物联网产业现状与技术发展

闫亚旗 周桂英 盛明哲 赵文东 王源野

中国联通研究院 北京 100176

引言

物联网，顾名思义就是指万物互联。过去的通信网络，不论是固定网络还是移动网络，连接的是人与人，是人与人传递信息的桥梁；而物联网连接的是人与人、人与物、物与物，是万物传递信息的桥梁。广义的物联网的概念不仅指的是万物之间的通信连接管道，更指的是人们通过对万物终端所产生的信息进行感知、采集，利用物联网络汇集海量数据，并对这些数据进行收集、分析、处理，再将结果展示或通过物联网络反馈回终端并指导终端行为的整个价值创造过程。

物联网通过智能感知、识别技术、普适计算、泛在网络的融合应用，被誉为继计算机和互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮，随着物联网技术的进一步普及，人们的日常生活和工业生产将产生天翻地覆的变化。物联网不仅是网络，更是业务和应用，是互联网的应用拓展，以车联网、智能电网、智能家居、安防监控、远程医疗等应用领域为代表，为人们生活提供更大便利，提高了公共服务资源调配效率。目前物联网在全球进入高速增长风口期，根据研究机构Gartner公司的调查，2017年全球物联网设备数量达到了84亿，比2016年的64亿增长31%，预计到2020年物联网设备数量将达到204亿。研究机构IDC预测，到2020年全球物联网收入规模将达1.7万亿美元。物联网被视作全球经济增长的新引擎，将开启一个万物互联的新世界。

1 物联网概述

1.1 物联网定义

物联网的实践最早可以追溯到1990年施乐公司的网络可乐贩售机——Networked Coke Machine。1999年美国麻省理工学院建立了“自动识别中心(Auto-ID)”，提出“万物皆可通过网络互联”，阐明了物联网的基本含义。根据国际电信联盟发布的ITU互联网报告，在新的发展时期，物联网被定义为根据一系列的信息系统以及设备按照约定的协议将互联网与所有设备进行连接以进行通信及信息的交换，从而达到智能化的识别定位管理等功能的一种网络[1]。其中设备主要包含有线/无线网络接入设备、短距离通信设备、图像码识别设备、底层传感器设备和定位系统等等。

1.2 物联网架构

目前，多个国际组织(比如ITU、ISO、IEC和oneM2M等)正在致力于物联网的技术和标准化研究，这些标准组织的研究各有侧重，但体系架构基本一致。图1给出了国际电信联盟(ITU-T)定义的IoT通用参考模型，该模型由设备层、网络层、业务支持和应用支持层、应用层及其与之相关的管理和安全能力构成。

图1 物联网参考架构

1)设备层。设备层的功能是感知、识别物体或环境状态并且实时采集、捕获信息，它由包括二维码标签、识读器、RFID标签、读写器、摄像头、GPS、传感器、计量器等器件以及M2M终端、传感器网络和传感网关等构成，通过传感器获取信息，并通过接收网关获得控制命令。

2)网络层。网络层依托公众电信网、互联网或行业专业通信网络，实现信息的传送，包含两类能力：网络能力，即提供网络连接的相关控制功能，例如接入和输送资源控制功能、移动管理或认证、授权和结算(AAA)；传送能力，侧重传送IoT业务和具体应用的数据信息，以及为传送与IoT相关的控制和管理信息提供连接。

3)业务支持和应用支持层。业务支持和应用支持层包含以下两个能力群：通用支持能力，可供不同IoT应用使用的公共能力，例如数据处理和数据储存；特定的支持能力，针对不同应用要求的特殊能力。事实上，它们可能包含各类详细的能力分组，目的就是为不同的IoT应用提供不同的支持功能。

4)应用层。应用层的功能是实现物联网信息技术与终端行业专业技术的深度接触，完成物体信息的协同、共享、分析、决策等功能，形成智能化应用的解决方案，从而实现物联网在众多不同领域之间的运用，如智慧城市、智能家居、工业互联网、车联网等。

5)与传统通信网络类似，IoT管理能力涵盖了传统故障、配置、性能和安全(FCAPS)类别[2]，即故障管理、配置管理、结算管理、性能管理和安全管理。安全能力主要包括应用层安全(授权、认证、应用数据保密性和完整性保护、隐私保护、安全审计和防病毒)、网络层安全(授权、认证、使用数据和信息数据保密性，以及信令完整性保护)和装置层安全(授权、认证、装置完整性验证、接入控制、数据保密性和完整性保护)。

2 物联网产业现状

物联网作为新一代信息通信技术高度集成和应用的典范，正在与经济社会深度融合，深刻改变生产活动、社会管理、公共服务。随着物联网技术在行业中的普及和不断深化，人类社会正进入“万物互联”的新时代[3]。

面对物联网、大数据、云计算等新一轮技术革命可能带来的历史机遇，发达国家政府纷纷出台政策进行战略布局，投资鼓励融合创新技术的研发与应用，以抢占全球新一轮经济科技发展的制高点。经过近几年技术与市场的培育，物联网已进入快速发展期，迈向了万亿美元市场，涵盖穿戴设备、智能家居、智慧城市、物流管理、智能制造、智慧农业等众多行业领域。目前，物联网产业的整体规模正在逐年扩大，应用领域也在不断拓展，产业链结构趋于完整。 以ARM、Intel、博通、高通、TI等为代表的半导体企业针对低功耗、大连接的物联网应用场景纷纷推出专用芯片产品，并不断地进行优化。微型化、低成本、低功耗的光、温湿度、气压等微机电系统(MEMS)传感器、陀螺仪在物联网终端被广泛内置[4]。网络方面，以NB-IoT、eMTC、LoRa、Sigfox等为代表的低功耗广域网(Low-Power Wide-Area Network，LPWAN)技术发展迅速并在全球范围内获得广泛应用，面向海量机器通信业务场景、低时延高可靠业务场景的5G非独立组网和独立组网功能标准已冻结，同时工业以太网、LTE-V、短距离通信技术等相关技术也取得显著的进展。平台层面，包括通信设备商、电信运营商、云计算厂商、互联网公司、传统行业企业在内的产业巨头纷纷制定其物联网发展战略，结合自身优势，基于物联网平台构建产业链协同物联网生态系统，提升对整个产业的把控能力。目前，物联网IaaS平台和PaaS平台都已具备，基于应用和数据的SaaS平台和Daas平台正在成为物联网平台下一步发展的趋势。据估计，全球物联网平台营收规模将保持33%左右增速，至2020年达到16亿美元，而其间接带来的产业价值将远超该规模。同时，物联网广泛应用于电力、交通、工业、医疗、水利、安防等领域，在各行业的应用不断深化，催生新技术发展和商业模式创新，物联网数据飞速增长，助力企业建立更深层次的客户关系，通过数据发现新的价值来源，加速企业运营的数字化转型，开创全新的盈利模式和竞争格局。物联网应用规模与水平不断提升，在智能交通、车联网、物流追溯、安全生产、医疗健康、能源管理等领域已形成一批成熟的运营服务平台和商业模式，部分应用达到了千万级用户规模[5]。随着物联网应用的持续发展，基于物联网产业价值的重心将不断向应用层转移，基于物联网数据的服务将是未来物联网产业价值重心。

毫无疑问，物联网已然成为当今世界技术创新最活跃、发展空间最广和应用潜力最大的领域之一。伴随着人工智能、边缘计算、区块链等新技术的不断兴起以及相关产业要素的完备，物联网必将进入智能发展的新阶段。

3 物联网技术发展趋势

3.1 终端与模组

模组是物联网产业端到端方案的重要一环，是网络连接的载体，行业终端的重要组成部分。通常，每增加一个物联网连接数，就需要增加1～2个无线模组，据预测，2020年我国物联网连接数较2016年将有317%的增长，达到35亿，这将支撑无线模组出货迅速放量。

物联网连接数的爆发、应用的多样化，正推动着物联网模组向着小型化、低成本方向发展；同时，为降低终端开发门槛，便于平台与物联网终端、模组间的信息交互，加速物联网产业的应用发展，物联网模组正在走向标准化与规范化，包括模组的尺寸标准化、硬件接口标准化、引脚位置及功能标准化，且支持Pin-to-Pin向下兼容[6]。另外，为屏蔽不同终端模组厂商通讯协议的差异性，扩展多种协议的设备接入物联网平台，出现了“终端侧云代理”技术，即通过在各种通信模组上安装标准化应用程序，作为设备、平台、应用端的信息交互桥梁，将不同软硬件厂商的通信协议转换成统一的标准协议，从而让产品开发者只需要关心产品的业务逻辑开发，不用关心数据的通讯功能开发，极大降低开发的难度，缩短开发周期。

3.2 网络

物联网应用的多样化催生了丰富的物联网连接技术，可以按照低速率、中速率、高速率、低时延高可靠四类业务场景，将物联网连接技术进行分类。其中，低速率业务场景主要由低功耗广域网络(LPWAN)来承载，主流连接技术有NB-IoT、eMTC、LoRa、Sigfox，该类业务具有低功耗、低成本、大连接、广覆盖的需求特征，典型应用包括智能抄表、资产管理、智能停车等，据预测，未来IoT连接市场中，LPWA业务所占比例将达70%；中速率业务场景对数据速率要求中等或偏低，部分场景要求支持语音传输或具备移动性，且要求覆盖能力强、成本较低，连接技术主要有4G Cat1、3G UMTS、eMTC，典型应用包括可穿戴类、POS、智慧物流等；高速率业务场景对吞吐率、移动性要求较高，对价格和功耗不敏感，连接技术主要有4G Cat4、3G HSPA，典型应用包括智慧医疗、智慧安防等；低时延高可靠业务场景对吞吐率、速率、时延以及可靠性要求高，连接技术主要是LTE-V、5G，典型应用包含车联网、远程医疗等。

3.3 物联网平台

物联网平台位于产业链的中游，是物联网应用和服务支撑的基础平台，向下接入分散的物联网传感层，汇集传感数据，向上面向应用服务提供商提供应用开发的基础性平台和面向底层网络的统一数据接口，支持具体的基于传感数据的物联网应用。物联网终端设备通过信息传感设备(例如无线传感器、射频识别装置、红外感应器、激光扫描器等)采集现实世界信息，利用移动网络(LPWAN、2G、3G、4G、5G等)、短距离无线通信技术(Wi-Fi、ZigBee、蓝牙、RFID等)将数据传送给物联网平台。随着时间的推移，物联网平台汇聚大量的数据，通过大数据分析、数据挖掘、人工智能、机器学习等技术，物联网平台可以提供强大的终端设备管理和商业分析等功能。对于传输数据量大、处理实时性要求较高的物联网业务，边缘计算+物联网云平台的结合能实现在网络边缘快速处理数据和及时响应，并将过滤之后的数据发送到云端，云端分析引擎生成模型再发送回边缘，可以满足不同行业边缘智能数据梳理诉求，助力行业快速创新，提升生产效率，降低运维成本。

物联网平台按照逻辑关系从下到上提供设备管理、连接管理、应用支持、业务分析等主要功能，对终端设备和资产实现“管、控、营”一体化，向下连接感知层，向上提供应用开发能力和统一接口，并为各行各业提供通用的服务能力。根据平台功能的不同，物联网平台可分为以下三种类型。

1)连接管理平台(CMP)：通过对网关连接的监测与管理，保障终端联网通道的稳定，同时可以进行IoT资费管理、网络资源用量管理、IP地址资源管理等。

2)设备管理平台(DMP)：通过传感器定时采集设备数据，DMP平台对物联网终端设备进行远程监控、设置调整、软件升级、故障排查、系统升级、生命周期管理等功能；同时实时提供网关和应用状态监控告警反馈，开放的API调用接口帮助客户轻松进行系统集成和增值功能开发；所有设备的数据也可储存在云端。

3)应用开发平台(AEP) ：主要为物联网应用开发者提供成套的应用开发工具、中间件、数据存储功能、业务逻辑引擎、对接第三方系统API等。此外还提供高扩展数据库和数据模型、实时数据处理、智能预测离线数据分析、数据可视化展示应用等。物联网应用开发者无需考虑底层基础设施扩展、数据管理和存储、通信协议、通信安全等问题，在AEP平台快速开发、部署、管理应用，降低开发成本、大大缩短开发时间。

物联网平台作为物联网产业链关键环节，具有重要作用。平台具有强大的数据收集和分析能力，以此可以创造前所未有的创新商业模式。目前通信设备商、运营商、云计算厂商、互联网巨头、初创公司都依托自身核心能力，打造各具特色的物联网平台，并以平台为核心，构建物联网产业生态。据IoT Analytics数据显示，全球的物联网平台企业已经由2016年的350家增长至目前超过450家，随着企业加速向物联网领域转型，新兴的物联网平台市场将继续保持强劲的增长势头，估计物联网平台的市场规模会以33%的复合增长率增长。

随着物联网平台加速发展，其架构和应用领域也在发生着变化。传统平台主要是基于Java或者.Net，使用中心的SQL数据库，建立他们的组件作为jar文件，未来的物联网平台则更多地使用Python或者Node.js等开发工具，基于通用开源PaaS以及微服务架构的二次开发将成为物联网平台的主要构建方式，以API为代表的新型集成技术、容器技术、人工智能等技术的应用将促使平台更加的开放、灵活和智能，同时平台的功能也将进一步下沉，边缘与云端协同成为平台重要发展方向。在应用方面，由于各个行业使用的终端、协议以及外部接口都不尽相同，涉及到的行业机理也千差万别，如智能家居、智慧城市、工业互联网等应用，未来随着物联网标准的不断统一，支持多样化的行业应用平台将成为趋势，行业知识与数据科学的融合将成为重要发展方向。

3.4 新技术领域

随着ICT技术的发展，融合正在成为当前物联网技术发展趋势的主基调，人工智能、区块链、边缘计算等新技术正在不断融入到物联网之中，可以说物联网正在进入一个融合型的智能联接新生态。

3.4.1 区块链

区块链是一种在对等网络(也称分布式网络、点对点网络)环境下，通过透明和可信规则，构建可追溯的块链式数据结构，实现和管理事务处理的模式，具有分布式对等、链式数据块、防伪造和防篡改、透明可信和高可靠五方面的典型特征[7]。作为物联网中一种普适的底层技术，区块链可以有效解决物联网发展中面临的大数据管理、信任、安全和隐私等问题，为大规模物联网网络提供高容纳性、可信任的基础设施，降低中心化设备网络的运营和信用成本，提高运营效率和资产利用率。同时通过身份验证、授权机制等技术保证物联网在存储、信息传递等方面的安全性和隐私性。此外，区块链还能带来物联网智能化应用模式的扩展，促进商业模式的创新。因此，一定程度上而言，物联网也为区块链提供了最佳应用场景，相信未来二者也会擦出更多的火花。

区块链在物联网领域的应用探索在2015年前后已经开始，目前主要集中在物联网平台、设备管理和安全等方向，具体包括智能制造、车联网、农业、供应链管理、能源管理等领域。如2017年3月，中国联通联合多家公司和科研单位在ITU-T SG20成立了全球第一个物联网区块链(Blockchain of Things，BoT)的标准项目，定义去中心化的可信物联网服务平台框架，如图2所示。2016年10月IBM在其Bluemix平台下引入区块链赋能项目，在物联网云平台的基础上加入区块链服务，根据用户需求实现不同功能。该项目把各种电子设备登记在区块链上来建立物联网，同时将区块链应用在智能农场里来确保精准农业数据不被篡改。

区块链为物联网生态的建立和完善提供了最佳的选择和重要的支撑，随着二者融合的不断深化，将广泛影响工业、农业、医疗、健康、环保、交通、安全、金融、保险、物品溯源、供应链、智慧城市综合管理等诸多领域，实现从信息互联到价值互联的巨大转变。

图2 去中心化的可信物联网服务平台框架

3.4.2 人工智能

人工智能(Artificial Intelligence，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新的技术科学，其本质是对人思维的信息过程的模拟，是人的智能的物化。众所周知，物联网的核心价值在于对设备传感数据的捕捉与分析，预测显示，到2020年我们每个人都会拥有很多连网设备，每秒需处理数TB的数据，这还不包括那些与宠物相关的连网设备以及设备之间的交互，在某种程度上，物联网将成为地球上最大的数据来源。设备传感数据是物联网核心价值所在，通过平台汇聚物联网数据，对数据进行清洗、过滤、分析、挖掘才能提炼物联网数据的价值，但是通过人力处理大量的环境和操作数据是不现实的，现有计算机软件和数据库系统的处理能力也存在瓶颈。而人工智能技术的出现和发展可以有效解决这一问题，物联网在底层收集数据资料，通过人工智能算法的处理分析，快速生成所需信息并积累知识，为当今社会发展提供一种新的能量，缔造一种新的“虚拟劳动力”，从而为消费者提供新的价值主张，提升智能化生活水平，帮助企业提高生产效率，并优化商业结构，创造新的商业模式，提供新的商业机会和收入来源。因此，人工智能也被称作是物联网系统的大脑，使得物联网更加智能和高效地工作。例如，罗尔斯·罗伊斯(R&R)发动机公司利用物联网技术对其生产并在航空公司使用的发动机实行在线监控、故障诊断和实时维修支持，借助人工智能预测发动机维修时间，航空公司能够根据双方协商认可的发动机单位安全飞行小时费用付费，R&R的市场占有率从5%提升到40%[8]。在新零售领域，以色列一家创业公司Trax借助人工智能技术致力于通过不断打磨的领先图像识别算法、海量的货架和商品数据，来帮助品牌及零售商实现零售货架信息数字化升级，进而提供从货架数据收集到分析咨询的全套零售执行管理方案。官方披露，已采用Trax技术的快消品公司，缺货率下降10%～15%，整体销售业绩提升3%～5%，并且目前Trax的业务已经遍布全球50多个国家，公司的数据库已收录100多万家商店的60亿个SKU，服务超过175家客户，包括可口可乐、百威英博、雀巢、汉高、百事等顶级消费品公司。可以预见，随着物联网网络的成熟化部署，产业运营和商业模式将发生巨大的变革，而人工智能技术将有效地引领此次变革并为产业链带来新的增值收益。

3.4.3 边缘计算

边缘计算是在靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的分布式开放平台，就近提供边缘智能服务，满足行业数字化在敏捷联接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求[9]。

随着万物互联的蓬勃发展，互联网接入的用户和设备越来越多，无论是个人用户，还是物联网接入设备，每时每刻都在产生大量的数据。数据量不断增多的情况下，对于设备的响应和本身计算能力的要求越来越高，如果继续使用传统中心服务器的模式，势必会造成网络的拥塞，无法保证高实时性业务的开展。边缘计算作为一种新的技术理念，主要聚焦实时、短周期数据的分析和处理，可以显著降低关键应用的延迟、降低对云的依赖，同时与适用于非实时、长周期数据、业务决策场景的云计算相协同，可以形成模式互补，从而支撑行业数字化转型更广泛的场景与更大的价值创造。在物联网行业应用中，特别是在工业控制领域，边缘计算是实现分布式自治控制工业自动化架构的重要支撑，在预测性维护、能效管理、智能制造等领域有着广泛的应用前景。如在梯联网中，在边缘侧实时采集电梯的运行数据，进行数据预处理，并协同云端大数据分析平台，全面监控电梯各部件的“健康指标”；通过电梯预测性维护，提高维护效率，降低维护成本，降低最终客户运营成本；通过提供增值服务，支撑电梯制造商向服务商进行转型，打造新的利润增长点。边缘计算的兴起也将重新定义“云—管—端”之间的关系，带来新一轮的技术变革和产业发展机遇。

我国物联网产业发展呈现欣欣向荣的景象，尤其是近几年来，包括芯片、终端、网络、平台、应用的物联网产业链上下游发展迅速，人工智能、边缘计算、区块链等新技术的广泛应用更加助推这一上升趋势。物联网在各行业的应用不断深化发展，有助于转型升级传统产业、提高经济总量、降低生产生活成本。

4 结语

物联网作为未来ICT行业最具发展潜力的领域之一，是我国战略性新兴产业的重要组成部分，其健康发展将有力带动传统产业数字化转型改造，促进产业结构优化升级，引领战略性新兴产业发展，推动社会生产和经济发展方式的深度变革，重塑国家的长期竞争力，因此我们应积极抓住物联网发展的战略机遇期，牢牢把握整个行业和新技术的发展趋势。夯实底层网络连接和平台层基础设施，提供通用化便捷化的云网协同服务机制，在此基础之上积极拥抱人工智能、区块链和边缘计算等创新性互联网新技术，进以推动物联网和各个行业的深度融合，为我国数字经济发展构筑新动能。