物聯網走進中國家庭的路徑研究

摘 要：中國能否快速啟動家庭物聯網產業，選擇物聯網走進家庭的最佳捷徑是關鍵決定因素之一。根據家庭物聯網模型，物聯網走進家庭存在需求、技術、外部化等路徑。文章通過對家庭智慧化需求、家庭物聯網技術和家庭外部物聯網化進行深刻解析，運用神經網絡和結構方程方法尋求物聯網走進家庭的最佳捷徑。分析發現：需求路徑和技術路徑是促進物聯網走進家庭的主要動力來源，外部化路徑是物聯網走進家庭的必要條件。

關鍵詞：物聯網；走進家庭；需求路徑；技術路徑；外部化路徑

中圖分類號：F204 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）12-00-04

0 引 言

中國是世界上家庭最多的國家，快速啟動家庭物聯網產業既是大力發展中國物聯網產業，實現新常態下創新驅動經濟發展的關鍵，也是改變中國在世界信息產業第三次浪潮中地位的重中之重。中國能否快速啟動家庭物聯網產業，主要取決于兩個關鍵因素：一是把握物聯網走進中國家庭的最佳時機，爭取以最佳時機啟動家庭物聯網產業；二是選擇物聯網走進中國家庭的最佳捷徑，爭取以最短路徑啟動家庭物聯網產業。關于如何把握物聯網走進家庭的最佳時機，已經在前面進行過詳細介紹[1]。

現在以家庭物聯網模型為基礎，通過對家庭智慧化需求、家庭物聯網功能和家庭外部物聯網化進行深刻解析，運用神經網絡和結構方程方法尋找物聯網走進家庭的最佳捷徑。

1 物聯網走進家庭的需求路徑

1.1 模型構建

國內外家庭物聯網研究成果表明[2-12]，家庭物聯網主要由三個層次組成：第一層是傳感網絡，包括智能家電、生活用品、家居設備、家用健康設備等，這些設備或帶有RFID或帶有傳感器，可實現對家庭用品、家居設備的狀態監控以及采集家庭成員的健康數據等；第二層是傳輸網絡，由電信家庭網關的物聯網傳送功能、寬帶網絡和家庭物聯網平臺的傳送功能組成，實現數據的傳輸與計算；第三層是應用網絡，主要包括家庭網關的物聯網應用功能、物聯網平臺應用功能，以及由商場、制造商、醫療機構等組成的第三方應用功能，第三方應用主要實現對家庭物件的檢測、控制、配送，提供商品的售后服務跟蹤，以及及時為家庭成員提供健康服務等。

根據家庭物聯網層次結構，將以前通過效度檢驗的潛變量“家庭智慧化需求”的測量變量[1]分為三類：第一類是測度物聯網走進家庭的需求路徑的因變量，主要包括“家庭安防”、“遠程醫療”、“智能家居”、“在線支付”等，分別用Y1、Y2、Y3、Y4表示；第二類是測度物聯網走進家庭的需求路徑的因子，是解釋因變量的變量，主要包括“家庭組網”、“家庭可管理化”、“家庭聯網設備”、“泛在家庭網絡環境”等，分別用X1、X2、X3、X4表示；第三類是測度物聯網走進家庭的需求路徑的協變量，主要包括“家庭設備形態”、“家庭業務邊界”、“家庭用戶界面”等，分別用X5、X6、X7表示，協變量雖然在實驗設計中獨立存在，不為實驗者所操縱，但仍然能夠對因變量產生重要影響。通過分析模型中因子和協變量對因變量的影響解釋物聯網走進家庭的需求路徑。

1.2 研究方法

根據物聯網走進家庭的需求路徑特點，可以用廣義徑向基神經網絡對傳輸層、感知層對應用層的作用進行分析。徑向基函數是一種前饋結構函數，主要包括三層，第一層為輸入層，第二層為隱含層，第三層為輸出層，數據從一個方向進入，通過輸入節點、隱含層，最后進入輸出節點。

將測量家庭物聯網傳輸層的變量“家庭組網”、“家庭可管理化”、“家庭聯網設備”、“泛在家庭網絡環境”作為廣義徑向基神經網絡的因子，分別用X1、X2、X3、X4表示；將測量家庭物聯網感知層的變量“家庭設備形態”、“家庭業務邊界”、“家庭用戶界面”作為廣義徑向基神經網絡的協變量，分別用X5、X6、X7表示；將測量家庭物聯網應用層的變量“家庭安防”、“遠程醫療”、“智能家居”、“在線支付”作為廣義徑向基神經網絡的因變量，分別用Y1、Y2、Y3、Y4表示。

根據分區變量分配個案，將指定數據集分為訓練樣本、檢驗樣本，采用自動體系結構構建一個具有隱含層的網絡，使用批處理方法培訓網絡。通過上述方法，運行出物聯網走進家庭的需求路徑神經網絡。

1.3 數據分析

（1）路徑分析

物聯網走進家庭的需求路徑神經網絡是一個三層神經網絡，輸入層、隱含層、輸出層變量之間的關系主要體現為輸入層變量與隱含層變量之間的關系，以及隱含層變量與輸出層變量之間的關系兩種情況。

在輸入層與隱含層之間的關系方面，輸入層變量的因子“家庭組網”、“家庭可管理化”、“家庭聯網設備”、“泛在家庭網絡環境”與隱含層變量H （1）、 H （2）之間的關系均在0.2附近，基本呈直線關系，即隱含層變量隨著因子變量的變化成正方向變化。輸入層協變量“家庭設備形態”、“家庭業務邊界”、“家庭用戶界面”與隱含層變量H（1）呈負方向變化，與隱含層變量H（2）呈正方向變化。就因子變量內部構成而言，“家庭組網”因子中的“家庭組網=3.00”對H（1）的影響程度較大，“家庭組網”因子中的“家庭組網=4.00”對H（2）的影響程度較大；“家庭可管理化”因子中的“家庭可管理化=3.00”對H（1）的影響程度較大，“家庭可管理化”因子中的“家庭可管理化=4.00”對H（2）的影響程度較大；“泛在家庭網絡環境”因子各子變量對隱含層變量H（1）、H（2）的影響差異不明顯。這說明在因子變量中，得分值較高的因子變量對隱含層影響的程度相對較大。

在隱含層與輸出層之間的關系方面，隱含層變量H（1）與輸出層變量“家庭安防”、“遠程醫療”、“智能家居”、“在線支付”之間呈負相關關系，即隱含層變量H（1）越大，輸出層變量“家庭安防”、“遠程醫療”、“智能家居”、“在線支付”越小。隱含層變量H（2）與輸出層變量“家庭安防”、“遠程醫療”、“智能家居”、“在線支付”之間呈正相關關系，即隱含層變量H（2）越大，輸出層變量“家庭安防”、“遠程醫療”、“智能家居”、“在線支付”也越大。

（2）觀察預測圖分析

通過輸出層變量“家庭安防”、“遠程醫療”、“智能家居”、“在線支付”的觀察預測圖可知，輸出層變量的預測值和實際值都集中在得分值較高的區域，“家庭安防”的預測值和實際值集中在“家庭安防=4.00”、“家庭安防=5.00”與4.55～4.80交叉的區域；“遠程醫療”的預測值和實際值集中在“遠程醫療=3.00”、“遠程醫療=4.00”、“遠程醫療=5.00”與3.9～4.5交叉的區域；“智能家居”的預測值和實際值集中在“智能家居=3.00”、“智能家居=4.00”、“智能家居=5.00”與3.4～4.4交叉的區域；“在線支付”的預測值和實際值集中在“在線支付=4.00”、“在線支付=5.00”與3.8～4.6交叉的區域。這說明輸出變量預測值與假設是一致的。

（3）ROC曲線分析

以1-特異性為橫坐標，以敏感性為縱坐標，將物聯網走進家庭的需求路徑的因子、協變量、因變量繪成ROC曲線。通過觀察ROC曲線下的面積可知，各變量ROC曲線的面積均大于0.5，說明各變量對物聯網走進家庭的需求路徑的解釋具有一定的準確性。因子、協變量、因變量相比而言，因子“家庭組網”、“家庭可管理化”、“家庭聯網設備”、“泛在家庭聯網環境”對物聯網走進家庭的需求路徑的解釋效果最好，各因子ROC曲線下的面積均大于0.8；因變量“家庭安防”、“遠程醫療”、“智能家居”、“在線支付”對物聯網走進家庭的需求路徑的解釋居二，各因變量ROC曲線下的面積在0.7～0.8之間；協變量“家庭設備形態”、“家庭業務邊界”、“家庭用戶界面”對物聯網走進家庭的需求路徑的解釋居三，各協變量ROC曲線下的面積在0.5～0.7之間。

（4）自變量重要性分析

自變量分析結果表明，在驅動物聯網走進家庭的需求路徑自變量中，協變量“家庭設備形態”、“家庭業務邊界”、“家庭用戶界面”的規范重要性最高，說明協變量“家庭設備形態”、“家庭業務邊界”、“家庭用戶界面”是物聯網走進家庭的需求路徑形成和發展的關鍵。因子“家庭組網”、“家庭可管理化”、“家庭聯網設備”、“泛在家庭聯網環境”雖然單個規范重要性不是很高，但上述變量是形成輸出層的直接變量，在物聯網走進家庭的需求路徑中缺一不可。

2 物聯網走進家庭的技術路徑

物聯網能否走進家庭，直接取決于家庭智慧化需求，然而，家庭智慧化需求僅僅只是一種愿望，離開具體技術的支撐，抽象的家庭智慧化需求很難變成現實。研究物聯網走進家庭的技術路徑，對有序發展相關物聯網技術具有重要參考價值。

2.1 研究假設

滿足家庭智慧化需求的家庭物聯網必須具備一定的功能，而各種功能必須有相應的技術作支撐。根據家庭物聯網層次結構，將以前通過效度檢驗的潛變量“家庭物聯網技術”的測量變量[1]分為三類：第一類是測度物聯網走進家庭的技術路徑的因變量，主要包括“家庭應用”、“銷售商應用”、“制造商應用”、“醫療應用”、“政府應用”等，分別用Y1'、Y2'、Y3'、Y4'、Y5'表示；第二類是測度物聯網走進家庭的技術路徑的因子，主要包括“傳遞內網感知”、“傳遞外網數據”、“報告終端”，分別用X1'、X2'、X3'表示；第三類是測度物聯網走進家庭的技術路徑的協變量，主要包括“感知外人”、“感知電氣”、“感知健康”、“感知家電”、“感知水表”、“感知外光”、“感知網絡”等，分別用X4'、X5'、X6'、X7'、X8'、X9'、X10'表示。通過研究因變量、因子、協變量之間的關系探求家庭物聯網傳輸層和感知層技術對應用層技術作用的規律。

2.2 研究方法

應用徑向基函數建立自變量“傳遞內網感知”、“傳遞外網數據”、“報告終端”、“感知外人”、“感知電氣”、“感知健康”、“感知家電”、“感知水表”、“感知外光”、“感知網絡”與因變量“家庭應用”、“銷售商應用”、“制造商應用”、“醫療應用”、“政府應用”之間的關系。上述自變量分別用X1'、X2'、X3'、X4'、X5'、X6'、X7'、X8'、X9'、X10'表示，因變量分別用Y1'、Y2'、Y3'、Y4'、Y5'表示。應用與物聯網走進家庭的需求路徑同樣的方法，運行出物聯網走進家庭的技術路徑神經網絡。

2.3 數據分析

2.3.1 路徑分析

物聯網走進家庭的技術路徑神經網絡由輸入層、隱含層和輸出層構成，該網絡各層之間的關系主要體現為輸入層變量與隱含層變量之間的關系，以及隱含層變量與輸出層變量之間的關系。

在輸入層與隱含層之間的關系方面，輸入層變量“傳遞內網感知”、“傳遞外網數據”、“報告終端”與隱含層變量H（1）、H（2）、 H（3）、 H（4）之間路徑系數大小的變化均呈正方向變化，而且變化趨勢基本一致，輸入層變量“感知外人”、“感知電氣”、“感知健康”、“感知家電”、“感知水表”、“感知外光”、“感知網絡”與隱含層變量H（1）之間的路徑系數均為負值，與隱含層變量H（4）之間的路徑系數均為正值，與隱含層變量H（2）、 H（3）之間的路徑系數有正有負。

就輸入層變量“傳遞內網感知”與隱含層之間的路徑系數而言，“傳遞內網感知=3.00”與隱含層變量H（2）之間的路徑系數相對較大，為0.838。“傳遞內網感知=4.00”與隱含層變量H（1）、H（3）之間的路徑系數相對較大，分別為0.556、0.800。“傳遞內網感知=5.00”與隱含層變量H（4）之間的路徑系數相對較大，為0.538。

就輸入層變量“傳遞外網數據”與隱含層之間的路徑系數而言，“傳遞外網數據=3.00”與隱含層變量H（1）、H（2）之間的路徑系數相對較大，分別為0.667、0.541。“傳遞外網數據=4.00”與隱含層變量H（3）、H（4）之間的路徑系數相對較大，分別為0.680、0.500。

就輸入層變量“報告終端”與隱含層之間的關系而言，“報告終端=3.00”與隱含層變量H（1）之間的路徑系數相對較大，為0.611。“報告終端=4.00”與隱含層變量H（3）之間的路徑系數相對較大，為0.960。“報告終端=5.00”與隱含層變量H （4）之間的路徑系數相對較大，為0.808。

在隱含層與輸出層之間的關系方面，隱含層變量H （1）、H（2）與輸出層變量“家庭應用”、“銷售商應用”、“制造商應用”、“醫療應用”、“政府應用”之間的路徑系數多為負值，隱含層變量H（3）、 H（4）與輸出層變量“家庭應用”、“銷售商應用”、“制造商應用”、“醫療應用”、“政府應用”之間的路徑系數多為正值。說明隱含層變量H（1）、H（2）與輸出層變量“家庭應用”、“銷售商應用”、“制造商應用”、“醫療應用”、“政府應用”主要呈正方向變化，隱含層變量H（3）、H（4）與輸出層變量“家庭應用”、“銷售商應用”、“制造商應用”、“醫療應用”、“政府應用”主要呈負方向變化。

2.3.2 觀察預測圖分析

通過輸出層變量“家庭應用”、“銷售商應用”、“制造商應用”、“醫療應用”、“政府應用”的觀察預測圖可知，輸出層變量的預測值和調研值都集中在得分值較高的區域。具體而言，“家庭應用”的預測值和調研值集中在“家庭應用=3.00”、“家庭應用=4.00”、“家庭應用=5.00”與3～5交叉的區域；“銷售商應用”的預測值和調研值集中在“銷售商應用=2.00”、“銷售商應用=3.00”、“銷售商應用=4.00”、“銷售商應用=5.00”與2.8～3.4交叉的區域；“制造商應用”的預測值和調研值集中在“制造商應用=2.00”、“制造商應用=3.00”、“制造商應用=4.00”、“制造商應用=5.00”與2.8～3.8交叉的區域；“醫療應用”的預測值和調研值集中在“醫療應用=3.00”、“醫療應用=4.00”、“醫療應用=5.00”與3.6～4.1交叉的區域；“政府應用”的預測值和調研值集中在“政府應用=3.00”、“政府應用=4.00”、“政府應用=5.00”與3.2～3.8交叉的區域。說明物聯網走進家庭的技術路徑神經網絡輸出層的預測結果與調研結果基本一致。

2.3.3 ROC曲線分析

物聯網走進家庭的技術路徑神經網絡運行的ROC曲線表明，輸入層變量“傳遞內網感知”、“傳遞外網數據”、“報告終端”、“感知外人”、“感知電氣”、“感知健康”、“感知家電”、“感知水表”、“感知外光”、“感知網絡”，以及輸出層變量“家庭應用”、“銷售商應用”、“制造商應用”、“醫療應用”、“政府應用”ROC曲線下的面積均大于0.5，說明不管是輸入層的因子、協變量，還是輸出層的因變量，對物聯網走進家庭的技術路徑的解釋均具有一定的準確性。就各類變量對比而言，輸出層變量ROC曲線下的面積相對較大，均超過了0.8，說明輸出層變量對物聯網走進家庭的技術路徑的解釋力更強。

2.3.4 自變量重要性分析

自變量的重要性對物聯網走進家庭的技術路徑選擇具有重要參考價值。物聯網走進家庭的技術路徑自變量重要性表明，在形成物聯網走進家庭的技術路徑中，自變量中的協變量“感知外人”、“感知電氣”、“感知健康”、“感知家電”、“感知水表”、“感知外光”、“感知網絡”的重要程度相對更高，這說明在物聯網走進家庭的技術路徑中，感知層的感知技術是物聯網走進家庭的技術路徑選擇的關鍵，這里的研究結論與物聯網走進家庭的需求路徑神經網絡自變量重要性的研究結論一致。

3 物聯網走進家庭的外部化路徑

家庭智慧化需求雖然直接表現在家庭，但誘因常常出現在家庭外部。研究物聯網走進家庭的外部化路徑有利于加速家庭智慧化需求的實現。

3.1 研究假設

物聯網是一個以應用為主要驅動力的產業，一個國家或地區的物聯網產業發展的快慢，主要取決于對物聯網應用的開發速度和程度。根據產品進化規律，一種產品在其創新的早期階段，缺少相關配套技術的支撐，開發成本相對較高；待該產業進入成長階段以后，相關技術逐漸增多，開發成本才會慢慢降低。家庭作為物聯網應用的一種數量最多的主體，其智慧化程度受到家庭外部物聯網應用的直接影響和制約。

根據中國科學院提出的中國信息網絡發展路線圖，中國21世紀上半個世紀物聯網的發展分為三個階段，2010～2020年為協同感知自適應階段，2021～2035年為多網融合階段，2036～2050年為智能泛在網絡階段[13]。

在物聯網發展過程中，企業、非營利組織、個人應用物聯網的順序在時間上存在繼起效應，非營利組織應用物聯網的情況受企業應用情況的制約，個人應用物聯網的情況又受到企業和非營利組織應用物聯網的制約，企業應用物聯網的情況又受到物聯網成本、技術、安全等因素的制約[14]。在物聯網發展過程中，由于用戶需求方面存在階段性和差異性，物聯網一般先進入非營利組織，而后再進入企業或家庭。設物聯網走進家庭的路徑為H3，物聯網走進企業的路徑為H2，物聯網走進非營利組織的路徑為H1，現提出如下假設：

（1）H1

（2）H2

3.2 研究方法

現在借用潛變量成長曲線模型驗證前面提出的假設。在歷史上，潛變量成長曲線模型雖然經常被用來為縱向數據建模，但是，該方法對橫向變量之間的差異化對比也具有一定作用。同其他研究方法相比，潛變量成長曲線模型允許對個體間在變化上的差異進行研究，并允許研究者研究變化的前因后果，用潛變量成長曲線模型研究物聯網走進企業、非營利組織和家庭的先后順序，符合研究目的。

物聯網走進家庭的外部化路徑成長曲線模型是一個單因子潛變量變化模型。用以前通過信度和效度檢驗的“家庭與家庭”、“家庭與醫院”、“家庭與學校”、“家庭與政府”、“家庭與警局”、“家庭與消防”、“家庭與產品提供商”、“家庭與服務提供商”、“家庭與供水企業”、“家庭與供電企業”、“家庭與供氣企業”、“家庭與銀行”12個變量[1]作為測量的次數。假設潛變量“家庭外部物聯網化”與測量變量“家庭與家庭”之間的路徑系數為1。通過“家庭與家庭”之外11個測量變量與“家庭外部物聯網化”之間路徑系數的對比，判斷物聯網走進企業、非營利組織和家庭的先后順序。

3.3 數據分析

3.3.1 模型擬合度分析

通過用Amos軟件對樣本數據進行模擬，運行出物聯網走進家庭的外部化路徑結構方程模型。修正后模型自身檢驗結果表明，x2/df為2.652，GFI為0.921，RMSA為0.011，TLI、CFI、IFI均大于0.9，AIC為106.027，ECVI為1.233，模型擬合指數總體較好，均達到了擬合指數要求的標準，這說明所構建的物聯網走進家庭的外部化路徑結構方程模型擬合較好。

3.3.2 路徑分析

通過運行物聯網走進家庭的外部化路徑成長模型，生成潛變量“家庭外部物聯網化”到各測量變量 “家庭與醫院”、“家庭與學校”、“家庭與政府”、“家庭與警局”、“家庭與消防”、“家庭與產品提供商”、“家庭與服務提供商”、“家庭與供水企業”、“家庭與供電企業”、“家庭與供氣企業”、“家庭與銀行”之間的路徑系數。“家庭外部物聯網化”到各測量變量之間的路徑系數表明，在假設H1所屬的路徑系數中，“家庭外部物聯網化”到“家庭與供氣企業”、“家庭與供水企業”、“家庭與產品供應商”之間的路徑系數大于1，分別為1.314、1.062、1.062，此部分的H1占H1總量的50%；而“家庭外部物聯網化”到“家庭與銀行”、“家庭與供電企業”、“家庭與服務提供商”之間的路徑系數小于1，分別為0.698、0.185、0.742，此部分的H1占H1總量的50%。在H2所屬的路徑系數中，“家庭外部物聯網化”到“家庭與警局”、“家庭與政府”、“家庭與學校”之間的路徑系數大于1，分別為1.240、1.507、1.135，此部分的H2占H2總量的60%；“家庭外部物聯網化”到“家庭與消防”、“家庭與醫院”之間的路徑系數小于1，此部分的H2占H2總量的40%。上面分析結果表明，物聯網走進家庭的外部化路徑，有的假設得到仿真結果的支持，有的假設得不到支持。同物聯網走進家庭的需求路徑和技術路徑相比，物聯網走進家庭的外部化路徑具有多樣性，其具體形式相對更加復雜，不同地區通過外部化促進物聯網走進家庭，應結合本地區經濟、文化等特點進行具體分析，并做出詳細安排。

4 結 語

物聯網走進家庭的路徑主要包括需求路徑、技術路徑和外部化路徑等。需求路徑和技術路徑是物聯網走進家庭的內部化路徑，促進物聯網走進家庭的動力主要源自家庭內部。在物聯網走進家庭的需求路徑中，感知層的“家庭設備形態”、“家庭業務邊界”、“家庭用戶界面”起關鍵作用，傳輸層的“家庭組網”、“家庭可管理化”、“家庭聯網設備”、“泛在家庭網絡環境”起直接作用。在物聯網走進家庭的技術路徑中，感知層的“感知外人”、“感知電氣”、“感知健康”、“感知家電”、“感知水表”、“感知外光”、“感知網絡”等感知技術起關鍵作用，傳輸層的“傳遞內網感知”、“傳遞外網數據”、“報告終端”等技術起直接作用。家庭感知需求和感知技術的結合是早期促進物聯網走進家庭需要做的重點工作。物聯網走進家庭的外部化路徑具有多樣性，其具體形式更加復雜，各個地區需要走差異化道路。

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