了個名字叫“林毅夫”。

1980年，還在北京大學讀大三的22歲青年易綱被派往美國學習經濟及管理，初到時，他揣著2美元，一邊留學一邊靠給學校食堂洗盤子賺生活費。 兩年後，林毅夫被諾貝爾經濟學獎得主舒爾茨看中，推薦到芝加哥大學學習農業經濟；曾睡在易綱上舖的海聞從北大畢業，但沒能拿到公費留學，只能 考慮自費，他騎著自行車往返於學校與北京圖書館，從北圖抄寫下美國大學的地址，一封封信寄向美國，最後被加州長灘州立大學錄取，成了改革開放後北大“自費出國 第一人”。 10多年後，這三個命運軌跡若即若離的海歸聚在一起，創立了中國經濟研究中心，也就是後來的國家發展研究院。 從創立到現在，越來越多的留美、留英學者加入其中，他們認為這是研究中國問題最好的地方。

1994年中國經濟研究中心成立初期合影（左起：張帆、易綱、林毅夫、德懷特•帕金斯、帕金斯夫人、海聞、余明德、張維迎）

1984-1991：大潮

80年代的中國依然不富裕，但改革開放無疑給予了人們通向未來的信心。

家庭聯產承包責任制和“商品經濟”的合法地位被確立，無數願意用雙手創造財富的人一頭扎進神秘莫測的“海”，開始了一場改變命運的探險。 社會大環境在不斷改變，國人生活的細枝末節也在悄然變化。 “板磚”單卡收錄機、鄧麗君在甜柔的歌聲，崔健“平地一聲吼”，一首《一無所有》，爆炸型的燙髮， “離經叛道”牛仔褲、T恤衫……

在那個特殊的新舊交替時期，長時間的精神壓抑之後，國人發現所有的事物都是前所未有的新鮮，而被新鮮事物包圍的自己是從未有過的年輕！

當時，倍感年輕的還有中國的企業，1984年被很多人稱為“公司元年”。

越來越多不甘庸碌的人，用“下海經商”取代了“拿鐵飯碗、掙死工資”，一大批日後馳騁一時的公司，諸如“海爾”、“健力寶”、“蘇寧電器”、“聯想 ”、“万科”等得以誕生。

同樣是在1984年，留學這件事也迎來了大潮，這一年，國家頒布了《國務院關於自費出國留學的暫行規定》，打開了人們自費留學的渠道。

龍門陡開，江鯽飛躍，此後積壓了十多年的人才狂潮再次噴湧！ 中國留學生帶著那個年代特有的激情、勇氣和夢想去往世界各地。 他們看起來有點“狂”，但“狂”的很有底氣。

1985年，吳鷹做了一個艱難的選擇——從待他不薄的北工大辭職，考入美國新澤西州理工學院，帶著一箱行李和30美元，隻身一人來到美國攻讀碩士學位，十 年後，他創辦UT斯達康公司，靠一種叫“小靈通”的電信產品聞名一時。

他們用一種非常艱苦的過程證明了自己的堅韌。

出身於陝西西安的張朝陽在考取李政道獎學金時，對手是祖國各地的700名尖子生，競爭的激烈程度可想而知，最終，他成為被選中的100人之一。 後來有人問成為搜狐掌門人的張朝陽：“在面對風險投資時心理壓力能不能承受？”他回答到：“這些​​壓力比起我在清華參加考試的時候的壓力要小得多。“

1986年，閻焱、熊曉鴿、張朝陽、張亞勤去了美國。

1987年，徐小平先去美國，再到加拿大，刷了很久的盤子，田碩寧也在這一年去了美國，之後成為亞投行第一任行長的金立群則赴美國波士頓大學經濟系研究生院進修 。

越來越多的青年奔向國外。 僅在1985年底，出國留學生的總人數就達到3.8萬人，其中自費留學生7000人。 在之後的十多年間，這些人中的很多人都將回到中國，政界、學界和商界都將不乏他們的身影，中國未來的新技術、新理念和IT產業等將由他們擔負支柱。

這些後來中國各領域的“領航者”，此刻都默默地奔波在各自的留學之路上，誰也不會想到，時代會在某個瞬間猛一轉身，把聚光燈打在他們身上。

4、1992-2002：激盪

跟80年代的“浪漫”有所不同，90年代日漸商業化的時代特徵，讓中國不再像過去那樣充滿神秘感和難以琢磨。

不過，在意識形態領域，兩種不同的聲音仍然在隔空交鋒。 如果僅僅從報紙上的爭論來看，1991年的中國瀰漫著改革是姓“社”還是姓“資”的硝煙。 而事實卻是，爭論如江面上迷眼的亂風，實質性的經濟變革卻如水底之群魚，仍在堅定地向前遊行。

1992年鄧小平南巡，一系列講話的核心其實是對無所不在的意識形態爭論給予了斷然的“終結”，改革開放新一波的浪潮由南向北，在經濟上形成了強烈的號召力。

很多國人都從中嗅出了巨大的商機，很顯然，一個超速發展的機遇已經出現。 這時候，需要的就是行動、行動、再行動！ 此後又出現了一波辦公司熱。

“海歸”也是中國實現現代化的重要部分，與經濟加速相對應的，是留學政策的進一步鬆綁，“支持留學、鼓勵回國、來去自由”被確立為留學海歸政策的指導思想，這一掃80 年代末一度對留學政策有所收緊的陰霾，給留學潮又加了一把火。

於是，雄心勃勃的人都琢磨起留學來：從商的，想到海外賺得第一桶金；搞文化的，一心盼著成為世界文化的主流；演藝明星們，也開始惦記著衝進好萊塢、 百老匯。 有人甚至帶著“外國月亮比中國圓”的幻想，盼著盡快走出國門。

1993年，一部叫《北京人在紐約》的電視劇火爆全國，將出國熱真切地展示在每一個中國人面前。 “如果你愛他，就把他送到紐約，因為那裡是天堂；如果你恨他，就把他送到紐約，因為那裡是地獄。”片中，姜文扮演的音樂家王啟明，在紐約無論如何 掙扎都無法實現自己的音樂夢想，最後成為了一名商人，這是那一代人世俗意義上的成功模板。

《北京人在紐約》劇照

借助一股股留學潮，有人懷著各種想法趕赴世界各地，也有人正從世界的某個角落匆匆趕來。

中國的改革開放1992年之後進入黃金盛年，互聯網這項科學技術正在太平洋彼岸落地，開始商業化，展現其迷人的魅力，中國也正迎接這一股互聯網衝擊波。 越來越多的人加入到中國互聯網大潮中，“海歸”們也在這一時期鬼使神差地入局。

1995年，走下飛機舷梯的張朝陽感到一陣寒意，他搓了搓手，拎著兩個手提箱向機場外大步走去。 多年的美國生活，讓張朝陽有了“小布爾喬亞式”的審美，扎小辮，POLO衫，戴墨鏡，而迎接他的，是一片未知。

1999年國慶，大家的名片上開始印e-mail地址了，街上有人穿印著“.com”的T卹了，李彥宏斷定：互聯網在中國成熟了，大環境可以了。 於是，他決定回國創業。

同年，陳一舟與兩位斯坦福大學校友楊寧、周雲帆回國。 此前他們曾一起回中國轉了一圈，得出一個結論：世界上發展最快的地方都在這兒了，不來這兒，去哪兒呢？ 後來他們創辦了一個叫ChinaRen的公司，也就是後來的人人網。

儘管有著諸多不如意，對未來的生活也沒有全然把握，但他們還是回來了，理由只有一個：在美國雖然拿著高薪但找不到自我，不如回國創業。

接下來的時光裡，每個行業都將被“互聯網思維”攪個天翻地覆。

儘管各種優秀“海歸”或出於夢想，或出於商機選擇回國，但這也難以掩蓋這一時期中國大量的人才流失，2002年，也就是中國被世界貿易組織接納的次年，出國與 歸國人數之比一度達到了6.94∶1，也就是說，每7名中國留學生中僅有1人回國！

5、2003-2018：歸來

進入新千年，一切都變得很快，“不怕做不到，就怕想不到”成為這個時代最強有力的註解。

出國留學的方針得到了很好的貫徹，自費出國留學限制被徹底廢除，工牌出國留學政策在培養高層次留學人才方面持續發力，吸引留學人員尤其是高層次留學人才回國工作為國服務所 採取的政策不斷健全，出國教育效益極大增強。 2010年7月，《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020）》發布，堅持“支持留學、鼓勵回國、來去自由”的方針。

與蒸騰上升的綜合國力相對應的，就是此階段滾滾洪流般的留學潮，中國已悄然成為全球最大的留學生輸出國之一。

擁有更多選擇的學界精英和商界大佬，選擇將孩子送出國去，出國留學逐漸呈現出了低齡化的趨勢。

前首富王健林在​​兒子王思聰兩歲時選擇將他送到國外上寄宿學校，從新加坡Swiss Cottage小學，到英國溫徹斯特公學，再到倫敦大學學院哲學系，王思聰一路在國外接受先進的教育 ，養成了張揚的個性。 同樣是前首富的劉永好，做出了同樣的選擇。 1994年，劉永好將女兒劉暢送到美國西雅圖小鎮女子學校讀高中。

出同樣的選擇的，還有很多企二代。 娃哈哈二代宗馥莉就讀於佩珀代因大學；碧桂園二代楊惠妍就讀於美國俄亥俄州立大學，聯想柳傳志的女兒柳青就讀於哈佛大學……

此階段，不僅精英人士、商業大佬選擇送子女出國，越來越多的普通家庭，也加入到送子女出國的隊伍中。 2018年，中國出國留學人數突破了60萬。

與此同時，越來越多的留學生選擇了回國。 從2003年開始，中國出國與歸國人數之比不斷縮小，2010年為2.11:1，2015年為1.28:1。 少數人的選擇成了多數，近五年來回國人數占到了出國總量的70%。 更重要的是，歸國者中，精英大有人在！

據中國與全球化智庫發布的調查，海歸創業集中於國家戰略新興產業，在海歸創業者中，58.3%擁有個人專利，65.9%從海外帶回了技術，絕大多數處於國際先進和國內先進水平 。 相對早年的迅速復制海外商業模式，近兩年的海歸技術人才在生物製藥、AI、新材料等技術創業領域扎堆。

國外很多國家的條件還是比中國好，為什麼選擇回國？

回答歸結起來無非兩點：除了中國的機遇，還有國外的天花板。 很多技術人才直言“在美國，華人技術人才能躋身管理層的不多，可能會一直寫代碼。”

2017年初，被稱為“矽谷最有權勢的華人”的微軟前全球執行副總裁陸奇歸國，成為新版精英歸國的代表。 這些歸國精英或直接投身到創業大潮中，或加盟大互聯網公司任高管，或致力於開拓國際市場。 除了商業精英，還有一批國際公認的科技大咖歸國。 2008年，美國普林斯頓大學分子生物學系建係以來最年輕的終身教授和講席教授、美國藝術與科學院院士、美國國家科學院外籍院士施一公做出了回國決定，哈佛八博士王文超、張欣 、張鈉、王俊峰、劉青松、劉靜、林文楚、任濤在中科院合肥物質科學研究院強磁場科學中心……

西方媒體評價：世界上沒有任何一個國家，像中國一樣，如此重視吸引流失在外的人才回國。

改革開放40年，歸國留學生與鄉下知青、高考學子、下海闖蕩的商人和進程務工的農民工一起，成為推動中國崛起的重要力量。 40年中，這群中國人“晴天搶幹，雨天巧干，白天大干，晚上加班幹”！ 不知不覺中，世界卻驚奇不已，一個曾經落後的中國，經濟總量已成為世界第二。

改革開放40年，是中國青年學子負笈海外、勵志報國的40年，是中國教育學習、借鑒、赶超的40年，是從人才輸出到人才回歸的40年。 與此同時，這支源源不斷的留學大軍為中國的社會經濟建設輸入了不竭的新鮮血液，拉近了中外教育、科技的距離，推動了中外人文交流，提升了中國在國際社會上的影響 力。

40年歸來，當年第一批的出國留學生已經白髮蒼蒼，他們作為中國留學歷史變遷的見證人，也見證了中國改革開放、科技發展、經濟騰飛。

時代車輪滾滾向前，留學的歷史不斷變化，不變的，是千萬萬萬像他們當年一樣奮力奔跑的人