智慧的物联网

    ——感知中国和世界的技术

    吴功宜 著

    ISBN：978-7-111-30710-5

    本书纸版由机械工业出版社于2010年出版，电子版由华章分社(北京华

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    前言

    第1章 信息技术、信息产业与物联网

    1.1 创新是21世纪信息技术发展的必由之路

    1.1.1 信息技术的辉煌

    1.1.2 信息技术的困惑

    1.1.3 21世纪信息技术发展趋势

    1.2 信息产业的发展

    1.2.1 从产业结构的角度认识信息产业

    1.2.2 从与信息社会关系的角度认识信息产业

    1.2.3 从发展战略的角度认识信息产业

    1.3 信息化的发展

    1.3.1 信息化与社会经济发展转型

    1.3.2 信息化的内涵

    1.3.3 信息化与工业化的融合

    1.4 战略性新兴产业与物联网

    1.4.1 21世纪我国发展战略性新兴产业的重大决策

    1.4.2 物联网的基本概念

    1.4.3 物联网发展的社会背景

    1.4.4 物联网发展的技术背景1.4.5 物联网的作用：从信息化“烧钱”到信息化“赚钱”的观念变化

    1.4.6 物联网：感知中国与世界

    1.4.7 物联网结构

    1.4.8 我国发展物联网的阶段性问题

    1.4.9 我国发展物联网技术需要解决的六个主要问题

    1.5 未来物联网的发展与CPS研究计划

    1.5.1 CPS研究计划的提出

    1.5.2 CPS研究的基本思路

    本章小结

    第2章 支撑物联网的信息技术

    2.1 计算机技术：物联网的计算工具

    2.1.1 高性能计算、普适计算与云计算

    2.1.2 数据库与数据仓库技术的研究与发展

    2.1.3 人工智能技术的研究与发展

    2.1.4 多媒体技术的研究与发展

    2.1.5 虚拟现实技术的研究与发展

    2.1.6 嵌入式技术的研究与发展

    2.1.7 可穿戴计算技术的研究与应用

    2.2 通信技术：物联网的通信工具

    2.2.1 移动通信的分类

    2.2.2 蜂窝移动通信的发展历程2.2.3 3G与物联网应用

    2.2.4 光纤通信与光传输网技术

    2.2.5 下一代网络技术的研究与发展

    2.3 集成电路：物联网的基石

    2.3.1 微电子技术和产业发展的重要性

    2.3.2 集成电路的研究与发展

    2.3.3 系统芯片的研究与应用

    本章小结

    第3章 互联网：物联网的运行环境

    3.1 计算机网络的基本概念

    3.1.1 从人的思维规律来认识计算机网络技术发展的必然性

    3.1.2 计算机网络发展的四个阶段

    3.1.3 计算机网络发展的三条主线

    3.2 互联网的形成与发展

    3.2.1 互联网发展的背景

    3.2.2 Web技术的研究与应用

    3.3 互联网应用的高速发展

    3.3.1 互联网的应用领域

    3.3.2 互联网应用技术发展的三个阶段

    3.3.3 互联网应用的两种工作模式：客户服务器模式与P2P模式

    3.4 互联网接入技术与三网融合3.4.1 宽带城域网技术的发展

    3.4.2 接入网技术发展的背景

    3.4.3 计算机网络、广播电视网与电信网的三网融合

    3.5 互联网与物联网的区别与联系

    3.5.1 互联网核心交换与端系统的抽象方法

    3.5.2 从网络端系统接入的角度看互联网与物联网的区别与联系

    3.5.3 从网络数据采集与传输内容的角度看互联网与物联网的区别

    与联系

    本章小结

    第4章 无线传感器网络：物联网的末梢神经

    4.1 无线网络的基本概念

    4.1.1 无线网络技术的分类

    4.1.2 无线分组网与无线自组网

    4.1.3 无线自组网与无线传感器网络

    4.1.4 无线自组网与无线网状网

    4.2 无线局域网与协议

    4.2.1 无线局域网的应用领域

    4.2.2 无线局域网协议

    4.3 无线城域网与IEEE 802.16协议

    4.3.1 宽带无线接入的基本概念

    4.3.2 IEEE 802.16标准体系4.4 蓝牙、无线个人区域网与ZigBee

    4.4.1 蓝牙技术与协议

    4.4.2 无线个人区域网与协议

    4.4.3 ZigBee技术的特点

    4.5 无线自组网技术应用领域与关键技术的发展

    4.5.1 无线自组网技术的主要特点

    4.5.2 无线自组网的主要应用领域

    4.5.3 无线自组网关键技术的研究

    4.6 无线传感器网络应用领域与关键技术的研究

    4.6.1 传感器与无线传感器网络技术发展的背景

    4.6.2 无线传感器网络的特点

    4.6.3 无线传感器网络的应用前景

    4.6.4 无线传感器网络的基本结构

    4.6.5 无线传感器网络关键技术研究

    4.7 无线网状网应用领域与关键技术的研究

    4.7.1 无线网状网发展的背景

    4.7.2 无线网状网的技术特点

    4.7.3 无线网状网的网络结构

    本章小结

    第5章 数字地球、数字城市：物联网的空间信息支撑技术

    5.1 数字地球的研究与发展5.1.1 数字地球概念产生的背景

    5.1.2 数字地球的定义

    5.1.3 数字地球的主要特征

    5.1.4 数字地球技术的作用

    5.1.5 探索与研究：数字地球神经系统

    5.2 数字中国的研究与发展

    5.2.1 数字中国战略的提出

    5.2.2 数字中国建设的基本内容

    5.3 数字地球的核心技术

    5.3.1 航天航空遥感技术

    5.3.2 全球定位系统

    5.3.3 地理信息系统

    5.3.4 全球综合对地观测系统

    5.3.5 数字地球基础理论体系

    5.4 数字城市的研究与发展

    5.4.1 数字城市概念产生的背景

    5.4.2 数字城市空间数据基础设施建设

    5.4.3 多媒体电子地图集与互联网地图

    5.5 数字城市技术的应用

    5.5.1 数字城市技术在城市交通中的应用

    5.5.2 数字城市技术在城市公共突发事件应急处理中的应用5.5.3 数字城市技术在城市建设规划中的应用

    本章小结

    第6章 射频标签：物联网的物品标识技术

    6.1 射频标签与自动识别技术

    6.1.1 条形码简介

    6.1.2 磁卡与IC卡简介

    6.1.3 射频标签简介

    6.1.4 RFID的基本工作原理

    6.1.5 RFID标签的分类

    6.1.6 RFID标签与非接触式IC卡的区别与联系

    6.2 RFID技术的应用

    6.2.1 RFID在商业流通领域中的应用

    6.2.2 RFID在食品安全与流通中的应用

    6.2.3 RFID在危险品管理中的应用

    6.2.4 RFID在交通运输中的应用

    6.2.5 RFID在医疗卫生管理中的应用

    6.2.6 RFID在城市一卡通中的应用

    6.2.7 RFID在商业营销中的应用

    6.3 RFID产业的发展

    6.3.1 世界知名IT企业对RFID产业发展的思路

    6.3.2 我国政府对发展RFID技术、应用与标准工作的重大决策本章小结

    第7章 数字中国：物联网的应用

    7.1 现代物流：物联网在电子商务与物流业中的应用

    7.1.1 电子商务的基本概念

    7.1.2 现代物流的发展

    7.1.3 物联网覆盖现代物流的全过程

    7.1.4 现代物流标准化与物联网体系

    7.2 数字健康：物联网在医疗卫生领域中的应用

    7.2.1 医院管理信息化的研究与发展

    7.2.2 远程医疗技术的研究与发展

    7.2.3 无线传感器网络在医疗卫生管理中的应用

    7.3 数字农业：物联网在农业中的应用

    7.3.1 数字农业涵盖的基本内容

    7.3.2 数字农业技术

    7.3.3 数字农业技术研究的主要内容

    7.3.4 无线传感器网络在农业中的应用

    7.4 数字林业：物联网在林业中的应用

    7.4.1 数字林业发展的重要性

    7.4.2 数字林业研究的主要内容与发展定位

    7.4.3 我国数字林业建设的主要任务

    7.4.4 无线传感器网络在林业中的应用7.5 数字水利：物联网在水利行业中的应用

    7.5.1 数字水利的定义与内涵

    7.5.2 数字水利发展的基础

    7.5.3 数字水利发展目标与思路

    7.5.4 数字水利建设的主要内容

    7.5.5 无线传感器网络在数字水利中的应用

    7.6 数字环保：物联网在环境保护领域中的应用

    7.6.1 数字环保的基本概念

    7.6.2 我国数字环保的工作基础

    7.6.3 无线传感器网络在环境保护中的应用

    7.7 数字减灾：物联网在防灾救灾领域中的应用

    7.7.1 数字减灾的基本概念

    7.7.2 我国数字减灾的工作基础

    7.7.3 无线传感器网络在防灾救灾与应急处置中的应用

    本章小结

    第8章 智能机器人：物联网家族中的重要成员

    8.1 机器人技术的研究与发展

    8.1.1 机器人的基本概念

    8.1.2 机器人技术的发展过程

    8.2 机器人的定义与分类

    8.2.1 机器人设计的三原则8.2.2 机器人的定义

    8.2.3 机器人的分类

    8.3 民用机器人的研究与应用

    8.3.1 工业机器人

    8.3.2 农业机器人

    8.3.3 服务机器人

    8.3.4 医用机器人

    8.3.5 微机器人与微操作机器人

    8.3.6 仿人机器人

    8.3.7 玩具机器人

    8.3.8 特种机器人

    8.3.9 空间机器人

    8.4 机器人学的研究与发展

    本章小结

    第9章 物联网技术在军事上的应用：物联网与现代战争

    9.1 物联网与现代战争的基本概念

    9.1.1 战场感知的基本概念

    9.1.2 战场感知体系的基本结构

    9.2 无线传感器网络在军事上的应用

    9.2.1 无线传感器网络在军事上应用的优势

    9.2.2 分布式传感器在战场侦察中应用的历史9.2.3 无线传感器网络在军事装备研究中的应用

    9.2.4 无线传感器网络在反恐装备研究中的应用

    9.3 物联网在军事物流中的应用

    9.3.1 物流的基本概念

    9.3.2 军事物流的特点

    9.3.3 RFID技术在现代军事物流中的应用

    9.4 穿戴计算机在军事上的应用

    9.4.1 穿戴计算机在军事装备维护上的应用

    9.4.2 穿戴计算机与未来战士

    9.5 智能机器人在军事上的应用

    9.5.1 军用机器人的研究发展动向

    9.5.2 地面军用机器人

    9.5.3 空中军用机器人

    9.5.4 水下军用机器人

    本章小结

    第10章 物联网中的信息安全技术：物联网安全的保障

    10.1 物联网安全中的六大关系

    10.1.1 物联网安全与现实社会的关系

    10.1.2 物联网安全与计算机、计算机网络安全的关系

    10.1.3 物联网应用系统建设与安全系统建设的关系

    10.1.4 物联网安全与密码学的关系10.1.5 物联网安全与国家信息安全战略的关系

    10.1.6 物联网安全与信息安全共性技术的关系

    10.2 近年来网络安全形势的演变

    10.2.1 互联网安全威胁发展总的趋势

    10.2.2 近期网络安全威胁的主要特点

    10.3 共性化的网络安全技术的研究与发展

    10.3.1 网络安全技术的内容与分类

    10.3.2 网络攻击的分类

    10.3.3 网络安全防护技术的研究

    10.3.4 网络防病毒技术的研究

    10.3.5 计算机取证的基本概念

    10.3.6 网络业务持续性规划技术的研究

    10.3.7 密码学及其应用技术的研究

    10.3.8 网络安全应用技术的研究

    10.4 无线自组网安全技术的研究

    10.4.1 无线自组网安全技术的基本概念

    10.4.2 无线自组网安全的脆弱性

    10.4.3 无线自组网的安全威胁

    10.4.4 无线自组网的安全方案

    10.5 无线传感器网络安全技术的研究

    10.5.1 无线传感器网络安全问题的特殊性10.5.2 无线传感器网络安全隐患的分类

    10.5.3 无线传感器网络安全技术研究的内容与进展

    10.6 RFID系统与手机安全技术的研究

    10.6.1 RFID系统的安全问题

    10.6.2 手机的安全性问题

    本章小结

    参考文献前言

    21世纪人类社会正步入信息时代。我们正处在一场新的技术革命之

    中。这场技术革命的中心是物联网。物联网概念的本质就是将人类的经

    济生活与社会生活、生产活动与个人活动都放在一个智慧的物联网环境

    中运行。物联网为我们提供了感知中国与世界的能力，也为技术创新与

    产业发展提供了一个前所未有的机遇。

    我国的经济经过30年的改革开放，已经站在了一个新的十字路口，中国的工业化之路也面临新的选择。从世界经济发展趋势与我国经济发

    展现状来看，我国完全可以不必走发达国家先工业化后信息化的传统发

    展模式，而是把工业化与信息化发展阶段结合起来，加快信息技术与信

    息产业的发展，利用信息技术与装备，提高资源利用率，改造传统产

    业，优化经济结构，提高技术创新能力与现代管理水平，促进国民经济

    的可持续发展。

    2010年3月5日，温家宝总理在十一届全国人大三次会议的政府工作

    报告中指出：大力培育战略性新兴产业。国际金融危机正在催生新的科

    技革命和产业革命。发展战略性新兴产业，抢占经济科技制高点，决定

    国家的未来，必须抓住机遇，明确重点，有所作为。要大力发展新能

    源、新材料、节能环保、生物医药、信息网络和高端制造产业。积极推

    进新能源汽车、“三网”融合取得实质性进展，加快物联网的研发应用。加大对战略性新兴产业的投入和政策支持。

    基于多年从事互联网技术、无线传感器网络技术、信息安全技术、CPS技术的教学和科研实践经验，我们可以清晰地认识到发展物联网技

    术所涉及的几个基本问题：

    1)物联网是互联网功能的扩展与延伸，是社会信息化的深化与发

    展。物联网的发展具有深厚的信息技术及相关专业的技术基础，有着强

    烈的社会需求。

    2)物联网将广泛应用于工业、农业、医疗卫生、环境保护、防灾

    救灾、安全保卫、航空航天、军事等领域。物联网将在推动生产力发

    展，提高人类的生活质量，保卫国家安全，支持可持续发展战略决策方

    面发挥重要的作用。

    3)发展物联网的最终目标不是简单地将物与物互联，而是要催生

    很多具有“计算、通信、控制、协同和自治”特征的智能设备与系统，实

    现实时感知、动态控制和信息服务。物联网的发展将促进社会经济发展

    模式的转变，推动产业的快速发展。

    物联网像一股潮流扑面而来。作为一名多年从事信息技术科研、教

    学与学科建设管理工作的教师，作者首先“感知”的是一股暖暖的“春

    意”，然后“感知”的是作为科技工作者沉甸甸的责任。很多在政府管理

    信息化与科研部门工作的同志、企业的决策者、高校的同行不断地来找作者探讨物联网的问题，征求对发展物联网项目开发、技术研究与教育

    的建议，研究在“十二五”规划中如何发展物联网产业。每一次谈话都对

    作者有很大的启发，也坚定了作者完成这本著作的信心。

    作者为完成这本著作已做了3年多的准备工作。作者最初的动因不

    是直指物联网，而是希望解开作者心中的一个困惑。作者从1984年以来

    一直给本科生、硕士与博士研究生讲授计算机网络与互联网技术课程，并认真地完成了本科生与研究生两套教程，指导了多篇学位论文。但

    是，作者越是深入地研究互联网技术与应用，就越对互联网的发展感到

    困惑。难道互联网技术发展的终极目标就是“高性能”、“高带宽”吗？新

    一代互联网技术到底是什么？同时，作者对信息技术专业的教学越教越

    专、越教越窄，不同学科之间、同一学科不同课程之间缺乏应有的交

    叉，社会需求强烈而学生就业越来越困难等问题感到困惑。多年教学和

    科研的实践经验与直觉告诉作者，信息技术教育必须突破传统的思维定

    式，寻找适合中国国情和21世纪发展需要的教育模式。作者希望全面地

    总结信息技术、信息产业与信息化发展问题，给大学信息技术专业的学

    生写一本能够反映信息技术发展现状与发展趋势的信息技术导论的教

    材，同时也是回答作者自己和同行的困惑，该教材现在正处于准备阶

    段，但是所搜集的大量资料、文献以及个人对技术的认知与总结，能够

    帮助作者完善对物联网的认识。

    本书写作的主要特点是：作者是站在技术人员、教育工作者与政府管理人员三者共同的立场上，去探讨物联网技术研究与产业发展问题。

    作者之所以这样思考问题，与近年来所承担的教学科研、学科管理

    及社会工作经历有关。作为大学教师，作者与南开大学网络实验室的科

    研教学团队一起，开展了无线自组网、无线传感器网络、P2P网络、网

    络安全技术的研究工作。在20多年的工作经历中，对互联网技术研究与

    发展比较了解。同时，在与国内外很多大学、研究所、软件公司、电子

    信息产品制造商的合作与交流的过程中，对国内外信息产业发展情况有

    较好的了解。特别是自1995年以来，作者参与研究与起草“天津信息港

    工程规划纲要”、“天津信息产业发展策略研究”、“天津市软件产业发展

    规划”；主持“天津市信息化建设十一五发展规划(总体)研究”工作。

    这些经历给了作者从信息技术对社会发展作用的角度去思考问题的机

    会，使得作者能够跳出作为一名“单纯”的教学和研究人员的局限，逐渐

    学会了将技术、教育、产业与社会发展结合起来思考的方法。近年来作

    者作为评审专家参与了很多研究计划的制定、立项评审、结题评审、科

    技奖评审工作，其中就有多项涉及物联网技术与应用的内容。作者从同

    行那里学到很多知识，开阔了思路，明白了很多自己以前不懂的东西。

    同时，作者多年担任南开大学信息技术科学学院院长，需要和学院的计

    算机、自动化、电子科学、光学工程、信息安全等七个一级学科、学科

    群的老师们打交道，听国内外相关领域专家的报告，参加各个学科科研

    开题与结题会议，这些工作确实让作者学到了很多相关学科的知识，也

    使作者对交叉学科发展问题产生了很大的兴趣。作者认为，我国是信息技术应用的大国，但不是信息技术强国。创

    新是一个民族的灵魂。中华民族要屹立于21世纪的信息技术强国之林，必须要培养出一大批学术和技术精英，大学在创新思想的产生方面应该

    走在前面。要完成一本有关物联网方面的著作是十分困难的，但是出于

    一位教师的良知，作者还是希望将自己一些不成熟的看法提出来，与同

    行共同进行交流，一起为推动我国物联网事业的发展做出贡献。

    作者试图在这本书中讨论以下六个方面的问题：

    (1)探讨物联网发展的社会背景与技术背景

    任何一项技术的出现都会有其深厚的社会发展与技术发展背景。如

    果我们对一项技术的出现感到很“突然”，那么就说明我们对它的认识还

    不够，需要坐下来认真思考一下这方面的问题，否则我们就有可能

    是“随大流”，比较盲目地进入这个领域。本书希望为读者诠释物联网发

    展“自然”的形成与发展过程，加深读者对物联网发展必然性的理解。

    (2)阐明物联网发展与社会信息化发展的关系

    很多同志和作者之前一样，对信息化与工业化融合理解不深入，很

    多之前从事省市信息化领导和组织工作的同志认为信息化被“淡化”了，不再重要了，对物联网与社会信息化发展的关系感到茫然。本书希望站

    在三个五年计划(15年)信息化发展的角度，诠释物联网与社会信息化

    发展的关系，看到物联网是我们多年工作的延续和深化，将会极大地推动信息产业空前的发展和繁荣，加深读者对物联网发展重要性的理解。

    (3)分析物联网与互联网的区别与联系

    相关的技术之间必然是相通的，是有自然的内在联系的，物联网与

    互联网也不例外。互联网发展到一定的阶段，其产业发展必然要出现新

    的形态。本书希望站到互联网发展的历史过程之中，去分析物联网的技

    术特征，阐述物联网是互联网功能的扩展与延伸，加深读者对物联网技

    术特征的理解。

    (4)说明物联网建设的预期目标

    全世界那么多的智者都在讨论物联网，物联网建设的预期目标就不

    会如我们初次接触的新手考虑的那么简单。本书希望站在物联网与社会

    发展关系的角度，阐述我国物联网建设的最终目的是进一步提高劳动生

    产力，改善人民的生活质量，保卫国家安全，支持我国可持续发展大政

    方针的实施，加深读者对物联网在推动社会发展方面所起作用的认识。

    (5)描述物联网在感知中国和世界中的作用

    物联网可以用于数字制造、数字城市、数字农业、公共安全、城市

    管理、智能交通、安全生产、环境监测、远程医疗、智能家居、智慧边

    疆等领域，进一步实现了人与物、物与物的融合，使人类对客观世界具

    有更透彻的感知能力，更全面的认知能力，更为智慧的处理能力。本书希望站在物联网应用的角度，加深读者对物联网在感知中国和世界中的

    作用的认识。

    (6)指出物联网发展中的利与弊

    任何事都是有利有弊，物联网也必然要遵从这个规则。我们在兴致

    勃勃地讨论物联网发展前景时，必须充分地认识到它可能给我们带来的

    问题。互联网的安全问题是物联网的前车之鉴。机遇与挑战同在。我们

    的正确态度是：正视、慎重、应对，别无选择。

    作者需要说明的是：本书所涉及的内容跨了多个学科，而作者的研

    究工作也只限于几个比较窄的方面，不可能在如此广泛的领域都能够涉

    猎，并都有很深的理解，因此本书的成果实际上是凝聚了很多智者的心

    血，作者是将个人能够理解的部分内容，按照自己的思路整理出来。同

    时，由于有一个多年阅读的积累过程，作者在参考文献中列出了一些主

    要的参考书籍，不可避免会出现个别的遗漏。为了能以图文并茂的方式

    帮助读者理解知识，书中从互联网的几个主要的搜索引擎或专业网站上

    择选和编辑了一些具有新闻性、正面宣传意义与不涉及个人肖像权的图

    片，在此对这些图片的作者表示衷心的感谢。

    在完成初稿写作之时，作者想感谢的人很多。首先要感谢母国光院

    士。在1995年接受研究与起草“天津信息港工程规划纲要”任务时，大家

    都很茫然。在请教母国光院士时，他从对于美国信息高速公路NII计划的看法，到中国科学院信息技术学部院士们的想法给我们做出了准确和

    详尽的分析，使我们茅塞顿开。在母国光院士的指导之下，顺利地完成

    了“天津信息港工程规划纲要”的写作任务，也使作者受到了很好的锻

    炼。感谢卢桂章教授，在与卢桂章教授一起参加“九五发展规划”、“十

    五发展规划”研究的过程中，作者对于卢桂章教授敏锐的洞察力、渊博

    的学识与高尚的人品十分钦佩。感谢刘瑞挺教授，他带领着大家开创了

    网络研究方向，他对计算机与网络的渊博的学识和独到的研究方法一直

    指导着网络实验室的工作。感谢颜松远教授，他对于密码学的很多独到

    的理解对作者有很大的启发。感谢徐敬东教授、张建忠教授、苏明副教

    授、吴英副教授，以及国家计算机病毒应急处理中心常务副主任张健博

    士，他们在新技术的研究方面的成果与方法给了作者很多的启发和帮

    助。感谢作者的夫人牛秀卿教授，正是有她的理解和支持，才使作者这

    些年来能够安心研究和写作。

    感谢武汉大学计算机学院牛晓光老师。作者在全书基调最终确定之

    前与他进行了深入的讨论。牛晓光老师一直从事无线传感器网络与物联

    网的研究工作，对物联网技术的发展有深入和独到的理解。他对本书整

    体结构与基调的把握给出了重要的意见和建议。他在南开读书期间师从

    于作者，看到他取得如此大的进步，作为他的导师感到非常欣慰。

    本书可以供从事物联网研究与产品研发的人员、技术管理人员以及

    政府机关负责制定物联网技术研究、应用与产业发展规划的工作人员阅读，同时也可以供计算机与信息技术相关专业的教师、学生阅读。

    书中对某一方面的技术理解有误或不准确，以及总结中出现挂一漏

    万的问题在所难免，恳请读者不吝赐教。

    吴功宜

    于南开大学信息技术科学学院计算机系

    wgy@nankai.edu.cn

    2010年5月16日第1章 信息技术、信息产业与物联网

    21世纪人类社会正步入信息时代。我们正处在一场新的技术革命之

    中。这场技术革命的中心是物联网。物联网概念的本质就是将人类的经

    济与社会、生产与生活都放在一个智慧的物联网环境中。物联网为我们

    提供了感知中国与世界的能力，也为技术创新与产业发展提供了一个前

    所未有的机遇。

    本章在系统介绍信息技术、信息产业以及信息化与工业化融合的基

    础上，将深入地讨论物联网的基本概念，物联网发展的社会背景和技术

    背景，我国发展物联网产业需要注意的问题，以及未来物联网的发展与

    CPS研究计划的关系。1.1 创新是21世纪信息技术发展的必由之路

    1.1.1 信息技术的辉煌

    1.信息技术的发展水平影响着国家的核心竞争力

    信息技术是当今世界经济社会发展的重要驱动力。信息技术由计算

    机技术、通信技术、微电子技术、光电子技术、信息安全技术、智能技

    术与软件技术等组成。计算机技术与通信技术作为信息技术的基础和关

    键技术，在微电子技术的推动下，引领着信息技术的高速发展与广泛应

    用，成为推动当今世界经济与社会发展的重要动力。

    随着国家信息化和全球信息化的推进，世界各国对信息技术的需求

    增长迅猛。各国在推进信息化的过程中需要大量的计算机设备、网络设

    备、通信设备与各种软件，需要有信息服务业的技术支持，这促使信息

    产业高速发展。

    到了21世纪，互联网已经和电力、电话、高速公路一样，成为一个

    国家或地区重要的基础设施。今天人类所享受的一切现代文明，无一不

    直接或间接地与信息技术相关。当代科学技术的创新性研究在很大程度

    上依赖于信息技术。当代的经济与社会发展在很大程度上都取决于信息

    产业的发展。信息技术与信息产业正在一步一步地改变着人们的生产方式、工作方式、学习方式与思维方式。历史上还没有哪种技术和产业对

    人类社会产生如此之广泛、深刻的影响。

    2004年，美国总统科学技术政策办公室指示总统信息技术顾问委员

    会在网络和信息技术研究与发展(NITRD)计划的基础上，对如何大力

    发展计算科学从而确保美国在各个领域的竞争力的问题进行了深入研

    究，并专门成立了计算科学分委员会来开展调研工作。2005年，美国总

    统信息技术顾问委员会提交了一份题为《计算科学确保美国的竞争力》

    的报告。这份报告将计算科学提升到影响国家核心竞争力的高度。报告

    指出：利用计算科学先进的计算能力和方法来理解和解决复杂问题，是

    提高科学研究水平、增强产业竞争力和确保国家安全的关键。

    2.21世纪学科发展的一个重要特征是大批以信息技术为基础的交叉

    学科的快速发展

    信息技术是渗透性、带动性最强的技术。随着信息技术的不断发

    展，信息技术之间、信息技术和其他技术之间的相互渗透日趋增加，单

    一的技术突破已难以适应产业发展的需要。信息科学有一个很大的基础

    科学库，它被不同的学科所使用，与其他学科交叉、融合，在21世纪有

    很多机会形成基础和技术上的创新。例如，信息技术学科与生命科学交

    叉形成了生物信息学，信息技术学科与环境资源学科交叉形成了资源环

    境信息学，同时也出现了计算化学、计算物理学等新的交叉学科。多学

    科交叉融合是学科自身高度发展的必然结果，是学术创新思想的体现，同时也给信息技术的研究提出了很多课题，产生了大量新的研究方向、新的技术、新的产业与创新性成果。新兴交叉学科代表着先进生产力的

    发展方向，充满着活力和机遇。

    今天，世界各国的分子生物学家正在忙于进行有史以来最为艰巨的

    数据采集和处理工作。在政府、大学、研究所与公司的实验室里，研究

    人员正在进行从最低等的细菌到最高等的人类基因组图谱和DNA序列测

    定，为的是发现有经济价值的利用和开发遗传信息的新途径。计算机广

    泛地用于破译、管理和组织这种新的经济资源——遗传信息。如果走入

    基因组测序的研究所，你会看到大量的以超级计算机为基础的测序仪，说不定你会误以为到了一家信息技术公司。到21世纪结束的时候，分子

    生物学家希望获得几万种生物的基因组序列，它将包含分布在地球不同

    地方的微生物、植物、动物进化“蓝图”的巨大数据库。生物信息学的研

    究成果将帮助人类了解产生疾病的原因与改变治疗疾病的方法。生物产

    业因信息产业的加盟而提速，信息产业也因生物信息学的研究需求而获

    得发展的动力。生物信息学的发展所带来的经济和社会效益是不可估量

    的。

    为了促进新兴、交叉学科的发展，第一届国际应用计算与计算科学

    会议(ACCS 2008)列选的交叉学科的科目有计算数学、计算物理、计

    算生物、计算化学、计算经济学、计算金融等十几个之多。2009年底召

    开的IEEE国际应用计算与计算科学大会指出：复杂系统的建模、先进的科学与工程计算、复杂的算法以及多学科解决问题的环境，对于传统学

    科的发展带来了越来越多的挑战。新兴的交叉学科涉及科学、工程、艺

    术与人文学科。利用计算科学先进的计算能力和方法，是提高科学研究

    水平、产业竞争力的关键，这一点已经在科技界与产业界形成共识，更

    多的交叉学科正在形成与发展之中。新兴交叉学科必将导致创新性成果

    和新兴产业的出现。1.1.2 信息技术的困惑

    在我们兴致勃勃地讨论信息技术和产业对于人类社会发展的巨大作

    用的同时，我们必须正视学术界普遍认同的一个观点，那就是：信息技

    术的基础理论大部分是20世纪60年代以前完成的，近40年来信息科学没

    有取得重大突破。这个观点可以用以下10个例子作为佐证。

    1)1945年，“计算机之父”冯·诺伊曼提出的计算机体系结构，仍然

    是今天我们设计计算机必须遵从的基本设计原则。

    2)1950年，“人工智能之父”图灵提出了人工智能的基本概念，以

    及判断计算机是否具有智能的“图灵测试”方法。人工智能技术诞生的时

    间可追溯到20世纪50年代中期。

    3)1969年，光计算机的研究出现。量子计算的概念是20世纪70年

    代提出的。1983年开始了生物计算机的研制。

    4)20世纪60年代末出现的Pascal语言是计算机语言发展史上的一个

    重要里程碑。面向对象程序设计语言是20世纪70年代初出现的。

    5)可穿戴计算的概念是20世纪60年代提出的。嵌入式系统的研究

    开始于20世纪70年代。6)计算机网络的核心概念“分组交换”是1964年提出的。互联网的

    雏形ARPANET于1969年开始组建和运行。TCPIP协议在1980年开始正

    式成为网络协议标准。无线分组网的研究开始于1972年。

    7)移动通信技术的研究开始于20世纪20年代。1978年蜂窝移动通

    信网问世。

    8)1945年，科学家提出了利用卫星进行通信的设想。1962年，第

    一颗可以用于电话和电视传输的通信卫星发射成功。

    9)1833年，科学家发现了半导体性质，1931年提出了能带理论，1939年发明了纯净晶体的生长技术和掺杂技术。1947年第一个点接触型

    晶体管诞生。1950年单晶锗结型晶体管诞生。1958年世界上第一块集成

    电路问世。

    10)1966年光导纤维通信理论提出。1981年第一个光纤通信系统问

    世。1.1.3 21世纪信息技术发展趋势

    胡锦涛总书记在2006年全国科学技术大会上的讲话中指出：抓住信

    息科技更新换代和新材料科技迅猛发展的难得机遇，把掌握装备制造业

    和信息产业核心技术的自主知识产权作为提高我国产业竞争力的突破

    口。胡锦涛总书记的讲话为我们研究信息技术与信息产业的发展指出了

    明确的方向，也使我们深刻地认识到：创新是21世纪信息技术发展的必

    由之路。

    在天津举行的2009中国计算机大会上，作为参与研究中科院面向

    2050年科技发展路线图的专家之一，中国工程院院士、中科院计算技术

    研究所所长李国杰对21世纪上半叶信息科学技术发展战略取向的研究成

    果做出了精辟的解读。李国杰院士报告的基本观点可以归纳为以下几

    点：

    1)在21世纪上半叶信息技术不是让位于生物技术和纳米技术，而

    是面临一次新的信息科学革命。在整个21世纪，信息科学与技术将与生

    物、纳米、认知等科学技术交织在一起，继续焕发出蓬勃的生机，引领

    和支撑国民经济的发展，改变人们的生活方式。

    2)集成电路、高性能计算机、存储器在2020年前后都会遇到只靠

    延续现有技术难以逾越的障碍，同时它也孕育着新的重大科学问题的发现和原理性的突破。

    3)今后的10年是中国信息技术企业打翻身仗的好时机。从芯片、计算机、网络到信息服务系统，未来10年中国有能力走出一条新路，建

    立自己的信息技术体系。目前我们面对的最大问题是信息化与工业化的

    融合，实现经济结构的转型和提升。

    4)信息技术发展的路线图为：2020年以后，信息技术新的主流技

    术就会逐步明朗；2020年到2035年将是信息技术重大改革的大变革时

    期；2035年到2050年，符合科学发展观的新的信息网络体系会逐步形

    成。

    认真研究21世纪信息技术发展的特点时，我们可以清晰地看到：人

    们已经从重视信息技术的内涵转到更加重视外延。人们更加重视信息技

    术与纳米、生命、认知等科学的交叉研究，更加重视信息技术对环境和

    生态的影响，更加重视信息技术伦理道德与法制环境建设方面的研究。

    现在人们谈论信息技术时，更多的是将它和社会、健康、能源、材料以

    及数字地球、物联网等领域联系起来。1.2 信息产业的发展

    从世界范围看，各国的工业正经历了从以纺织、钢铁、汽车、机械

    制造为主导的传统产业阶段，向以计算机、通信、微电子为主导的信息

    产业阶段发展。信息产业是指社会经济活动中从事信息技术、装备制

    造、产品生产与信息服务的产业部门的统称，是一个包括信息采集、生

    产、检测、传输、存储、处理、分配、应用和服务的门类众多的产业

    群。信息产业的基本特征可以从产业结构、与信息社会关系、发展战略

    三个角度去认识。

    1.2.1 从产业结构的角度认识信息产业

    从产业结构的角度认识信息产业，可以看出信息产业有以下三个重

    要特点：

    1)信息产业高度依赖于科技与信息，减少了对资源的依赖。信息

    产业是由电信业、通信产品制造业、计算机制造业、软件产业、集成电

    路产业、信息家电产品制造业、基础电子元器件产业、军事电子工业与

    信息服务业组成的。

    2)发展信息产业的基础是计算机软件产业与集成电路产业。软件

    是信息产业发展的灵魂，人才与知识是软件产品的价值核心。3)集成电路产品是信息产业的“粮食”，集成电路芯片已经成为电

    子信息产品整机性能与附加值的核心因素。

    国家经贸委政策司与原信息产业部组成联合小组于2000年6月发布

    了《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》的文件，以支持我

    国软件产业与集成电路产业的发展，增强我国信息产业的核心竞争力。1.2.2 从与信息社会关系的角度认识信息产业

    从与信息社会关系的角度认识信息产业，可以看出信息产业有以下

    三个重要特点：

    1)信息社会的主要物质基础是信息技术与信息产业，信息产业是

    全球竞争的制高点。当今社会人类享受的一切现代文明，无不直接或间

    接地与信息技术和信息产业相关。

    2)目前信息产业的发展已经呈现出信息技术、产品、网络和服务

    之间，以及信息技术与传统技术之间的相互融合渗透的大趋势。当代科

    学技术的发展，无论是生命科学、航空航天科学、资源与环境科学，都

    在很大程度上依赖于信息产业的发展。历史上没有哪个产业对人类的社

    会生活产生过如此深刻的影响。

    3)从世界经济发展的趋势来看，以计算机、通信、微电子为核心

    的信息技术与产业正在迅速改变着传统产业和整个经济的面貌，使得传

    统产业技术含量、信息含量与知识含量大幅度提升，同时也加快了世界

    经济结构的调整与重组，加快了工业社会向信息社会转变的进程。

    信息产业不仅是推动知识经济发展的主要动力，也是21世纪世界经

    济增长的主要动力。1.2.3 从发展战略的角度认识信息产业

    从发展战略的角度认识信息产业，可以看出信息产业有以下三个重

    要特点：

    1)信息产业是我国优先发展的新兴产业之一。我国政府高度重视

    信息产业的发展，党的十六大报告中就已经提出：优先发展信息产业，在经济和社会领域广泛应用信息技术。党的十六届五中全会通过的《中

    共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议》中更进

    一步指出要“坚持以信息化带动工业化”，“大力发展信息、生物、新材

    料、新能源、航空航天等产业”。2009年11月3日在首都科技界大会上，温家宝总理发表了题为《让科技引领中国可持续发展》的讲话，其中再

    次将信息产业列为七大战略性新兴产业之一。物联网、云计算、三网融

    合成为当前研究与应用的热点问题。

    2)我国必须走工业化与信息化融合的发展道路。我国的经济经过

    30年的改革开放，已经站在了新的十字路口。在“产业立国”的新历史阶

    段，我国的工业化之路也面临新的选择。当今世界一些主要国家都把争

    夺经济、科技制高点作为战略重点，把科技创新投资作为最重要的战略

    投资。这预示着全球科技将进入一个前所未有的创新密集时代，重大发

    现和发明将改变人类社会生产方式和生活方式，新兴产业将成为推动世界经济发展的主导力量。从世界经济发展趋势与我国经济发展现状来

    看，我国完全可以不必走发达国家先工业化后信息化的传统发展模式，而把工业化与信息化发展阶段结合起来，加快信息技术与信息产业的发

    展，利用信息技术与装备，提高资源利用率，改造传统产业，优化经济

    结构，提高技术创新能力与现代管理水平，促进国民经济的可持续发

    展。

    3)信息产业是发展战略性产业的基础。根据近来信息产业发展的

    热点和动向，我国信息技术与信息产业发展的趋势将表现在物联网、下

    一代互联网、无线传感器网络、云计算、无线网络技术的应用、低碳环

    保中信息技术的应用、新能源与新材料等几个方面。战略性新兴产业是

    新兴科技和新兴产业的深度融合，代表着科技创新的方向，也代表着产

    业发展的方向。加快转变经济发展方式的一个重要方面就是加快发展战

    略性新兴产业。我国政府决定选择若干重点领域作为突破口，力争在较

    短时间内见到成效，使战略性新兴产业尽早成为国民经济的先导产业和

    支柱产业，而信息产业是发展新兴产业的基础。1.3 信息化的发展

    1.3.1 信息化与社会经济发展转型

    我国政府在《2006—2020年国家信息化发展战略》中指出：“信息

    化是充分利用信息技术，开发利用信息资源，促进信息交流和知识共

    享，提高经济增长质量，推动经济社会发展转型的历史过程。”

    对于信息化国际上目前还没有统一的定义。信息化

    (informatization)这个术语是一位日本学者在他的著作《信息产业论》

    中首次提出的，书中阐述了他对信息化的理解。他认为：信息化是由工

    业社会向信息社会演变的动态发展过程，信息社会是信息产业高度发

    达，并在产业结构中占据优势的社会。

    信息化是社会经济发展从以物质、能源为经济结构的重心，向以信

    息与知识为经济结构的重心转化的过程。在这个过程中，不断地采用现

    代信息技术装备国民经济各个部门和社会的各个领域，从而极大地提高

    社会的劳动生产力。如果说工业化是从农业主导型经济向工业主导型经

    济的演变，它推动了社会经济结构从农业社会向工业社会升级，那么信

    息化则是从传统产业主导型经济向信息产业主导型经济的演变，它推动

    社会经济结构从工业社会向信息社会的升级。因此，信息化描述的是社会经济发展转型的一个演变过程，正如1998年在联合国发布的“知识社

    会”文件中对信息化的表述：信息化既是一个技术的进程，又是一个社

    会的进程。

    应用是推动技术发展的原动力。社会对信息技术应用的需求促进了

    信息技术的发展，而信息技术的发展又反过来促进了信息技术的广泛应

    用。社会信息化就是在需求与技术相互影响、相互促进的过程中一步一

    步地发展起来的。

    由于信息化体现在社会经济的发展转化为以信息与知识为经济结构

    重心的过程，因此对于任何国家或地区来说，信息化绝不是一蹴而就的

    事，它是一个渐进的过程。推进信息化就是在工业、农业、国防、科技

    和社会生活各个方面应用信息技术，通过高速、宽带网络，深入开发、广泛利用信息资源，加速实现国家信息化的过程。1.3.2 信息化的内涵

    理解信息化的深刻内涵需要注意以下四个问题：信息化包括的三个

    层面的内容，不同阶段信息化建设重心的转移，国家信息化与国家空间

    信息化，以及信息化对提升国家核心竞争力的影响。

    1.信息化包括的三个层面的内容

    信息化的内涵包括三个层面的内容，一是信息技术广泛应用，二是

    信息产业与信息服务业高度发展，三是信息基础设施日趋完善。

    信息技术的基础是计算机技术、通信技术同微电子技术，互联网是

    计算机技术与通信技术高度发展、紧密结合的产物，而这些技术的发展

    基础是微电子技术。同时，计算机技术、通信技术与微电子技术之间的

    相互融合，以及计算机技术、通信技术同微电子技术与生命科学、环境

    科学、人文科学的交叉融合又产生了一批新兴学科与产业，相应地，信

    息产业与信息服务业高度发展。信息基础设施建设是信息化建设的重要

    内容。农业社会的基础设施是农田、水利建设；工业社会的基础设施是

    电力、交通和矿产；信息社会的基础设施是覆盖全世界的互联网。

    信息化的外延表现在一个国家或地区的信息环境之中，它标志着一

    个国家或地区的社会整体及各个领域的信息获取、处理、利用的能力与水平。目前互联网已经成为信息社会的重要基础设施，其应用已经影响

    到人类的工作方式、生活方式与思维方式，它的普及率已经成为衡量一

    个国家或地区信息化程度的标志之一。

    因此，在2008年的八国集团冲绳会议宣言中指出：信息技术是影响

    21世纪发展最强劲的推动力量。我们的任务不仅是促进和帮助人类社会

    向信息社会过渡，而且还要获取其全部的经济、社会与文化效益。

    2.国家信息化与国家空间信息化

    随着信息技术与信息产业的发展，人们开始认识到：从国家的层面

    看，信息化建设应该包括国家信息化与国家空间信息化两个部分。

    这样的认识是有一个逐步发展过程的。我们所有参与我国“九

    五”、“十五”与“十一五”3个五年计划信息化建设内容规划的专家、学者

    与政府官员，在初期的技术背景之下更多地考虑的是如何建设“国家信

    息基础设施(NII)”，将更多的注意力放在计算机网络、光纤传输网与

    无线传输网的建设、应用与信息安全技术上。同时，着力推进基于国家

    信息基础设施的政府信息化、行业信息化、领域信息化与社会信息化建

    设。

    在完成3个五年计划的建设任务过程中，随着数字地球技术的发展

    与应用，人们逐渐认识到：空间数据要占数据总量的75%～80%；地球

    空间数据的开发、利用与安全已经成为当今世界各国新的竞争热点，成为新的信息产业增长点，成为用信息化带动相关产业发展的一个重要方

    向。因此，从国家的层面看，信息化应该包括国家信息化与国家空间信

    息化两个部分。国家空间信息化建设任务包括数字地球、数字中国、数

    字城市、数字校园与数字社区的建设。支持数字地球、数字中国的信息

    基础设施就构成了“国家空间信息基础设施(NSII)”。

    同时，我们也应该认识到：国家信息化与国家空间信息化的建设必

    须要在国家发展战略的指导下，统一规划，分步建设，相互依存，协调

    发展。

    3.信息化对提升国家核心竞争力的影响

    2000年6月联合国亚太地区城市信息化国际论坛《上海宣言》指

    出：当今世界经济全球化和信息化已经成为人类社会发展的总趋势。

    随着计算机技术、通信技术与互联网技术的广泛应用，无论是发达

    国家、新兴工业化国家，还是一些发展中国家，都不可避免地卷入到信

    息化的世界风暴之中，这也进一步促进了世界经济一体化的进程，促进

    了国际贸易、国际金融、跨国生产经营与信息交流的发展。信息化使人

    类进入了所谓“数字化生存”的状态，从而也进一步推动了人类社会的巨

    大进步。信息化的发展目前呈现出全球化、网络化、数字化、空间化的

    趋势。

    信息化正在成为全球贸易、投资、能源、资本流动和技术转移以及社会、经济、文化等一切领域发展的主要动力。21世纪人类面临健康、能源、环境等一系列迫切需要解决的问题。发达国家已经完成了或正在

    完成由资源或劳动密集型产业向技术密集型、生产附加值高的产业转

    型。他们已经或正在将劳动密集型和高污染、高资源消耗型的产业向经

    济不发达国家转移。而发展中国家正处于由信息化带动工业化的过程。

    信息化程度与水平已经成为衡量一个城市经济社会发展综合实力和文明

    程度的重要标志。

    我国政府在《2006—2020年国家信息化发展战略》中指出：“信息

    化是当今世界发展的大趋势，是推动经济社会变革的重要力量。大力推

    进信息化，是覆盖我国现代化建设全局的战略举措，是贯彻落实科学发

    展观、全面建设小康社会、构建社会主义和谐社会和建设创新型国家的

    迫切需要和必然选择。”信息化对提高国家核心竞争力是至关重要的。

    同时，我们也必须清醒地认识到以下两点：一是信息化必将促进一

    场包括政治、经济、文化、教育与社会生活在内的全方位的社会变革。

    二是信息化发展越快，应用越深入，发挥的作用越大，信息安全就越重

    要。信息安全应该放到关乎国家安全与社会稳定的高度去认识。1.3.3 信息化与工业化的融合

    1.信息化与工业化融合的基本概念

    信息化已经渗透到国民经济和社会生活的各个方面，目前我国政府

    在重点推进信息化与工业化的融合，通过两化融合来改造提升传统产

    业，鼓励企业采用新材料、新技术、新设备、新工艺，推广集成制造、敏捷制造、柔性制造、精密制造等先进制造生产方式。

    在理解信息化与工业化融合的基本概念时需要注意以下几个问题：

    1)信息化与工业化融合包括工业与农业、服务业的信息化。中共

    十七大提出的信息化与工业化融合的战略为我国在新的历史时期信息化

    与工业化的发展指明了方向。信息化与工业化融合就是将信息技术、信

    息资源与工业化的生产方式相结合，加快工业化发展升级，促进工业经

    济向信息经济转变的过程。信息化与工业化融合包括工业生产的信息

    化，以及支撑工业生产的农业与服务业的信息化融合问题。

    2)信息化与工业化融合将推动社会经济结构从工业社会向信息社

    会的进步。当今人类社会发展总的趋势是：发达国家正在从工业社会向

    信息社会或知识经济社会转化，并且以城市信息化为龙头，带动区域信

    息化和国家信息化。而发展中国家则正处于从农业社会向工业社会过渡，以信息化带动工业化和传统工业的改造，实现可持续发展。如果说

    工业化是农业社会向工业社会的升级，那么信息化则是传统产业主导型

    经济向信息产业主导型经济的演变，它将推动社会经济结构从工业社会

    向信息社会的进步。

    3)我国必须在完成工业化的过程中推进信息化，走工业化与信息

    化融合的道路。我国是一个发展中国家，人口基数很大，人均资源贫

    乏，耕地面积不断减少，森林覆盖率偏低，能源和水资源后备不足，同

    时我国尚未完成工业化。在国际经济全球化与信息全球化的大潮中，只

    能够用现代信息技术装备国民经济的各个部门和社会的各个领域，在完

    成工业化的过程中要推进信息化，走工业化与信息化融合的道路。工业

    化与信息化融合不是简单的工业企业信息化问题，而是需要充分地利用

    信息技术与信息资源，与工业化的生产方式结合起来，加快工业化的发

    展升级，发挥信息技术在工业设计、制作、流通与管理过程的作用，提

    高企业的技术水平与竞争力。

    2.信息化与工业化融合的基本内容

    在信息化过程中，信息技术越来越多地融入到传统的工业产品设

    计、生产、销售与售后服务之中，提高了企业的产品质量、生产水平与

    销售能力，极大地提高了企业的核心竞争力。学术界将信息化与工业化

    的融合总结为五个层面的内容：产业构成层的融合，工业设计层的融

    合，生产过程控制层的融合，物流与供应链层的融合，经营管理与决策层的融合。

    (1)产业构成层的融合

    产业构成层的融合主要是将信息技术嵌入工业产品中，体现在产品

    中信息技术的含量上，反映在产品的自动化、智能化、节能降耗的程度

    上，也显示出信息技术在提升工业产品质量、性能与附加值方面的作

    用，以达到提高产品的市场竞争力的目的。我们可以用汽车、数控机床

    与信息家电的例子来说明这个问题。

    传统的汽车是一种典型的机械工业产品，早期生产的汽车内部没有

    一块集成电路。而新型汽车的自动控制系统、自动检测系统、仪器仪表

    显示系统、汽车音像系统、汽车导航系统、汽车雷达防碰撞系统都使用

    了大量的集成电路。汽车中使用的集成电路数量越多，则汽车的自动

    化、智能化、安全性与节能降耗水平就越高，性能就越好，价值也就越

    高。现在一般的汽车中电子部分的价值只占到整车价值的20%左右，中

    档汽车占到40%左右，而高级豪华汽车已经达到70%。汽车控制芯片也

    已成为芯片设计中的一个重要的类别。

    目前我国生产的数控机床中，数控部分占整个设备价值的20%～

    30%；而国外进口的数控机床中，数控部分占整个设备价值的60%～

    80%。

    在消费类电子产品，大到彩电、冰箱、洗衣机、空调、照相机，小到儿童玩具，无不通过大量使用控制芯片来提高产品的智能化程度，提

    高产品的性能、价格与竞争力。这些我们在日常生活中都有亲身体会。

    (2)工业设计层的融合

    工业设计层的融合主要表现在采用计算机辅助设计工具、软件与网

    络，提高产品设计能力方面。经过“九五”、“十五”与“十一五”3个五年计

    划的建设，很多工业设计部门已经甩掉了传统的设计图板，使用计算机

    辅助设计(Computer Aided Design,CAD)软件开展设计。目前，我国的

    机电行业中，已经有90%的企业应用了二维的CAD设计软件；60%的企

    业应用了三维CAD设计软件。模具行业80%的企业实行了CAD软件与计

    算机辅助制造(Computer Aided Manu-facturing,CAM)软件的一体化应

    用。

    目前我国与发达国家在工业设计层的融合的差距不仅仅表现在

    CADCAM应用的普及率上，更重要的是表现在设计水平上。以航空工

    业为例，在激烈的竞争中航空器制造业的管理者已经清醒地认识到，新

    一代航空器必须采用数字化、一体化和智能化的设计技术，通过网络化

    实行协同设计，以缩短设计周期、降低设计成本、提高设计水平。这里

    我们可以举出两个例子来说明这个问题，一个是民用波音777飞机的设

    计过程，另一个是军用攻击战斗机JSF的设计过程。

    美国波音777飞机是民用飞机研制首次使用并行工程和全数字化技术的典范。波音777飞机的设计全部采用计算机CAD技术，并且通过计

    算机网络建立起协同设计环境，使得一个非常大的设计任务，可以由分

    布在不同地点的多个设计团队并行设计，然后再通过网络送到总体组完

    成整机的设计。由于采用了CAM技术，使得飞机制造厂不需要制造样

    机，而通过高性能计算机仿真出样机，来验证设计的正确性，检查设计

    效果。数字样机技术可以缩短60%的设计周期，同时保证了设计质量，为大规模生产提供了坚实的基础。采用全数字化与并行工程的方法可以

    大大缩短飞机的研制周期，大幅度降低生产成本，其产品质量也是传统

    设计方式所难以达到的。波音757飞机、波音767飞机从设计到生产用了

    10年的时间，而波音777飞机仅用了4年的时间。波音777被认为是“最先

    进、最舒适和维护使用性能最好”的飞机。

    21世纪世界著名的大型飞机设计与制作商都通过飞机设计到样机制

    造的全数字化来提升自身的核心竞争力。美国联合攻击战斗机JSF是20

    世纪最后一个重大的军用飞机研制和采购项目。在波音公司和洛克希德

    ·马丁公司的竞争中，洛克希德·马丁公司最终胜出，并取得了这笔价值

    1890亿美元的巨额合同。为了按时完成JSF战斗机合同，洛克希德·马丁

    公司需要和全球50家企业协同设计、制造、测试，构建了全球性的虚拟

    企业。由于JSF战斗机产品十分复杂，其设计与制造只有采用数字化生

    产方式才能够完成。整个JSF战斗机项目涉及的软件数量也是前所未有

    的。完成JSF战斗机的设计需要35个应用软件和大约400个软件工具。设

    计软件本身的长度大约有1500万行代码。因此从这个角度上看，JSF战斗机是一个“会飞的计算机”，设计、制造JSF战斗机必须依靠高性能计

    算机与大规模并行计算技术。

    同时，德国、美国和日本的汽车设计也是一个很好的范例。以前设

    计新款汽车，都要画出图纸，然后制造出样车，再通过各种实验来证明

    新车的性能。目前可以采用计算机仿真的方法完成。过去要测试汽车安

    全时，必须用汽车去真实地碰撞，而现在可以通过计算机模拟，得到的

    数据更加精确和全面。

    经过几十年的不懈努力，我国计算机技术已获得很大发展，“银

    河”和“曙光”、“天河”高性能计算机的研发相继取得突破，我国继美

    国、日本、欧盟之后，成为具备研制百万亿次以上能力的计算机的国

    家。借助于数百万亿次乃至千万亿次量级以上的高性能计算机和应用软

    件，我国将有可能对复杂的经济与金融系统在各种实际条件下的运行形

    态进行比较精确的模拟和预测，使得这些在宏观经济管理中达到发达国

    家的先进水平，大幅度提高我国的自主创新和核心竞争力，缩短国际差

    距。计算科学一直是国家经济建设、国家重大工程、前沿基础科学研究

    中不可或缺的研究手段。

    (3)生产过程控制层的融合

    生产过程控制层的融合表现在生产管理自动化与生产过程自动化两

    个方面，而计算机集成制造系统将生产管理自动化与生产过程自动化集成为一体。

    1)生产管理自动化。产品数据管理(Product Data

    Management,PDM)软件、企业资源计划(Enterprise Resource

    Planning,ERP)软件与制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)软件都是应用于生产管理自动化的应用软件。PDM软件专门用

    来管理所有与产品相关的信息，如零件信息、配置、文档、CAD文件、结构、权限信息等，以及所有与产品制造过程相关的文件和资料。ERP

    软件的核心是供应链管理，它包括各种业务应用系统，如财务、物流、人力资源管理。MES软件的设计思想是在ERP的基础上，进一步将企业

    的高层管理与车间作业现场控制单元，如可编程控制器、数据采集器、条形码、各种计量及检测仪器、机械手等集成在一个系统之中，进一步

    提高企业的生产自动化程度与生产效率。

    2)生产过程自动化。生产过程自动化可以用汽车生产过程中大量

    使用的自动控制与加工技术为例来说明。目前的汽车生产线上，工人越

    来越少，工业机器人越来越多。这些自动化设备通过计算机网络互联起

    来，构成了一个由原材料供应运输车、搬运机器人、数控机床、焊接机

    器人、安装机器人、喷漆机器人、检测机器人等智能设备组成的汽车生

    产流水线。汽车生产线上只需要少量的技术工人和工程师参与管理生产

    过程。

    3)计算机集成制造系统。将生产管理自动化与生产过程自动化集成为一体的计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing

    Systems,CIMS)技术是信息技术在生产过程控制层的融合最好的范例。

    CIMS是综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全部过程中涉及的人、技术、经营管理三要

    素及其信息流与物流，有机集成并优化运行的系统。CIMS作为制造自

    动化技术的最新发展、工业自动化的革命性成果，代表了当今工业自动

    化的最高水平。

    生产过程控制层的融合是多方位与多层次的。目前，即使是在最传

    统的制造业中，数控机床也是比比皆是，单纯靠人工来操作的机床越来

    越少了。因为数控机床无论是加工精度、加工效率还是产品质量控制方

    面都显示出巨大的优势，可以极大地提高产品的质量与企业竞争力。生

    产过程自动化用于提高生产效率的同时，也能够在节能减排方面发挥巨

    大的作用。以我国广东的一家火力发电厂为例，由于该电厂采用了“煤

    场数字化配煤与输煤程控系统”，提高了锅炉效率，降低了发电煤耗，仅2006年一年就节约用煤28792吨，减少二氧化碳排放19900吨，创造经

    济效益9628万元。

    (4)物流与供应链层的融合

    供应链是由供应商、制造商、仓库、配送中心和销售商构成的物流

    网络。现代工业生产需要现代物流来支撑，供应链管理的水平直接影响

    着工业生产水平。统计数据表明，如果能够运用信息技术实现供应链整体管理的25%，那么整个供应链运营的成本将减少50%；整个供应链运

    营的库存可以降低25%～60%；产品订货交付周期可以缩短30%～

    50%。

    (5)经营管理与决策层的融合

    经济的全球化导致企业必须面对全球性的市场竞争，企业管理和决

    策就必须要充分利用计算机网络与通信技术。如果当今的企业决策者在

    不能够全面地掌握信息的情况下去制定企业发展战略，那么就会产生对

    市场变化、客户需求、竞争对手能力及企业自身的适应能力估计不足的

    问题，必然会出现决策失误。

    在推进信息化与工业化融合的过程中，人们认识到：物联网可以将

    传统的工业化产品从设计、供应链、生产、销售、物流与售后服务融为

    一体，可以最大限度地提高企业的产品设计、生产、销售能力，提高产

    品质量与经济效益，能够极大地提高企业的核心竞争力。

    3.推进信息化与工业化融合的主要任务

    推进信息化与工业化融合的主要任务表现在：应用信息技术改造传

    统产业，促进信息化与工业化融合所产生的新兴技术和产业的发展，推

    进信息技术在工业节能减排中的应用，以及促进基于信息技术的现代服

    务业发展等四个方面。(1)应用信息技术改造传统产业

    现阶段传统产业仍然是我国国民经济的主体，它在产值、产量与提

    供就业岗位等方面仍然处于主导地位。推动信息化与工业化融合就是要

    通过在传统产业中更大范围地应用信息技术，来提高传统产业的设计、生产能力与产品竞争能力，促进传统工业生产从粗放型向资源集约型的

    方向发展。因此，应用信息技术改造传统产业主要将表现在以下方面：

    产品设计、研发的信息化；生产装备与生产过程的自动化、智能化；物

    流与供应链管理的信息化；RFID技术在工业生产过程中的应用；用物

    联网技术支撑工业生产的全过程等。

    (2)促进信息化与工业化融合所产生的新兴技术和产业的发展

    信息化与工业化融合所产生的新兴产业主要表现在以下四个方面：

    1)推进与信息技术相关的新技术与新兴产业，如物联网关键技术

    与设备制造产业、软件技术与产业、集成电路设计与制造产业、信息安

    全技术与产业、光机电一体化的现代装备制造业的发展。

    2)推进家庭数字化应用及相关产业的发展，重点发展数字音视频

    核心技术与产业、家庭网络关键技术与设备、网络内容制作与运营平

    台。

    3)推进三网融合与3G应用及相关产业的发展，重点发展新一代移动通信关键技术与设备制造产业、无线网络关键技术与设备制造产业、网络电视IPTV产业、平板显示产业、网络游戏产业。

    4)推进信息化与传统产业结合产生的汽车电子产业、医疗健康产

    业、机床电子产业、电子玩具产业、新型元器件产业，提升传统产业的

    技术含量与市场竞争力。

    (3)推进信息技术在工业节能减排中的应用

    推进信息化与工业化融合的一个重要任务就是发挥信息技术在工业

    节能减排中的作用。根据2006年的有关统计数据，我国GDP占世界的

    5.5%，而能源消耗却占世界的15%，燃煤23.8亿吨，排放二氧化碳60亿

    吨以上。随着我国经济的快速发展，必须转换经济发展模式，改变传统

    工业粗放式经营模式。发挥信息技术在工业节能减排中的作用主要可以

    表现在以下几个方面：

    1)对高耗能行业，如冶金、电力、建材等行业的生产设备进行数

    字化、自动化与智能化改造，以提高效率、降低能耗。

    2)对高污染行业，如染织、化工、石化、造纸等行业生产工艺流

    程用信息技术进行改造，通过对生产设备的数字化、自动化与智能化改

    造，提高效率、降低污染。

    3)用信息技术改进对资源、能源与环境的实时监控和分析手段，提高经济运行效率，促进资源节约型和环境友好型社会的建设。

    4)重视以太阳能光伏发电、半导体照明为代表的绿色能源产业的

    发展。

    (4)促进基于信息技术的现代服务业的发展

    信息技术的发展促进了一批新兴现代服务业的产生。软件企业提出

    的“软件即服务”(Soft-ware-as-a-Service,SaaS)口号就充分地体现出这

    种思想。现代服务业主要包括以下三种类型。

    1)生产型服务业：生产型服务业主要包括：软件服务业、数据存

    储服务业、信息安全服务业、空间地理信息服务业、现代物流业、工业

    设计行业、集成电路设计行业、计算机系统集成行业、管理与咨询服务

    业等。

    2)基于互联网的信息内容服务业：基于互联网的信息内容服务业

    主要包括：各种类型的网站(公共服务网站、博客网站、播客网站、IP

    电话网站、IP音乐网站)、搜索引擎网站、游戏网站，以及网络新闻、互联网服务提供商(Internet Service Provider,ISP)、互联网内容提供商

    (In-ternet Content Provider,ICP)、互联网应用服务提供商(Application

    Service Provider,ASP)与物联网服务提供商等。

    3)空间信息服务业：空间信息服务业主要包括：提供应用卫星遥感、全球定位系统与地理信息系统的空间信息服务等。

    通过以上分析可以看出：推进信息化与工业化融合的根本任务是要

    解决工业技术与信息技术两个方面技术与标准的融合、创新问题；信息

    化与工业化融合的核心是解决装备制造业的数字化问题；物联网对信息

    化与工业化融合起到全面的支撑作用。1.4 战略性新兴产业与物联网

    1.4.1 21世纪我国发展战略性新兴产业的重大决策

    1.中国的工业化发展道路面临着新的选择

    我国正处在经济飞速发展的新的历史阶段，中国的工业化之路面临

    着新的选择。要成为经济强国，我国必须要给出新的产业方向定位，并

    做出切实有效的推进和实施。

    2009年11月3日，温家宝总理在首都科技界大会上的讲话中强

    调：“要以国际视野和战略思维来选择和发展新兴战略性产业，着眼于

    提高国家科技实力和综合国力，着眼于引发技术和产业变革”，为此必

    须做好“战略决策储备、科技创新储备、领军人才储备、产业化储

    备”。“这四项储备决定未来”。

    温家宝总理在报告中还指出，全球互联网正在向下一代升级，无线

    传感器网络和物联网方兴未艾。要着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后IP时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的“发动机”。

    2.我国发展物联网等新兴战略性产业的重大决策关于物联网等新兴战略性产业的发展，在十一届全国人大三次会议

    上的政府工作报告中指出：国际金融危机正在催生新的科技革命和产业

    革命。发展战略性新兴产业，抢占经济科技制高点，决定国家的未来，必须抓住机遇，明确重点，有所作为。转变经济发展方式刻不容缓，大

    力培育战略性新兴产业。要大力发展新能源、新材料、节能环保、生物

    医药、信息网络和高端制造产业。积极推进新能源汽车、“三网”融合取

    得实质性进展，加快物联网的研发应用。加大对战略性新兴产业的投入

    和政策支持。大力培育战略性新兴产业，积极推进“三网”融合取得实质

    性进展，加快物联网的研发应用。1.4.2 物联网的基本概念

    物联网的概念首先由麻省理工学院(MIT)的自动识别实验室在

    1999年提出。国际电信联盟(ITU)从1997年开始每一年出版一本世界

    互联网发展年度报告，其中2005年度报告的题目是《物联网(Internet

    Of Things,IOT)》。在2005年突尼斯举行的信息社会世界峰会

    (WSIS)上，ITU发布的报告系统地介绍了意大利、日本、韩国与新加

    坡等国家的案例，并提出了“物联网时代”的构想。世界上的万事万物，小到钥匙、手表、手机，大到汽车、楼房，只要嵌入一个微型的射频标

    签芯片或传感器芯片，通过互联网就能够实现物与物之间的信息交互，从而形成一个无所不在的“物联网”。世界上所有的人和物在任何时间、任何地点，都可以方便地实现人与人、人与物、物与物之间的信息交

    互。物联网概念的兴起，很大程度上得益于ITU的互联网发展年度报

    告，但是ITU的报告对物联网并没有给出一个清晰的定义。

    我们在理解物联网基本概念时需要注意以下几个问题。

    (1)物联网是互联网的延伸与扩展

    物联网是在互联网的基础上，利用射频标签与无线传感器网络技

    术，构建一个覆盖世界上所有人与物的网络信息系统。人与人之间的信

    息交互和共享是互联网最基本的功能。而在物联网中，我们更强调的是人与物、物与物之间信息的自动交互和共享。

    因此，我们可以认为：物联网是互联网接入方式与端系统的延伸，也是互联网服务功能的扩展。

    (2)物联网实现物理世界与信息世界的无缝连接

    2009年9月在北京举办的“物联网与企业环境中欧研讨会”上，欧盟

    委员会信息和社会媒体司RFID部门负责人Lorent Ferderix博士对物联网

    的描述是：物联网是一个动态的全球网络基础设施，它具有基于标准和

    互操作通信协议的自组织能力，其中物理的和虚拟的“物”具有身份标

    识、物理属性、虚拟的特性和智能的接口，并与互联网无缝连接。

    图1-1给出了物理世界与信息世界无缝连接的示意图。从物联网概

    念出发，我们可以看到三个世界：真实的物理世界、数字世界与连接两

    者的虚拟控制的世界。真实的物理世界与数字世界之间存在着物的集成

    关系；物理世界与虚拟控制的世界之间存在着描述物与活动之间的语义

    集成关系；数字世界与虚拟控制的世界之间存在着数据集成的关系。三

    者之间的集成关系共同形成了物联网社会的知识集成关系。图 1-1 物理世界与信息世界的无缝连接

    IBM公司也在智慧地球概念的基础上提出了他们对物联网的理解。

    IBM的学者认为：智慧地球将感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并通过

    超级计算机和云计算组成物联网，实现人类社会与物理系统的整合。智

    慧地球的概念从根本上说，就是希望通过在基础设施和制造业上大量嵌

    入传感器，捕捉运行过程中的各种信息，然后通过无线传感器网接入互

    联网，通过计算机分析处理发出指令，反馈给传感器，远程执行指令，以达到提高效率、效益的目的。这种技术控制的对象小到控制一个开关、一个可编程控制器、一台发电机，大到控制一个行业的运行过程。

    因此，我们可以将物联网理解：“物-物相连的互联网”、一个动态

    的全球信息基础设施，也有的学者将它称作无处不在的“泛在网”和“传

    感网”。无论是叫它是“物联网”，还是“泛在网”或“传感网”，这项技术的

    实质是使世界上的物、人、网与社会融合为一个有机的整体。物联网概

    念的本质就是将地球上人类的经济活动、社会生活、生产运行与个人生

    活都放在一个智慧的物联网基础设施之上运行。

    (3)连接到物联网上的“物”应该具有四个基本的特征

    连接到物联网上的每个“物”应该具有四个基本的特征：地址标识、感知能力、通信能力和可以控制。我们可以将这四个基本的特征理解

    为：

    地址标识——你是谁？你在哪里？

    感知能力——你有感知周围情况的能力吗？

    通信能力——你能够将你了解的情况告诉我吗？

    可以控制——你能听从我的指示吗？

    在组建物联网应用系统时，我们首先需要给具有感知能力的传感器

    或射频标签(RFID)芯片编号，将编号后的传感器安装在指定的位置；将编号和物品的基本信息写入到RFID芯片中，再将RFID芯片贴到

    指定的物品上。在物联网系统运行过程中，当传感器或RFID芯片移动

    时，我们能够通过无线网络与互联网随时掌握不同编号的传感器或

    RFID芯片目前所处的位置，能够指示传感器或RFID芯片，将它们感知

    的周边情况通过网络传送给我们，我们再利用计算机的智能，决定应该

    做什么。因此，具有移动感知功能的物联网需要有三大关键技术来支

    撑，这三个关键技术是：感知、传输与计算。终端感知和地址标识是物

    联网三大关键技术的基础。终端感知和地址标识主要是通过RFID与传

    感器技术来实现的。因此，支撑物联网中人与物、物与物之间自动信息

    交互的关键技术是RFID与WSN技术，它们将物理世界与信息世界整合

    为一个整体。对物联网中的人、设备、网络与信息进行处理、管理与控

    制时需要有功能强大的高性能计算机与安全的数据存储设备。

    (4)物联网可以用于公共管理和服务、企业应用、个人和家庭应

    用等三大领域

    我们知道，互联网有很多种网络服务功能，如E-mail、FTP、Web

    以及IPTV等，很多的互联网网站购置了大量的服务器、存储设备和路

    由器、通信线路，提供各种网络服务功能，同时学校的校园信息服务系

    统、企业的电子商务系统、政府部门的电子政务系统都在互联网中运

    行，提供各种信息服务和信息共享功能。同样，随着物联网的广泛应

    用，必然也会出现大量的物联网应用系统，如服务于制造业、物流业以及军队后勤补给的物联网应用系统，能够在提高产业核心竞争力方面产

    生重要的作用。从感知层到网络层，再到应用层，物联网业务将在工业

    生产、精准农业、公共安全监控、城市管理、智能交通、安全生产、环

    境监测、远程医疗、智能家居等领域得到广泛应用。

    因此，物联网可以用于三大领域，即公共管理和服务、企业应用、个人和家庭应用；物联网是由大量不同用途、符合不同协议标准的物联

    网应用系统所组成；物联网的功能体现在各种物联网应用系统所提供的

    服务上。

    (5)物联网提供服务的特点

    在物联网环境中，一个合法的用户可以在任何时间、任何地点对任

    何资源和服务进行低成本的访问。有的学者将物联网能够提供服务的特

    点总结为7A服务，即Anytime Anywhere Af-fordable Access to Anything

    by Anyone Authorized。

    我们也可以将物联网提供服务的特点总结为：任何人

    (Anyone,Anybody)可以在任何时候(Anytime,Any context)、任何地

    方(Any place,Anywhere)，通过任何网络或途径(Any path,Any

    Network)访问任何事(Anything,Any device)和任何服务(Any

    service,Any business)。图1-2给出了物联网能够提供服务的特点示意

    图。图 1-2 物联网提供服务的特点

    (6)物联网孕育着巨大的产业发展空间

    物联网是继计算机、互联网与移动通信之后的下一个产值可以达到

    万亿元级别的新经济增长点。物联网的发展必然要形成一个完整的产业

    链，并能够提供更多的就业机会。物联网的产业链应该包括三个部分：

    以集成电路设计制造、嵌入式系统为代表的核心产业体系，以网络、软

    件、通信、信息安全产业和信息服务业为代表的支撑产业体系，以及以

    数字地球、现代物流、智能交通、智能环保、绿色制造等为代表的直接

    面向应用的关联产业体系。

    美国咨询机构FORRESTER预测，到2020年，物联网上物与物互联的通信量和人与人的通信量相比，将达到30:1。有的学者认为，物联网

    产业链可以细分为标识、感知、处理和信息传送4个环节。由物联网应

    用带动的RFID、WSN技术，以及互联网、无线通信、软件技术、芯片

    与电子元器件产业将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场。

    中关村物联网产业联盟、长城战略咨询联合发布的《物联网产业发

    展研究(2010)》报告描绘了一幅中国物联网产业发展的路线图：2010

    ～2020年的10年中，中国物联网产业将经历应用创新、技术创新、服务

    创新三个关键的发展阶段，成长为一个超过5万亿规模的巨大产业。报

    告指出，我国物联网产业未来发展有四大趋势：细分市场递进发展、标

    准体系渐进成熟、通用性平台将会出现、技术与人的行为模式结合促进

    商业模式创新。报告也指出了促进物联网产业发展的三个关键问题：制

    定统一的发展战略和产业促进政策、构建开放架构的物联网标准体系、重视物联网在中国制造与发展绿色低碳经济中的战略性应用。总之，物

    联网的推广和应用将会成为21世纪推进经济发展的又一个助推器，同时

    也为信息技术与信息产业展示了一个巨大的发展空间。

    从长远技术发展的观点看，互联网实现了人与人、人与信息、人与

    系统的融合，物联网进一步实现了人与物、物与物的融合，使人类对客

    观世界具有更透彻的感知能力、更全面的认识能力、更智慧的处理能

    力。这种新的思维模式可以在提高人类的生产力、效率、效益的同时，改善人类社会发展与地球生态的和谐性、可持续发展的关系，“互联化”、“物联化”与“智能化”的融合最终会形成“智慧地球”。1.4.3 物联网发展的社会背景

    在理解物联网的基本概念的同时，需要注意物联网发展的社会背

    景、技术背景，以及它能够产生的经济与社会效益。

    1.互联网与无线通信网络为物联网的发展奠定了基础

    随着我国经济的高速发展，社会对互联网应用的需求日趋增长，互

    联网的广泛应用对我国信息产业发展产生了重大的影响。因此，研究我

    国互联网发展的特点与趋势，对学习计算机网络与互联网技术显得更为

    重要。

    我国互联网发展状况数据由中国互联网络信息中心(CNNIC)组织

    调查、统计，从1998年起每年1月和7月发布两次。调查统计的内容主要

    包括中国网民人数、互联网普及率，以及网民结构特征、上网条件、上

    网行为、互联网基础资源等方面的基本情况。2010年1月，中国互联网

    络信息中心(http:www.cnnic.org)发布了第25次《中国互联网络发展

    状况统计报告》。

    (1)我国互联网网民数量增长情况

    在我国公布的统计报告中，网民的定义是“过去半年使用过互联网

    的6周岁及以上中国公民”。以下几个方面的数据反映出我国网民总数、互联网普及率与网民组成的基本状况。

    截至2009年12月31日，我国网民数达到3.84亿人，居世界第一。图

    1-3给出了2000～2009年我国网民数量的增长情况。图中纵坐标数据为

    网民数(单位为万人)。网民数采用的是《中国互联网络发展状况统计

    报告》中每一年度年底的统计数据。据工业和信息化部2010年4月22日

    发布的数据显示，2010年第一季度我国互联网网民新增2000万人，网民

    总数已经达到4.04亿人。网民数量快速增长是我国经济、文化、科技与

    教育高速发展的重要标志之一。

    图 1-3 2000～2009年我国网民数量的增长情况

    (2)我国互联网普及率的增长

    互联网普及率是标志互联网在一个国家或地区影响程度的重要指标

    之一。截至2009年12月31日，我国互联网普及率达28.9%，超过世界互联网平均普及率。图1-4给出了2002～2009年我国互联网普及率的增长

    情况。尽管中国的网民规模和普及率持续快速发展，但是由于我国的人

    口基数大，在互联网普及率上与互联网应用发展较发达的美国、日本、韩国、俄罗斯相比有一定的差距。截至2009年12月底，美国、日本和韩

    国互联网普及率分别达到74.1%、75.5%和77.3%，欧盟27国中互联网普

    及率最高的三国分别是荷兰(90%)、卢森堡(87%)、瑞典

    (86%)。

    图 1-4 2002～2009年我国互联网普及率的增长情况

    (3)我国互联网国际出口带宽增长情况

    我国互联网的国际出口带宽逐年呈增长的趋势。2009年底国际出口

    带宽达到866Gbps，年增长率为35.3%，连接国家主要有美国、俄罗斯、法国、德国、日本、韩国、新加坡等。

    (4)我国宽带上网与手机上网网民规模的增长2008年，我国电信网的通信能力快速提升，带动我国互联网宽带接

    入用户数量的快速发展。截至2009年12月底，手机网民规模2.33亿，占

    网民总体的60.8%，全年增长98.5%。随着3G技术的推广和应用，手机

    上网将会有更快速的发展。

    (5)我国IP地址的增长

    IP地址分为IPv4和IPv6两种，目前主流应用是IPv4地址。截至2009

    年12月底，中国大陆IPv4地址数量约为2.32亿个，居全球第二位

    (http:trace.twnic.net.twipstatsstatsipv4.php)。据2007年底公布的数

    据，IPv4地址资源的59.7%集中在美国。IPv4地址在我国的紧缺局面非

    常严峻，随着互联网应用的迅速发展，IPv4资源的短缺形势将越来越严

    峻，向IPv6过渡已是大势所趋。

    (6)我国域名、网站与网页数量的增长

    截至2009年12月底，我国域名总数为1681万，保持快速增长之势。

    我国国家顶级域名.CN下的域名数量增长最快，已占到域名总量的

    80%。

    截至2009年12月，中国的网站数，即域名注册者在中国境内的网站

    数(包括在境内接入和境外接入)达到323万个。

    网页是互联网内容资源的直接载体，网页的规模在一定程度上反映互联网的内容丰富与应用发展的水平。2009年网页数量达到336亿个，年增长率超过100%。

    (7)互联网行业发展情况

    2009年第四季度，我国互联网行业在即时通信、搜索引擎、网络广

    告、网络视频、网络营销、博客、网络游戏等互联网应用上稳步增长。

    2009年的互联网信息获取、交流沟通、网络娱乐和商务交易四大类

    网络应用中，商务类应用的增长率最高，达到68%。

    2009年初3G发牌后，政府部门的相关鼓励政策、电信运营商围绕

    3G展开的推广活动，都为移动互联网的发展注入了新的活力。庞大的

    用户需求市场，将进一步推动移动互联网各项应用，以及3G产业链的

    发展和不断完善。2009年底中国移动互联网应用环境日益成熟，2010年

    将继续保持高速增长的趋势。

    从以上数据中可以看出，随着我国国民经济的高速发展，我国的互

    联网应用得到了快速发展，这将为我国物联网技术的研究打下坚实的基

    础。

    2.解决物理世界与信息世界分离所造成的问题成为物联网发展的推

    动力

    如果将我们生活的社会称为物理世界，将互联网称为信息世界的话，那么我们会发现：物理世界发展的历史远远早于信息世界，物理世

    界中早已形成了自己的生活规则与思维方式，尽管我们这些从事信息世

    界建设的人们希望将两者尽可能地融合在一起，但是物理世界与信息世

    界分开发展、互相割裂的现象明显存在，造成了物质资源的浪费与信息

    资源不能被很好地利用。例如，由于我国电网管理与调度的智能化程度

    仍然不高，电能在传输过程中损失达到6%～8%；由于我国医疗信息化

    程度不够，患者的医疗信息不能够共享，每个患者辗转在不同医疗机构

    之间多花费的各种检查与手续费用平均多出1000元；由于物流自动化程

    度不高，每年的物流成本占我国GDP的比重高达20%，高出美国一倍；

    由于缺乏相应的监管手段，我国仍有大量工业废水与社会污水未经处理

    就排入到河流或湖泊中，加剧了全国城市的水环境恶化与可利用水资源

    的不足。美国仅在洛杉矶的一个小商务区统计，每年车辆因寻找停车位

    燃烧的汽油就达47000加伦。我国地震、水灾、冰冻灾害的发生，使得

    我们不能不集中精力，组织力量研究数字地质、数字煤炭技术，通过接

    入物联网，达到预防和减少地质灾害、天气灾害与生产事故所造成的人

    员伤害与经济的损失，提高抗灾救灾的能力。

    以上数据和分析告诉我们一个现实，过去人类的思维方式一直是将

    物理世界的社会基础设施(高速公路、机场、电站、建筑物、煤炭生产

    建设)与信息基础设施(互联网、计算机、数据中心)分开规划、设计

    与建设，而物联网的概念是将人、钢筋混凝土、网络、芯片、信息整合

    在一个统一的基础设施之上，通过将现实的物理世界与信息世界融合，通过信息技术去提高物理世界的资源利用率、节能减排，达到改善物理

    世界环境与人类社会质量的目的。

    3.社会经济发展与产业转型成为物联网发展的推动力

    社会需求是新技术与新概念产生的真正推动力。在经济全球化的形

    势下，商品货物在世界范围内的快速流通已经成为一种普遍现象。传统

    的技术手段对货物的跟踪识别效率低、成本高，容易出现差错，已经无

    法满足现代物流业的发展要求。同时，经济全球化使得所有的企业都面

    临激烈竞争的局面，企业需要及时获取世界各地对商品的销售情况与需

    求信息，为全球采购与生产制定合理的计划，以提高企业的竞争力，这

    就需要采用先进的信息技术手段和现代管理理念。

    同时，在节能减排方面物联网也有十分成功的案例。以日本建筑物

    空调节能的设计为例，在日本的一幢大楼里安装了两万个联网的温度传

    感器，大楼里面不同的房间在不同的时间要求的温度不一样，传感器测

    量房间的温度，控制系统按照需要的温度对空调进行智能控制。通过实

    验，这项技术节约的电能可达29.4%。有的IT公司办公室所有的灯光都

    是智能控制的。员工进入办公室之后，头顶上的灯自动打开；离开这个

    位置后，头顶上的光源则自动关闭。如果外面的阳光太过强烈，窗帘则

    自动拉下。各个光源都是通过自动感应设备连接到网络中的控制计算

    机，由计算机进行智能控制，这样可以做到最大限度地节约电能。智能电网、电力安全监控也是物联网的一个重要的应用。电力行业

    是关系到国计民生的基础性行业。电力线传输系统包括变电站(高、低

    压变压器，控制箱)、高压传输线、中继器、塔架等，其中高压传输线

    及塔架位于野外，承担电能的输运，电压至少为35kV以上，是电力网

    的骨干部分。电力系统是一个复杂的网络系统，其安全可靠运行不仅可

    以保障电力系统的正常运营与供应，避免安全隐患所造成的重大损失，更是全社会稳定健康发展的基础。中国国家电网公司于2010年5月21日

    公布了智能电网计划，其主要内容包括：以坚强的智能电网为基础，以

    通信信息平台为支撑，以智能控制为手段，包含电力系统的发电、输

    电、变电、配电、用电和调度各个环节，覆盖所有电压等级，实现“电

    力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，构建坚强可靠、经济高

    效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代电网。采用物联网技术可以

    全面有效地对电力传输的整个系统，从电厂、大坝、变电站、高压输电

    线路直至用户终端进行智能化处理。包括对电力系统运行状态的实时监

    控和自动故障处理，确定电网整体的健康水平，触发可能导致电网故障

    的早期预警，确定是否需要立即进行检查或采取相应的措施，分析电网

    系统的故障、电压降低、电能质量差、过载和其他不希望的系统状态，基于这些分析，采取适当的控制行动。

    物联网在工业生产中的应用可以极大地提高企业的核心竞争力。在

    信息化过程中，信息技术越来越多地融入到传统的工业产品设计、生

    产、销售与售后服务中，提高了企业的产品质量、生产水平与销售能力，极大地提高了企业的核心竞争力。学术界将信息化与工业化的融合

    总结为五个层面的内容：产业构成层的融合、工业设计层的融合、生产

    过程控制层的融合、物流与供应链层的融合、经营管理与决策层的融

    合。应用信息技术改造传统产业主要将表现在：产品设计、研发的信息

    化；生产装备与生产过程的自动化、智能化；物流与供应链管理的信息

    化；RFID技术在工业生产过程中的应用；用物联网技术支撑工业生产

    的全过程等方面。

    在推进信息化与工业化融合的过程中，人们认识到：物联网可以将

    传统的工业化产品从设计、供应链、生产、销售、物流与售后服务融为

    一体，可以最大限度地提高企业的产品设计、生产、销售能力，提高产

    品质量与经济效益，极大地提高企业的核心竞争力。

    物联网发展的社会背景如图1-5所示。图 1-5 物联网发展的社会背景1.4.4 物联网发展的技术背景

    计算机技术、通信与微电子技术的高速发展，促进了互联网技术、射频标签(RFID)技术、全球定位系统(GPS)与数字地球技术的广泛

    应用，以及无线网络与无线传感器网络(WSN)研究的快速发展，互

    联网应用所产生的巨大经济与社会效益，加深了人们对信息化作用的认

    识，而互联网技术、RFID技术、GPS技术与WSN技术为实现全球商品

    货物快速流通的跟踪识别与信息利用，进而实现现代管理打下了坚实的

    技术基础。

    互联网已经覆盖了世界的各个角落，已经深入到世界各国的经济、政治与社会生活，已经改变了几十亿网民的生活方式和工作方式。但是

    现在互联网上关于人类社会、文化、科技与经济信息的采集还必须由人

    来输入和管理。为了适应经济全球化的需求，人们设想如果从物流角度

    将RFID技术、GPS技术与WSN技术与“物品”信息的采集、处理结合起

    来，如果从信息流通的角度将RFID技术、WSN技术、GPS技术、数字

    地球技术与互联网结合起来，就能够将互联网的覆盖范围从“人”扩大

    到“物”，就能够通过RFID技术、WSN技术与GPS技术采集和获取有关

    物流的信息，通过互联网实现对世界范围内的物流信息的快速、准确识

    别与全程跟踪，这种技术就是物联网技术。物联网发展的社会与技术背景如图1-6所示。

    图 1-6 物联网发展的社会与技术背景1.4.5 物联网的作用：从信息化“烧钱”到信息

    化“赚钱”的观念变化

    1.不同阶段我国信息化建设重心的转移

    信息化建设是一个需要几代人共同努力完成的任务，绝不是一蹴而

    就的事。在“九五”计划期间，我们需要向社会大众做“什么是信息

    化？”，以及“信息化会产生什么样作用？”的普及与宣传工作。在“十

    五”计划期间，我们工作的重点是解决“如何建设信息基础设施？”，以

    及“如何在各行各业推广信息化？”的问题。在“十一五”计划期间，我们

    工作的重点转移到解决“如何发挥信息化在经济与社会发展中作用？”，以及“如何保障信息安全？”的问题。在“十二五”计划期间，我们将要回

    答“如何推进信息化与工业化的融合？”，以及“如何推进物联网的建设

    与应用？”的问题。这种信息化建设重心的转移正反映出我国信息化建

    设水平与应用水平的不断提高的过程。

    图1-7给出了不同阶段我国信息化建设重心转移情况的描述。图 1-7 不同阶段我国信息化建设重心的转移

    2.从信息化“烧钱”到信息化“赚钱”的观念变化

    图1-8给出了物联网的作用的示意图。任何一个企业在运营过程中

    都存在着物流、信息流与资金流。物联网在互联网的通信平台与服务的

    基础上，充分发挥物联网应用系统的作用，通过物联网中的物到物的信

    息流，促进物流的快速流动，从而达到加快资金流的作用，使企业从资

    金的快速周转中获取更大的经济效益。图 1-8 物联网的作用

    在“九五”、“十五”与“十一五”信息化建设期间，在开展信息基础设

    施建设以及组建国家级主干网、宽带城域网的过程中，铺设光缆、购买

    路由器、建设高标准机房需要投入大量资金；在推进行业信息化的过程

    中，各个部门、单位、企业、办公室需要购买大量的计算机设备，组建

    局域网也需要投入大量的经费，因此有人不断地批评从事信息化推进工

    作的政府管理人员与技术人员在“烧钱”。但是，物联网是在互联网基础

    设施建设已经初具规模、网络广泛应用的基础上开始推进，人们很容易

    接受“互联网烧钱”，而“物联网赚钱”的观点。这样说的原因主要有以下

    两点：

    1)社会因素。经过3个五年计划的建设，我国社会对信息化的认知

    水平有了很大的提高，信息基础设施的建设水平有了很大的提高，信息

    技术应用水平与普及程度有了很大的提高。我们也在参与国家信息化建

    设的过程中，逐步加深了对社会信息化内涵的认识。同时，经过3个五

    年计划的建设，我国互联网应用水平已经有了很大的提高，电子商务、物流信息化都已经进入成熟阶段，在这样的大背景之下启动物联网的应

    用，比起15年前启动互联网应用，应该说已经有了一个比较好的基础。

    2)技术因素。由于支撑物联网应用系统的RFID技术的研究、应用

    和产业化水平相对比较高，WSN技术的研究已经取得了很好的基础，在成熟的互联网核心交换网的平台上设计、开发与应用物联网技术的条件，比起15年前开发互联网应用，应该说技术的成熟程度相对比较高，人们对信息化的认知程度已经有了很大的提高，因此在物联网应用上取

    得预期成果的认识也就容易被大家所接受。

    图1-9给出了经过3个五年计划企业信息化建设之后的工业生产与信

    息化融合的内部格局，以及今后企业信息流、物流、资金流在物联网上

    运行时与企业外部环境关系的示意图。图 1-9 运行在物联网上的企业

    从图1-9可以看出，在产品构成层，通过增加信息技术的含量，提

    高了产品的质量、智能化程度和附加值；在工业设计层，采用计算机辅

    助设计工具与网络化的协同设计方法，缩短了新产品设计周期，减少了

    设计费用，保证了产品设计质量；在生产过程控制层，采用了大量自动

    化设备与流水线，提高了生产加工精度与可靠性，缩短了生产周期，降

    低了生产成本，提高了产品质量；在物流与供应链层，通过计算机网络

    和现代通信工具，按照生产进度的需要采购和运输生产需要的原材料，按照订单生产和调度、发送产品，避免了库存积压，减少了资金占用，加快了资金流转；在经营管理与决策层，由于能够及时获得外部客户需

    求、销售商的销售与订货需求、国际国内同类产品的生产销售信息，提

    高了决策的科学性。而支持物联网运行的是高性能计算、云计算技术与

    互联网平台。

    物联网正是因为能够适应21世纪现代工业发展的需求，才因此受到

    了世界各国政府和企业的高度重视。从初期认为信息化“烧钱”，到今天

    认为信息化能够“赚钱”，这种观念上的变化，正好说明了我国经过3个

    五年计划的建设，信息化建设已经取得了重要的进展，这也为我国下一

    步开展物联网的研究与应用打下了坚实的基础。1.4.6 物联网：感知中国与世界

    2009年8月7日，温家宝总理在无锡视察中科院高新微纳传感网工程

    技术研发中心时指出，要尽快突破核心技术，把传感技术和通信技术的

    发展结合起来。随后，国务院提出要着力突破传感网、物联网关键技

    术。工业与信息化部也开始统筹部署宽带普及、三网融合、物联网及下

    一代互联网发展，并将物联网发展列为我国信息产业三大发展目标之

    一。图1-10给出了“物联网：感知中国与世界”的示意图。图 1-10 物联网：感知中国与世界

    物联网的感知包括三个过程：感知、传输与计算。有人将它比喻成

    人的感官、神经与大脑。人的感官用来获取信息，神经用来传输信息，大脑用来处理信息，使人具有适应外部世界变化的智能。物联网的感知

    过程如图1-11所示。图 1-11 感知中国的过程

    从图中也可以看到：感知中国的过程就是要通过物联网无处不在的

    末端感知设备，“全面感知”中国各个行业、社会生活各个方面的信息，经过网络“可靠传输”获取信息，通过“智能计算”将从大量信息中挖掘、升华为知识，使我们在建设中国现代化的过程中具有更高的智慧。最终

    目的是：进一步提高劳动生产力，改善人民的生活质量，保卫国家安

    全，支持我国可持续发展大政方针的实施。1.4.7 物联网结构

    对于物联网结构，我们可以从物联网的体系结构与物联网技术体系

    结构两个角度去认识。

    1.物联网的体系结构

    物联网的体系结构如图1-12所示。图 1-12 物联网的体系结构

    物联网的体系结构可以分为三个层次：泛在化末端感知网络、融合

    化网络通信基础设施与普适化应用服务支撑体系。人们也经常将它们称

    为感知层、网络层、应用层。

    (1)泛在化末端感知网络泛在化末端感知网络的主要任务是信息感知。理解泛在化末端感知

    网络需要注意以下几个问题：

    1)如何理解“泛在化”的概念。物联网的一个重要特征是“泛在

    化”，即“无处不在”的意思。这里的“泛在化”主要是指无线网络覆盖的

    泛在化，以及无线传感器网络、RFID标识与其他感知手段的泛在

    化。“泛在化”的特征说明两个问题：第一，全面的信息采集是实现物联

    网的基础；第二，解决低功耗、小型化与低成本是推动物联网普及的关

    键。

    2)如何理解“末端感知网络”的概念。“末端网络”是相对于中间网

    络而言的。大家知道，在互联网中如果我们在中国访问欧洲的一个网络

    时，我们的数据需要通过多个互联的中间网络转发过去。“末端网络”是

    指它处于网络的端位置，即它只产生数据，通过与它互联的网络传输出

    去，而自身不承担转发其他网络数据的作用。因此我们可以将“末端感

    知网络”类比为物联网的末梢神经。

    3)如何理解感知手段的“泛在化”。泛在化末端感知网络的第三个

    含义是物联网的感知手段的“泛在化”。通常我们所说的RFID、传感器是

    感知网络的感知结点。但是，目前仍然有大量应用的IC卡、磁卡、一维

    或二维的条形码也应该纳入感知网络，成为感知结点。

    我们目前讨论的物联网主要针对基于大规模、造价低的RFID、传感器的应用问题，这在物联网发展的第一阶段是非常自然的和必须的。

    但是作为信息技术研究人员，我们不能不注意到世界各国正在大力研究

    的智能机器人技术的发展，以及智能机器人在军事、防灾救灾、安全保

    卫、航空航天及其他特殊领域的应用问题。通过网络来控制装备有各种

    传感器、由大量具备协同工作能力的智能机器人结点组成的机器人集群

    的研究，正在一步步展示出其有效扩大人类感知世界的能力的应用前

    景。当智能机器人发展到广泛应用的程度，它必然也会进入物联网，成

    为感知网络的智能感知结点。我们在理解感知手段的“泛在化”特点时，必须前瞻性地预见到这个问题。

    (2)融合化网络通信基础设施

    融合化网络通信基础设施的主要功能是实现物联网的数据传输。目

    前能够用于物联网的通信网络主要有互联网、无线通信网与卫星通信

    网、有线电视网。理解融合化网络通信基础设施需要注意以下几个问

    题：

    1)如何理解三网融合对推进物联网网络通信基础设施建设的作

    用。目前我国正在推进计算机网络、电信网与有线电视网的三网融合。

    三网融合的结果将会充分发挥国家在计算机网络、电信网与有线电视网

    基础设施建设上多年投入的作用，推动网络应用，也为物联网的发展提

    供了一个高水平的网络通信基础设施条件。2)如何理解互联网与物联网在传输网层面的融合问题。我们知

    道，在互联网应用环境中，人通过计算机接入互联网时是通过网络层的

    IP地址和数据链路层的硬件地址(网卡)来标识地址的。当用户要访问

    一台服务器时，他只要输入服务器名，DNS服务器能够根据服务器名找

    出服务器的IP地址。而在物联网中，增加了末端感知网络与感知结点标

    识，因此在互联网中传输物联网数据和提供物联网服务时，必须增加对

    应于物联网的“地址管理系统”与“标识管理系统”。

    3)如何理解M2M通信业务在物联网应用中的作用。中国电信预计

    未来用于人对人通信的终端可能仅占整个终端市场的13，而更大数量

    的通信是机器对机器(Machine-to-Machine,M2M)通信业务。在这个分

    析的基础上，中国电信提出了M2M的概念。目前，M2M重点在于机器

    对机器的无线通信。这里存在三种模式：机器对机器、机器对移动电话

    (如用户远程监视)，以及移动电话对机器(如用户远程控制)。由于

    M2M是无线通信和信息技术的整合，它可用于双向通信，如远距离收

    集信息、设置参数和发送指令，因此M2M技术可以用于安全监测、远

    程医疗、货物跟踪、自动售货机等。因此，M2M通信业务是目前物联

    网应用中一个重要的通信模式，也是一种经济、可靠的组网方法。

    有一种应用正悄然兴起，那就是“智能家居”。我国已将建设智能化

    小康示范小区列入国家重点发展方向。住房和城乡建设部计划在近年

    内，使60%以上的新房具有一定的“智能家居”功能。通过在家庭布设传感器网络，可以通过手机或互联网远程实现家庭安全、客人来访、环境

    与灾害的监控报警以及家电设备控制，以保障居住安全，提高生活质

    量。智能家居是通过家庭传感网线将家庭中的水、电、煤气、照明、视

    听、安全、通信、调温等各种设备连接起来，协同工作，从而将家庭从

    一个被动的结构转变成一个主动的“伙伴”。要实现家居智能化，必须能

    够实时监控住宅内部的各种信息，从而采取相应的控制。为了实现这一

    目的，家居中必须有足够的各种传感器来采集温度、湿度、有无煤气泄

    漏或者外来入侵等信息，这些传感器就构成家庭神经系统的神经末梢。

    而在这类惠及每个家庭的应用中，M2M通信业务能够发挥很大的作

    用。

    (3)普适化应用服务支撑体系

    普适化应用服务支撑体系的主要功能是物联网的数据处理与应用。

    理解普适化应用服务支撑体系需要注意以下几个问题：

    1)如何理解物联网的智能性与普适化的关系。物联网的一大特征

    是智能性。物联网的智能性体现在协同处理、决策支持以及具有算法库

    和样本库的支持上。而要实现物联网的智能性必然要涉及海量数据的存

    储、计算与数据挖掘问题。海量数据的存储、计算对于物联网应用服务

    的普适化是一个很大的挑战。

    2)如何理解云计算对实现物联网应用服务普适化的作用。IBM公司研究人员对云计算的定义是：云计算是以公开的标准和服务为基础，以互联网为中心，提供安全、快速、便捷的数据存储和网络计算服务，让互联网这片“云”成为每一个网民的数据中心和计算中心。网格计算之

    父Ian Foster认为：云计算是一种大规模分布式计算模式，其推动力来自

    规模化所带来的经济性。在这种模式下，一种抽象的、虚拟化的、可动

    态扩展和管理的计算能力、存储、平台和服务汇聚成资源池，提供“互

    联网按需交付”给外部用户。对于云计算的特点，Ian Foster总结为：大

    规模可扩展性；可以被封装成一个抽象的实体，并提供不同的服务水平

    给外部用户使用；由规模化带来的经济性；服务可被动态配置，按需交

    付。

    根据以上分析，我们可以清晰地看出：云计算适合于物联网的应

    用，由规模化带来的经济性对实现物联网应用服务的普适化将起到重要

    的推动作用。

    3)如何理解物联网应用服务普适化。从目前的物联网应用系统的

    类型看，大致可以分为政府应用类示范系统、社会应用类示范系统，以

    及行业、企业应用类示范系统等。物联网将在公共管理和服务、企业应

    用、个人与家庭等三大领域应用，将出现大批应用于工业生产、精准农

    业、公共安全监控、城市管理、智能交通、安全生产、环境监测、远程

    医疗、智能家居物联网应用示范系统，这也正说明了物联网应用服务普

    适化的特点。2.物联网技术体系结构

    图1-13给出了物联网技术体系结构的示意图。

    图 1-13 物联网技术体系结构示意图

    从物联网技术体系结构角度解读物联网，可以将支持物联网的技术

    分为四个层次：感知技术、传输技术、支撑技术与应用技术。

    (1)感知技术

    感知技术是指能够用于物联网底层感知信息的技术，它包括RFID

    与RFID读写技术、传感器与传感器网络、机器人智能感知技术、遥测

    遥感技术以及IC卡与条形码技术等。

    (2)传输技术传输技术是指能够汇聚感知数据，并实现物联网数据传输的技术，它包括互联网技术、地面无线传输技术以及卫星通信技术等。

    (3)支撑技术

    支撑技术是指用于物联网数据处理和利用的技术，它包括云计算与

    高性能计算技术、智能技术、数据库与数据挖掘技术、GISGPS技术、通信技术以及微电子技术等。

    (4)应用技术

    应用技术是指用于直接支持物联网应用系统运行的技术，它包括物

    联网信息共享交互平台技术、物联网数据存储技术以及各种行业物联网

    应用系统。

    3.物联网发展的阶段性问题

    物联网是十分复杂的，我们对它的认识以及物联网自身的发展也必

    然有一个由表及里、由局部到全面的过程。物联网应用的发展可以分为

    三个阶段：信息汇聚、协同感知与泛在聚合。

    (1)信息汇聚

    图1-14给出了信息汇聚应用的示意图。图 1-14 信息汇聚应用示意图

    在物联网应用初期，根据应用的实际需求，我们可实现局部应用场

    景的物联网应用系统的结构，它的主要作用是信息汇聚。

    图1-14a是以一个文物和珠宝展览大厅或销售大厅的安保系统、一

    幢大楼的监控系统、一个车间或一个仓库的物流系统为对象的无线传感

    器网络结构示意图。这类系统建设目标单一和明确，可以用一个简单的

    无线传感器网络去覆盖。网络中的一个或多个基站可以通过局域网与

    WSN服务器互联，或者通过无线局域网或M2M无线网络互联。

    图1-14b是以一个室外无线传感器网络应用，如特定地区安保、农

    业示范区应用、无人值守库区监控、公园与公共设施监控为对象的无线

    传感器网络结构示意图。这类系统建设目标单一和明确，但是传输距离

    较远，网络中的基站与WSN服务器必须通过无线城域网或M2M无线网

    络互联。

    图1-14c是一个RFID应用系统的结构示意图。这类应用如商场、超

    市、仓库、装配流水线、高速公路不停车收费等。多个RFID读写器可

    以通过局域网、无线局域网或M2M无线网络与应用服务器连接。

    由此看出，在物联网应用初期阶段，对于目标单一、明确的应用，可以采用结构相对简单的信息汇聚应用类小型系统结构。(2)协同感知

    有几种情况需要采用协同感知的方法。例如：如果简单地使用

    RFID与WSN中的一种感知方法已经不能够满足应用需求；或者是一个

    区域内，一个车辆从一个入口进入，然后它可能装载另一批货物出去的

    复杂情况；或者是需要融合不同位置、不同传感器数据进行分析的应用

    场景。这时我们需要选择将RFID与WSN两种方法协同感知，或者将多

    种传感器综合起来协同感知。军事物流、大型集装箱码头、保税区物

    流、城市智能交通、战场协同感知系统的应用都属于协同感知应用。

    在军事物流中，军用物资通过铁路运输时，不同的物资可能装在同

    一个车皮中或一个集装箱中。军需官首先要知道这个车皮是否到达这个

    车站，这就需要使用无线传感器网络技术；知道车皮到达之后，需要马

    上得到这个车皮到底有哪些物资，他需要用RFID读写器，快速地扫

    描，列出物资清单。如果这列军车中有运输食品的冷冻车厢，军需官还

    需要根据冷冻车厢WSN无线传感器网络保存的记录和报警信号了解是

    否出现过故障，以及食品保鲜的情况。

    一个保税区面积有几十平方公里，可能有多个公路进出口。为了快

    速、准确地审查货物报关手续，又不能让无关车辆进入，那么就必须通

    过无线传感器网络识别车辆，用RFID技术快速获取报关货物信息，结

    合电子报税单进行核对，在这种情况下也必须同时选择将RFID与WSN

    两种感知系统协同应用。协同感知系统相对比较复杂，属于中等规模的物联网应用系统。协

    同感知系统的通信网可以使用M2M无线网络或者互联网。图1-15给出了

    协同感知系统的结构示意图。

    图 1-15 协同感知系统的结构示意图

    (3)泛在聚合

    更大范围的物联网，例如国际民用航空运输、海运物流、我国的智

    慧城市，以及国家级数字环保、数字防灾、数字农业等大型物联网应用

    系统都属于泛在聚合的类型。这种类型的特点是覆盖范围广、技术复杂、感知目标多样化，属于物联网应用的高级阶段。1.4.8 我国发展物联网的阶段性问题

    1.世界各国对物联网发展规划的基本考虑

    世界各国都在制定物联网发展规划。美国在2009年9月提出《美国

    创新战略》，将物联网列为振兴经济、确立优势的关键战略的重要组成

    部分。欧盟2009年6月制定物联网行动方案，推出物联网标准战略，确

    保物联网的可信度、接受度和安全性。韩国出台了《物联网基础设施构

    建基本规划》，提出了“通过构建世界最先进的物联网基础设施，到

    2012年打造信息通信融合的超一流物联网强国”的目标，并制定了4大战

    略和12个重点项目。

    目前物联网发展的关键技术标准和协议虽未统一，但各国已在一些

    领域加快应用，如商业零售、物流、环境监测、生物医药、智能基础设

    施等领域。欧洲智能系统集成技术平台组织(EPoSS)在《Internet of

    Things in 2020》中预测，物联网的发展将经历4个阶段：

    1)2010年之前广泛应用于物流、零售和制药等领域。

    2)2010～2015年实现物与物之间的互联。

    3)2015～2020年进入半智能化。4)2020年之后实现全智能化。

    2.我国部分省市关于物联网的发展规划

    江苏省省政府办公厅于2010年4月1日转发了经江苏省政府批准的

    《江苏省物联网产业发展规划纲要(2009—2012)》文件。上海市于

    2010年5月公布了《上海推进物联网产业发展行动方案(2010—2012

    年)》。这两个文件具有很好的代表性，并对其他省市具有较好的示范

    作用。

    江苏省的规划纲要是根据温家宝总理在考察无锡市时做出的“在激

    烈的国际竞争中，迅速地建立中国传感信息中心或感知中国中心”的重

    要指示精神，为抓住战略发展机遇，贯彻可持续发展的战略，保障物联

    网产业健康、快速发展而制定的。规划实施期限为2009年至2012年，展

    望期到2015年。规划纲要包括以下四个方面的内容：物联网产业发展背

    景与现状，物联网产业发展思路与主要目标，物联网产业发展重点领域

    与主要任务，以及物联网产业发展的保障措施。

    江苏省重点技术研究内容确定为：RFID与传感器结点技术，物联

    网组网与协同处理技术，物联网系统集成技术，物联网应用抽象及标准

    化技术，共性支撑技术。重点产业分为：物联网核心产业、物联网支撑

    产业、物联网带动产业，希望利用物联网大规模产业化和应用实现对传

    统产业的重大变革，重点推进带动效应明显的现代装备制造业、现代农业、现代服务业、现代物流业等产业的发展。示范工程主要包括：智能

    工业、智能环保、城市智能交通、智能灾害防控、智能农业、智能公共

    安全、智能医护、智能物流、智能电网与智能家居等10个领域。

    《上海推进物联网产业发展行动方案》的主要内容可以总结为：抓

    住历史机遇，坚持高端发展、差别发展、创新发展、协同发展的原则；

    发挥和提升现有通信网、互联网和广播网等网络基础设施的作用；突破

    传感器、控制芯片、短距离无线通信、组网和协同处理、数学建模、系

    统集成、数据管理和挖掘、协同控制等物联网核心技术；推进环境监

    测、物流管理等10个应用示范工程，创新商业模式；推进物联网传感设

    备、通信设备产业化与信息服务业协同发展，促进物联网应用市场和产

    业链形成；推进嘉定、浦东等物联网产业化基地建设；提升上海在国内

    物联网产业的引领地位，抢占物联网产业链的高端。

    上海市确定物联网技术研究的重点是：先进传感器，核心控制芯

    片，短距离无线通信技术，组网和协同处理，系统集成和开放性平台技

    术，海量数据管理和挖掘。

    为了将上海打造成国家物联网应用示范城市，行动计划确定了10个

    方面的应用示范工程：环境监测，智能安防，智能交通，物流管理，楼

    宇节能管理，智能电网，医疗，精准控制农业，世博园区，以及应用示

    范区和产业基地。3.赛迪顾问信息产业研究中心的《物联网行业应用投资机会分析》

    报告

    2009年12月3日《通信产业报》发表了我国著名的行业发展趋势研

    究机构赛迪顾问信息产业研究中心(http:www.cww.net.cn)对物联网

    行业应用投资机会分析的报告。他们的研究成果对我们了解物联网发展

    的阶段性很有启发。下面是他们研究的主要结论。

    (1)总的趋势

    物联网具有广阔的行业应用需求，交通、安防、物流、零售、电

    力、金融、环保、医疗等行业都将成为物联网行业应用的重点领域。由

    于不同行业在物联网政策倾向、技术与市场成熟度、市场需求等方面差

    别较大，物联网的行业应用与市场投资机会也不尽相同。

    (2)行业领域

    1)智能交通、城市安防等行业将成为近期行业应用与市场投资的

    热点，这些行业传感技术成熟，政府扶持力度大，在许多城市已经开始

    规模化应用，市场前景广阔，具有很大的市场投资机会。

    2)电力作为国民经济重点领域，智能电网等工程建设一直得到很

    大的政策扶持，市场容量巨大，但目前许多相关技术还不成熟，预计未

    来2～3年将会规模化应用，是中长期投资的热点领域。3)医疗卫生、家庭、个人等领域的智能传感应用则需要时间更

    长，目前还处于试验阶段，投资需要谨慎。其他如环境检测等行业，应

    用较早，技术成熟，但市场容量有限，投资机会一般。

    (3)重点产品

    1)物联网产品目前主要是以身份识别、传感设备和监控设备为

    主，技术相对成熟，产品应用广泛，市场投资机会较大，是短期投资的

    热点。

    2)在产品利润率方面，传感设备技术相对复杂，产品种类较多，利润率也较高。

    3)身份识别类产品、监控设备和传输设备技术相对比较成熟，产

    品进入门槛较低，利润率也一般。

    4)目前物联网产业发展还主要以传感结点为主，传感网络建设和

    网络运营服务还处于起步阶段，但网络运营服务利润空间巨大，具有广

    阔的市场前景和投资机会，可作为中长期投资的关注重点。1.4.9 我国发展物联网技术需要解决的六个主要问

    题

    1.掌握核心技术，防止受制于人

    正如温家宝总理在十一届全国人大三次会议政府工作报告中指出

    的：发展战略性新兴产业，抢占经济科技制高点，决定国家的未来。而

    抢占物联网技术与产业制高点的关键是掌握物联网核心技术。我国已经

    成为信息技术的大国，要成为信息技术的强国，必须突破关键的共性技

    术，以应用技术为支撑加强应用创新。在发展物联网技术的过程中，我

    们必须掌握物联网核心技术，避免将中国变成信息技术强国的产品市

    场，防止受制于人。

    2.统一规划，分步推进

    物联网技术涉及很多学科，也覆盖了几乎所有的行业，是一个有很

    大发展前景的新兴技术。但是组建物联网，构造物联网产业链，维护物

    联网运行秩序，却是一件非常复杂的工作，需要在我国政府的统一组

    织、统一规划下，分步推进，认真解决好“应用—技术—标准—政策—

    法律”五大关系。从过去“九五”、“十五”、“十一五”3个五年计划信息化

    建设的实践中可以看出，我国政府有能力和经验，组织好物联网的建设和应用，不会贻误发展机遇。

    3.应用驱动，示范引领

    应用是物联网存在与发展的理由。推进物联网发展必须坚持“应用

    驱动，示范引领”的原则。物联网的发展不能一哄而起，当年互联网发

    展的泡沫和教训，我们应该认真吸取。物联网概念涵盖众多技术、众多

    行业、众多领域，试图制定统一的一套标准、一种结构模式几乎是不可

    能的。随着行业应用的逐渐成熟，新的通用性强的物联网技术平台将出

    现。物联网的创新表现在应用的集成性创新上，一个单独的企业是无法

    完全独立完成一个完整的解决方案的。一个技术成熟、服务完善、产品

    类型众多、应用界面友好的应用，将是由设备提供商、技术方案商、运

    营商、服务商协同合作的结果。随着产业的成熟，支持不同设备接口、不同互联协议，可集成多种服务的共性技术平台将是物联网产业发展成

    熟的结果。物联网时代，移动设备、嵌入式设备、互联网服务平台将成

    为主流。随着行业应用的逐渐成熟，将会有大的公共平台、共性技术平

    台出现。无论终端生产商、网络运营商、软件制造商、系统集成商、应

    用服务商，都需要在新的一轮竞争中寻找各自的重新定位。

    需要选择信息化建设比较成熟的行业和部门，选择有条件、有需求

    的企业为试点，通过典型的应用示范工程，摸索物联网应用系统标准、结构与运营模式，带动物联网产业的稳步发展。4.重视标准建设，保障国家利益

    物联网是在经济全球化与生产国际化的大背景下产生的，因此物联

    网的建设和运行必然涉及国内外必须共同遵守的行业协议与标准。例

    如，物联网需要大量使用RFID芯片，而RFID芯片的数据记录与通信标

    准国际上已经初步形成了两大技术与利益集团。如果我们不能够在芯片

    标准、芯片设计与制造、RFID读写机具，以及在各种传感器的标准上

    具有自主知识产权，那么我们只能使用别人的标准与专利，我们每推进

    一种应用，就意味着又要向专利拥有者送一笔钱。因此，我国必须高度

    重视和有前瞻性地组织相关标准的研究与制订，并能够影响到国际标准

    的制订，同时也要积极参与国际标准的制订，以保障国家利益。

    5.重视信息安全技术与法制环境建设，保证物联网健康运行

    从技术的角度看，物联网是建立在互联网基础之上的，因此互联网

    所能够遇到的信息安全问题，在物联网中都会存在，只会在表现形式与

    危害程度上有些区别。从应用的角度看，物联网上传输的是大量涉及企

    业经营的物流、生产、销售、金融数据，保护这些有经济价值的数据的

    安全比保护互联网上音乐、视频、游戏数据重要得多，困难得多。从构

    成物联网的端系统的角度看，大量的数据是由RFID与无线传感器网络

    的传感器产生，并且通过无线信道传输。这里存在的问题主要是攻击无

    线信道比较容易。攻击和保护无线传感器网络安全的研究已经开展多

    年，已经出现了很多攻击方法。在无线传感器网络开始从军事应用转向大规模民用时，无线传感器网络的安全问题显得更为突出。物联网中将

    大量使用RFID技术，目前已经有人开始研究攻击RFID标签与标签读写

    设备的方法。因此，物联网所能够遇到的信息安全问题会比互联网更

    多，我们必须重视物联网的信息安全技术研究与相关法律法规的建设，以保证物联网有健康的运行环境。

    6.重视复合型人才培养，保持可持续发展

    物联网是一项全新的技术。设计、组建、运营、管理与维护物联网

    应用系统需要大量的专门人才，而且是具有多学科知识结构的复合型人

    才。能够从事物联网应用系统设计、组建的人才必须懂得该行业的运行

    规律、企业在产业链中的地位和作用以及管理学知识，同时掌握物联网

    理论、应用系统软件功能设计、结构设计方法以及具备软件编程组织能

    力的复合型人才。运营、管理与维护物联网应用系统应该了解物联网的

    基本理论，掌握物联网应用系统的软件设计方法，具备软件与网络维护

    的能力。发展物联网技术，必须重视复合型人才的培养，以支持物联网

    技术研究与应用的可持续发展。1.5 未来物联网的发展与CPS研究计划

    1.5.1 CPS研究计划的提出

    人们认识物联网必然有一个过程。在刚刚接触物联网概念的时候，一般第一个疑惑是：物联网有用处吗？从前面的内容中我们知道，物联

    网是互联网功能的扩展，是社会信息化更深层次发展的必然结果。但

    是，人们还会提出第二个疑惑：物联网到底有多大用处？要回答这个问

    题，实际上需要解释：物联网是不是简单地将物-物相连？发展物联网

    的真正目的是什么？未来物联网技术发展的方向是什么？要说明这三个

    问题，就需要了解信息物理系统(Cyber Physical Systems,CPS)研究计

    划。

    2006年2月，针对美国国会对美国技术竞争力评估，以及如何维持

    和提高竞争力的策略，美国科学院发布《美国竞争力计划》，并将CPS

    列为重要的研究项目。

    2007年，美国总统科学与技术顾问委员会(PCAST)在题为《挑战

    下的领先——竞争世界中的信息技术研发》的报告中列出了八大关键信

    息技术，其中CPS位列首位，以下分别是软件、数据、数据存储与数据

    流、网络、高端计算、网络与信息安全、人机界面等。NSF(美国国家科学基金会)计算机与信息科学和工程总监Branicky认为：如同互联网

    改变了人与人的互动一样，CPS将会改变人与物理世界的互动。

    2008年成立的美国CPS指导小组在《CPS执行概要》中提出，将

    CPS应用放在交通、国防、能源、医疗、农业和大型建筑设施等领域。

    在国际信息技术领域，CPS正在逐渐成为热点。美国国家科学基金

    会和欧洲第七框架(FP7)的大型科研资助计划都投入了大量经费。欧

    盟计划从2007年到2013年在嵌入智能与系统的研究与技术

    (ARTMEIS)研究中投入54亿欧元，希望在2016年成为智能电子系统

    的世界领袖。

    我国对CPS研究也相当重视，国家自然科学基金、“973计划”和“863

    计划”都把其作为重点。国家“863计划”信息技术领域办公室和专家组于

    2010年1月在上海举办了“CPS发展战略论坛”，来自政府、高校、科研院

    所、企业的专家与代表就这个研究领域进行了专题研讨。专家们重点研

    讨了CPS在工业领域、智能交通、数字医疗、智能电网以及传统制造业

    改造中应用的问题。1.5.2 CPS研究的基本思路

    理解CPS研究的基本思路需要注意以下几个基本问题。

    (1)CPS是“人、机、物”深度融合的系统

    物联网突出物与物间的互联，而CPS在物与物互联的基础上，还强

    调对物的实时、动态的信息控制与信息服务。从目前的发展阶段看，物

    联网偏重工程技术，而CPS则更偏重科学研究。CPS系统的本质就是

    以“人-机-物”的融合为目标的计算技术，以实现人的控制在时间、空间

    等方面的延伸。人们又将CPS称为“人-机-物”融合系统。何积丰院士认

    为，CPS的意义在于将物理设备联网，特别是连接到互联网上，使得物

    理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治五大功能。因此，在开展物联网开发应用的同时，我们必须进一步加强对CPS技术的研

    究，使得物联网应用与CPS的发展形成一个自然的衔接过程。

    (2)CPS是3C与物理设备深度融合的系统

    CPS是一种综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C技

    术，即计算(Computa-tion)、通信(Communication)和控制

    (Control)的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动

    态控制和信息服务。CPS是将计算和通信能力嵌入到传统的物理系统之中，导致了计算

    对象的变化。将计算对象从数字的变为模拟的，从离散的变为连续的，从静态的变为动态的。CPS作为计算进程和物理进程的统一体，是集成

    计算、通信与控制于一体的下一代智能系统。

    (3)CPS是环境感知、嵌入式计算、网络通信深度融合的系统

    CPS是在环境感知的基础上，深度融合计算、通信和控制能力的可

    控、可信与可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程和物理进程

    相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来扩展新的功能，以安

    全、可靠、高效和实时的方式控制一个物理实体，使系统具有更高的智

    慧。

    (4)CPS有着广阔的应用前景

    从应用角度看，CPS试图打破已有的传感器系统、计算机系统、机

    器人系统等各种系统自成一体、计算设备应用目标单一、缺乏开放性的

    缺点，更注重多个系统之间的互联、互通与互操作，开发标准的互联协

    议和解决方案，实现系统的开放性、动态性、可控性的计算与服务支

    持。通过开发智能计算、通信、控制、新型传感器技术，提供智能化、快速响应、满足用户需求的高质量服务，有效地将CPS技术应用于嵌入

    式医疗器械、自动导航、汽车自动驾驶、运行车辆间网络辅助安全、灾

    害紧急救助等领域。如果物联网的市场规模像人们所说的有上万亿元的话，那么CPS的

    市场规模则更是难以计数。因为CPS涵盖了小到智能家庭网络，大到工

    业控制系统，乃至智能交通系统等国家级甚至世界级的应用。更为重要

    的是，这种涵盖并不仅仅是将物与物简单地互联在一起，而是要催生很

    多具有计算、通信、控制、协同和自治性能的智能设备。有人预测，下

    一代工业将建立在CPS之上。随着CPS技术的发展和普及，使用计算机

    和网络实现功能扩展的物理设备无处不在，并将推动工业产品和技术的

    升级换代，极大地提高汽车、航空航天、国防、工业自动化、健康与医

    疗设备、重大基础设施等主要工业领域的竞争力。最早参与研究CPS技

    术的何积丰院士认为，CPS不仅会催生出新的工业，甚至会重新排列现

    有产业布局。本章小结

    本章在系统介绍信息技术、信息产业，以及信息化与工业化融合的

    基础上，深入地讨论了物联网的基本概念，物联网发展的社会背景和技

    术背景，以及未来物联网的发展与CPS研究计划关系。主要内容包括：

    1)创新是21世纪信息技术发展的必由之路。目前我们面临的主要

    任务是推进信息化与工业化的融合，选择和发展新兴战略性产业，推

    进“三网”融合，加快物联网的研发应用，实现经济结构的转型和提升。

    2)物联网实现人与物、物与物的互联，使人类对客观世界具有更

    透彻的感知能力，更全面的认识能力，更为智慧的处理能力。

    3)物联网的产业链包括：以集成电路设计制造、嵌入式系统的核

    心产业体系；以网络、软件、通信、信息安全产业和信息服务业为代表

    的支撑产业体系；以数字地球、现代物流、智能交通、智能环保、绿色

    制造等面向应用的关联产业体系。物联网孕育着巨大的产业发展空间。

    4)我国发展物联网技术需要注意解决的主要问题是：掌握核心技

    术，防止受制于人；统一规划，分步推进；应用驱动，示范引领；重视

    标准建设，保障国家利益；重视信息安全技术与法制环境建设，保证物

    联网健康运行；重视复合型人才培养，保持可持续发展。5)物联网突出物与物间的互联，而CPS在物与物互联的基础上，进一步强调了对物的实时、动态的信息控制与信息服务。发展物联网的

    最终目的不是简单地将物与物互联，而是要催生更多具有“计算、通

    信、控制、协同和自治”性能的智能设备。第2章 支撑物联网的信息技术

    应用孕育了技术，技术催生了应用。支撑物联网发展的信息技术主

    要是指计算机技术、通信技术与微电子技术。计算机技术为物联网提供

    了计算工具，通信技术为物联网提供了通信手段，微电子技术是物联网

    发展的基石。

    本章在讨论了物联网概念的基础上，介绍计算机技术、通信技术、微电子技术的研究与发展，及其与物联网的关系。2.1 计算机技术：物联网的计算工具

    2.1.1 高性能计算、普适计算与云计算

    1.计算机技术发展趋势：高性能、广泛应用与智能化

    进入21世纪，计算机技术正在朝着高性能、广泛应用与智能化的方

    向发展。

    (1)性能的提高

    提高计算机的性能有两个途径：一是提高器件的速度，二是采用多

    CPU的结构。我们过去使用的个人计算机286、386的CPU芯片工作频率

    只有几十MHz。20世纪90年代初，集成电路集成度已达到100万门以

    上，从超大规模集成电路开始进入特大规模集成电路时期。由于精简指

    令集计算(RISC)技术的成熟与普及，CPU性能年增长率由20世纪80年

    代的35%发展到90年代的60%。奔腾系列微处理器的主频已经达到GHz

    量级。

    提高计算机性能有三种基本的方法。第一种方法是让一台计算机不

    是使用一个CPU，而是使用几百个或者几千个CPU。第二种方法是将成

    百上千台计算机通过网络互联起来，组成计算机集群。第三种方法是研究运算速度更快的量子计算机、生物计算机与光计算机。

    (2)应用广度的扩展

    计算机技术发展的另一个方向是应用广度的扩展。近年来随着互联

    网的广泛应用，使得计算机渗透到各个行业和社会生活的所有方面。网

    格计算、普适计算与云计算正是为了适应计算机应用的扩展而出现的新

    的技术模式。

    (3)智能化程度的提升

    计算机技术发展的第三个方向是向应用的深度与信息处理智能化方

    向发展。互联网的信息浩若瀚海，怎样在海量信息中自动搜索出我们所

    需要的信息，这是网络环境的智能搜索技术目前研究的热点课题。未来

    的计算机应该是朝着能够看懂人的手势、听懂人类语言的方向发展，使

    计算机具有智能是计算机科学研究的一个重要方向。

    高性能计算、普适计算与云计算已经成为21世纪计算机技术研究的

    重要热点问题，成为支撑物联网的重要计算工具。同时，科学家认为现

    有的芯片制造方法大约在未来的10多年内达到极限，为此世界各国研究

    人员正在加紧研究量子计算机、生物计算机与光计算机。

    2.我国高性能计算研究与应用的发展

    (1)高性能计算研究的现状高性能计算(High-Performance Computing,HPC)又称为超级计

    算，是世界公认的高新技术制高点和21世纪最重要的科学领域之一。高

    性能计算机也称为超级计算机或巨型计算机。

    世界各国纷纷投入巨资研制开发高性能计算机系统，以提升综合国

    力和科技竞争力。在国际高性能计算研究中，最有影响力的是“高性能

    计算机世界500强(HPC TOP500)排行榜”。这份排名是根据被测试计

    算机运行LinpackFortran基准测试的结论得出的。LinpackFortran基准是

    在20世纪70年代创建的，目的是通过数值计算对所有类型和规模的计算

    机进行相对性能的测算。这个排行榜每年公布两次。第32届与第33届的

    HPC TOP500排名第一的都是IBM公司为美国能源部洛斯阿拉莫斯国家

    实验室研制的“走鹃”(Roadrunner)超级计算机。“走鹃”超级计算机计

    算能力达到1.1千万亿次，它使用了129600个处理器芯片。从第32届公

    布的HPC TOP500名单中可以看出，美国占有291席，欧洲占有145席，亚洲仅占十几席。我国的“天河一号”高性能计算机排名第五，这是近年

    来我国科学家取得的最好成绩。2010年5月31日公布的最新HPC TOP500

    名单中，由我国曙光公司研制生产的“星云”高性能计算机实测Linpack性

    能达到每秒1.271千万亿次，居世界超级计算机第二位，它表明中国高

    性能计算机的发展已达到世界领先水平。

    (2)“银河”与“天河”超级计算机

    经过几十年的不懈努力，我国计算机技术已取得很大的发展，“银河”、“天河”、“曙光”等高性能计算机技术的发展，使得我国继美国、日本、欧盟之后，成为具备研制千万亿次以上能力计算机的国家。

    1983年12月22日，中国第一台每秒钟运算一亿次以上的“银河”巨型

    计算机由国防科技大学研制成功。它填补了国内巨型计算机的空白，标

    志着中国进入了世界研制巨型计算机的行列。

    2009年国防科技大学研制成功了我国首台千万亿次超级计算系

    统“天河一号”，运算速度可以达到每秒1.206千万亿次。“天河一号”作为

    我国863计划重大项目“千万亿次高效能计算机系统研制”课题成果，安

    装在天津滨海新区国家超级计算天津中心，作为该中心的业务主机以及

    中国国家网格计算主结点。“天河一号”配置了6144个通用处理器，5120

    个加速处理器，内存总容量98TB，点-点通信带宽40Gbps，共享磁盘总

    容量为1PB。如果就计算量而言，“天河一号”计算机一天的计算量，相

    当于一台配置Intel双核CPU、主频为2.5GHz的微机160年的计算量；就

    共享存储的总容量而言，“天河一号”的存储量相当于4个藏书量为2700

    万册的国家图书馆。图2-1为“天河一号”超级计算机及其典型应用的照

    片。图 2-1 “天河一号”超级计算机照片

    “天河一号”具有极为广泛的应用前景，主要的应用领域包括：石油

    勘探数据处理、生物医药研究、航空航天装备研制、资源勘测和卫星遥

    感数据处理、金融工程数据分析、气象预报和气候预测、海洋环境数值

    模拟、短临地震预报、新材料开发和设计、建筑工程设计、基础理论研

    究等。

    (3)“曙光”超级计算机“曙光”计算机公司是我国目前唯一的国产全系列高性能计算机生产

    厂商，迄今已推出“天演”“天阔”“天潮”三大系列多种型号的服务器和工

    作站。曙光公司推出的曙光3000计算机运算速度达到每秒钟4.032千亿

    次，曙光4000计算机运算速度达到每秒钟11万亿次，曙光5000计算机运

    算速度达到每秒钟230万亿次。计算速度超千万亿次的“星云”高性能计

    算机将用于科学计算、互联网智能搜索、基因测序等领域。图2-2为“曙

    光”计算机及其应用示例的照片。

    图 2-2 “曙光”超级计算机

    计算科学在我国国防建设、国民经济建设、前沿高技术和基础科学

    研究中，尤其在能源、地球环境科学和气象科学、航空航天、药物研制与生命科学、重大工程与装备研究领域中需求迫切，是国家科技创新的

    主要研究手段之一，也是支撑物联网运行的重要计算工具与环境。

    3.普适计算技术的研究与应用

    (1)普适计算的基本概念

    1991年，美国Xerox PAPC实验室的Mark Weiser在《Scientific

    American》上发表文章《The Computer for the 21st Century》，正式提出

    了普适计算(pervasive computing，或ubiquitous compu-ting)的概念。

    1999年，欧洲研究团体ISTAG提出了环境智能(ambient intelligence)的

    概念。环境智能与普适计算的概念类似，研究的方向也比较一致。

    理解普适计算概念需要注意以下几个问题：

    1)普适计算的重要特征是：“无处不在”与“不可见”。“无处不在”是

    指随时随地访问信息的能力；“不可见”是指在物理环境中提供多个传感

    器、嵌入式设备、移动设备以及其他任何一种有计算能力的设备可以在

    用户不觉察的情况下进行计算、通信，提供各种服务，以最大限度地减

    少用户的介入。

    2)普适计算体现出信息空间与物理空间的融合。普适计算是一种

    建立在分布式计算、通信网络、移动计算、嵌入式系统、传感器等技术

    基础上的新型计算模式，它反映出人类对于信息服务需求的提高，具有随时、随地享受计算资源、信息资源与信息服务的能力，以实现人类生

    活的物理空间与计算机提供的信息空间的融合。

    3)普适计算的核心是“以人为本”，而不是以计算机为本。普适计

    算强调把计算机嵌入到环境与日常工具中去，让计算机本身从人们的视

    线中“消失”，从而将人们的注意力拉回到要完成的任务本身。人类活动

    是普适计算空间中实现信息空间与物理空间融合的纽带，而实现普适计

    算的关键是“智能”。

    4)普适计算的重点在于提供面向用户的、统一的、自适应的网络

    服务。普适计算的网络环境包括互联网、移动网络、电话网、电视网和

    各种无线网络；普适计算设备包括计算机、手机、传感器、汽车、家电

    等能够联网的设备；普适计算服务内容包括计算、管理、控制、信息浏

    览等。

    (2)普适计算研究的主要问题

    普适计算最终的目标是实现物理空间与信息空间的完全融合，这一

    点是和物联网非常相似的。因此，了解普适计算需要研究的问题，对于

    理解物联网的研究领域有很大的帮助。要实现普适计算的目标，我们必

    须解决以下几个基本的问题：

    1)理论建模。普适计算是建立在多个研究领域基础上的全新计算

    模式，因此它具有前所未有的复杂性与多样性。要解决普适计算系统的规划、设计、部署、评估，保证系统的可用性、可扩展性、可维护性与

    安全性，就必须研究适应于普适计算“无处不在”的时空特性、“自然透

    明”的人机交互特性的工作模型。

    2)自然透明的人机交互。普适计算设计的核心是“以人为本”，这

    就意味着普适计算系统对人具有自然和透明交互以及意识和感知能力。

    普适计算系统应该具有人机关系的和谐性，交互途径的隐含性，感知通

    道的多样性等特点。在普适计算环境中，交互方式从原来的用户必须面

    对计算机，扩展到用户生活的三维空间。交互方式要符合人的习惯，并

    且要尽可能地不分散人对工作本身的注意力。

    3)无缝的应用迁移。为了在普适计算环境中为用户提供“随时随

    地”的“透明的”数字化服务，必须解决无缝的应用迁移的问题。随着用

    户的移动，伴随发生的任务计算必须一方面保持持续进行，另一方面任

    务计算应该可以灵活、无干扰地移动。无缝的移动要在移动计算的基础

    上，着重从软件体系的角度去解决计算用户的移动所带来的软件流动问

    题。

    4)上下文感知。普适计算环境必须具有自适应、自配置、自进化

    能力，所提供的服务能够和谐地辅助人的工作，尽可能地减少对用户工

    作的干扰，减少用户对自己的行为方式和对周围环境的关注，将注意力

    集中于工作本身。上下文感知计算就是要根据上下文的变化，自动地做

    出相应的改变和配置，为用户提供适合的服务。因此，普适计算系统必须能够知道整个物理环境、计算环境、用户状态的静止信息与动态信

    息，能够根据具体情况采取上下文感知的方式，自主、自动地为用户提

    供透明的服务。因此，上下文感知是实现服务自主性、自发性与无缝的

    应用迁移的关键。

    (3)普适计算研究的发展

    已经有很多学者开展了对普适计算的研究工作，研究的方向主要集

    中在以下几个方面：

    1)理论模型。普适计算理论模型的研究目前主要集中在两个方

    面：层次结构模型、智能影子模型。层次结构模型主要参考计算机网络

    的开放系统互连(OSI)参考模型，分为环境层、物理层、资源层、抽

    象层与意图层5层。也有的学者将模型的层次分为基件层、集成层与普

    适世界层3层。智能影子模型是借鉴物理场的概念，将普适计算环境中

    的每一个人都作为一个独立的场源，建立对应的体验场，对人与环境状

    态的变化进行描述。

    从目前开展的研究情况看，普适计算模型研究的智能空间原型正在

    从开始相对封闭的一个房间，向诸如一个购物中心、一个车间的开放环

    境发展；从对一个人日常生活中每一件事、每一个行为的记录，向大规

    模的个人数字化“记忆”方向发展。

    2)自然人机交互。自然人机交互的研究主要集中在笔式交互、基于语音的交互、基于视觉的交互。研究涉及用户存在位置的判断、用户

    身份的识别、用户视线的跟踪，以及用户姿态、行为、表情的识别等问

    题。关于人机交互自然性与和谐性的研究也正在逐步深入。

    3)无缝的应用迁移。无缝的应用迁移的研究主要集中在服务自主

    发现、资源动态绑定、运行现场重构等方面。资源动态绑定包括资源直

    接移动、资源复制移动、资源远程引用、重新资源绑定等几种情况。

    4)上下文感知。上下文感知的研究主要集中在上下文获取、上下

    文建模、上下文存储和管理、上下文推理等方面。在这些问题之中，上

    下文正确地获取是基础。传感器具有分布性、异构性、多态性，这使得

    如何采用一种方式去获取多种传感器数据变得比较困难。目前，RFID

    已经成为上下文感知中最重要的手段，智能手机作为普适计算的一种重

    要的终端，发挥着越来越重要的作用。

    5)安全性。普适计算安全性研究是刚刚开展的研究领域。为了提

    供智能化、透明的个性化服务，普适计算必须收集大量与人活动相关的

    上下文。在普适计算环境中，个人信息与环境信息高度结合，智能数据

    感知设备所采集的数据包括环境与人的信息。人的所作所为，甚至个人

    感觉、感情都会被数字化之后再存储起来。这就使得普适计算中的隐私

    和信息安全变得越来越重要，也越来越困难。为了适应普适计算环境隐

    私保护框架的建立，研究人员提出了6条指导意见：声明原则、可选择

    原则、匿名或假名机制、位置关系原则、增加安全性，以及追索机制。为了适应普适计算环境中隐私保护问题，欧盟甚至还特别制定了欧洲隐

    式计算机(disappearing computer)的隐私设计指导方针。

    Marc Weiser认为，普适计算的思想就是使计算机技术从用户的意识

    中彻底“消失”。在物理世界中结合计算处理能力与控制能力，将人与

    人、人与机器、机器与机器的交互最终统一为人与自然的交互，达

    到“环境智能化”的境界。因此，我们可以看出：普适计算与物联网从设

    计目标到工作模式都有很多相似之处，因此普适计算的研究领域、研究

    课题、研究方法与研究成果对于物联网技术的研究有着重要的借鉴作

    用。

    4.云计算技术的研究与应用

    (1)云计算技术的特点

    云计算(cloud computing)是支撑物联网的重要计算环境之一。因

    此，了解云计算的基本概念，对于理解物联网的工作原理和实现方法具

    有重要的意义。了解云计算的基本概念时，需要注意云计算以下几个主

    要特点：

    1)云计算是一种新的计算模式。云计算是一种基于互联网的计算

    模式，它将计算、数据、应用等资源作为服务通过互联网提供给用户。

    在云计算环境中，用户不需要了解“云”中基础设施的细节，不必具备相

    应的专业知识，也无需直接进行控制，而只需要关注自己真正需要什么样的资源，以及如何通过网络来得到相应的服务。图2-3给出了云计算

    工作模式的示意图。

    图 2-3 云计算工作模式示意图

    2)云计算是互联网计算模式的商业实现方式。提供资源的网络被

    称为“云”。在互联网中，成千上万台计算机和服务器连接到专业网络公

    司搭建的能进行存储、计算的数据中心形成“云”。“云”可以理解成互联

    网中的计算机群，这个群可以包括几万台计算机，也可以包括上百万台

    计算机。“云”中的资源在使用者看来是可以无限扩展的。用户可以通过

    台式个人计算机、笔记本、手机，通过互联网接入到数据中心，可以随

    时获取、实时使用、按需扩展计算和存储资源，按实际使用的资源付费。目前微软、雅虎、亚马逊(Amazon)等公司正在建设这样

    的“云”。

    3)云计算的优点是安全、方便，共享的资源可以按需扩展。云计

    算提供了可靠、安全的数据存储中心，用户可以不用再担心数据丢失、病毒入侵。这种使用方式对于用户端的设备要求很低。用户可以使用一

    台普通的个人计算机，也可以使用一部手机，就能够完成用户需要的访

    问与计算。

    4)云计算更适合于中小企业和低端用户。由于用户可以根据自己

    的需要，按需使用云计算中的存储与计算资源，因此云计算模式更适用

    于中小企业，可以降低中小企业的产品设计、生产管理、电子商务的成

    本。苹果公司推出的平板计算机iPad的关键功能全都聚焦在互联网上，包括浏览网页、收发电子邮件、观赏影片照片、听音乐和玩游戏。当有

    人质疑iPad的存储容量太小时，苹果公司的回答是：当一切都可以在云

    计算中完成时，硬件的存储空间早已不是重点。

    5)云计算体现了软件即服务的理念。软件即服务(SaaS)是21世

    纪开始兴起的、基于互联网的软件应用模式，而云计算恰恰体现了软件

    即服务的理念。云计算通过浏览器把程序传给成千上万的用户。从用户

    的角度来看，他们将省去在服务器和软件购买授权方面的开支。从供应

    商的角度来看，这样只需要维持一个程序就可以了，从而降低了运营成

    本。云计算可以将开发环境作为一种服务向用户提供，使得用户能够开发出更多的互联网应用程序。

    (2)云计算与网格计算的区别

    在讨论云计算时一般会想到云计算与网格计算区别的问题。网格计

    算出现于20世纪90年代，它是伴随着互联网应用的发展而出现的一种专

    门针对复杂科学计算而出现的新型计算模式。这种计算模式利用互联网

    将分散在不同地理位置的计算机组织成一台“虚拟的超级计算机”，其中

    每一个参与计算的计算机就是一个“结点”，而成千上万个结点就形成了

    一个“网格”。这种“虚拟的超级计算机”的特点是：计算能力强，并能够

    充分地利用互联网上空闲的计算资源。网格计算是超级计算机与计算机

    集群的延伸，它的应用主要是针对大型、复杂的科学计算问题，例如

    DNA等生物信息学的计算问题。这一点是网格计算与云计算的主要区

    别。

    高性能计算、普适计算、云计算与物联网、智慧地球成为21世纪研

    究与发展的重点，它们将计算变为一种公共设施，以服务租用的模式向

    用户提供服务，这些理念摆脱了传统自建信息系统的习惯模式。未来的

    网络应用，从手机、GPS等移动装置，到搜索引擎、网络信箱等基本的

     ......