1.2 物联网内涵
物联网（Internet of Things）是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络技术。
1.2.1 物联网相关概念辨析
物联网是新一代信息技术的重要组成部分，其核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络。目前对物联网的概念业界存在很多定义，其最简洁明了的定义为物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。物联网、传感器网络、泛在网之间的关系如图1-3所示。
图1-3 物联网、传感器网络、泛在网之间的关系
1．传感器网络、物联网、泛在网
（1）传感器网络
传感器网络是由许多在空间上分布的自动装置互联组成的一种计算机网络，其目的是将网络覆盖区域范围内感知对象的信息发送给观察者。计算机网络改变了人与人之间的沟通方式，而传感器网络将改变人类与自然界的交互方式，使得人们可以通过传感器网络感知客观世界，扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。
（2）物联网
物联网是将射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等各种信息传感设备，按约定的协议将任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网实现了物与物、物与人的信息交互[7]。早期在高端的食品行业及物流行业应用得较为广泛和普遍，但随着终端设备成本的日益下降，物联网的应用已经不仅仅限于早期的高端食品及物流行业，越来越多的致力于成为行业领导者的企业，为了提高消费者的满意度和忠诚度，增强自身在行业内部的竞争力，开始在电网、农业、家居等行业广泛应用各种先进的物联网技术。与此同时，物联网相关技术也越来越多地服务于交通、环保、医疗等公共事业。
（3）泛在网
泛在网来源于拉丁语Ubiquitous，主要是指无所不在的网络。泛在网的概念由美国施乐公司在1991年首先提出，泛在网概念的提出对信息社会产生了根本性的变革，在观念、技术、应用、设施、网络以及软件等各个方面都产生了巨大的变化。
泛在网将以“无所不在”“无所不包”“无所不能”为基本特征，帮助人类实现4A[即任何时间（Anytime）、任何地点（Anywhere）、任何人（Anyone）、任何物体（Anything）]化通信。泛在网将物体看成可寻址、可语义化、可调用的资源，等同于互联通信网，目的是为了实现物与物、物与人、人与人之间突破时间、地理空间的限制按需进行信息获取、传输、储存、认知、分析、使用等服务，强调人机自然交互、异构网络融合和智能应用。应用的场景有车站、机场、手机联网、掌上电脑无线联网等[8]。
传感器网络、物联网、泛在网各有定位，传感器网络是泛在网和物联网的组成部分，物联网是泛在网发展的物联网阶段，通信网、互联网、物联网之间相互协同融合是泛在网发展的目标。虽然不同概念的起源不一样，侧重点也不一致，但是从发展的视角来看，未来的网络发展看重的是无所不在的网络基础设施的发展，帮助人类实现“4A”化通信，即在任何时间、任何地点、任何人、任何物体都能顺畅地通信。
物联网将解决广域或大范围内的人与物、物与物之间信息交换需求的联网问题，物联网采用不同的技术把物理世界的各种智能物体、传感器接入网络。物联网通过接入延伸技术，完成末端网络（个域网、汽车网、家庭网络、社区网络、小物体网络等）的互联，实现人与物、物与物之间的通信，而传感器网络是物联网的重要实现手段。
物联网从最初一个个单独的网络应用开始，逐渐发展融入一个大的网络环境，而这个大的网络环境就是泛在网。泛在网需要这些信息基础设施实现互联互通，需要资源共享、协同工作，需要进行信息收集、决策分析。泛在网的目标是向个人和社会提供泛在的、无所不含的信息服务和应用；从网络技术上，泛在网是通信网、互联网、物联网高度融合的目标，它将实现多网络、多行业、多应用、异构多技术的融合和协同。如果说通信网、互联网发展到今天，解决了人与人信息通信的问题，物联网则实现网络连接、接入、延伸到物理世界的泛在物联，解决人与物、物与物的通信，通信网、互联网、物联网各自发展是泛在网发展的初级阶段，最终泛在网将是通信网、互联网、物联网高度融合和协同的目标。
2．信息物理系统
与物联网类似，信息物理系统（Cyber Physical System, CPS）是计算、通信和物理过程高度集成的系统，通过在物理设备中嵌入感知、通信和计算能力，实现对外部环境的分布式感知、可靠数据传输、智能信息处理，并通过反馈机制实现对物理过程的实时控制[9]。
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。CPS本质上是一个具有控制属性的网络，但它又有别于现有的控制系统。CPS把通信放在与计算和控制同等地位上，这是因为在CPS强调的分布式应用系统中物理设备之间的协调是离不开通信的。CPS对网络内部设备的远程协调能力、自治能力、控制对象的种类和数量，特别是在网络规模上远远超过现有的工控网络[10]。美国国家科学基金会（NSF）认为，CPS将让整个世界互联起来。如同互联网改变了人与人的互动一样，CPS将会改变我们与物理世界的互动。
（1）CPS概念及特征
① CPS基本概念。
信息物理系统（Cyber Physical System, 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、可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程与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增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式检测或者控制一个物理实体[11]。
CPS支撑信息化和工业化的深度融合，通过集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，构建了物理空间与信息空间中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，实现了系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代和动态优化[12]。CPS的实现具有层次性，可分为单元级、系统级、系统之系统级三个层次，由感知和自动控制、工业软件、工业网络，以及工业云和智能服务平台四大核心技术要素构成。加强CPS技术的研究，推动CPS技术的应用对制造强国战略的顺利实施和提升我国科技实力具有重大的现实意义。
CPS通过3C（Computation, Communication, Control）技术的有机融合与深度协作，实现了计算资源与物理资源的紧密结合及协调。CPS的基本组成包括传感器、控制执行单元和计算处理单元，如图1-4所示。传感器对物理系统信号进行采集，计算处理单元对采集到的数据进行计算分析，控制执行单元根据计算结果对物理系统施加控制作用，通信网络起到数据传输的作用。
图1-4 CPS基本组成
② CPS基本特征。
海量运算是CPS接入设备的普遍特征，因此，接入设备通常具有强大的计算能力。从计算性能的角度出发，如果把一些高端的CPS应用比作胖客户机/服务器架构，那么物联网则可视为瘦客户机/服务器，因为物联网中的物品不具备控制和自治能力，通信也大都发生在物品与服务器之间，因此物品之间无法进行协同。从这个角度来看，物联网可以被看作CPS的一种简约应用，或者说，CPS让物联网的定义和概念明晰起来。物联网主要依托网络中的节点进行通信，人并没有介入其中。感知在CPS中十分重要。物理空间内感知对象的状态信息必须首先由各类型传感器进行采集，才能完成由物理空间到信息空间的信息流动过程。
CPS把计算与通信深深地嵌入实物过程，使之与实物过程密切互动，从而给实物系统添加新的能力。这种CPS小如心脏起搏器，大如国家电网，具有巨大的经济影响力，如家居、交通控制、安全、高级汽车、过程控制。CPS为未来生活带来的潜在价值无法估计。
（2）CPS属性
CPS是物理过程和计算过程的集成系统，人类通过CPS包含的数字世界和机械设备与物理世界进行交互，这种交互的主体既包括人类自身，也包括在人的意图指导下的系统。而作用的客体包括真实世界的各方面——自然环境、建筑、机器等，同时也包括人类自身。
CPS属于分布式异构系统，不仅包含了许多功能不同的子系统，而且允许这些子系统分布在不同的地理范围内。各个子系统之间可以通过有线或无线的通信方式相互协调工作。
CPS具有自适应性、自主性、高效性、功能性、可靠性、安全性等特点和要求。物理构件和软件构件必须能够在不关机或停机的状态下动态加入系统，同时保证满足系统需求和服务质量。比如一个超市的安防系统，在加入传感器、摄像头、监视器等物理节点或者进行软件升级的过程中，不需要关掉整个系统或者停机就可以动态升级。CPS应该是一个智能的、具有自主行为的系统，CPS不仅能够从环境中获取数据，进行数据融合，提取有效信息，还能够根据系统规则通过反馈循环机制实现对物理过程的有效控制。
（3）CPS与物联网的关系
自然界中各种物理量连续变化，而信息空间中的变量往往都是离散的。若要将物理空间中的物理量的状态信息反映到信息空间中，必须首先通过各种类型的传感器将各种自然界的物理量转变成模拟量，再通过模/数转换将其数字化，从而为信息空间所接收。从这个意义上说，传感器网络也可被视为CPS的一部分。
CPS是计算、通信、控制和物理过程紧密结合的复杂系统，其不同于现有的传感器网络和物联网，具有更加复杂的系统结构。现有的传感器网络一般仅限于对局部地区信息的收集，需要布置大量的传感器节点，感测的数据通过无线多跳的形式传输到网关节点，网关节点对数据进行显示和处理，供专门的用户使用，形成一个封闭的专有网络，主要目的是传输物理环境的信息。
物联网试图打破传感器网络的封闭，通过将所有物体连接到物联网，从而形成一个全球物体互联的网络，实现跨地域的信息感知、传输和共享。从整体来说，物联网是一个庞大的系统，通过采用标准化和技术，将底层的各个专有传感器网络的感知信息进行远距离传输和共享。另外，物联网还可以通过RFID技术，存储和标识物体的相关信息，实现“会说话”的物体。
CPS是物联网的表现形式，物联网包含了万事万物的信息感知和信息传输；而CPS更强调反馈与控制过程，突出对物的实时、动态的信息控制与信息服务，CPS是未来物联网应用的重要技术形态。CPS与物联网的区别在于，CPS并不需要实现全球性的互联，而更侧重于某个系统内的实时反馈控制；物体不仅具有感知信息和传输信息的能力，同时具有根据信息进行某种响应的能力；整个系统具有智能处理能力，可以形成闭环，并减少人为参与。CPS与传感器网络的主要区别是，CPS不仅实现从物理环境到人的感知，还加入了对信息的智能判决和对环境的反馈控制过程；系统变得更加复杂，并具有一定的智能性，可以减少人为参与。
1.2.2 物联网关键内涵
根据物联网的定义及其层次结构，可将物联网的精髓归纳为有效的感知、广泛的互联互通、深入的智能分析处理、个性化的体验。
“有效”是指在物联网的数据采集过程中，追求的不仅仅是数据的广泛和透明，更强调数据的精准和效用。所以有效的感知是指当需要得到某个物体的数据时，该物体内和物体周围所存在的一切设备，通过任何可以随时随地提取、测量、捕获和传输数据的设备与系统来采集数据，并将采集到的数据传输到网络层。使用必要的数据获取设备，从人的血压、公司财务数据到城市交通状况等任何信息，都可以被精准、快速地获取。网络层得到所需的数据并进行传输和处理，应用层可以立即采取应对措施。
“广泛”描述的是地球上任何地方任何物体的状态，凡是需要感知和能够感知到的物体，都可以将它的数据传输到物联网中的任何节点，以便共享。广泛的互联互通使物联网能够更好地对工业生产、城市管理、人们日常生活的各种场景，从局部或全局的角度分析问题并实时解决问题，使得工作和任务可以通过多方协作以远程的方式完成，从而彻底改变整个世界的运作方式。
“深入”是指深入分析并有效地处理收集到的数据，以应用更加新颖、系统且全面的方法来解决特定问题。这要求使用云计算、边缘计算、人工智能、模糊识别、数据挖掘等理论及多种分析工具、科学模型和功能强大的运算系统来完成海量复杂的数据分析、汇总和计算，以便整合和分析跨地域、跨行业的数据，并将特定的知识应用到特定行业、场景和解决方案中，以更好地支持决策，对物体实施智能化的控制。
“个性化”是指物联网软件及终端产品本着“以人为本”的理念，针对用户的身份和需求提供个性化的服务。上网本、智能手机、移动互联网设备（MID）、电子书、电视、车载信息娱乐设备（IVI）等多样化的个人终端，都会考量人的个性化需求，辅助用户随时随地处理各种数据。根据个人兴趣、需求和社交网络打造的无缝的个性化体验，使人们在现实与虚拟的场景中实现自己的目标。
总的来说，物联网的精髓就是将“物”和“互联网”全面融合，形成一个网络化、物联化、互联化、自动化、感知化和智慧化的基础设施。通过智能的解决方案，人类就可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，从而达到“智慧”状态[13]。