淺談未來科技對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的影響

王書寧

（中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

0 引 言

近幾年，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用快速進(jìn)入公眾視野。從一些簡單智能家居的出現(xiàn)到共享單車的普及，從智能無人零售的初次嘗試到智能安防系統(tǒng)的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在逐步影響并改變著人們的日常生活。聯(lián)網(wǎng)+商業(yè)：智能零售”“物聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)：智慧農(nóng)業(yè)”“物聯(lián)網(wǎng)+交通：智能交通、車聯(lián)網(wǎng)”等應(yīng)用方向眾多，如圖1所示。

1 高速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)

類比“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念，人們正用“物聯(lián)網(wǎng)+”的思維對各行各業(yè)進(jìn)行重新思考，對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)化，創(chuàng)造新的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，以“物聯(lián)網(wǎng)+”帶動產(chǎn)業(yè)升級，提升經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的“智能化”“智慧化”轉(zhuǎn)型，讓物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用真正服務(wù)大眾。

物聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)：智能制造。2016年達(dá)沃斯全球經(jīng)濟(jì)論壇的主題聚焦“第四次工業(yè)革命”，“德國工業(yè)4.0”“中國制造2025”等戰(zhàn)略被相繼提出，智能工廠、智能制造已成為傳統(tǒng)工業(yè)轉(zhuǎn)型的目標(biāo)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為工業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供了良好的契機(jī)。除了生產(chǎn)流程可實(shí)時(shí)跟蹤、材料產(chǎn)品可實(shí)時(shí)監(jiān)管外，個(gè)性化、自主化也是智能制造區(qū)別于傳統(tǒng)自動化生產(chǎn)的一個(gè)重要優(yōu)勢。

物聯(lián)網(wǎng)+物流：智慧物流。2017年12月，全球最大的單體全自動化碼頭——上海洋山深水港四期自動化碼頭正式運(yùn)行[1]。京東的全自動倉儲、菜鳥網(wǎng)絡(luò)的眾包物流和智慧倉儲、惠龍國際的智能交通運(yùn)輸配送體系和中郵速遞易的智能快遞柜等都是目前智慧物流的初步應(yīng)用[1]。

物聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療：智慧醫(yī)療。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠有效幫助醫(yī)院實(shí)現(xiàn)對人和物的智能化管理。從病人角度來看，通過穿戴醫(yī)療設(shè)備，可實(shí)時(shí)獲取生理狀態(tài)數(shù)據(jù)并記錄于電子健康文件中，便于醫(yī)生遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查閱和診療。從物的角度來看，通過RFID技術(shù)能對醫(yī)療物品與設(shè)備進(jìn)行可視化監(jiān)控與管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化醫(yī)院[2]。

“物聯(lián)網(wǎng)+家具：智能家居”“物聯(lián)網(wǎng)+安防：智能安防”“物

圖1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

就整體產(chǎn)業(yè)而言，前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域市場需求與投資預(yù)測分析報(bào)告》顯示，2016年國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模已達(dá)9 300億元，工信部表示，預(yù)計(jì)到2020年物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)體系將基本形成，包含感知制造、網(wǎng)絡(luò)傳輸、智能信息服務(wù)在內(nèi)的總體產(chǎn)業(yè)規(guī)模將突破1.5萬億元。預(yù)計(jì)到2021年，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)市場規(guī)模將達(dá)21 300億元，年復(fù)合增長率達(dá)23.73%。

可以預(yù)見，未來物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將帶給社會一個(gè)全新的改變，不論是從個(gè)人層面還是國家層面，均可實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)。

2 物聯(lián)網(wǎng)是未來技術(shù)的交匯點(diǎn)

從廣義的角度看，物聯(lián)網(wǎng)是一種綜合的系統(tǒng)或者應(yīng)用，是目前許多先進(jìn)技術(shù)的集合。中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟更是將物聯(lián)網(wǎng)定義為當(dāng)下幾乎所有技術(shù)與計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，目前涉及信息技術(shù)的應(yīng)用都可以納入物聯(lián)網(wǎng)范疇。

作為不斷積累、進(jìn)步的信息技術(shù)綜合體，物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)與發(fā)展是必然。對信息的需求與利用貫穿了整個(gè)人類時(shí)代與科技的發(fā)展進(jìn)程。人們交換信息、共享信息、分析信息、處理信息，追求并推進(jìn)信息化社會。起初，將人的信息數(shù)據(jù)放進(jìn)網(wǎng)絡(luò)空間，以達(dá)到人與人之間的信息互聯(lián)，現(xiàn)在可擴(kuò)大對象的范圍，不再局限于物理空間中的人，而將周圍真實(shí)事物的信息，甚至物或人此刻的虛擬狀態(tài)信息等連入網(wǎng)絡(luò)，真正做到信息完全共享、世間萬物皆可互聯(lián)的設(shè)想，即實(shí)現(xiàn)《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)》中所提出的3個(gè)“Any”：任何時(shí)間（Anytime）、任何地點(diǎn)（Anyplace）、任何物體（Anything）三者相互聯(lián)系[3]，其關(guān)系如圖2所示。

圖2 3個(gè)“Any”的關(guān)系

不難看出，實(shí)現(xiàn)物理空間與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)空間[4]的時(shí)刻緊密交互是物聯(lián)網(wǎng)的核心與價(jià)值所在，并且可以很容易地從信息數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)交互的邏輯過程中提煉出物聯(lián)網(wǎng)的三大關(guān)鍵特征：全面感知、可靠傳輸、智能處理[5]。

（1）數(shù)據(jù)采集，即感知。利用射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器、溫濕度傳感器等技術(shù)，廣泛、實(shí)時(shí)地獲取物體的深度信息。

（2）傳輸。通過通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將感知的信息實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳送?？紤]到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，傳輸?shù)乃俣?、方式是關(guān)鍵。

（3）數(shù)據(jù)的分析與優(yōu)化，即處理。大量的物體、每時(shí)每刻的狀態(tài)讓數(shù)據(jù)的數(shù)量呈指數(shù)型增長，面對海量數(shù)據(jù)信息，云計(jì)算、模糊識別等智能技術(shù)會根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域與應(yīng)用模式，對數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理，從而最終實(shí)現(xiàn)對物體的智能化控制。

作為眾多技術(shù)的融合體，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要科學(xué)技術(shù)的支持。而未來技術(shù)也將從感知、傳輸、處理三個(gè)方面入手，全面助力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

3 新技術(shù)助力全面感知

目前，作為物體“身份證”的RFID技術(shù)已日趨完善與成熟。與此同時(shí)，新的感知識別技術(shù)也在不斷興起與推進(jìn)。

傳感器技術(shù)正處于由傳統(tǒng)型過渡向新型的關(guān)鍵時(shí)期，納米傳感器、新型量子傳感器、生物傳感器等正在逐漸研發(fā)并運(yùn)用到相關(guān)領(lǐng)域。如2018年7月具有長期穩(wěn)定和高精確度優(yōu)點(diǎn)的PM細(xì)顆粒物傳感器SPS30正式推出，預(yù)期將在環(huán)境檢測領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。

以人臉識別為代表的生物識別技術(shù)逐漸走進(jìn)人們的生活。2017年9月13日，蘋果公司帶來了全新的iPhone X，與以往不同，iPhone X支持使用Face ID替代Touch ID登錄解鎖，這意味著人們口中常說的刷臉時(shí)代即將來臨。同年11月3日，全球首個(gè)眼紋識別技術(shù)由螞蟻金服旗下金融級生物識別技術(shù)品牌ZOLOZ（螞蟻?zhàn)袅_）宣布研發(fā)成功。還有虹膜識別、靜脈識別等也初露鋒芒，來勢洶洶。雖然目前分走市場最大一塊蛋糕的仍是指紋識別，但相比之下精度更高、具有非接觸性識別、使用更方便的人臉識別技術(shù)必將奮起直追。從市場表現(xiàn)來看，2010年到2016年，我國人臉識別市場規(guī)模逐年增長，年均復(fù)合增長率達(dá)27%，預(yù)計(jì)2022年將達(dá)到66.73億元。大規(guī)模的硬軟件技術(shù)儲備和大范圍的應(yīng)用需求也預(yù)示著人臉識別技術(shù)的爆發(fā)點(diǎn)即將到來。預(yù)計(jì)到2021年，中國生物識別行業(yè)的市場規(guī)模將突破340億元，如圖3所示。

圖3 2002-2021年中國生物識別技術(shù)行業(yè)市場規(guī)模與預(yù)測

人臉識別從靜態(tài)走向動態(tài)，離不開視頻監(jiān)控技術(shù)。作為目前為止世界上最大的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，中國天網(wǎng)工程正在逐步實(shí)現(xiàn)視頻全覆蓋，全國約設(shè)置了2 000萬個(gè)攝像頭來輔助對城市、治安的管理。2018年五一假期，深圳推行“刷臉”執(zhí)法，將人臉識別與視頻監(jiān)控結(jié)合，初見成效。

在空間定位技術(shù)方面，我國的中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將在2020年左右完成30多顆組網(wǎng)衛(wèi)星的發(fā)射，實(shí)現(xiàn)全球服務(wù)能力。

未來，感知技術(shù)的瓶頸將不斷被突破，RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)、生物識別技術(shù)三者相輔相成。RFID技術(shù)針對物的信息，傳感器技術(shù)針對狀態(tài)信息，生物識別技術(shù)針對人的信息，三管齊下，實(shí)時(shí)收集人、物、狀態(tài)數(shù)據(jù)，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)全面感知的實(shí)現(xiàn)。定位技術(shù)和視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展也將更好地將感知數(shù)據(jù)鎖定到個(gè)體，為實(shí)現(xiàn)最終的智能化處理與控制提供可能。

4 不可同日而語的高效傳輸網(wǎng)絡(luò)

作為物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵的中間環(huán)節(jié)，需要一個(gè)強(qiáng)有力的引擎保證其高效運(yùn)行，5G和光纖技術(shù)便很好地充當(dāng)了該角色。

5G，即第五代移動通信技術(shù)，相比較前四代蜂窩技術(shù)，它不是一種簡單的網(wǎng)速提升，也不是一種漸進(jìn)式推進(jìn)，而是一個(gè)打破向后兼容性的重大范式轉(zhuǎn)變，這意味著將要求大帶寬的高頻載波、急需增加的基站和設(shè)備密度與前所未有的天線數(shù)量，更意味著普遍的高覆蓋率、無縫的用戶體驗(yàn)和靈活智能的核心網(wǎng)絡(luò)[6]。根據(jù)中國IMT-2020（5G）推進(jìn)組2014年5月發(fā)布的《5G愿景與需求》白皮書，相比目前的4G技術(shù)，未來5G技術(shù)主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢[7]：

（1）傳輸速率顯著提高。未來5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率峰值可達(dá)10 Gbps，即1.25 GB/s，這意味著最快1 s時(shí)間內(nèi)可以下載一部超高清畫質(zhì)的電影，相當(dāng)于4G網(wǎng)絡(luò)2 min完成的工作量。即使在擁擠地區(qū)，用戶體驗(yàn)速率也能達(dá)到0.1～1 Gbps，這是以前無法想象的。

（2）提供毫秒級的端到端時(shí)延。1 s的時(shí)間也許只夠眨眼2次，而1 ms以內(nèi)的延遲將帶來全新的“零”時(shí)延使用體驗(yàn)。

（3）連接數(shù)密度、流量密度大大增加?？芍С值脑诰€設(shè)備數(shù)總和從4G技術(shù)的10萬/km2增加到如今的100萬/km2，單位區(qū)域內(nèi)的總流量也從原先的0.1 Mbps/km2升級為數(shù)十Tbps/km2。

除此之外，相比4G，5G技術(shù)的頻譜效率，即每無線帶寬和每網(wǎng)絡(luò)單元數(shù)據(jù)吞吐量將提升5～15倍，能效和成本效率將提升百倍以上。

5G技術(shù)的低功耗大連接、低時(shí)延高速率、廣覆蓋高容量等優(yōu)勢恰好滿足了物聯(lián)網(wǎng)對可靠傳輸?shù)男枨螅瑢χ腔坜r(nóng)業(yè)、智慧城市、環(huán)境監(jiān)測等需要大面積采集數(shù)據(jù)、具有海量連接特點(diǎn)的應(yīng)用場景和對智慧交通、智慧工業(yè)、智慧醫(yī)療等需要時(shí)效性和可靠性保證的應(yīng)用場景都能提供強(qiáng)有力的支持和保障[8]。5G主要場景與關(guān)鍵優(yōu)勢見表1所列。

表1 5G主要場景與關(guān)鍵優(yōu)勢

目前國內(nèi)5G發(fā)展勢態(tài)良好，在2018年IMT-2020（5G）峰會上，工信部副部長陳肇雄表明我國已經(jīng)攻克大規(guī)模天線、網(wǎng)絡(luò)編碼等關(guān)鍵技術(shù)難題，各項(xiàng)測試工作加速進(jìn)行，將推出符合第一版本5G國際標(biāo)準(zhǔn)的商用系統(tǒng)設(shè)備。運(yùn)營商方面，從2017年中開始，三大運(yùn)營商已經(jīng)在13座城市陸續(xù)開展5G試點(diǎn)，包括北京、上海、廣州、深圳、杭州、武漢、成都、天津、南京等城市。預(yù)計(jì)在2020年5G將全面鋪開，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用。放眼國外，歐盟、日本、韓國、美國等也在積極進(jìn)行5G技術(shù)的研發(fā)與推廣。

除了無線傳輸方面的5G技術(shù)發(fā)展迅猛外，在有線傳輸方面，具有低損耗、中繼距離長、強(qiáng)抗干擾性、保密性強(qiáng)、徑細(xì)質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)的光纖技術(shù)市場也在持續(xù)發(fā)展。根據(jù)Markets and Markets的最新報(bào)告，全球光纖接入市場（FTTx）預(yù)計(jì)從2018年的97億美元增長到2023年的143.1億美元，期間復(fù)合年增長率為8.1%。中國工業(yè)和信息化部2018年6月10日發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截至4月底，全國新增光纖寬帶端口4 000萬個(gè)，超過95%的行政村實(shí)現(xiàn)了光纖寬帶網(wǎng)絡(luò)通達(dá)。

未來無線5G技術(shù)和光纖到戶的結(jié)合對于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將起到核心驅(qū)動力作用，共同促進(jìn)迎接“信息隨心至，萬物觸手及”[7]的物聯(lián)網(wǎng)新世界。

5日新月異的智能處理

阿里巴巴創(chuàng)辦人馬云曾在2014年的一場演講中提出“人類正從IT時(shí)代走向DT時(shí)代”的觀點(diǎn)，其中DT是數(shù)據(jù)處理技術(shù)（Data Technology，DT）。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)圍繞數(shù)據(jù)展開，對數(shù)據(jù)的智能處理可謂其核心，類比大腦于人的重要性。如今A（即人工智能（AI）），B（即大數(shù)據(jù)（Big Data）），C（即云計(jì)算（Cloud Computing））三大技術(shù)在智能處理方面的進(jìn)展將全面推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展。

公開數(shù)據(jù)顯示，全球每天約有550萬新設(shè)備加入物聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)世界權(quán)威機(jī)構(gòu)IDC預(yù)測，2020年全球物聯(lián)設(shè)備數(shù)將達(dá)281億，全球市場總量將達(dá)7.1億美元。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)伴隨著大量終端設(shè)備的連入和海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)產(chǎn)生，少不了大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持。大數(shù)據(jù)技術(shù)的關(guān)鍵并不在于“大”[9]——掌握龐大的數(shù)據(jù)信息，而在于如何從龐大的數(shù)據(jù)群里挖掘出有用的信息并對之進(jìn)行有效處理。因此，無法再用傳統(tǒng)方式使用單臺計(jì)算機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)處理分析TB級、PB級甚至EB級數(shù)據(jù)，必須采用分布式計(jì)算架構(gòu)，即需要云計(jì)算技術(shù)的支持。

云計(jì)算是一種建立在遠(yuǎn)端相對獨(dú)立隔離的虛擬化平臺上，通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸使計(jì)算分布到平臺內(nèi)大量服務(wù)器上的計(jì)算處理模式。其關(guān)鍵在于“整合”，規(guī)避不同底層本地設(shè)備的差異，以一種虛擬透明的方式提供云端計(jì)算與存儲服務(wù)，將資源整合，賦予用戶前所未有的計(jì)算能力。2017年，工信部印發(fā)《云計(jì)算發(fā)展三年行動計(jì)劃（2017-2019年）》，以實(shí)現(xiàn)到2019年我國云計(jì)算產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到4 300億元的發(fā)展目標(biāo)。隨著云計(jì)算被納入國家發(fā)展戰(zhàn)略層次，中國的云計(jì)算產(chǎn)業(yè)開始駛?cè)胧窡o前例的增長快車道。阿里云、騰訊云、金山云、天翼云等老牌云平臺發(fā)展勢頭迅猛，華為云、京東云等其他大小云平臺也如雨后春筍般層出不窮。國外方面，亞馬遜AWS、微軟、Google云平臺發(fā)展依舊強(qiáng)勁。為了滿足敏捷連接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、適應(yīng)移動性、更廣泛的地理分布和位置感知等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用要求，介于云計(jì)算和個(gè)人計(jì)算之間的霧計(jì)算和邊緣計(jì)算進(jìn)入人們視野。通過“應(yīng)用在邊緣，管理在云端”的模式將數(shù)據(jù)處理從遙遠(yuǎn)的云端轉(zhuǎn)向邊緣側(cè)，不僅能夠更實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和智能化處理，也能讓整個(gè)過程更加高效安全。云計(jì)算與霧計(jì)算關(guān)系如圖4所示。

同時(shí)，量子計(jì)算與云計(jì)算的結(jié)合將是未來一大趨勢。利用量子疊加態(tài)與糾纏特性，量子計(jì)算能夠提供大規(guī)模并行處理，計(jì)算速度以指數(shù)量級提升。2017年5月3日我國中科院院士潘建偉科研團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了光量子計(jì)算機(jī)，首次演示了超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算能力。而國外微軟、IBM、谷歌等公司也在積極介入量子計(jì)算的研究。未來的計(jì)算將是量子的天地。

圖4 云計(jì)算與霧計(jì)算

隨著核心算法的突破、計(jì)算能力的提高、海量數(shù)據(jù)的支撐，人工智能在近幾年迎來了質(zhì)的飛躍[11]，機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域也發(fā)展迅速，這將促進(jìn)生物識別的進(jìn)步，對智能化處理數(shù)據(jù)、智能化控制物體產(chǎn)生積極的推進(jìn)作用。

未來，A，B，C三大產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展將對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生巨大的推動作用，讓得到的數(shù)據(jù)真正產(chǎn)生“價(jià)值”，敲開物體智能化世界的大門。

6 結(jié) 語

雖然目前仍處于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的初級階段，很多物聯(lián)網(wǎng)成果還只是一些智慧單品或者應(yīng)用場景相對單一，但未來物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展將會從單品逐漸走向“多品”，再由“多品”集成平臺，實(shí)現(xiàn)物物聯(lián)動及泛在化，由“一”變?yōu)椤叭骸?，再把“群”的邊界再次擴(kuò)大。有文章指出，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的高級態(tài)勢將是增強(qiáng)性移動泛在智慧環(huán)境（E-MUSE），即綜合各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建出一個(gè)集泛在互聯(lián)、泛在融合、泛在智慧于一體的信息網(wǎng)絡(luò)環(huán)境[10]。

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要新技術(shù)的支持，而物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的興起也必將更好地促進(jìn)這些技術(shù)的研發(fā)與推進(jìn)。讓我們一起迎接萬物互聯(lián)的新世界。