物联网产业发展综述和技术创新趋势

罗 松 中国信息通信研究院技术与标准研究所副总工程师

续合元 中国信息通信研究院副总工程师

引言

全球范围内新一轮科技革命和产业变革正在孕育兴起，以物联网、大数据、人工智能为代表的信息技术加速与实体经济结合，快速转化为现实生产力，并升级成为重塑生产组织方式、转变增长方式的基础设施和关键要素。“十三五”期间，我国物联网将进入跨界融合、集成创新和规模化发展的新阶段，迎来重大的发展机遇，具有广阔发展空间。2017年以来，全球范围内物联网产业在新的网络技术、平台技术的推动下掀起了新一轮的发展热潮。在这一过程中，物联网技术创新也进入活跃期，需从技术和产业的角度对物联网发展的趋势和方向进行研究。

1 全球物联网发展总体态势

1.1 物联网发展进入2.0新阶段，形成三大主线，并呈现三大转变

自2005年以来，全球物联网历经“概念探索、政府主导、应用示范”的1.0市场培育期。随着技术加快突破和需求扩大升级，物联网发展条件和技术构成等方面已发生重大变化，目前已经进入“跨界融合、集成创新、规模应用、生态加速”的2.0产业爆发期。一方面，物联网与大数据、人工智能等其它新一代信息技术融合互动的系统化、集成化创新趋势明显，硬件、软件、服务等核心技术体系加速重构，快速迭代。另一方面，支撑自感知、自决策、自优化、自执行的边缘计算/雾计算技术，支持多方可信数据存储交换能力的区块链技术，支撑立体直观显示的虚拟现实/虚拟增强技术等不断出现并与物联网加速融合，为物联网感知、数据处理与呈现等关键要素提供创新手段，更好地服务工业自治控制及维护、智能交通、智能建筑等行业应用，带来新的产业机遇。在这一新的发展阶段，物联网发展呈现“万物互联、泛在智能、平台生态、数据运营”的新特点，可以说，物联网进入全新的发展轨道，转折点已经到来。

受各国战略引领和市场推动，在基础设施建设、传统产业转型、消费升级的三大周期性动能的驱动下，全球物联网发展迅速。2018年全球物联网设备(包括手机、传感器及各类智能设备)数量约为84亿，超过全球总人口数。当前，全球物联网应用三大主线呈现加速发展态势。一是面向需求侧的消费性物联网，即物联网与移动互联网相融合的移动物联网，自2010年以来创新高度活跃，孕育出可穿戴设备、智能硬件、智能家居、车联网、健康养老等规模化的消费类应用，各类消费类应用也正在加快普及。二是面向供给侧的生产性物联网，即物联网与工业、农业、能源等传统行业深度融合形成产业物联网，2013年以后发展提速，技术能力在传统行业技术体系中的位置不断“下沉”，成为转型升级所需的基础设施和关键要素。当前，产业物联网已是美国工业互联网、德国工业4.0等战略布局的重点，成为全球新工业革命重要驱动力。三是智慧城市发展进入新阶段，基于物联网的城市立体化信息采集系统正加快构建，智慧城市成为物联网应用集成创新的综合平台，物联网应用成为几乎所有智慧应用的内涵，如物联网和地理信息、大数据、人工智能等技术的融合，成就智慧交通、智慧城管、智慧环保等应用。预计2020年智慧城市领域联网设备数量将突破97亿，物联网在各领域的应用显著提升城市管理和服务的精细化水平，成为城市新基础设施，随着万物互联时代开启，数据蕴含价值的发掘将进一步推动物联网应用爆发性增长。总体来看，物联网正从小范围局部性应用向较大范围规模化应用转变，从垂直应用和闭环应用向跨界融合、水平化和开环应用转变，从单一行业的数字化应用向着多行业的网络化、智能化不断转变。

1.2 网络和平台加速规模部署，为物联网水平化全面推广奠定基础

随着各行业对物联网理解的不断加深，“先联网，后增值”和“以平台为核心构建物联网产业发展生态”的发展理念和思路在行业内逐步形成共识，带动了物联网网络和平台的快速部署。

对于市场的良好预期带动了物联网广域网络的规模部署和网络技术的不断突破。首先，低功耗广域蜂窝网技术成熟并持续开展试商用，为低功耗、低成本、广覆盖、大连接业务开展奠定了网络基础，在2017年率先成为全球的发展热点。据Ovum2017年第三季度数据显示，全球正在计划中的、处于试验状态以及投入商用的公共低功耗广域(LPWAN)网络数量达到198个。NBIoT、LoRa和Sigfox网络数量分别为69、46和26个。除了以上三种网络制式，Cat M(eMTC)、Ingenu、Cat 1、EC-GSM也在全球逐步落地。

另外，在LPWAN快速发展的同时，其他面向物联网应用的网络连接也在不断突破。据Vodafone统计，企业在应用物联网时将平均使用3～4种连接方案。为了满足企业多样化的连接需求，2016年，蓝牙5.0标准正式发布并启用，新标准相比前代可提供2倍的传输速度，4倍的覆盖范围和8倍的广播数据承载量。2017年，Zigbee联盟发布了最新的dotdot应用层协议。预计2018年下半年，更低功耗更高速的第六代Wi-Fi技术也将落地。与此同时，利用卫星为物联网应用提供定位、大范围覆盖的技术方案正逐步兴起。而随着5G相关技术的成熟，物联网将形成多连接、全覆盖的网络体系。

物联网平台步入规模化扩张的战略窗口期。一方面，物联网平台成为跨国巨头构建产业生态的核心与重要抓手，技术逐渐成熟，产业界投入持续加大，产业价值被普遍看好，热度较去年有进一步提升。据IoT Analysis统计，全球物联网平台数量从2016年的350家，增长到2017年的450家。目前主要集中在工业/制造业领域(占32%)，智能城市和智能家居两个垂直领域紧随其后(21%)。92%以上的平台在应用领域，3%提供IaaS服务。同时2017年围绕物联网平台的并购和融资依旧活跃，截至2017年上半年，物联网平台的融资超过3亿美元。

另一方面，虽然物联网平台整体仍处于开展初期，依然存在碎片化的问题，但巨头企业凭借技术优势、先发优势和生态优势在竞争中占据主导地位，平台营收、应用接入规模均大幅领先，物联网平台市场的“马太效应”正逐渐形成。从整体发展情况看，由大型企业建设的物联网平台，年增长率普遍超过50%，高于市场的平均值。思科公司的Jasper物联网连接管理平台，已从2016年的3500家企业增长到2017年的9000家，该平台管理的连接设备数量也从原本的1700万增加到4000万台。据物联网智库统计，中国移动OneNET商用仅两年，物联网管理平台接入企业超过20000家，接入终端突破600万台，吸引聚集近30000名创客参与应用开发。

1.3 政策和市场环境共同推动物联网产业成熟度的提升

2016年以来，主要国家积极布局物联网2.0阶段发展战略，既体现了其对传统发展理念的深刻反思，也反映了抢占新一轮国际竞争制高点、调整失衡的产业结构的战略意图和决心。美国重审物联网战略布局，加强顶层设计和具体部署。2017年初NTIA(国家电信和信息管理局)又重磅推出《加快物联网发展绿皮书》，高度评价物联网发展的重要意义，深刻认识物联网对于美国的机遇和挑战，提出政府在物联网发展中不仅是政策制定者和监管者，也是物联网技术的推动者和采用者；认为美国应建立一个长期的国家战略，并从发展环境营造、基础设施建设、频率资源配套、市场推广、安全防护、法律法规等各个层面提出措施和行动，使物联网的机会最大化，从而带来巨大的社会和经济效益。我国工业和信息化部则是在物联网“十三五”规划的总体设计下，在物联网发展的重点环节和重要应用上持续推动。2017年6月15日，工信部发布《关于全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知》。通知要求，到2017年末实现NB-IoT网络覆盖直辖市、省会城市等主要城市，基站规模达到40万个；到2020年，NB-IoT网络实现全国普遍覆盖，面向室内、交通路网、地下管网等应用场景实现深度覆盖，基站规模达到150万个。2017年11月30日，国务院印发了《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》(以下简称《指导意见》)。《指导意见》确立了三阶段目标。到2025年，我国基本形成具备国际竞争力的基础设施和产业体系；到2035年，建成国际领先的工业互联网网络基础设施和平台，形成国际先进的技术与产业体系，工业互联网全面深度应用并在优势行业形成创新引领能力，安全保障能力全面提升，重点领域实现国际领先；到本世纪中叶，工业互联网网络基础设施全面支撑经济社会发展，工业互联网创新发展能力、技术产业体系以及融合应用等全面达到国际先进水平，综合实力进入世界前列。另外，多部委共同推进的国家制造强国建设领导小组车联网产业发展专项委员会在2017年9月举行第一次会议，将统筹发展车联网，促进LTE-V2X车联网无线通信技术等新技术的部署和应用，推动5G与车联网融合发展。

物联网投入持续增加，物联网企业逐步走向成熟。据IDC统计，2017年6月，全球物联网支出超过8000亿美元，同比增长16.7%，主要投入方向在制造业、交通和公共事业。截至2017年Q1，全球物联网行业相关公司已经突破1800家，覆盖软件开发、智能家居、智能汽车等20余个领域。Q1全球物联网企业融资27亿美元，超过2012年全年。从融资轮次来看，主要集中在A、B、C三轮，物联网企业逐步成熟(Venture Scanner)。

2 物联网技术创新趋势

2.1 纵向“数据使能”创新路径一：知识赋能，AI在行业物联网中不断渗透

在物联网中，传统的智能化方式主要通过专家系统和控制算法共同实现。其中专家系统为工业设备设定阈值，当设备超出阈值时，专家系统根据经验，给出设备需要检查、维护、维修的意见。而控制算法则是基于物联网平台提供面向行业的控制算法。例如SAP主要推广的是SAP的物联网平台Leonardo，将APS(高级排产功能)融入系统，实现生产物料自动匹配生产设备。目前的专家系统和控制算法智慧水平较低，但更加可控、可靠，因此更多应用在行业领域，包括工业、医疗和交通等领域。人工智能提供的智能化使物联网具备学习能力，通过一定时间的给定条件的输入、输出，训练出智能，以后根据训练出来的智能，在给定输入情况下提供智能的输出。目前人工智能实现的智能化主要应用在智慧家居、智能硬件、服务机器人等面向消费物联网的领域。随着物联网的发展，人工智能实现的智能化开始向行业物联网渗透，如目前在交通领域实现的自动驾驶、医疗领域实现的自动诊断以及工业领域的智能制造等。

从技术实现的角度，散点技术创新在物联网细分领域实现深度融合，应用将爆发。人脸识别、语音识别、动作识别等单点技术逐步成熟，并向音视频识别、视频摘要、融合识别等主动多模态融合技术发展。物联网技术带动人工智能向消费、安防、医疗、交通、家居等众多领域渐次渗透，正处于规模起量阶段。

2.2 纵向“数据使能”路径二：数据处理下沉带来的敏捷性、实时性和开放性

边缘计算是万物互联时代面向物联网应用场景新的计算技术、计算模式和产业生态。边缘计算是在靠近传感器或数据源头的网络边缘侧分布式开放平台，通过边缘计算能够汇聚连接、计算、存储、智能等各类ICT资源，向各类行业进行开放，实现设备互联互通，提高网络和应用的实时性，开放设备和网络的控制能力，形成面向物联网的新计算体系。

推动边缘计算概念兴起的原因既包括行业数字化发展带来的外部需求，也包括新技术演进的内部原因。其中传统行业，如制造业、交通行业等在数字化、网络化、智能化的发展过程中产生了新的需求。万物互联触发了新的数据生产模式和消费模式。特别是随着网络覆盖的扩大、带宽的增强、资费的下降等推动了边缘计算新技术应用条件的进一步成熟；以工业互联网为代表的基础性行业的数字化转型，推动信息通信技术与制造工业的深度融合，在这一过程中，通过边缘计算实现在工厂内网络边缘处ICT技术赋能，为传统行业应用ICT技术提供了新的平台。内因是以云计算为代表的中心化的计算模式在支持物联网的很多应用场景中存在诸多不足。一是万物互联带来的数据爆炸对现有的计算模式和计算能力提出了巨大的挑战，特别是线性增长的集中式云计算能力无法匹配爆炸式增长的海量边缘数据；二是现有的网络技术在数据传输能力上不足，虽然网络技术不断发展，但工业制造、安全监控、自动驾驶等很多物联网应用对于实时性有着较高的要求，而由于互联网“尽力而为”的技术特点使得数据量的急剧增加将造成较长网络延迟，难以满足业务上的实时性要求；三是现有的计算模式在安全性上天然存在不足，对于集中式计算模式而言，数据要送到中心进行计算，完成计算后将结果返回，这种方式增加了数据传送和处理过程中的风险，而采取边缘计算的方式，可以有效避免数据的大规模广域传送，减少安全隐患，保证安全和隐私保护要求。

目前，参与这一轮边缘计算产业竞赛的“运动员”，已经逐渐形成了两种发展方式：方式一是边缘侧的整体统筹部署，以思科、Openfog联盟为典型代表，主要特点是强调边缘侧各节点间的互动，核心技术是软件定义机器、分布式计算；方式二是边缘侧的单点能力突破，以华为、ECC联盟为典型代表，主要特点是强调边缘侧在局部范围内的小闭环处理，核心技术是轻量计算系统、通信协议融合、边缘智能。两种方式的区别是突破点不同，前者在准备较为充分的情况下希望能整体联动，后者在准备不足的情况下希望能在局部优先突破。

2.3 横向“数据流动”中跨环节跨行业数据流动：基于区块链的可信物联网

从物联网的发展情况看，虽然目前在基础设施、应用推广方面已经取得十分显著的效果，但制约物联网进一步发展的深层次问题依旧存在，包括以下几个方面。一是设备安全问题。由于大部分物联网设备处理能力弱、耗电较低，在连接到网络中时容易成为安全上最薄弱的一环。目前全球范围内利用物联网设备安全漏洞产生的攻击事件层出不穷。二是互联互通的问题。目前全球范围内，物联网平台数量众多，而平台之间由于通信兼容性及对等平台之间缺乏互信机制，仍无法实现互联互通。三是架构的集中化问题。目前物联网平台成为物联网架构的核心，从架构上看，集中式的架构难以应对物联网设备的快速增长。目前在物联网方面，应用区块链技术的空间十分广阔。区块链技术对物联网最有吸引力的地方在于：一是建立物联网多主体之间的互信机制，打破目前的信息孤岛；二是信息不可篡改性，保证信息在多主体之间传递可靠性。

总体而言，区块链技术在物联网中应用主要在以下两个方面。

一是利用区块链技术保障物联网数据跨环节、跨行业流动的真实性。要建立面向物联网的可信、安全体系，需要从源头、数据传送、数据应用等不同环节采取安全技术。对于物联网数据源头—传感器数据的安全可靠需要通过安全芯片、集成安全技术等方式解决。对于跨各主体、各环节的数据传输安全的保障，物联网数据的存证和溯源是区块链技术在物联网中应用的主要方向之一。目前从产业界发展的情况看，物联网中区块链的典型应用是产品追溯。目前广泛应用在农牧产品原产地追溯、工业生产的原材料和零配件追溯以及消费品防伪等方面。

二是相对颠覆性地依托区块链构建分布式物联网，实现去中心化的物联网架构。对于同一用户而言，将拥有多个物联网设备，而单个设备获得用户状态信息是有限的，只有多个设备的信息整合之后才能发挥价值。但从目前的情况看，由于不同设备分属不同的业务提供商或接入不同的平台(例如工厂单一产线上的传感器采购于一个厂家，而另一个产线上的传感器可能采购于另外一个厂家)，因此同一厂家的不同设备之间无法直接进行信息的交换。设备之间的信息交互通常通过设备所属平台进行(当然前提是设备所属业务提供商之间已经达成了信息交换的协议)。这种信息交换模式不仅效率低，而且需要业务提供商之间达成一致，并需要平台之间互联互通技术的支持。而如果直接在设备中应用区块链技术，在设备之间或平台之间能够建立互信机制并直接交换信息，将低成本、高效率地实现信息交换共享，改变物联网现在集中式的架构，实现分布式的信息交互。

3 结束语

物联网发展前景广阔，面临着难得的历史机遇，同时物联网产业发展面临的瓶颈和深层次问题依然突出。在供给侧改革和消费侧升级双重驱动背景下，在信息技术加速融合创新发展形势下，推动物联网的发展，除了在应用和商业模式上的不断创新，还需要不断进一步开展技术创新，特别是围绕数据的智能化应用，在供给侧为物联网发展注入新的活力。