工业物联网面临的十大挑战

【编者按】聚焦在家庭自动化、可穿戴电子和其他消费电子应用的物联网概念近年势头火热。但物联网在工业方面的应用，例如设备维护预测和供应链整合等方面应用仍不够广泛。为了开发物联网在工业方面的应用潜力，开发者们还需要克服一些重大挑战。

以下是2015年的工业物联网领域可能会遇到的问题与挑战：

安全是首要考虑

几乎所有人都认为安全是工业物联网需要首要考虑的问题。工业互联网联盟成员戴尔公司在其“物联网挑战”清单中，将安全问题置于首位。工业攻击在现代社会变得越来越普遍，如BlackEnergy等恶意软件已在多个SCADA系统中出现。

近期的索尼黑客事件阐明了以下问题：一个公司数据泄露会对公司造成严重的打击。“现在一个连上互联网的公司遭受攻击是一件很普遍的事情。”Aicas公司的市场部营销副总裁David Beberman说，“很多事例已经说明此类攻击对公司的危害。”因此保护连上互联网的设备免受网络攻击和避免物理攻击同样重要。这样的挑战同样出现在在数据分析等云托管领域。企业目前能做到的除了在设计系统的时候考虑安全，还需要考虑设备供应商产品的安全配合；而不是顾忌成本，而做事后的修补。

我们面临的挑战是巨大的，并且可能需要制定和采纳新的行业标准。“控制工程师今天频频采用“空气隔离”系统隔断外部的威胁。”美国国家仪器公司的高级组经理和AVnu联盟成员沃尔特·托德说。“在把操作系统和IT系统连接起来之前，有必要先确定其安全性和稳定性。”

“平台要学会如何与众多的服务和不同领域的数据和相关指令‘交流’。”意法半导体的市场开发主管Oleg Logvinov说。“这就产生了安全性、私密性、身份管理和访问控制的新要求；在许多情况下，这些都会转化为对系统级芯片的需求。这样就需要为芯片搭建新的解决方案，推动物联网发展。”

标准的问题

既然要做工业物联网，那么在不同的设备和系统之间一定会有信息共享和交流的需求。但目前来说，工业控制是由专有接口和特别的设备设计主导。因此如何将这些设备通过一个标准来桥接就成为了一个很重要的问题。

“不同厂商生产的设备需要在物联网之中共同工作，这和物联网在消费领域的‘交流’如出一辙。”Grid Connect的副总裁Adam Justice说。“没有一个公司能够独立解决物联网的问题，因此搭建一个标准是解决工业物联网设备‘沟通’的最正确途径。”他接着说。

目前面临的挑战之一就是有许多公司正在努力创造这样的标准。“那么问题来了，你会加入哪一组？你挑什么标准？谁是你队友？”工业协会互联网项目主管Lynne Canavan说。“其中一个最大的挑战是巩固和协调这些不同的协会，并联合所有制造商来解决安全性、互动操作性、通用的架构等问题。我们的目标是把不同的标准融合成一个公共 - 私人的生态系统，这样的话我们就可以共同为一个目标而努力。”

打破孤岛

工业物联网的一个关键需求是收集和分析其产生的海量数据。这就需要用到包括大数据在内的一系列技术。但目前的信息处理架构遇到了一个瓶颈。在问到执行大数据分析计划会面对的头三个问题可能会是什么的时候。 Accenture在其《工业互联网分析报告》中指出，防止数据采集机制对不同系统间的数据传输产生重大影响，据估计，在采集过程中出错的几率高达36%。此外，前三名的挑战还包括不同的数据的整合和如何应用已产生的数据。”

“工业企业指出，很多时候科学家在检查结果并根据数据集建立预测模型之前，他们已经访问、清洗、处理和整合了机床数据。因此打破组织、数据和系统的孤岛将是一个公司实施大数据战略的必然要求。

采用以数据为中心的设计

工业物联网的问世将要求工业设备开发商改变他们研发设备的思维。他们除了需要执行设备物理功能的开发外，还需要聚焦在产生和接收数据方面。 “每一个东西都将成为数据源和/或融汇在系统级里。“PrismTech企业发展高级副总裁Steve Jennis说。“越来越多的系统将地采用以数据为中心的架构设计，以利于支持分布式分析和增强在边缘和云的控制。”

工作物联网这种专注于数据的做法将促进工业设备市场性的变化。客户对工业物联网产生数据的监控的性能需求将越来越多。“更重要的是，［机械］将变得聪明，充满活力，而不再只是哑，”沃达丰北欧的的负责人Cyril Deschanel如是说。

开发混合的商业模式

工业设备供应商能够借助其以数据为中心的设计为其客户提供新的服务，但是这需要企业将其聚焦产品的目光投向产品的联合服务上来。“这是一种全新的产品制造思维。”Deschanel说。 “你制造它们，但你不出售它们，你出售的只是它们的服务 —— 也就是他们的输出。”

“工业互联网正在对工业的商业模式进行颠覆性的革新。”Aicas营销副总裁David Beberman说。 “对于那些主导的公司来说，他们所面临的挑战是重新思考自己的商业模式，以促进一个以他们产品为核心的生态系统的发展。”

“每个企业做的都是数字业务，”Accenture在其关于非传统行业增长的报告中说。 “工业公司逐渐转变成为客户服务的公司，同时产生新的服务，竞争对手，他们经营企业的新方式将改变产业。数字化服务的方式 为产品信息，交易和专业服务结合提供了便利 。”

设备管理

随着工业物联网的设备预期突破十亿，有效的管理和配置将成为一项十分重要的要求。“通常智能设备的CPU性能、内存和磁盘空间都非常有限，”Aicas公司营销部分副主任David Beberman说道，“技术的难点是让在大型分布式系统中的智能设备有能力在自己有限的资源配置下进行安全可靠的重新配置和重新编程，而且是以一个稳定的，有弹性的工作方式。大多数智能设备具有有限的甚至完全没有重新配置或可重编程的能力。这就限制了将计算延伸到网络“边缘”的能力，也就难以再进一步实现一个灵活动态的工业物联网了。”

功耗效率

随着工业物联网设备的数量级达到十亿，功耗将成为一个无法忽视的显著问题。“各种传感器和执行单元正快速地嵌入到我们这个物理世界之中。”意法半导体公司的Oleg Logvinov说，“由于这些设备的数量以及应用场景的多样性不断增加，功耗及能效问题很快就排到优先考虑的前列。其中的一个热门话题是应用感知混合网络和通信协议以及能够提高电源效率的技术的同时还能保证服务质量和需要的延迟。”

通用的开发环境

“2015年工业物联网面临的主要挑战，”Micrium公司销售和营销部门副主任Mike Kaskowitz说，“基于云计算的开发和嵌入式开发的生态系统有很大不同。大多数嵌入式开发者都是用C语言，并且对硬件的连接和实时计算的约束都有很好的认识；但基于云计算的开发者使用的通常是HTML、Java、C++，和Ruby等等。通常情况下，让一个人来跨越生态系统提供结合嵌入式软件、协议栈和云服务的端至端组合的需要预集成的解决方案是很困难的，而生态系统又对促进工业物联网的发展至关重要。”

“为了加快创新，需要建立能让大量的开发人员创建开发应用的基础和框架”美国国家仪器公司和加入AVnu联盟的Todd Walter补充说。“创建一个共同的分层方法将使算法和分析得到快速发展，因为这样就避免让开发者过多的关注硬件和操作系统。

人才和专家

设计数十亿的设备和为将要成型的工业物联网提供服务支持将需要大量的开发者。此外，分析这些设备获取的数据也需要大量的人力和专家。专业人员的缺乏将成为工业物联网领域一个常见的挑战。

Accenture在其“工业互联网洞察报告”提到，“大约有一半的受访者提到一些专业领域的人才缺乏，包括数据分析与解读、不同数据的收集与整合。”该报告还指出，“然而，事实是，不会有足够的天才进入到大数据分析这个领域中来。当然，人们早就预计到了数据科学家的短缺，同样缺乏的还有能利用大数据进行正确决策的经理人。”

数据的多样性

“一旦数据要进行远程应用，那就对一个统一的数据格式产生了需求，”美国国家仪器公司的高级组经理及AVnu联盟的成员Todd Walter说。“时间同步也将是必要的。为了创建信息还需要获得测量值之间的关系信息，而时间相关性是建立这种关系的最常见方法。”

然而，工业物联网中大量不同种类的设备和应用将会导致大量的结构各异的数据集。其中不仅包括各自不同的数据格式和解释数据的方式（比如：温度就有摄氏度、华氏度和开尔文温度的区别），还在数据质量、采集频率和数据时长等方面存在区别。为了应对这些差异，工业物联网要么应该提供一个共用标准，要么就应该为次设计提供对应的算法。

延伸阅读：MEMS业界巨擘瞄准了工业物联网应用

微机电系统（MEMS）消费应用已经成为众所瞩目的焦点，不过，在工业方面的应用也正迅速发展。如今，业界正定义出一个利用MEMS技术的新型态工业物联网（Industrial IoT；IIoT）领域，包括从资产追踪系统、智能电网到智能建筑自动化等应用，都将为市场带来巨大冲击。

“我认为在未来十年，MEMS消费应用的出货量和收入仍将持续大幅超过工业物联网MEMS市场，”IHS总监暨MEMS传感器资深首席分析师Jeremie Bouchaud表示，“IHS预期在2018年时，全球MEMS消费与移动应用将达到57亿美元，比由工业物联网MEMS市场产生的3.34亿美元收入更高得多。”

然而，所有的MEMS业界巨擘——意法半导体（STMicroelectronics；ST）、博世（Bosch）、楼氏（Knowles）和应美盛（InvenSense）等公司均瞄准了工业物联网应用的成长领域。传统的工业物联网应用包括导航、地震勘探、医疗、军事、航空以及制程控制等，此外，还有一连串的全新工业应用成长速度更快，包括从智能电表到智能家庭到智能城市等。

预计在2018年时，以工业物联网推动的MEMS工业应用将带来3.34亿美元的市场规模。（来源：IHS，2014/12）

IHS预测，全球MEMS工业IoT市场在2013年时约有18亿只，可望在2015年时增加到73亿只，包括独立式节点、控制器以及一系列范围广泛的基础设施应用，从智能卡到商用运输到工业自动化到照明以及医疗保健等。

针对工业物联网应用的硬件装置出货量（来源：IHS，2014/12）

Bouchaud表示，还有越来越多的MEMS工业应用于农业到数据中心等领域。

例如，农耕正变得越来越先进复杂。ADI公司已经出货数十万个加速度计，用于遥测监控系统。汽车的黑盒子以及物品追踪性能也变得较以往更有利于预测推估。这些装置中都搭载了约十颗传感器，至少在这一类的应用中，加速度计是基本需求。业界许多公司都销售惯性传感器，包括ADI、飞思卡尔（F）以及和村田（Murata），均受惠于这一类应用的显著成长动能。

MEMS也在数据中心迅速成长，其中光学MEMS已经从先前采用光交叉连接（OXC）应用的失败中复苏了。Bouchaud表示：“数据库机架结合至丛集（服务器转址域或机架顶端型交换器TOR），连接至数据中心的汇聚服务器或直接连接至主机网络。由于数据与客户端的特性，在数据库以及数据中心TOR的应用方式以及其上的数据流向也不尽同。数据中心服务器层（汇聚层）连接至彼此的丛集或TOR。这是OXC的第一层，用于协助管理大量的光学互连。”

波长选择型开关可重配置光塞/取多任务器（WSS-ROADM）也正迅速普及，而 MEMS时序组件可提供更小型且更准确的频率，用于同步数据传输转换设备。

IHS预测，在这些工业应用中，建筑物自动化将是最主要的收入来源，其次依序是资产追踪、智能电网（包括智能电表）、智能城市、智能工厂、地震监测、无人机以及机器人等。数据中心处理在从IoT装置而来的大量信息时，也将带动对于光纤MEMS的需求，包括从OXC到WSS到MEMS晶圆探棒等。

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