物联网：数字化转型的驱动力与挑战

1. 物联网概述

物联网（IoT）是当下备受瞩目的数字技术，它有望为企业带来巨大价值。简单来说，物联网就是通过互联网将各种设备连接起来，使它们能够相互通信，并与不同的系统和应用程序交互。以智能冰箱为例，借助物联网技术，冰箱可以告知我们牛奶已用完，若内置摄像头检测到没有牛奶或牛奶已过保质期，还能给我们发送信息。

物联网是硬件和软件相互协作的产物。其硬件包括用于远程仪表盘的设备、控制设备、服务器、路由设备和传感器等，这些设备负责管理系统激活、动作规范、安全、通信和检测等关键任务和功能，以支持特定的目标和行动。软件则用于从硬件设备收集数据，通过平台、嵌入式系统和中间件解决网络和行动的关键领域问题，负责数据收集、设备集成、实时分析以及物联网网络内的应用和流程扩展，并与关键业务系统（如订购系统）集成以执行相关任务。

1.1 物联网的常见类型

在物联网领域，工业物联网（IIoT）和医疗物联网（IoMT）是两个广泛使用的概念。IIoT 是制造业技术中自动化和数据交换的当前趋势，涵盖网络物理系统、物联网和云计算，推动了“智能工厂”的发展。IoMT 则是医疗设备、软件应用以及健康系统和服务的互联基础设施。无论是 IIoT 还是 IoMT，信息技术（IT）系统与运营技术（OT）的集成都是首要任务，即 IT - OT 集成。

1.2 物联网市场规模

据预测，企业和汽车物联网市场的端点数量将持续增长。2019 年底预计有 48 亿个端点在使用，较 2018 年增长 21.5%；到 2020 年将增长到 58 亿个端点，较 2019 年增长 21%。端点是指作为互联网连接产品或服务一部分执行功能或任务的物理计算设备，如可穿戴健身设备、工业控制系统、汽车远程信息处理单元或个人无人机等。其中，公用事业将是物联网端点的最大用户，2019 年端点总数达 11.7 亿个，2020 年增长 17%，达到 13.7 亿个，预计电力智能计量（包括住宅和商业）将推动公用事业对物联网的采用。2020 年，物理安全（如建筑物入侵检测和室内监控）将是第二大物联网应用场景。

1.3 物联网生态系统的核心元素

物联网生态系统由四个核心元素组成：
- 数据收集 ：从传感器等数据源检索数据，利用特定协议帮助传感器连接到实时、机器对机器网络，收集多个设备的数据并按设置进行分发，也可反向将数据分发到设备，最终将所有收集的数据传输到中央服务器。
- 设备集成 ：设备集成软件将所有设备整合在一起，形成物联网系统的联合体，确保设备之间的必要协作和稳定网络。
- 实时分析 ：这些应用程序从各种设备获取数据或输入，将其转换为可行的行动或清晰的模式，供人类分析。它们根据不同的设置和设计分析信息，之后手动或自动采取某些行动。
- 应用和流程扩展 ：应用程序扩展现有系统和软件的覆盖范围，实现更广泛、更有效的系统。它们集成预定义的设备以实现特定目的，如允许某些移动设备或工程仪器访问，支持提高生产力和更准确的数据收集。

2. 运营技术（OT）与信息技术（IT）

2.1 运营技术（OT）概述

运营技术（OT）主要涉及重型机械、人员安全等方面，对停机时间、错误和安全问题几乎零容忍，因此一直以高度规避风险的方式运行。工厂中的机械设备无法像 IT 系统那样快速升级或更换，一旦购买将使用多年，这给部署新的创新理念以提高效率带来了障碍。此外，大多数机械设备全年无休地运行，为进行升级或修改而停止设备运行几乎是不可能的任务。

在面向消费者的 OT 领域，近年来取得了巨大进展，如从使用模拟手机到如今几乎人人使用智能手机，从驾驶手动汽车到许多人转向电动或自动汽车。然而，非面向消费者的 OT 领域变化甚微，例如采矿业几十年来仍在使用锤子、凿子、镐和铲子，制造业仍在使用传送带、喷漆机器人和焊接机器人等。这种缺乏变化的原因主要有以下三点：
- 安全 ：安全在 OT 领域至关重要，旨在预防或减少工作场所的伤害、疾病和死亡，对安全妥协零容忍。
- 可靠性 ：可靠性是指组件（或整个系统）在其设计环境中运行时，在指定时间段内执行其功能的概率。
- 变更或升级的成本和风险 ：机械设备的变更成本很高，且由于对机械设备的停机时间要求极低，升级也难以管理。此外，升级错误可能导致可靠性问题，因此 OT 领域倾向于避免快速补丁、软件更新等，以免引发安全或可靠性问题。

2.2 IT 与 OT 的区别

IT 系统用于以数据为中心的计算，包括使用计算机、存储、网络设备、其他物理设备和基础设施，以及创建、处理、存储、保护和交换各种电子数据的流程。OT 系统则用于监控事件、流程和设备，并在企业和工业运营中进行调整。OT 设备控制物理世界，而 IT 系统管理数据。IT 团队通常包括数据分析师、数据科学家、开发人员和测试人员等角色，OT 团队可能由工厂经理、生产经理甚至农民组成，他们负责生产食品、控制油气过程、从地下抽油或维护公司卡车车队等。

2.3 IT - OT 集成

IT - OT 集成是 IT 系统与 OT 系统的融合。目前，OT 与 IT 的集成程度有限，但随着物联网技术的兴起，如智能电表和自我监控变压器的应用，以及生产线和农场设备配备传感器，企业有必要优化机器、应用程序和基础设施收集、传输和处理数据的方式。正确实现 IT - OT 融合可以使企业更快地解决关键问题、做出明智的业务决策，并在物理和虚拟系统中扩展流程。

IT - OT 集成的架构可以用一个简单的框图表示，包括两个 IT 层和两个 OT 层。IT 层包括企业资源规划套件（如客户关系管理和销售应用程序），数据从这些工具和软件路由到数据和报告层进行报告。OT 层的监控和控制设备（MCE）层是实际生产或处理发生的地方，如汽车制造或采矿，由监控和数据采集（SCADA）系统进行控制和监控。SCADA 系统是一个软硬件结合的系统，允许工业组织进行以下操作：
- 本地或远程控制工业过程；
- 监控、收集和处理实时数据；
- 通过人机界面（HMI）软件直接与传感器、阀门、泵、电机等设备交互；
- 将事件记录到日志文件中。

此外，产品生命周期管理（PLM）工具也是 MCE 层的一部分，用于管理产品在整个生命周期和供应链中的设计、工程、制造、销售和服务所涉及的数据和流程。作为物联网的一部分，这四个层相互集成，实现 IT 和 OT 之间的无缝数据和信息交换。

2.4 物联网生态系统核心元素流程图

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    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(数据收集):::process --> B(设备集成):::process
    B --> C(实时分析):::process
    C --> D(应用和流程扩展):::process

3. 物联网面临的三大挑战

3.1 业务战略

许多企业在物联网之旅中，通过识别物联网用例并选择技术来实现这些用例，但这种零敲碎打的实施方式往往会导致失败。物联网实施不是单纯的技术举措，而是需要通过业务战略来推动的业务举措。

3.2 物联网安全

物联网意味着 IT 和 OT 的融合，这是 IT 行业的新兴趋势且日益普及。未来几年，物联网将成为标准。然而，安全和隐私是当前面临的最大挑战，因为物联网涉及大量收集人们和企业个人数据的设备和传感器，这些数据随后会传递到 IT 系统。例如，智能电表可以知道人们何时在家以及使用哪些电子设备。一些专家认为，在物联网生态系统的早期阶段，对安全和隐私的构建投入不足，甚至有黑客成功攻击了从连接的婴儿监视器到自动照明和智能冰箱等一系列设备，以及交通信号等城市系统。

2018 年的一项调查显示，55%的 IT 专业人员将物联网世界的安全列为首要任务。从企业服务器到云存储，网络犯罪分子正在 IT - OT 生态系统的多个环节寻找利用信息的方法。截至 2021 年，许多安全挑战已得到解决，但仍有很长的路要走。目前，黑客尚未在攻击 OT 设备上投入太多精力，因为全面使用物联网的企业和人员还不多，但随着企业在日常业务中更多地利用物联网，这将成为网络犯罪分子的新焦点。因此，安全是物联网实施中需要解决的重要元素，好在该领域已经发展出了一些成熟的实践方法。

3.3 物联网互操作性

互操作性是指产品或系统能够与其他产品或系统在当前或未来进行无限制的实施或访问的特性。在物联网领域，互操作性仍然是一个重大挑战。由于物联网的异质性，互操作性问题可以从不同角度看待。就像在现实世界中，人们使用不同的语言，但可以通过翻译或使用共同语言进行交流一样，物联网中的各种元素（设备、通信、服务、应用程序等）应该能够无缝协作和通信，以实现物联网生态系统的全部潜力。

物联网的互操作性涵盖从设备互操作性到网络互操作性、语法互操作性、语义互操作性和平台互操作性等多个层面。尽管物联网供应商提供了一些解决方案，但距离完美仍有很大差距，挑战依然存在。行业试图通过标准化来解决物联网互操作性挑战，已经有一些努力致力于为不同供应商拥有的物联网设备、网络、服务和数据格式建立互操作性标准。欧盟也在 H2020 计划下资助了多个专注于物联网平台联合的研究项目，但相关标准的完全达成和接受可能需要很长时间。不过，如果物联网项目规划得当，互操作性问题是可以解决的，从而确保当前构建的解决方案具有未来适应性。需要注意的是，互操作性应针对特定行业，而非跨行业追求，否则可能导致物联网实施失败。例如，为医疗物联网（IoMT）构建的网关应能够与为医院构建的传感器和设备进行通信，而无需与制造业中使用的传感器和设备互操作。

3.4 物联网设备通信协议差异

物联网由各种设备组成，这些“智能对象/事物”包括高端设备和低端设备。高端物联网设备如智能手机拥有足够的资源和计算能力，而低端物联网设备如 RFID 标签和低成本小传感器在能源、处理能力和通信能力方面受到限制。这些设备使用的各种通信协议是互操作性的关键挑战，一些设备使用 Wi - Fi 技术和 3G/4G 蜂窝通信进行通信。

3.5 物联网挑战列表

挑战类型	具体描述
业务战略	零敲碎打实施易失败，需业务战略推动
物联网安全	涉及大量个人数据，面临黑客攻击风险，安全构建待加强
物联网互操作性	因设备异质性和通信协议差异，实现难度大，需标准化解决

综上所述，物联网作为数字化转型的重要驱动力，虽然具有巨大的潜力，但也面临着业务战略、安全和互操作性等诸多挑战。企业在实施物联网项目时，需要综合考虑这些因素，制定合理的策略，以确保项目的成功实施。

4. 物联网挑战的应对策略

4.1 制定合理的业务战略

企业在开展物联网项目时，应避免盲目地进行零敲碎打式的实施。具体操作步骤如下：
1. 明确业务目标 ：确定企业通过物联网想要实现的具体目标，如提高生产效率、降低成本、改善客户体验等。
2. 进行全面规划 ：从整体上规划物联网项目，包括涉及的设备、系统、数据流程等，确保各个环节相互协调。
3. 建立跨部门团队 ：由 IT 团队和 OT 团队共同组成项目团队，促进双方的沟通和协作，确保业务战略能够得到有效执行。
4. 持续评估和调整 ：在项目实施过程中，不断评估业务战略的有效性，并根据实际情况进行调整。

4.2 加强物联网安全保障

为应对物联网安全挑战，企业可以采取以下措施：
1. 建立安全体系 ：从设备、网络、数据等多个层面建立完善的安全体系，确保物联网系统的安全性。
2. 进行安全培训 ：对员工进行安全培训，提高他们的安全意识，避免因人为疏忽导致安全漏洞。
3. 采用加密技术 ：对传输和存储的数据进行加密，防止数据泄露。
4. 定期进行安全审计 ：定期对物联网系统进行安全审计，及时发现和解决潜在的安全问题。

4.3 解决物联网互操作性问题

针对物联网互操作性挑战，可以按照以下步骤进行解决：
1. 选择合适的标准 ：关注行业内的标准制定情况，选择符合企业需求的标准，确保设备和系统之间的互操作性。
2. 进行设备测试 ：在引入新设备或系统时，进行充分的测试，确保其与现有设备和系统能够正常交互。
3. 采用中间件技术 ：利用中间件技术来实现不同设备和系统之间的连接和数据交换。
4. 参与标准制定 ：企业可以积极参与行业标准的制定，为推动物联网互操作性的发展贡献力量。

4.4 应对策略流程图

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(制定业务战略):::process --> B(加强安全保障):::process
    B --> C(解决互操作性问题):::process

5. 物联网的未来发展趋势

5.1 更广泛的应用领域

未来，物联网将在更多领域得到应用，如智能城市、智能家居、智能农业等。在智能城市中，物联网可以用于交通管理、能源管理、环境监测等方面；在智能家居中，用户可以通过手机等设备远程控制家电、照明等设备；在智能农业中，物联网可以帮助农民实时监测土壤湿度、温度等信息，提高农业生产效率。

5.2 与其他技术的融合

物联网将与人工智能、大数据、云计算等技术深度融合。人工智能可以对物联网收集的数据进行分析和处理，挖掘数据背后的价值；大数据可以存储和管理海量的物联网数据；云计算可以为物联网提供强大的计算和存储能力。

5.3 更高的安全性和可靠性

随着物联网的发展，安全和可靠性将成为更加重要的因素。未来，将会有更多的技术和措施用于保障物联网的安全和可靠性，如区块链技术可以用于确保数据的真实性和完整性。

5.4 未来发展趋势列表

发展趋势	具体描述
更广泛的应用领域	在智能城市、智能家居、智能农业等领域得到更多应用
与其他技术的融合	与人工智能、大数据、云计算等技术深度融合
更高的安全性和可靠性	采用更多技术和措施保障安全和可靠性

6. 总结

物联网作为数字化转型的重要驱动力，具有巨大的潜力和发展前景。它通过连接各种设备，实现了数据的收集、传输和分析，为企业和社会带来了诸多好处。然而，物联网也面临着业务战略、安全和互操作性等挑战。企业在实施物联网项目时，需要制定合理的业务战略，加强安全保障，解决互操作性问题，以应对这些挑战。同时，随着技术的不断发展，物联网将在更多领域得到应用，与其他技术深度融合，并且安全性和可靠性也将得到进一步提高。我们有理由相信，物联网将在未来的社会发展中发挥更加重要的作用。