物聯網產業現狀與技術發展

閆亞旗 周桂英 盛明哲 趙文東 王源野

中國聯通研究院 北京 100176

引言

物聯網，顧名思義就是指萬物互聯。過去的通信網絡，不論是固定網絡還是移動網絡，連接的是人與人，是人與人傳遞信息的橋梁；而物聯網連接的是人與人、人與物、物與物，是萬物傳遞信息的橋梁。廣義的物聯網的概念不僅指的是萬物之間的通信連接管道，更指的是人們通過對萬物終端所產生的信息進行感知、采集，利用物聯網絡匯集海量數據，并對這些數據進行收集、分析、處理，再將結果展示或通過物聯網絡反饋回終端并指導終端行為的整個價值創造過程。

物聯網通過智能感知、識別技術、普適計算、泛在網絡的融合應用，被譽為繼計算機和互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮，隨著物聯網技術的進一步普及，人們的日常生活和工業生產將產生天翻地覆的變化。物聯網不僅是網絡，更是業務和應用，是互聯網的應用拓展，以車聯網、智能電網、智能家居、安防監控、遠程醫療等應用領域為代表，為人們生活提供更大便利，提高了公共服務資源調配效率。目前物聯網在全球進入高速增長風口期，根據研究機構Gartner公司的調查，2017年全球物聯網設備數量達到了84億，比2016年的64億增長31%，預計到2020年物聯網設備數量將達到204億。研究機構IDC預測，到2020年全球物聯網收入規模將達1.7萬億美元。物聯網被視作全球經濟增長的新引擎，將開啟一個萬物互聯的新世界。

1 物聯網概述

1.1 物聯網定義

物聯網的實踐最早可以追溯到1990年施樂公司的網絡可樂販售機——Networked Coke Machine。1999年美國麻省理工學院建立了“自動識別中心(Auto-ID)”，提出“萬物皆可通過網絡互聯”，闡明了物聯網的基本含義。根據國際電信聯盟發布的ITU互聯網報告，在新的發展時期，物聯網被定義為根據一系列的信息系統以及設備按照約定的協議將互聯網與所有設備進行連接以進行通信及信息的交換，從而達到智能化的識別定位管理等功能的一種網絡[1]。其中設備主要包含有線/無線網絡接入設備、短距離通信設備、圖像碼識別設備、底層傳感器設備和定位系統等等。

1.2 物聯網架構

目前，多個國際組織(比如ITU、ISO、IEC和oneM2M等)正在致力于物聯網的技術和標準化研究，這些標準組織的研究各有側重，但體系架構基本一致。圖1給出了國際電信聯盟(ITU-T)定義的IoT通用參考模型，該模型由設備層、網絡層、業務支持和應用支持層、應用層及其與之相關的管理和安全能力構成。

圖1 物聯網參考架構

1)設備層。設備層的功能是感知、識別物體或環境狀態并且實時采集、捕獲信息，它由包括二維碼標簽、識讀器、RFID標簽、讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器、計量器等器件以及M2M終端、傳感器網絡和傳感網關等構成，通過傳感器獲取信息，并通過接收網關獲得控制命令。

2)網絡層。網絡層依托公眾電信網、互聯網或行業專業通信網絡，實現信息的傳送，包含兩類能力：網絡能力，即提供網絡連接的相關控制功能，例如接入和輸送資源控制功能、移動管理或認證、授權和結算(AAA)；傳送能力，側重傳送IoT業務和具體應用的數據信息，以及為傳送與IoT相關的控制和管理信息提供連接。

3)業務支持和應用支持層。業務支持和應用支持層包含以下兩個能力群：通用支持能力，可供不同IoT應用使用的公共能力，例如數據處理和數據儲存；特定的支持能力，針對不同應用要求的特殊能力。事實上，它們可能包含各類詳細的能力分組，目的就是為不同的IoT應用提供不同的支持功能。

4)應用層。應用層的功能是實現物聯網信息技術與終端行業專業技術的深度接觸，完成物體信息的協同、共享、分析、決策等功能，形成智能化應用的解決方案，從而實現物聯網在眾多不同領域之間的運用，如智慧城市、智能家居、工業互聯網、車聯網等。

5)與傳統通信網絡類似，IoT管理能力涵蓋了傳統故障、配置、性能和安全(FCAPS)類別[2]，即故障管理、配置管理、結算管理、性能管理和安全管理。安全能力主要包括應用層安全(授權、認證、應用數據保密性和完整性保護、隱私保護、安全審計和防病毒)、網絡層安全(授權、認證、使用數據和信息數據保密性，以及信令完整性保護)和裝置層安全(授權、認證、裝置完整性驗證、接入控制、數據保密性和完整性保護)。

2 物聯網產業現狀

物聯網作為新一代信息通信技術高度集成和應用的典范，正在與經濟社會深度融合，深刻改變生產活動、社會管理、公共服務。隨著物聯網技術在行業中的普及和不斷深化，人類社會正進入“萬物互聯”的新時代[3]。

面對物聯網、大數據、云計算等新一輪技術革命可能帶來的歷史機遇，發達國家政府紛紛出臺政策進行戰略布局，投資鼓勵融合創新技術的研發與應用，以搶占全球新一輪經濟科技發展的制高點。經過近幾年技術與市場的培育，物聯網已進入快速發展期，邁向了萬億美元市場，涵蓋穿戴設備、智能家居、智慧城市、物流管理、智能制造、智慧農業等眾多行業領域。目前，物聯網產業的整體規模正在逐年擴大，應用領域也在不斷拓展，產業鏈結構趨于完整。 以ARM、Intel、博通、高通、TI等為代表的半導體企業針對低功耗、大連接的物聯網應用場景紛紛推出專用芯片產品，并不斷地進行優化。微型化、低成本、低功耗的光、溫濕度、氣壓等微機電系統(MEMS)傳感器、陀螺儀在物聯網終端被廣泛內置[4]。網絡方面，以NB-IoT、eMTC、LoRa、Sigfox等為代表的低功耗廣域網(Low-Power Wide-Area Network，LPWAN)技術發展迅速并在全球范圍內獲得廣泛應用，面向海量機器通信業務場景、低時延高可靠業務場景的5G非獨立組網和獨立組網功能標準已凍結，同時工業以太網、LTE-V、短距離通信技術等相關技術也取得顯著的進展。平臺層面，包括通信設備商、電信運營商、云計算廠商、互聯網公司、傳統行業企業在內的產業巨頭紛紛制定其物聯網發展戰略，結合自身優勢，基于物聯網平臺構建產業鏈協同物聯網生態系統，提升對整個產業的把控能力。目前，物聯網IaaS平臺和PaaS平臺都已具備，基于應用和數據的SaaS平臺和Daas平臺正在成為物聯網平臺下一步發展的趨勢。據估計，全球物聯網平臺營收規模將保持33%左右增速，至2020年達到16億美元，而其間接帶來的產業價值將遠超該規模。同時，物聯網廣泛應用于電力、交通、工業、醫療、水利、安防等領域，在各行業的應用不斷深化，催生新技術發展和商業模式創新，物聯網數據飛速增長，助力企業建立更深層次的客戶關系，通過數據發現新的價值來源，加速企業運營的數字化轉型，開創全新的盈利模式和競爭格局。物聯網應用規模與水平不斷提升，在智能交通、車聯網、物流追溯、安全生產、醫療健康、能源管理等領域已形成一批成熟的運營服務平臺和商業模式，部分應用達到了千萬級用戶規模[5]。隨著物聯網應用的持續發展，基于物聯網產業價值的重心將不斷向應用層轉移，基于物聯網數據的服務將是未來物聯網產業價值重心。

毫無疑問，物聯網已然成為當今世界技術創新最活躍、發展空間最廣和應用潛力最大的領域之一。伴隨著人工智能、邊緣計算、區塊鏈等新技術的不斷興起以及相關產業要素的完備，物聯網必將進入智能發展的新階段。

3 物聯網技術發展趨勢

3.1 終端與模組

模組是物聯網產業端到端方案的重要一環，是網絡連接的載體，行業終端的重要組成部分。通常，每增加一個物聯網連接數，就需要增加1～2個無線模組，據預測，2020年我國物聯網連接數較2016年將有317%的增長，達到35億，這將支撐無線模組出貨迅速放量。

物聯網連接數的爆發、應用的多樣化，正推動著物聯網模組向著小型化、低成本方向發展；同時，為降低終端開發門檻，便于平臺與物聯網終端、模組間的信息交互，加速物聯網產業的應用發展，物聯網模組正在走向標準化與規范化，包括模組的尺寸標準化、硬件接口標準化、引腳位置及功能標準化，且支持Pin-to-Pin向下兼容[6]。另外，為屏蔽不同終端模組廠商通訊協議的差異性，擴展多種協議的設備接入物聯網平臺，出現了“終端側云代理”技術，即通過在各種通信模組上安裝標準化應用程序，作為設備、平臺、應用端的信息交互橋梁，將不同軟硬件廠商的通信協議轉換成統一的標準協議，從而讓產品開發者只需要關心產品的業務邏輯開發，不用關心數據的通訊功能開發，極大降低開發的難度，縮短開發周期。

3.2 網絡

物聯網應用的多樣化催生了豐富的物聯網連接技術，可以按照低速率、中速率、高速率、低時延高可靠四類業務場景，將物聯網連接技術進行分類。其中，低速率業務場景主要由低功耗廣域網絡(LPWAN)來承載，主流連接技術有NB-IoT、eMTC、LoRa、Sigfox，該類業務具有低功耗、低成本、大連接、廣覆蓋的需求特征，典型應用包括智能抄表、資產管理、智能停車等，據預測，未來IoT連接市場中，LPWA業務所占比例將達70%；中速率業務場景對數據速率要求中等或偏低，部分場景要求支持語音傳輸或具備移動性，且要求覆蓋能力強、成本較低，連接技術主要有4G Cat1、3G UMTS、eMTC，典型應用包括可穿戴類、POS、智慧物流等；高速率業務場景對吞吐率、移動性要求較高，對價格和功耗不敏感，連接技術主要有4G Cat4、3G HSPA，典型應用包括智慧醫療、智慧安防等；低時延高可靠業務場景對吞吐率、速率、時延以及可靠性要求高，連接技術主要是LTE-V、5G，典型應用包含車聯網、遠程醫療等。

3.3 物聯網平臺

物聯網平臺位于產業鏈的中游，是物聯網應用和服務支撐的基礎平臺，向下接入分散的物聯網傳感層，匯集傳感數據，向上面向應用服務提供商提供應用開發的基礎性平臺和面向底層網絡的統一數據接口，支持具體的基于傳感數據的物聯網應用。物聯網終端設備通過信息傳感設備(例如無線傳感器、射頻識別裝置、紅外感應器、激光掃描器等)采集現實世界信息，利用移動網絡(LPWAN、2G、3G、4G、5G等)、短距離無線通信技術(Wi-Fi、ZigBee、藍牙、RFID等)將數據傳送給物聯網平臺。隨著時間的推移，物聯網平臺匯聚大量的數據，通過大數據分析、數據挖掘、人工智能、機器學習等技術，物聯網平臺可以提供強大的終端設備管理和商業分析等功能。對于傳輸數據量大、處理實時性要求較高的物聯網業務，邊緣計算+物聯網云平臺的結合能實現在網絡邊緣快速處理數據和及時響應，并將過濾之后的數據發送到云端，云端分析引擎生成模型再發送回邊緣，可以滿足不同行業邊緣智能數據梳理訴求，助力行業快速創新，提升生產效率，降低運維成本。

物聯網平臺按照邏輯關系從下到上提供設備管理、連接管理、應用支持、業務分析等主要功能，對終端設備和資產實現“管、控、營”一體化，向下連接感知層，向上提供應用開發能力和統一接口，并為各行各業提供通用的服務能力。根據平臺功能的不同，物聯網平臺可分為以下三種類型。

1)連接管理平臺(CMP)：通過對網關連接的監測與管理，保障終端聯網通道的穩定，同時可以進行IoT資費管理、網絡資源用量管理、IP地址資源管理等。

2)設備管理平臺(DMP)：通過傳感器定時采集設備數據，DMP平臺對物聯網終端設備進行遠程監控、設置調整、軟件升級、故障排查、系統升級、生命周期管理等功能；同時實時提供網關和應用狀態監控告警反饋，開放的API調用接口幫助客戶輕松進行系統集成和增值功能開發；所有設備的數據也可儲存在云端。

3)應用開發平臺(AEP) ：主要為物聯網應用開發者提供成套的應用開發工具、中間件、數據存儲功能、業務邏輯引擎、對接第三方系統API等。此外還提供高擴展數據庫和數據模型、實時數據處理、智能預測離線數據分析、數據可視化展示應用等。物聯網應用開發者無需考慮底層基礎設施擴展、數據管理和存儲、通信協議、通信安全等問題，在AEP平臺快速開發、部署、管理應用，降低開發成本、大大縮短開發時間。

物聯網平臺作為物聯網產業鏈關鍵環節，具有重要作用。平臺具有強大的數據收集和分析能力，以此可以創造前所未有的創新商業模式。目前通信設備商、運營商、云計算廠商、互聯網巨頭、初創公司都依托自身核心能力，打造各具特色的物聯網平臺，并以平臺為核心，構建物聯網產業生態。據IoT Analytics數據顯示，全球的物聯網平臺企業已經由2016年的350家增長至目前超過450家，隨著企業加速向物聯網領域轉型，新興的物聯網平臺市場將繼續保持強勁的增長勢頭，估計物聯網平臺的市場規模會以33%的復合增長率增長。

隨著物聯網平臺加速發展，其架構和應用領域也在發生著變化。傳統平臺主要是基于Java或者.Net，使用中心的SQL數據庫，建立他們的組件作為jar文件，未來的物聯網平臺則更多地使用Python或者Node.js等開發工具，基于通用開源PaaS以及微服務架構的二次開發將成為物聯網平臺的主要構建方式，以API為代表的新型集成技術、容器技術、人工智能等技術的應用將促使平臺更加的開放、靈活和智能，同時平臺的功能也將進一步下沉，邊緣與云端協同成為平臺重要發展方向。在應用方面，由于各個行業使用的終端、協議以及外部接口都不盡相同，涉及到的行業機理也千差萬別，如智能家居、智慧城市、工業互聯網等應用，未來隨著物聯網標準的不斷統一，支持多樣化的行業應用平臺將成為趨勢，行業知識與數據科學的融合將成為重要發展方向。

3.4 新技術領域

隨著ICT技術的發展，融合正在成為當前物聯網技術發展趨勢的主基調，人工智能、區塊鏈、邊緣計算等新技術正在不斷融入到物聯網之中，可以說物聯網正在進入一個融合型的智能聯接新生態。

3.4.1 區塊鏈

區塊鏈是一種在對等網絡(也稱分布式網絡、點對點網絡)環境下，通過透明和可信規則，構建可追溯的塊鏈式數據結構，實現和管理事務處理的模式，具有分布式對等、鏈式數據塊、防偽造和防篡改、透明可信和高可靠五方面的典型特征[7]。作為物聯網中一種普適的底層技術，區塊鏈可以有效解決物聯網發展中面臨的大數據管理、信任、安全和隱私等問題，為大規模物聯網網絡提供高容納性、可信任的基礎設施，降低中心化設備網絡的運營和信用成本，提高運營效率和資產利用率。同時通過身份驗證、授權機制等技術保證物聯網在存儲、信息傳遞等方面的安全性和隱私性。此外，區塊鏈還能帶來物聯網智能化應用模式的擴展，促進商業模式的創新。因此，一定程度上而言，物聯網也為區塊鏈提供了最佳應用場景，相信未來二者也會擦出更多的火花。

區塊鏈在物聯網領域的應用探索在2015年前后已經開始，目前主要集中在物聯網平臺、設備管理和安全等方向，具體包括智能制造、車聯網、農業、供應鏈管理、能源管理等領域。如2017年3月，中國聯通聯合多家公司和科研單位在ITU-T SG20成立了全球第一個物聯網區塊鏈(Blockchain of Things，BoT)的標準項目，定義去中心化的可信物聯網服務平臺框架，如圖2所示。2016年10月IBM在其Bluemix平臺下引入區塊鏈賦能項目，在物聯網云平臺的基礎上加入區塊鏈服務，根據用戶需求實現不同功能。該項目把各種電子設備登記在區塊鏈上來建立物聯網，同時將區塊鏈應用在智能農場里來確保精準農業數據不被篡改。

區塊鏈為物聯網生態的建立和完善提供了最佳的選擇和重要的支撐，隨著二者融合的不斷深化，將廣泛影響工業、農業、醫療、健康、環保、交通、安全、金融、保險、物品溯源、供應鏈、智慧城市綜合管理等諸多領域，實現從信息互聯到價值互聯的巨大轉變。

圖2 去中心化的可信物聯網服務平臺框架

3.4.2 人工智能

人工智能(Artificial Intelligence，AI)是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學，其本質是對人思維的信息過程的模擬，是人的智能的物化。眾所周知，物聯網的核心價值在于對設備傳感數據的捕捉與分析，預測顯示，到2020年我們每個人都會擁有很多連網設備，每秒需處理數TB的數據，這還不包括那些與寵物相關的連網設備以及設備之間的交互，在某種程度上，物聯網將成為地球上最大的數據來源。設備傳感數據是物聯網核心價值所在，通過平臺匯聚物聯網數據，對數據進行清洗、過濾、分析、挖掘才能提煉物聯網數據的價值，但是通過人力處理大量的環境和操作數據是不現實的，現有計算機軟件和數據庫系統的處理能力也存在瓶頸。而人工智能技術的出現和發展可以有效解決這一問題，物聯網在底層收集數據資料，通過人工智能算法的處理分析，快速生成所需信息并積累知識，為當今社會發展提供一種新的能量，締造一種新的“虛擬勞動力”，從而為消費者提供新的價值主張，提升智能化生活水平，幫助企業提高生產效率，并優化商業結構，創造新的商業模式，提供新的商業機會和收入來源。因此，人工智能也被稱作是物聯網系統的大腦，使得物聯網更加智能和高效地工作。例如，羅爾斯·羅伊斯(R&R)發動機公司利用物聯網技術對其生產并在航空公司使用的發動機實行在線監控、故障診斷和實時維修支持，借助人工智能預測發動機維修時間，航空公司能夠根據雙方協商認可的發動機單位安全飛行小時費用付費，R&R的市場占有率從5%提升到40%[8]。在新零售領域，以色列一家創業公司Trax借助人工智能技術致力于通過不斷打磨的領先圖像識別算法、海量的貨架和商品數據，來幫助品牌及零售商實現零售貨架信息數字化升級，進而提供從貨架數據收集到分析咨詢的全套零售執行管理方案。官方披露，已采用Trax技術的快消品公司，缺貨率下降10%～15%，整體銷售業績提升3%～5%，并且目前Trax的業務已經遍布全球50多個國家，公司的數據庫已收錄100多萬家商店的60億個SKU，服務超過175家客戶，包括可口可樂、百威英博、雀巢、漢高、百事等頂級消費品公司。可以預見，隨著物聯網網絡的成熟化部署，產業運營和商業模式將發生巨大的變革，而人工智能技術將有效地引領此次變革并為產業鏈帶來新的增值收益。

3.4.3 邊緣計算

邊緣計算是在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的分布式開放平臺，就近提供邊緣智能服務，滿足行業數字化在敏捷聯接、實時業務、數據優化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求[9]。

隨著萬物互聯的蓬勃發展，互聯網接入的用戶和設備越來越多，無論是個人用戶，還是物聯網接入設備，每時每刻都在產生大量的數據。數據量不斷增多的情況下，對于設備的響應和本身計算能力的要求越來越高，如果繼續使用傳統中心服務器的模式，勢必會造成網絡的擁塞，無法保證高實時性業務的開展。邊緣計算作為一種新的技術理念，主要聚焦實時、短周期數據的分析和處理，可以顯著降低關鍵應用的延遲、降低對云的依賴，同時與適用于非實時、長周期數據、業務決策場景的云計算相協同，可以形成模式互補，從而支撐行業數字化轉型更廣泛的場景與更大的價值創造。在物聯網行業應用中，特別是在工業控制領域，邊緣計算是實現分布式自治控制工業自動化架構的重要支撐，在預測性維護、能效管理、智能制造等領域有著廣泛的應用前景。如在梯聯網中，在邊緣側實時采集電梯的運行數據，進行數據預處理，并協同云端大數據分析平臺，全面監控電梯各部件的“健康指標”；通過電梯預測性維護，提高維護效率，降低維護成本，降低最終客戶運營成本；通過提供增值服務，支撐電梯制造商向服務商進行轉型，打造新的利潤增長點。邊緣計算的興起也將重新定義“云—管—端”之間的關系，帶來新一輪的技術變革和產業發展機遇。

我國物聯網產業發展呈現欣欣向榮的景象，尤其是近幾年來，包括芯片、終端、網絡、平臺、應用的物聯網產業鏈上下游發展迅速，人工智能、邊緣計算、區塊鏈等新技術的廣泛應用更加助推這一上升趨勢。物聯網在各行業的應用不斷深化發展，有助于轉型升級傳統產業、提高經濟總量、降低生產生活成本。

4 結語

物聯網作為未來ICT行業最具發展潛力的領域之一，是我國戰略性新興產業的重要組成部分，其健康發展將有力帶動傳統產業數字化轉型改造，促進產業結構優化升級，引領戰略性新興產業發展，推動社會生產和經濟發展方式的深度變革，重塑國家的長期競爭力，因此我們應積極抓住物聯網發展的戰略機遇期，牢牢把握整個行業和新技術的發展趨勢。夯實底層網絡連接和平臺層基礎設施，提供通用化便捷化的云網協同服務機制，在此基礎之上積極擁抱人工智能、區塊鏈和邊緣計算等創新性互聯網新技術，進以推動物聯網和各個行業的深度融合，為我國數字經濟發展構筑新動能。