【摘要】在“互联网+”时代，“数据”成为人类社会各项活动的重要元素。数据的创造、传输和使用与“互联网+”密切相关。目前，IPv4互联网开始向下一代IPv6互联网稳步演进。IPv6的地址空间近乎无穷，可接入世间任何物体，构成“物联网”。包括光传感器在内的各种传感器和智能终端已实现了数据的采集、接入、传送、分析处理以及数据的应用，这些功能构成了“互联网+”的重要基础。本文将重点论述下一代互联网与物联网、物联网与“光联万物”以及“光联万物”与“光谷梦”的相关情况，阐述物联网的产生以及最新概况、发展物联网的战略意义与现实难题，以及物联网对于国家和区域经济发展的促进作用。
【关键词】“互联网+” 物联网 光纤传感 “光联万物”
【中图分类号】TN913.7 【文献标识码】A
【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2016.17.004
2009年，诺贝尔奖委员会第一次把诺贝尔奖授予一位技术专家——华裔美国学者高锟博士，以表彰其“将光纤传输用于光纤通信方面所取得的突破性成就”①。光纤传输助推人类进入信息社会，并促进形成巨大的全球性光纤通信产业②，为当今“互联网+”时代奠定了极为坚实的基础。光纤不但能够用于信息的传输，而且能够用于信息的感知，这就是光纤技术的另一个重要应用领域——光纤传感③。光纤传感与光纤通信方面的技术研究几乎同步开始，但前者实现产业化的步伐却远远落后于后者。直到进入21世纪，光纤传感的产业化应用才逐年发力，并在新世纪第二个十年的中期开始爆发性增长，这得益于“物联网”这一战略性新兴产业在中国乃至全球的兴起以及物联网的技术应用在各行各业的蓬勃发展。
物联网的英文名称为“Internet of Things”，即“物体的联网”。“物联网”的出现表明，过去为人类所专有的互联网，现在则要成为世间万物互联互通的网络平台了。杰里米·里夫金在《第三次工业革命》中这样描述了物联网的未来场景：“所有东西都将互联网化，超级物联网将成为人类外脑，全球形成一个大数据网络，传感器将全人类联系在了一起。”④很显然，传感器是物联网赖以存在的核心基础，而光纤传感器是众多传感器中最具活力的一类，在物联网及其应用中具有举足轻重的作用。
下一代互联网与物联网
李克强总理在2015年的政府工作报告中提出：“制定‘互联网+’行动计划，推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业结合，促进电子商务、工业互联网和互联网金融健康发展，引导互联网企业拓展国际市场。”⑤正因如此，2015年被称为“互联网+”的元年。
互联网对世界政治、经济、文化、科技、军事、社会生活和国家安全等方面产生了重大影响，是现代社会重要的信息基础设施之一，也是衡量一个国家综合实力的重要标志之一。但是，互联网资源并不是取之不尽用之不竭的，例如现有互联网的IPv4地址就面临着严重短缺问题。2011年2月3日，国际互联网名称和编号分配机构（ICANN）发布消息称：“最后一批IPv4地址分配完毕，IPv4地址总库已经枯竭。”⑥这意味着，从2011年开始，全球都将面临由于IPv4地址短缺造成的发展受限问题，同时这也促使各国将下一代IPv6互联网的研究、发展和应用提上日程。
相对于目前的IPv4互联网来说，基于IPv6的下一代互联网拥有更先进的基础设施，是更加安全、可信、可控、可管、节能的网络。最重要的是，它拥有足够丰富的网络地址资源。IPv4互联网大约有43亿个地址，而下一代IPv6互联网拥有的地址是现有互联网的1029倍，这就好比在地球表面铺上一层沙子，每一颗沙子都可以拥有一个IP地址。在此基础上，我们能够更加智能地实现人与人、物与人、物与物的互联。
“互联网+”信息基础设施可以概括为“云、网、端”三部分。“云”是指云计算以及大数据基础设施。“网”不仅包括原有的“互联网”，还拓展到“物联网”领域。“端”则是指用户直接接触的个人电脑、移动设备、可穿戴设备、传感器，乃至以软件形式存在的各类应用。“互联网+”的核心是“数据”。人类社会的各项活动与数据的创造、传输和使用直接相关。数据是“互联网+”的基础，包括数据采集、数据传送、数据分析处理及数据应用，而这正是“物联网”的基本特征。尤其是下一代互联网的IP地址近乎无穷，可接入世界任何物体，构成“物联网”。
物联网是一种物际之间的互联网络。物联网产业是我国重点发展的战略性新兴产业，与正在快速发展的下一代互联网、云计算、大数据、移动互联网、智慧城市、信息消费等产业热点密切相关，在工业、农业、交通、医疗、通信、电力、物流、公共安全、城市管理等领域具有十分广阔的需求。物联网是继计算机、互联网之后的又一次技术革命浪潮。目前，我国在一些物联网关键技术领域的研究已从无到有、从小到大，并在芯片、通信协议、网络管理等领域取得了一系列创新成果，形成了一定产业规模，已初步形成环渤海、长三角、珠三角以及中西部地区这四大区域集聚发展的物联网产业空间格局。“赛迪顾问”发布的统计数据显示，2011年国内物联网产业规模为2600亿元人民币，2012年为3600亿元人民币，2013年为4800亿元人民币。在国家政策的大力扶持以及新应用的推广带动下，未来三年国内物联网产业将继续保持快速增长态势。预计到2016年底，国内物联网的产业规模将超过10000亿元人民币，未来三年物联网产业的年均复合增长率可达34.5%，高于国际水平⑦。
物联网产业是一个潜力巨大、关系国家经济转型、具有重大意义的战略性新兴产业。随着我国各级政府的强力推进，物联网产业将迎来快速发展期。但是，也要清醒地看到，我国物联网产业既面临很好的发展机遇，也面临着较为严峻的挑战。主要体现在：第一，我国物联网企业普遍规模较小，缺乏龙头企业带动行业发展；第二，物联网企业融资困难，制约了新技术研究、新产品开发和新业务推广；第三，物联网应用服务商业模式不清晰，用户需求不明确，呈现碎片化；第四，物联网产业链的上下游资源分散，亟待整合；第五，物联网产业应用推进不足，需要政府加强引导；第六，亟待制定物联网相关技术标准与规范。
物联网与“光联万物”
在“互联网+”时代，大数据成为重要的生产要素，而大数据的来源正是物联网。物联网将构建虚拟世界与实体世界深度融合的全新体系，推动人类社会全面进入“万物互联”的时代。无处不在的“光”，可以被用于物联网的感知、接入、传输、交换与互连。光电子技术与物联网应用创新联动、协同发展，通过光感知、光接入、光传输、光互连、光显示、光传能等手段，实现“光联万物”，构成未来智慧世界的网络基础。
“光联万物”是指以光来感知数据、接入数据、传送数据而形成的“光联网”，是“物联网”的形态之一，其具体内涵体现在“光感知”、“光互连”、“光应用”三个方面。光感知，即光电协同、感知万物，主要包括光纤传感、光谱传感、光波导传感、光干涉传感、光触觉传感、光嗅觉传感、光视觉传感等；光互联，即光电融合、互联万物，主要包括光纤光缆、光器件模块、光电集成、光接入系统、光电仪器、光网络、光与无线融合通信等。光应用，即光电应用、智慧万物，主要包括光联家庭、光联社区、光联制造等“光联万物”各行各业的具体应用。
为实现“光联万物”而购建的“光联网”，将包括光感知、光接入、光传送和光应用这四个层面。其中，光感知既可以直接利用各种光学传感器来感知数据，也可以利用普通传感器结合光纤传输来实现数据感知。光接入既包括高速大容量的光纤接入（光纤到户），也包括面向4G/5G移动通信的光与无线融合接入。光传送依托由骨干和城域光网支撑的下一代互联网来实现感知数据的传输与互联。光应用指的是在数据感知与接入传送的基础上，通过构建各种业务服务平台来实现感知数据的各类应用服务。
“光联万物”涵盖的产业领域十分广泛，包括工业应用、工程应用、民用及国防应用等。举例来说，利用光纤传感器，人们已经在航空领域开发出能够实时监测飞机和船体结构损伤的“光纤智能蒙皮”，在交通领域开发出能够实时监测桥梁和隧道安全的“光纤桥隧健康监测系统”，在灾害防御领域开发出能够实时监测滑坡、覆冰、溃堤溃坝等灾害事故的光纤传感系统，在民用安全防务领域实现了光纤大楼安防、光纤门窗安防和光纤周界安防，在城市管理领域建立起城市管网光纤监测系统。随着“光联万物”技术的推进，“光”将进入每一个家庭，越来越贴近百姓生活。据估计，“光联万物”全产业链的市场规模将达到30000亿元人民币，具有十分广阔的应用前景。
图1 “光联网”的体系架构
“光联万物”与“光谷梦”
2001年，武汉东湖新技术开发区被原国家计委和科技部批准为国家光电子产业基地，即“武汉·中国光谷”⑧。经过15年的建设发展，“武汉·中国光谷”从初期的数十亿产值规模到2015年一举迈入“万亿俱乐部”⑨，建设成效极为显著，这里已经成为武汉乃至全中国高新技术产业的一张靓丽名片。 2009年，“武汉·中国光谷”被国务院批准为国家自主创新示范区，是全国114家高新技术开发区中特批的三个国家自主创新示范区之一，建设面积规划达到518平方公里，形成了光电子信息产业、生物医药产业、节能环保产业、高端装备制造业和现代服务业等产业布局，建成了国内最大的光纤光缆、光电器件生产基地，同时也是国内最大的光通信技术研发基地以及最大的激光产业基地。“武汉·中国光谷”光纤光缆的生产规模居全球第二，国内市场占有率为50%，国际市场占有率为12%；光电器件、激光产品的国内市场占有率为40%，在全球产业分工中占有一席之地。
2013年，习近平总书记考察“武汉·中国光谷”时，对光谷的建设工作给予了四个方面的肯定：一是光谷科技成果转化效果明显；二是光谷围绕改革做了不少文章；三是光谷与大学结合紧密，光谷的研究机构多，科技人才多，有自主创新成果，科技成果转化较好，光谷的大学产业化做得不错；四是光谷的产业特色明显，尤其在光电子产业方面特色鲜明。
在“互联网+”时代，“武汉·中国光谷”的光电子信息产业面临着转型升级的机遇和挑战。以“光联万物”为标志的“互联网+物联网”将成为具有光谷特色的升级版光电子信息产业的重要支柱，通过发挥光谷“光”的优势，结合物联网产业的“物联”特色，可以实现“光联万物、创造未来”。“光联万物”将成为物联网领域的前沿热门产业方向，并正在快速从技术开发走向规模化应用，具有广阔的产业发展前景。
长期以来，“光”在信息技术领域一直处于配角地位。以传统的物联网为例，“光”仅仅起到通过光纤通信网络传输数据的作用。而在“光联万物”中，光的功能一直延伸到数据感知层面，即可实现“光到万物”⑩（OTTT: Optics to the things）。数据的感知、接入和传送等过程均有光的参与，由此，光电信息产业真正发挥出了其特色主导优势。
此外，“光联万物”在全球范围内也具有重要的创新意义。目前，国外知名大学和研究机构都已部署了光感知、光接入、光传送、光应用技术等方面的研发。“光联万物”这一概念的提出标志着光谷已经站到了国际创新技术研究的制高点，这对于促进东湖国家高新区新一代光电信息产业的升级换代具有十分重大的意义。
目前，“光联万物”已经被列入武汉东湖高新区全面建成有全球影响力的创新创业中心的“光谷梦”⑪重点实施的五大专项计划之一。武汉市委常委、武汉东湖高新区管委会书记胡立山提出了实现“光谷梦”的“三步走”战略，即：到2020年，建成全球有一定影响力的创新创业中心，建成世界一流高科技园区——享誉世界的“光谷”；到2030年，建设成为全国高端创新要素集聚中心，成为知识创新的策源地、技术创新的枢纽地、创新创业的圆梦地，在光电子信息、生物医药等领域形成2~3个拥有技术主导权的产业集群，成为全球有影响力的创新创业中心；到2049年，走出一条具有光谷特色的创新驱动发展道路，打造创新要素自由流动、特色产业高端发展、园区服务优质高效的生态科技新城，全面建成有全球影响力的创新创业中心。武汉东湖高新区发布的《“光联万物”行动方案》提出实施“互联网+光电子”战略，以光为纽带，推动光电子技术与互联网及物联网应用创新联动、协同发展。通过发展光感知、光互联、光计算、光显示、光能源等关键产业，打造万亿规模企业集群。
在2015年举行的武汉国际光电子博览会上，“光联万物”这一重要战略举措得到了赵梓森、姜德生、丁文华等院士的高度认同，他们认为其既体现了“光电”特色，又突显了“物联”内涵，必将成为武汉光谷“互联网+光电子”产业发展的一面旗帜，将对高新区创新创业和工业倍增产生巨大促进作用。院士及专家们还建议，高新区要高度重视传感器等核心器件，鼓励需求牵引创新研发，加大政府支持力度，将“光联万物”打造成国内外知名品牌⑫。业内人士认为，经过15年的建设，在“武汉·中国光谷”已经诞生了一批在下一代互联网、物联网、大数据、光通信与网络、光线传感网、光制造、光器件、软件等领域能够参与国际竞争的互联网与光电子企业，光谷的光电子产业发展已经走在世界前列，武汉尤其是东湖国家高新区已具备推动“光联万物”战略率先实现和落地生根的基础条件。
在创新研发与产业基础方面，“武汉·中国光谷”的物联网产业技术创新联盟已有80余家会员单位，高新区从事物联网相关产业的企业多达1000余家，已经形成了一部分有特色的“光联万物”创新技术和创新产品，如物联网核心芯片、光纤陀螺使用的特种光纤、光纤光栅工程应用传感系统、光纤智能皮肤、家庭安全防务系统、高速光互连模块、RJ45光互连线缆、智能电力接线夹温度监测以及光谷云接入与云服务平台等，这些新技术和产品已经形成了较大的产值规模，为“光联万物”计划的实施奠定了坚实的技术基础。
在创新平台方面，武汉东湖国家高新区目前已拥有下一代互联网接入系统国家工程实验室、光纤传感技术国家工程实验室、光纤通信与网络国家重点实验室、特种光纤光缆国家重点实验室等国家级研发平台，涵盖“光联万物”的感知、接入、传送、应用各个层面。2012年10月，科技部批准组建“湖北东湖国家绿色光电国际创新园”，并要求：“按照政府引导、企业主导、市场运作的运行机制，培育壮大产业集群，通过国家绿色光电国际创新园区的建设与发展，积极开展国际科技合作，打造激光、光伏、光联网三大产业聚集化发展的国际创新园。”其中，光联网产业基地将着力打造面向绿色信息的光联网产业创新园⑬，为“光联万物”的顺利实施提供产学研用一体化的创新创业合作平台。
在国际合作协同创新方面，以专业化合理分工为基础，以东湖开发区《“光联万物”行动方案》的实施启动为契机，依靠国家和省市政府引导资金及政策，实现多样化、多层次的自主研发与开放合作创新相结合，建立产学研结合的技术创新体系，成为具有国内领先水平和国际先进水平的行业技术创新体系。
按照规划，到2020年，东湖国家高新区将基本形成较为完善的“光联万物”产业生态，在光感知、光通信、激光、地球空间信息等特色优势领域将会诞生一批世界领先的重大技术创新成果，形成一批改变世界的原创性新兴产业和新兴业态，带动区域企业实现总收入30000亿元，为“光谷梦”的实现做出重要贡献。 图2 “光联万物”的应用领域
“光联万物”创造未来
“光联万物”是前所未有的一次跨界创新，涵盖了光材料、光传感、光网络、光通信、光应用等一系列国内领先的产业生态。未来，人们的生活将因“一束光”而产生无限可能。
“光联万物”产业发展需要重点解决项目规划、资金投入、认知体验、创新合作以及推广应用等问题。首先，要做好顶层设计，制定《“光联万物”行动计划》的具体实施方案。其次，采用政府、企业、风投三位一体的模式，筹措“光联万物”创投基金，支持“光联万物”大众创业、万众创新。第三，应建设“光联万物”成果展示和体验平台，支持国内外企业展示最新技术与产品。第四，通过国际合作打造全球领先的“光联万物”人才平台、项目平台、测试平台和创新平台。第五，在市政、安全、家居、制造、社区、健康以及传感器和创新合作等方面支持“光联万物”应用示范工程，例如：（1）光联家庭。综合运用光视觉、光触觉、光听觉等传感产品，开展智能家居、远程医疗、远程教育等示范应用。（2）光联工厂。综合应用光制造技术、光计数技术、光电融合精密位置传感技术，提高生产线、专用设备的精度和智能化控制，利用光纤传感温感、烟感安全监测及示范应用，实现工厂作业环境的实时监控和预警。（3）光联楼宇。综合运用图像感知、视频感知等优势，开展光纤振动传感防入侵、光线声波传感防盗等监测及示范应用，通过摄像头、红外探测器、光线传感器等设备，实现异常事件自动发现和智能预警功能。（4）光联社区。通过安装感知设备、传输设备等，采集社区人、地、物等信息，实现实时监控，对社区内部治安、街道基础设施、街道交通等实施精细化、空间可视化管理，建立社区服务平台，围绕民生、商务、社区管理等提供智能服务。（5）光联健康。结合光纤呼吸/脉搏监测、光纤睡眠质量检测、光纤内窥探测仪等仪器设备，构建远程医疗系统，支持可穿戴设备、“互联网+”医疗诊治设备等技术的研发与应用示范。
结语
在“互联网+”时代，物联网产业已经成为我国重点发展的战略性新兴产业，与正在快速发展的下一代互联网、云计算、大数据、移动互联网、智慧城市、信息消费等产业热点密切相关，在工业、农业、交通、医疗、通信、电力、物流、公共安全、城市管理等领域具有十分广阔的需求。作为推进国家光电子信息产业基地转型升级以及实现“光谷梦”的重要举措，“武汉·中国光谷”推出了“光联万物”的宏伟蓝图。“光联万物”是物联网的重要组成部分，是一个非常具有发展潜力的战略性新兴产业方向。“光联万物”战略的实施将促进光电子和物联网的深度融合，在信息技术、健康安全、智慧家庭、智能制造等领域催生一批原创性新兴企业集群。这将是构成未来智慧世界的基础，也是全球发展的新趋势。届时，虚拟世界与实体世界深度融合，人类社会将全面进入物与物、物与人、人与人的万物互联时代。
“光联万物”将会成为“互联网+”时代光电子信息产业转型升级的一面旗帜，其发展同时面临着机遇和挑战，需要群策群力，产学研用协同创新，才能取得重要技术突破，带动相关产业的发展，实现全方位开创“光联万物”产业及其应用的新格局。
【注释】
【1】陈亮光：《值得回忆的往年轶事——高锟博士获颁诺贝尔奖》，北京：纪念光纤发明50周年大会，2016年。
【2】刘德明：《基于波分多址技术的千兆以太无源光网络》，深圳：中国工程院/中国科学院技术科学论坛，2003年；刘德明：《基于光与无线融合的射频无源光网络》，《中兴通讯技术》，2012年第5期。
【3】刘德明：《互联网+物联网技术创新发展及应用》，深圳：互联网+物联网服务技术创新论坛，2015年；刘德明：《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：《第三次工业革命》，北京：中信出版社，2012年。
【5】李克强：《政府工作报告》，《人民日报》，2015年3月17日，第1版。
【6】王秀玉：《值得载入历史新闻最后一批IPv4地址没了》，光明网，2011年2月4日。
【7】赛迪顾问：《中国物联网产业发展研究报告》，2015年。
【8】百度百科：《“武汉·中国光谷”的发展历程》，2016年。
【9】张珊妮：《光谷企业总收入跨越万亿元》，《湖北日报》，2016年1月19日，第1版。
【10】刘德明：《From “FTTH”to “FTTS”》，中美光纤传感技术研究、发展与应用研讨会，2009年。
【11】张珊妮：《武汉东湖高新区亮出“光谷梦”：建设全球有影响力创新创业中心》，中国新闻网，2015年9月14日。
【12】洪兵：《院士专家热议“光联万物”行动方案 献策中国光谷二次腾飞》，人民网，2015年11月12日。
【13】张珊妮：《打造有光谷特色的升级版物联网产业》，《湖北日报》，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
【作者简介】刘德明，华中科技大学光学与电子信息学院教授、博导，下一代互联网接入系统国家工程实验室主任，中国下一代互联网专家委员会专家，中国光学工程学会光通信与信息网络专家委员会主任。研究方向为光通信与光网络、光纤传感器件与网络、光电子技术、下一代互联网接入技术、物联网技术。主要著作有《光纤光学（第三版）》《光通信信号处理》《光纤技术及其应用》等。
