物聯網產業發展綜述和技術創新趨勢

羅 松 中國信息通信研究院技術與標準研究所副總工程師

續合元 中國信息通信研究院副總工程師

引言

全球范圍內新一輪科技革命和產業變革正在孕育興起，以物聯網、大數據、人工智能為代表的信息技術加速與實體經濟結合，快速轉化為現實生產力，并升級成為重塑生產組織方式、轉變增長方式的基礎設施和關鍵要素。“十三五”期間，我國物聯網將進入跨界融合、集成創新和規模化發展的新階段，迎來重大的發展機遇，具有廣闊發展空間。2017年以來，全球范圍內物聯網產業在新的網絡技術、平臺技術的推動下掀起了新一輪的發展熱潮。在這一過程中，物聯網技術創新也進入活躍期，需從技術和產業的角度對物聯網發展的趨勢和方向進行研究。

1 全球物聯網發展總體態勢

1.1 物聯網發展進入2.0新階段，形成三大主線，并呈現三大轉變

自2005年以來，全球物聯網歷經“概念探索、政府主導、應用示范”的1.0市場培育期。隨著技術加快突破和需求擴大升級，物聯網發展條件和技術構成等方面已發生重大變化，目前已經進入“跨界融合、集成創新、規模應用、生態加速”的2.0產業爆發期。一方面，物聯網與大數據、人工智能等其它新一代信息技術融合互動的系統化、集成化創新趨勢明顯，硬件、軟件、服務等核心技術體系加速重構，快速迭代。另一方面，支撐自感知、自決策、自優化、自執行的邊緣計算/霧計算技術，支持多方可信數據存儲交換能力的區塊鏈技術，支撐立體直觀顯示的虛擬現實/虛擬增強技術等不斷出現并與物聯網加速融合，為物聯網感知、數據處理與呈現等關鍵要素提供創新手段，更好地服務工業自治控制及維護、智能交通、智能建筑等行業應用，帶來新的產業機遇。在這一新的發展階段，物聯網發展呈現“萬物互聯、泛在智能、平臺生態、數據運營”的新特點，可以說，物聯網進入全新的發展軌道，轉折點已經到來。

受各國戰略引領和市場推動，在基礎設施建設、傳統產業轉型、消費升級的三大周期性動能的驅動下，全球物聯網發展迅速。2018年全球物聯網設備(包括手機、傳感器及各類智能設備)數量約為84億，超過全球總人口數。當前，全球物聯網應用三大主線呈現加速發展態勢。一是面向需求側的消費性物聯網，即物聯網與移動互聯網相融合的移動物聯網，自2010年以來創新高度活躍，孕育出可穿戴設備、智能硬件、智能家居、車聯網、健康養老等規模化的消費類應用，各類消費類應用也正在加快普及。二是面向供給側的生產性物聯網，即物聯網與工業、農業、能源等傳統行業深度融合形成產業物聯網，2013年以后發展提速，技術能力在傳統行業技術體系中的位置不斷“下沉”，成為轉型升級所需的基礎設施和關鍵要素。當前，產業物聯網已是美國工業互聯網、德國工業4.0等戰略布局的重點，成為全球新工業革命重要驅動力。三是智慧城市發展進入新階段，基于物聯網的城市立體化信息采集系統正加快構建，智慧城市成為物聯網應用集成創新的綜合平臺，物聯網應用成為幾乎所有智慧應用的內涵，如物聯網和地理信息、大數據、人工智能等技術的融合，成就智慧交通、智慧城管、智慧環保等應用。預計2020年智慧城市領域聯網設備數量將突破97億，物聯網在各領域的應用顯著提升城市管理和服務的精細化水平，成為城市新基礎設施，隨著萬物互聯時代開啟，數據蘊含價值的發掘將進一步推動物聯網應用爆發性增長。總體來看，物聯網正從小范圍局部性應用向較大范圍規模化應用轉變，從垂直應用和閉環應用向跨界融合、水平化和開環應用轉變，從單一行業的數字化應用向著多行業的網絡化、智能化不斷轉變。

1.2 網絡和平臺加速規模部署，為物聯網水平化全面推廣奠定基礎

隨著各行業對物聯網理解的不斷加深，“先聯網，后增值”和“以平臺為核心構建物聯網產業發展生態”的發展理念和思路在行業內逐步形成共識，帶動了物聯網網絡和平臺的快速部署。

對于市場的良好預期帶動了物聯網廣域網絡的規模部署和網絡技術的不斷突破。首先，低功耗廣域蜂窩網技術成熟并持續開展試商用，為低功耗、低成本、廣覆蓋、大連接業務開展奠定了網絡基礎，在2017年率先成為全球的發展熱點。據Ovum2017年第三季度數據顯示，全球正在計劃中的、處于試驗狀態以及投入商用的公共低功耗廣域(LPWAN)網絡數量達到198個。NBIoT、LoRa和Sigfox網絡數量分別為69、46和26個。除了以上三種網絡制式，Cat M(eMTC)、Ingenu、Cat 1、EC-GSM也在全球逐步落地。

另外，在LPWAN快速發展的同時，其他面向物聯網應用的網絡連接也在不斷突破。據Vodafone統計，企業在應用物聯網時將平均使用3～4種連接方案。為了滿足企業多樣化的連接需求，2016年，藍牙5.0標準正式發布并啟用，新標準相比前代可提供2倍的傳輸速度，4倍的覆蓋范圍和8倍的廣播數據承載量。2017年，Zigbee聯盟發布了最新的dotdot應用層協議。預計2018年下半年，更低功耗更高速的第六代Wi-Fi技術也將落地。與此同時，利用衛星為物聯網應用提供定位、大范圍覆蓋的技術方案正逐步興起。而隨著5G相關技術的成熟，物聯網將形成多連接、全覆蓋的網絡體系。

物聯網平臺步入規模化擴張的戰略窗口期。一方面，物聯網平臺成為跨國巨頭構建產業生態的核心與重要抓手，技術逐漸成熟，產業界投入持續加大，產業價值被普遍看好，熱度較去年有進一步提升。據IoT Analysis統計，全球物聯網平臺數量從2016年的350家，增長到2017年的450家。目前主要集中在工業/制造業領域(占32%)，智能城市和智能家居兩個垂直領域緊隨其后(21%)。92%以上的平臺在應用領域，3%提供IaaS服務。同時2017年圍繞物聯網平臺的并購和融資依舊活躍，截至2017年上半年，物聯網平臺的融資超過3億美元。

另一方面，雖然物聯網平臺整體仍處于開展初期，依然存在碎片化的問題，但巨頭企業憑借技術優勢、先發優勢和生態優勢在競爭中占據主導地位，平臺營收、應用接入規模均大幅領先，物聯網平臺市場的“馬太效應”正逐漸形成。從整體發展情況看，由大型企業建設的物聯網平臺，年增長率普遍超過50%，高于市場的平均值。思科公司的Jasper物聯網連接管理平臺，已從2016年的3500家企業增長到2017年的9000家，該平臺管理的連接設備數量也從原本的1700萬增加到4000萬臺。據物聯網智庫統計，中國移動OneNET商用僅兩年，物聯網管理平臺接入企業超過20000家，接入終端突破600萬臺，吸引聚集近30000名創客參與應用開發。

1.3 政策和市場環境共同推動物聯網產業成熟度的提升

2016年以來，主要國家積極布局物聯網2.0階段發展戰略，既體現了其對傳統發展理念的深刻反思，也反映了搶占新一輪國際競爭制高點、調整失衡的產業結構的戰略意圖和決心。美國重審物聯網戰略布局，加強頂層設計和具體部署。2017年初NTIA(國家電信和信息管理局)又重磅推出《加快物聯網發展綠皮書》，高度評價物聯網發展的重要意義，深刻認識物聯網對于美國的機遇和挑戰，提出政府在物聯網發展中不僅是政策制定者和監管者，也是物聯網技術的推動者和采用者；認為美國應建立一個長期的國家戰略，并從發展環境營造、基礎設施建設、頻率資源配套、市場推廣、安全防護、法律法規等各個層面提出措施和行動，使物聯網的機會最大化，從而帶來巨大的社會和經濟效益。我國工業和信息化部則是在物聯網“十三五”規劃的總體設計下，在物聯網發展的重點環節和重要應用上持續推動。2017年6月15日，工信部發布《關于全面推進移動物聯網(NB-IoT)建設發展的通知》。通知要求，到2017年末實現NB-IoT網絡覆蓋直轄市、省會城市等主要城市，基站規模達到40萬個；到2020年，NB-IoT網絡實現全國普遍覆蓋，面向室內、交通路網、地下管網等應用場景實現深度覆蓋，基站規模達到150萬個。2017年11月30日，國務院印發了《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》(以下簡稱《指導意見》)。《指導意見》確立了三階段目標。到2025年，我國基本形成具備國際競爭力的基礎設施和產業體系；到2035年，建成國際領先的工業互聯網網絡基礎設施和平臺，形成國際先進的技術與產業體系，工業互聯網全面深度應用并在優勢行業形成創新引領能力，安全保障能力全面提升，重點領域實現國際領先；到本世紀中葉，工業互聯網網絡基礎設施全面支撐經濟社會發展，工業互聯網創新發展能力、技術產業體系以及融合應用等全面達到國際先進水平，綜合實力進入世界前列。另外，多部委共同推進的國家制造強國建設領導小組車聯網產業發展專項委員會在2017年9月舉行第一次會議，將統籌發展車聯網，促進LTE-V2X車聯網無線通信技術等新技術的部署和應用，推動5G與車聯網融合發展。

物聯網投入持續增加，物聯網企業逐步走向成熟。據IDC統計，2017年6月，全球物聯網支出超過8000億美元，同比增長16.7%，主要投入方向在制造業、交通和公共事業。截至2017年Q1，全球物聯網行業相關公司已經突破1800家，覆蓋軟件開發、智能家居、智能汽車等20余個領域。Q1全球物聯網企業融資27億美元，超過2012年全年。從融資輪次來看，主要集中在A、B、C三輪，物聯網企業逐步成熟(Venture Scanner)。

2 物聯網技術創新趨勢

2.1 縱向“數據使能”創新路徑一：知識賦能，AI在行業物聯網中不斷滲透

在物聯網中，傳統的智能化方式主要通過專家系統和控制算法共同實現。其中專家系統為工業設備設定閾值，當設備超出閾值時，專家系統根據經驗，給出設備需要檢查、維護、維修的意見。而控制算法則是基于物聯網平臺提供面向行業的控制算法。例如SAP主要推廣的是SAP的物聯網平臺Leonardo，將APS(高級排產功能)融入系統，實現生產物料自動匹配生產設備。目前的專家系統和控制算法智慧水平較低，但更加可控、可靠，因此更多應用在行業領域，包括工業、醫療和交通等領域。人工智能提供的智能化使物聯網具備學習能力，通過一定時間的給定條件的輸入、輸出，訓練出智能，以后根據訓練出來的智能，在給定輸入情況下提供智能的輸出。目前人工智能實現的智能化主要應用在智慧家居、智能硬件、服務機器人等面向消費物聯網的領域。隨著物聯網的發展，人工智能實現的智能化開始向行業物聯網滲透，如目前在交通領域實現的自動駕駛、醫療領域實現的自動診斷以及工業領域的智能制造等。

從技術實現的角度，散點技術創新在物聯網細分領域實現深度融合，應用將爆發。人臉識別、語音識別、動作識別等單點技術逐步成熟，并向音視頻識別、視頻摘要、融合識別等主動多模態融合技術發展。物聯網技術帶動人工智能向消費、安防、醫療、交通、家居等眾多領域漸次滲透，正處于規模起量階段。

2.2 縱向“數據使能”路徑二：數據處理下沉帶來的敏捷性、實時性和開放性

邊緣計算是萬物互聯時代面向物聯網應用場景新的計算技術、計算模式和產業生態。邊緣計算是在靠近傳感器或數據源頭的網絡邊緣側分布式開放平臺，通過邊緣計算能夠匯聚連接、計算、存儲、智能等各類ICT資源，向各類行業進行開放，實現設備互聯互通，提高網絡和應用的實時性，開放設備和網絡的控制能力，形成面向物聯網的新計算體系。

推動邊緣計算概念興起的原因既包括行業數字化發展帶來的外部需求，也包括新技術演進的內部原因。其中傳統行業，如制造業、交通行業等在數字化、網絡化、智能化的發展過程中產生了新的需求。萬物互聯觸發了新的數據生產模式和消費模式。特別是隨著網絡覆蓋的擴大、帶寬的增強、資費的下降等推動了邊緣計算新技術應用條件的進一步成熟；以工業互聯網為代表的基礎性行業的數字化轉型，推動信息通信技術與制造工業的深度融合，在這一過程中，通過邊緣計算實現在工廠內網絡邊緣處ICT技術賦能，為傳統行業應用ICT技術提供了新的平臺。內因是以云計算為代表的中心化的計算模式在支持物聯網的很多應用場景中存在諸多不足。一是萬物互聯帶來的數據爆炸對現有的計算模式和計算能力提出了巨大的挑戰，特別是線性增長的集中式云計算能力無法匹配爆炸式增長的海量邊緣數據；二是現有的網絡技術在數據傳輸能力上不足，雖然網絡技術不斷發展，但工業制造、安全監控、自動駕駛等很多物聯網應用對于實時性有著較高的要求，而由于互聯網“盡力而為”的技術特點使得數據量的急劇增加將造成較長網絡延遲，難以滿足業務上的實時性要求；三是現有的計算模式在安全性上天然存在不足，對于集中式計算模式而言，數據要送到中心進行計算，完成計算后將結果返回，這種方式增加了數據傳送和處理過程中的風險，而采取邊緣計算的方式，可以有效避免數據的大規模廣域傳送，減少安全隱患，保證安全和隱私保護要求。

目前，參與這一輪邊緣計算產業競賽的“運動員”，已經逐漸形成了兩種發展方式：方式一是邊緣側的整體統籌部署，以思科、Openfog聯盟為典型代表，主要特點是強調邊緣側各節點間的互動，核心技術是軟件定義機器、分布式計算；方式二是邊緣側的單點能力突破，以華為、ECC聯盟為典型代表，主要特點是強調邊緣側在局部范圍內的小閉環處理，核心技術是輕量計算系統、通信協議融合、邊緣智能。兩種方式的區別是突破點不同，前者在準備較為充分的情況下希望能整體聯動，后者在準備不足的情況下希望能在局部優先突破。

2.3 橫向“數據流動”中跨環節跨行業數據流動：基于區塊鏈的可信物聯網

從物聯網的發展情況看，雖然目前在基礎設施、應用推廣方面已經取得十分顯著的效果，但制約物聯網進一步發展的深層次問題依舊存在，包括以下幾個方面。一是設備安全問題。由于大部分物聯網設備處理能力弱、耗電較低，在連接到網絡中時容易成為安全上最薄弱的一環。目前全球范圍內利用物聯網設備安全漏洞產生的攻擊事件層出不窮。二是互聯互通的問題。目前全球范圍內，物聯網平臺數量眾多，而平臺之間由于通信兼容性及對等平臺之間缺乏互信機制，仍無法實現互聯互通。三是架構的集中化問題。目前物聯網平臺成為物聯網架構的核心，從架構上看，集中式的架構難以應對物聯網設備的快速增長。目前在物聯網方面，應用區塊鏈技術的空間十分廣闊。區塊鏈技術對物聯網最有吸引力的地方在于：一是建立物聯網多主體之間的互信機制，打破目前的信息孤島；二是信息不可篡改性，保證信息在多主體之間傳遞可靠性。

總體而言，區塊鏈技術在物聯網中應用主要在以下兩個方面。

一是利用區塊鏈技術保障物聯網數據跨環節、跨行業流動的真實性。要建立面向物聯網的可信、安全體系，需要從源頭、數據傳送、數據應用等不同環節采取安全技術。對于物聯網數據源頭—傳感器數據的安全可靠需要通過安全芯片、集成安全技術等方式解決。對于跨各主體、各環節的數據傳輸安全的保障，物聯網數據的存證和溯源是區塊鏈技術在物聯網中應用的主要方向之一。目前從產業界發展的情況看，物聯網中區塊鏈的典型應用是產品追溯。目前廣泛應用在農牧產品原產地追溯、工業生產的原材料和零配件追溯以及消費品防偽等方面。

二是相對顛覆性地依托區塊鏈構建分布式物聯網，實現去中心化的物聯網架構。對于同一用戶而言，將擁有多個物聯網設備，而單個設備獲得用戶狀態信息是有限的，只有多個設備的信息整合之后才能發揮價值。但從目前的情況看，由于不同設備分屬不同的業務提供商或接入不同的平臺(例如工廠單一產線上的傳感器采購于一個廠家，而另一個產線上的傳感器可能采購于另外一個廠家)，因此同一廠家的不同設備之間無法直接進行信息的交換。設備之間的信息交互通常通過設備所屬平臺進行(當然前提是設備所屬業務提供商之間已經達成了信息交換的協議)。這種信息交換模式不僅效率低，而且需要業務提供商之間達成一致，并需要平臺之間互聯互通技術的支持。而如果直接在設備中應用區塊鏈技術，在設備之間或平臺之間能夠建立互信機制并直接交換信息，將低成本、高效率地實現信息交換共享，改變物聯網現在集中式的架構，實現分布式的信息交互。

3 結束語

物聯網發展前景廣闊，面臨著難得的歷史機遇，同時物聯網產業發展面臨的瓶頸和深層次問題依然突出。在供給側改革和消費側升級雙重驅動背景下，在信息技術加速融合創新發展形勢下，推動物聯網的發展，除了在應用和商業模式上的不斷創新，還需要不斷進一步開展技術創新，特別是圍繞數據的智能化應用，在供給側為物聯網發展注入新的活力。