【摘要】在“互聯網+”時代，“數據”成為人類社會各項活動的重要元素。數據的創造、傳輸和使用與“互聯網+”密切相關。目前，IPv4互聯網開始向下一代IPv6互聯網穩步演進。IPv6的地址空間近乎無窮，可接入世間任何物體，構成“物聯網”。包括光傳感器在內的各種傳感器和智能終端已實現了數據的采集、接入、傳送、分析處理以及數據的應用，這些功能構成了“互聯網+”的重要基礎。本文將重點論述下一代互聯網與物聯網、物聯網與“光聯萬物”以及“光聯萬物”與“光谷夢”的相關情況，闡述物聯網的產生以及最新概況、發展物聯網的戰略意義與現實難題，以及物聯網對于國家和區域經濟發展的促進作用。
【關鍵詞】“互聯網+” 物聯網 光纖傳感 “光聯萬物”
【中圖分類號】TN913.7 【文獻標識碼】A
【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2016.17.004
2009年，諾貝爾獎委員會第一次把諾貝爾獎授予一位技術專家——華裔美國學者高錕博士，以表彰其“將光纖傳輸用于光纖通信方面所取得的突破性成就”①。光纖傳輸助推人類進入信息社會，并促進形成巨大的全球性光纖通信產業②，為當今“互聯網+”時代奠定了極為堅實的基礎。光纖不但能夠用于信息的傳輸，而且能夠用于信息的感知，這就是光纖技術的另一個重要應用領域——光纖傳感③。光纖傳感與光纖通信方面的技術研究幾乎同步開始，但前者實現產業化的步伐卻遠遠落后于后者。直到進入21世紀，光纖傳感的產業化應用才逐年發力，并在新世紀第二個十年的中期開始爆發性增長，這得益于“物聯網”這一戰略性新興產業在中國乃至全球的興起以及物聯網的技術應用在各行各業的蓬勃發展。
物聯網的英文名稱為“Internet of Things”，即“物體的聯網”。“物聯網”的出現表明，過去為人類所專有的互聯網，現在則要成為世間萬物互聯互通的網絡平臺了。杰里米·里夫金在《第三次工業革命》中這樣描述了物聯網的未來場景：“所有東西都將互聯網化，超級物聯網將成為人類外腦，全球形成一個大數據網絡，傳感器將全人類聯系在了一起。”④很顯然，傳感器是物聯網賴以存在的核心基礎，而光纖傳感器是眾多傳感器中最具活力的一類，在物聯網及其應用中具有舉足輕重的作用。
下一代互聯網與物聯網
李克強總理在2015年的政府工作報告中提出：“制定‘互聯網+’行動計劃，推動移動互聯網、云計算、大數據、物聯網等與現代制造業結合，促進電子商務、工業互聯網和互聯網金融健康發展，引導互聯網企業拓展國際市場。”⑤正因如此，2015年被稱為“互聯網+”的元年。
互聯網對世界政治、經濟、文化、科技、軍事、社會生活和國家安全等方面產生了重大影響，是現代社會重要的信息基礎設施之一，也是衡量一個國家綜合實力的重要標志之一。但是，互聯網資源并不是取之不盡用之不竭的，例如現有互聯網的IPv4地址就面臨著嚴重短缺問題。2011年2月3日，國際互聯網名稱和編號分配機構（ICANN）發布消息稱：“最后一批IPv4地址分配完畢，IPv4地址總庫已經枯竭。”⑥這意味著，從2011年開始，全球都將面臨由于IPv4地址短缺造成的發展受限問題，同時這也促使各國將下一代IPv6互聯網的研究、發展和應用提上日程。
相對于目前的IPv4互聯網來說，基于IPv6的下一代互聯網擁有更先進的基礎設施，是更加安全、可信、可控、可管、節能的網絡。最重要的是，它擁有足夠豐富的網絡地址資源。IPv4互聯網大約有43億個地址，而下一代IPv6互聯網擁有的地址是現有互聯網的1029倍，這就好比在地球表面鋪上一層沙子，每一顆沙子都可以擁有一個IP地址。在此基礎上，我們能夠更加智能地實現人與人、物與人、物與物的互聯。
“互聯網+”信息基礎設施可以概括為“云、網、端”三部分。“云”是指云計算以及大數據基礎設施。“網”不僅包括原有的“互聯網”，還拓展到“物聯網”領域。“端”則是指用戶直接接觸的個人電腦、移動設備、可穿戴設備、傳感器，乃至以軟件形式存在的各類應用。“互聯網+”的核心是“數據”。人類社會的各項活動與數據的創造、傳輸和使用直接相關。數據是“互聯網+”的基礎，包括數據采集、數據傳送、數據分析處理及數據應用，而這正是“物聯網”的基本特征。尤其是下一代互聯網的IP地址近乎無窮，可接入世界任何物體，構成“物聯網”。
物聯網是一種物際之間的互聯網絡。物聯網產業是我國重點發展的戰略性新興產業，與正在快速發展的下一代互聯網、云計算、大數據、移動互聯網、智慧城市、信息消費等產業熱點密切相關，在工業、農業、交通、醫療、通信、電力、物流、公共安全、城市管理等領域具有十分廣闊的需求。物聯網是繼計算機、互聯網之后的又一次技術革命浪潮。目前，我國在一些物聯網關鍵技術領域的研究已從無到有、從小到大，并在芯片、通信協議、網絡管理等領域取得了一系列創新成果，形成了一定產業規模，已初步形成環渤海、長三角、珠三角以及中西部地區這四大區域集聚發展的物聯網產業空間格局。“賽迪顧問”發布的統計數據顯示，2011年國內物聯網產業規模為2600億元人民幣，2012年為3600億元人民幣，2013年為4800億元人民幣。在國家政策的大力扶持以及新應用的推廣帶動下，未來三年國內物聯網產業將繼續保持快速增長態勢。預計到2016年底，國內物聯網的產業規模將超過10000億元人民幣，未來三年物聯網產業的年均復合增長率可達34.5%，高于國際水平⑦。
物聯網產業是一個潛力巨大、關系國家經濟轉型、具有重大意義的戰略性新興產業。隨著我國各級政府的強力推進，物聯網產業將迎來快速發展期。但是，也要清醒地看到，我國物聯網產業既面臨很好的發展機遇，也面臨著較為嚴峻的挑戰。主要體現在：第一，我國物聯網企業普遍規模較小，缺乏龍頭企業帶動行業發展；第二，物聯網企業融資困難，制約了新技術研究、新產品開發和新業務推廣；第三，物聯網應用服務商業模式不清晰，用戶需求不明確，呈現碎片化；第四，物聯網產業鏈的上下游資源分散，亟待整合；第五，物聯網產業應用推進不足，需要政府加強引導；第六，亟待制定物聯網相關技術標準與規范。
物聯網與“光聯萬物”
在“互聯網+”時代，大數據成為重要的生產要素，而大數據的來源正是物聯網。物聯網將構建虛擬世界與實體世界深度融合的全新體系，推動人類社會全面進入“萬物互聯”的時代。無處不在的“光”，可以被用于物聯網的感知、接入、傳輸、交換與互連。光電子技術與物聯網應用創新聯動、協同發展，通過光感知、光接入、光傳輸、光互連、光顯示、光傳能等手段，實現“光聯萬物”，構成未來智慧世界的網絡基礎。
“光聯萬物”是指以光來感知數據、接入數據、傳送數據而形成的“光聯網”，是“物聯網”的形態之一，其具體內涵體現在“光感知”、“光互連”、“光應用”三個方面。光感知，即光電協同、感知萬物，主要包括光纖傳感、光譜傳感、光波導傳感、光干涉傳感、光觸覺傳感、光嗅覺傳感、光視覺傳感等；光互聯，即光電融合、互聯萬物，主要包括光纖光纜、光器件模塊、光電集成、光接入系統、光電儀器、光網絡、光與無線融合通信等。光應用，即光電應用、智慧萬物，主要包括光聯家庭、光聯社區、光聯制造等“光聯萬物”各行各業的具體應用。
為實現“光聯萬物”而購建的“光聯網”，將包括光感知、光接入、光傳送和光應用這四個層面。其中，光感知既可以直接利用各種光學傳感器來感知數據，也可以利用普通傳感器結合光纖傳輸來實現數據感知。光接入既包括高速大容量的光纖接入（光纖到戶），也包括面向4G/5G移動通信的光與無線融合接入。光傳送依托由骨干和城域光網支撐的下一代互聯網來實現感知數據的傳輸與互聯。光應用指的是在數據感知與接入傳送的基礎上，通過構建各種業務服務平臺來實現感知數據的各類應用服務。
“光聯萬物”涵蓋的產業領域十分廣泛，包括工業應用、工程應用、民用及國防應用等。舉例來說，利用光纖傳感器，人們已經在航空領域開發出能夠實時監測飛機和船體結構損傷的“光纖智能蒙皮”，在交通領域開發出能夠實時監測橋梁和隧道安全的“光纖橋隧健康監測系統”，在災害防御領域開發出能夠實時監測滑坡、覆冰、潰堤潰壩等災害事故的光纖傳感系統，在民用安全防務領域實現了光纖大樓安防、光纖門窗安防和光纖周界安防，在城市管理領域建立起城市管網光纖監測系統。隨著“光聯萬物”技術的推進，“光”將進入每一個家庭，越來越貼近百姓生活。據估計，“光聯萬物”全產業鏈的市場規模將達到30000億元人民幣，具有十分廣闊的應用前景。
圖1 “光聯網”的體系架構
“光聯萬物”與“光谷夢”
2001年，武漢東湖新技術開發區被原國家計委和科技部批準為國家光電子產業基地，即“武漢·中國光谷”⑧。經過15年的建設發展，“武漢·中國光谷”從初期的數十億產值規模到2015年一舉邁入“萬億俱樂部”⑨，建設成效極為顯著，這里已經成為武漢乃至全中國高新技術產業的一張靚麗名片。 2009年，“武漢·中國光谷”被國務院批準為國家自主創新示范區，是全國114家高新技術開發區中特批的三個國家自主創新示范區之一，建設面積規劃達到518平方公里，形成了光電子信息產業、生物醫藥產業、節能環保產業、高端裝備制造業和現代服務業等產業布局，建成了國內最大的光纖光纜、光電器件生產基地，同時也是國內最大的光通信技術研發基地以及最大的激光產業基地。“武漢·中國光谷”光纖光纜的生產規模居全球第二，國內市場占有率為50%，國際市場占有率為12%；光電器件、激光產品的國內市場占有率為40%，在全球產業分工中占有一席之地。
2013年，習近平總書記考察“武漢·中國光谷”時，對光谷的建設工作給予了四個方面的肯定：一是光谷科技成果轉化效果明顯；二是光谷圍繞改革做了不少文章；三是光谷與大學結合緊密，光谷的研究機構多，科技人才多，有自主創新成果，科技成果轉化較好，光谷的大學產業化做得不錯；四是光谷的產業特色明顯，尤其在光電子產業方面特色鮮明。
在“互聯網+”時代，“武漢·中國光谷”的光電子信息產業面臨著轉型升級的機遇和挑戰。以“光聯萬物”為標志的“互聯網+物聯網”將成為具有光谷特色的升級版光電子信息產業的重要支柱，通過發揮光谷“光”的優勢，結合物聯網產業的“物聯”特色，可以實現“光聯萬物、創造未來”。“光聯萬物”將成為物聯網領域的前沿熱門產業方向，并正在快速從技術開發走向規模化應用，具有廣闊的產業發展前景。
長期以來，“光”在信息技術領域一直處于配角地位。以傳統的物聯網為例，“光”僅僅起到通過光纖通信網絡傳輸數據的作用。而在“光聯萬物”中，光的功能一直延伸到數據感知層面，即可實現“光到萬物”⑩（OTTT: Optics to the things）。數據的感知、接入和傳送等過程均有光的參與，由此，光電信息產業真正發揮出了其特色主導優勢。
此外，“光聯萬物”在全球范圍內也具有重要的創新意義。目前，國外知名大學和研究機構都已部署了光感知、光接入、光傳送、光應用技術等方面的研發。“光聯萬物”這一概念的提出標志著光谷已經站到了國際創新技術研究的制高點，這對于促進東湖國家高新區新一代光電信息產業的升級換代具有十分重大的意義。
目前，“光聯萬物”已經被列入武漢東湖高新區全面建成有全球影響力的創新創業中心的“光谷夢”?重點實施的五大專項計劃之一。武漢市委常委、武漢東湖高新區管委會書記胡立山提出了實現“光谷夢”的“三步走”戰略，即：到2020年，建成全球有一定影響力的創新創業中心，建成世界一流高科技園區——享譽世界的“光谷”；到2030年，建設成為全國高端創新要素集聚中心，成為知識創新的策源地、技術創新的樞紐地、創新創業的圓夢地，在光電子信息、生物醫藥等領域形成2~3個擁有技術主導權的產業集群，成為全球有影響力的創新創業中心；到2049年，走出一條具有光谷特色的創新驅動發展道路，打造創新要素自由流動、特色產業高端發展、園區服務優質高效的生態科技新城，全面建成有全球影響力的創新創業中心。武漢東湖高新區發布的《“光聯萬物”行動方案》提出實施“互聯網+光電子”戰略，以光為紐帶，推動光電子技術與互聯網及物聯網應用創新聯動、協同發展。通過發展光感知、光互聯、光計算、光顯示、光能源等關鍵產業，打造萬億規模企業集群。
在2015年舉行的武漢國際光電子博覽會上，“光聯萬物”這一重要戰略舉措得到了趙梓森、姜德生、丁文華等院士的高度認同，他們認為其既體現了“光電”特色，又突顯了“物聯”內涵，必將成為武漢光谷“互聯網+光電子”產業發展的一面旗幟，將對高新區創新創業和工業倍增產生巨大促進作用。院士及專家們還建議，高新區要高度重視傳感器等核心器件，鼓勵需求牽引創新研發，加大政府支持力度，將“光聯萬物”打造成國內外知名品牌?。業內人士認為，經過15年的建設，在“武漢·中國光谷”已經誕生了一批在下一代互聯網、物聯網、大數據、光通信與網絡、光線傳感網、光制造、光器件、軟件等領域能夠參與國際競爭的互聯網與光電子企業，光谷的光電子產業發展已經走在世界前列，武漢尤其是東湖國家高新區已具備推動“光聯萬物”戰略率先實現和落地生根的基礎條件。
在創新研發與產業基礎方面，“武漢·中國光谷”的物聯網產業技術創新聯盟已有80余家會員單位，高新區從事物聯網相關產業的企業多達1000余家，已經形成了一部分有特色的“光聯萬物”創新技術和創新產品，如物聯網核心芯片、光纖陀螺使用的特種光纖、光纖光柵工程應用傳感系統、光纖智能皮膚、家庭安全防務系統、高速光互連模塊、RJ45光互連線纜、智能電力接線夾溫度監測以及光谷云接入與云服務平臺等，這些新技術和產品已經形成了較大的產值規模，為“光聯萬物”計劃的實施奠定了堅實的技術基礎。
在創新平臺方面，武漢東湖國家高新區目前已擁有下一代互聯網接入系統國家工程實驗室、光纖傳感技術國家工程實驗室、光纖通信與網絡國家重點實驗室、特種光纖光纜國家重點實驗室等國家級研發平臺，涵蓋“光聯萬物”的感知、接入、傳送、應用各個層面。2012年10月，科技部批準組建“湖北東湖國家綠色光電國際創新園”，并要求：“按照政府引導、企業主導、市場運作的運行機制，培育壯大產業集群，通過國家綠色光電國際創新園區的建設與發展，積極開展國際科技合作，打造激光、光伏、光聯網三大產業聚集化發展的國際創新園。”其中，光聯網產業基地將著力打造面向綠色信息的光聯網產業創新園?，為“光聯萬物”的順利實施提供產學研用一體化的創新創業合作平臺。
在國際合作協同創新方面，以專業化合理分工為基礎，以東湖開發區《“光聯萬物”行動方案》的實施啟動為契機，依靠國家和省市政府引導資金及政策，實現多樣化、多層次的自主研發與開放合作創新相結合，建立產學研結合的技術創新體系，成為具有國內領先水平和國際先進水平的行業技術創新體系。
按照規劃，到2020年，東湖國家高新區將基本形成較為完善的“光聯萬物”產業生態，在光感知、光通信、激光、地球空間信息等特色優勢領域將會誕生一批世界領先的重大技術創新成果，形成一批改變世界的原創性新興產業和新興業態，帶動區域企業實現總收入30000億元，為“光谷夢”的實現做出重要貢獻。 圖2 “光聯萬物”的應用領域
“光聯萬物”創造未來
“光聯萬物”是前所未有的一次跨界創新，涵蓋了光材料、光傳感、光網絡、光通信、光應用等一系列國內領先的產業生態。未來，人們的生活將因“一束光”而產生無限可能。
“光聯萬物”產業發展需要重點解決項目規劃、資金投入、認知體驗、創新合作以及推廣應用等問題。首先，要做好頂層設計，制定《“光聯萬物”行動計劃》的具體實施方案。其次，采用政府、企業、風投三位一體的模式，籌措“光聯萬物”創投基金，支持“光聯萬物”大眾創業、萬眾創新。第三，應建設“光聯萬物”成果展示和體驗平臺，支持國內外企業展示最新技術與產品。第四，通過國際合作打造全球領先的“光聯萬物”人才平臺、項目平臺、測試平臺和創新平臺。第五，在市政、安全、家居、制造、社區、健康以及傳感器和創新合作等方面支持“光聯萬物”應用示范工程，例如：（1）光聯家庭。綜合運用光視覺、光觸覺、光聽覺等傳感產品，開展智能家居、遠程醫療、遠程教育等示范應用。（2）光聯工廠。綜合應用光制造技術、光計數技術、光電融合精密位置傳感技術，提高生產線、專用設備的精度和智能化控制，利用光纖傳感溫感、煙感安全監測及示范應用，實現工廠作業環境的實時監控和預警。（3）光聯樓宇。綜合運用圖像感知、視頻感知等優勢，開展光纖振動傳感防入侵、光線聲波傳感防盜等監測及示范應用，通過攝像頭、紅外探測器、光線傳感器等設備，實現異常事件自動發現和智能預警功能。（4）光聯社區。通過安裝感知設備、傳輸設備等，采集社區人、地、物等信息，實現實時監控，對社區內部治安、街道基礎設施、街道交通等實施精細化、空間可視化管理，建立社區服務平臺，圍繞民生、商務、社區管理等提供智能服務。（5）光聯健康。結合光纖呼吸/脈搏監測、光纖睡眠質量檢測、光纖內窺探測儀等儀器設備，構建遠程醫療系統，支持可穿戴設備、“互聯網+”醫療診治設備等技術的研發與應用示范。
結語
在“互聯網+”時代，物聯網產業已經成為我國重點發展的戰略性新興產業，與正在快速發展的下一代互聯網、云計算、大數據、移動互聯網、智慧城市、信息消費等產業熱點密切相關，在工業、農業、交通、醫療、通信、電力、物流、公共安全、城市管理等領域具有十分廣闊的需求。作為推進國家光電子信息產業基地轉型升級以及實現“光谷夢”的重要舉措，“武漢·中國光谷”推出了“光聯萬物”的宏偉藍圖。“光聯萬物”是物聯網的重要組成部分，是一個非常具有發展潛力的戰略性新興產業方向。“光聯萬物”戰略的實施將促進光電子和物聯網的深度融合，在信息技術、健康安全、智慧家庭、智能制造等領域催生一批原創性新興企業集群。這將是構成未來智慧世界的基礎，也是全球發展的新趨勢。屆時，虛擬世界與實體世界深度融合，人類社會將全面進入物與物、物與人、人與人的萬物互聯時代。
“光聯萬物”將會成為“互聯網+”時代光電子信息產業轉型升級的一面旗幟，其發展同時面臨著機遇和挑戰，需要群策群力，產學研用協同創新，才能取得重要技術突破，帶動相關產業的發展，實現全方位開創“光聯萬物”產業及其應用的新格局。
【注釋】
【1】陳亮光：《值得回憶的往年軼事——高錕博士獲頒諾貝爾獎》，北京：紀念光纖發明50周年大會，2016年。
【2】劉德明：《基于波分多址技術的千兆以太無源光網絡》，深圳：中國工程院/中國科學院技術科學論壇，2003年；劉德明：《基于光與無線融合的射頻無源光網絡》，《中興通訊技術》，2012年第5期。
【3】劉德明：《互聯網+物聯網技術創新發展及應用》，深圳：互聯網+物聯網服務技術創新論壇，2015年；劉德明：《Research Progress in the Key Device and Technology for Fiber Optic Sensor Network》，PHOTONIC SENSORS，2016年。
【4】［美］杰里米·里夫金：《第三次工業革命》，北京：中信出版社，2012年。
【5】李克強：《政府工作報告》，《人民日報》，2015年3月17日，第1版。
【6】王秀玉：《值得載入歷史新聞最后一批IPv4地址沒了》，光明網，2011年2月4日。
【7】賽迪顧問：《中國物聯網產業發展研究報告》，2015年。
【8】百度百科：《“武漢·中國光谷”的發展歷程》，2016年。
【9】張珊妮：《光谷企業總收入跨越萬億元》，《湖北日報》，2016年1月19日，第1版。
【10】劉德明：《From “FTTH”to “FTTS”》，中美光纖傳感技術研究、發展與應用研討會，2009年。
【11】張珊妮：《武漢東湖高新區亮出“光谷夢”：建設全球有影響力創新創業中心》，中國新聞網，2015年9月14日。
【12】洪兵：《院士專家熱議“光聯萬物”行動方案 獻策中國光谷二次騰飛》，人民網，2015年11月12日。
【13】張珊妮：《打造有光谷特色的升級版物聯網產業》，《湖北日報》，2015年11月12日。
Optics Links Everything: The Future "Internet+" World
Liu Deming
Abstract: In the "Internet+" age, data becomes the important element of various activities of human society. The creation, transmission, and use of data are closely related to the "Internet+" scheme. Along with the steady evolution of Internet from the past IPv4 to the next-generation IPv6, the IP address resources would be almost infinite, and almost everything could be accessed through the Internet, which results in a new network—the Internet of Things (IOT). Various sensors, such as optical sensors, and intelligent terminals, have helped to realize the collection, access, transmission, analytical processing, and application of data, which constitutes the important basis of the "Internet+". This paper focuses on introducing the relevant information of the next-generation Internet and the Internet of Things, the Internet of Things and the "optics-link-everything", and the "optics-link-everything" and the "optics valley dream", and explains the origin and the new development of IOT, the strategic significance and the practical problems of IOT, as well as the catalytic role of IOT in promoting national and regional economic development.
Keywords: "Internet +", Internet of Things, Optical Fiber Sensors, Optics-Link-Everything
【作者簡介】劉德明，華中科技大學光學與電子信息學院教授、博導，下一代互聯網接入系統國家工程實驗室主任，中國下一代互聯網專家委員會專家，中國光學工程學會光通信與信息網絡專家委員會主任。研究方向為光通信與光網絡、光纖傳感器件與網絡、光電子技術、下一代互聯網接入技術、物聯網技術。主要著作有《光纖光學（第三版）》《光通信信號處理》《光纖技術及其應用》等。
