构建物联网：集体行动框架

赛迪译丛

物联网（IoT）是最重要的新兴技术之一，将对社会产生巨大影响。该报告分析了物联网在架构和标准、安全和隐私保护、实现价值共享、组织发展、生态体系治理五个方面的机遇与挑战，认为物联网缺乏一个权威标准，物联网生态体系中，整体管理较少，而在某些标准层面，彼此对立的规定较多。该报告建议企业和政府应重新思考物联网商业模式，开展多方合作，在学术界与行业之间建立渠道，共享研究和探索成果，以实现可扩展、可持续和有效的物联网，造福全人类。

物联网概述

感知环境、描述环境和对环境做出反应等动物的重要本能正逐渐成为所有人造物品都应具备的重要能力，这一认知即是推动物联网发展的动力。在家庭、企业、政府和系统部署的传感器，可以为智能决策收集数据并对环境做出反应，从而能够为居民创造一个更安全、更可持续、更舒适、更健康和更富裕的世界。

物联网满足了上述需求，且预期增长十分显著。高德纳公司分析，2016年物联网行业每分钟的投资额超过250万美元，预计到2021 年，每小时新增的物联网设备将达到100万台。惠普公司预测物联网机器数的年复合增长率为18%，到2024年将达270亿台。麦肯锡、思科等公司同样认为物联网将在未来10年实现巨大发展。

物联网的出现和发展

物联网近年来的增长归功于十多年来多种技术的同步发展。

第一，工业自动化对经营模式、经济、效益、安全、质量带来了极大的改变。35年前，现代网络协议进入工業领域，满足了自动化所需的连通性，从最初的制造应用协议/技术办公系统协议等形式，发展到后来的Modbus协议、Lonworks协议、CANbus标准和以太网。这些旨在控制工厂的自动化系统被称为“数据采集与监视控制系统（SCADA）”。在汽车系统中，CANbus标准占据主导地位，并成为车载诊断系统的基础。未来几年，近期在传感、组网和数据分析等家庭自动化和消费应用程序等方面取得巨大进步对工业的影响将大大加快。

第二，用户对语音、数据的需求和创新者对特设数据网络的需求推动了许多技术进步。这些技术进步为组网、传感和作动系统创造了新模式。同时，人们对非关键应用程序性能的“较低”期望值，造成创新和架构创意频出，推动大量成本较低、性能更优的系统和零件的涌现。目前，工程师有大量连接方法可用，如低功率无线射频识别、5G技术以及低功率广域网、第六代互联网协议下的低功率无线个人区域网等介于两者之间的技术。

第三，智能手机涵盖了连通性、计算能力和传感器这三个物联网关键元素，推动了一场双管齐下的革命。一方面，智能手机作为手持显示和控制部件，还能提供计算能力，将非智能设备转变为智能设备。另一方面，手机行业使传感器部件实现了大规模商品化。使得如今嵌入式计算更加价廉物美，无线电芯片更是无处不在。无线射频识别的增长使一次性传感器更接近现实。

第四，虽然技术支撑物联网的发展，但人力资源才是根本。能够操纵不同层次计算堆栈的人才的增长以及树莓派等系统的崛起所推动的创客文化，使物联网应用到大量商业产品。目前，工业自动化和网联汽车等较成熟的行业，正在进行物联网创新。比如，特斯拉利用车载以太网，实现了更灵活的物联网方案。

自动化因不但具有无定型、普遍连接、专用、易设计、易使用及易“混搭”等特征，还具有由物联网支持的传感、计算和作动功能的大规模商品化特征，使其成为一种飞速发展的新能力。目前，物联网正在改变工业部门。无论是建造大楼、翻新电厂还是开发油井设备、改造生产线，物联网都是必然要考虑的因素，物联网正成为一种时尚。

物联网是一种新的设计语言

物联网可被看作一种新的设计语言。回想一下在电力普及之前建筑物的设计方式。建筑内需以蜡烛照明，后来使用煤气照明。没有蒸汽泵和压力罐，自来水很难送到高层。电梯和自动扶梯很少见，因为这些需要用人力或动物来驱动。取暖靠火，而制冷几乎不可能。电的发明和应用以及随之出现的泵、电灯、电梯、现代供暖、通风和空调系统等，为建筑师开创了一种全新的设计语言，电力改变了楼房和楼房的建造方式。

同样，对物联网最贴切的认识，是将其视为一种有助于更有效地满足用户需求的新的设计语言。以出租汽车为例，传统租车区通常设在机场和住户附近，租车区内停放数百辆汽车随时可供租用。这种布局原因很简单，因为需要分发和回收钥匙，还必须记录里程数和燃油量。然而，通过物联网，钥匙可以进行电子传输，里程数和燃油量可以远程记录。汽车便可以停放在客户需要的任何地方。这是Zipcar租车公司在创办时发明的一种汽车租赁模式。Zipcar很可能是第一家面向消费者的物联网公司，其利用物联网这种新设计语言重新塑造租车业务。

新概念

物联网有四个组成要素。

第一是连通性。连通性体现在“物联网”的“联”字上，指远程设备操作和数据收集。比如，通过远程操作门锁，房东可使租客进入他的在线出租房屋;建筑工地上气体压缩机可以上传其感知到的电动机的震动等。连通性是一种十分强大的功能，但这只是实现物联网的众多功能之一。

第二是计算能力或智能。智能系统可在一定程度上定制用户体验，而这仅凭连通性是难以实现的。比如，联网智能温度调节装置可感知使用模式，并进行相应的加热或制冷，从而减少能耗;分析压缩机可发现问题并防止故障，将维护从计划或预防模式转变为预测模式等。通用运算平台可改变和利用本地或基于云的各种资源，提供智能的、适应性更强的功能，从而强化用户和供应商间的关系，并提供在非物联的环境下难以捕获的更多信息。

第三是联动能力。物联网能创造单个设备无法提供的体验。比如，前面例子中的智能温度调节装置可联动手机上的GPS功能，确定何时打开加热器，也可联动用户佩戴的传感器，对温度进行微调，从而创造人们最舒适的体验。前面提到的压缩机可联动本地传感器，记录环境温度并帮助诊断过热故障等。

第四是其无缝连接，即连通性、智能和联动性自动而流畅地进行。回到压缩机的例子，进入工地现场的维修工程师被引导到压缩机组处，发送到智能手机上的信息告知该工程师要做的事项，替换零件已备好，在下一轮班开始前，工程师便能进行快速维修。维修工程师即将离开时，还会提醒工作人员工地温度高于规定，并向其推销具有更佳制冷效果的压缩机组。

主要挑战和机遇

物联网生态不断发展，人们对技术的接受程度日益提高，人们对新功能的渴望不断增强，并催生了拥有全新业态、模式和产品的新型企业。但是，这些技术的全面去中心化应用也引发诸多问题。物联网生态体系面临的挑战，主要包括实现方式、交互性和本质属性。这些挑战部分来自于技术，部分则来自于政策，部分与监管制度有关。为确保实现最好的社会效益，应从更宏观的角度看待上述问题。

架构和标准

物联网迫切需要考虑架构的颠覆。目前，两种主要模式正在形成。

第一种模式主要由云联网（Cloud Things）、数字孪生（Digital Twins）和数字镜像（Digital Mirroring）等概念组成。其基本设想是现实世界中的物联网对象能被镜像到云端。目前，镜像的范围、云平台提供的控制、驱动、保护能力和其他附加功能正在飞速发展，通信本身可以在云平台中的镜像之间进行，而不是在实际的物联网设备之间进行。

第二种模式是边缘计算（Edge Computing）和雾计算（Fog Computing）。其基本思路是，一些计算在本地进行，从而确保响应性和节省带宽，而一些大型计算需要在云端进行。

理想架构需要利用测试平台不断迭代和优化。测试平台对于良好架构的开发非常有效，而且常常十分必要。在物联网领域，工业互联网联盟（IIC）根据应用案例和业务需求，围绕测试平台的开发开展了一系列活动。

架构与标准密切相关。架构定义了接口和接入点，围绕这些接口和接入点可以制定相关标准。在物联网领域，WiFi、蓝牙、Zigbee技术、6LowPAN和无限射频识别（RFID）技术正在竞争终端接口的地位。与此同时，低功率广域网络等新方法正使远程低功耗物体的连通性达到前所未有的水平。上述协议具有不同的功耗、带宽、范围和延迟，因此都能在市场中占据一席之地。由于缺乏权威标准，物联网领域目前仍处于混战状态。

架构和标准的其他相关问题还有：如何生成数据、如何使数据在应用程序/设备之间转移，以及如何支持数据重复使用。数据可移植性和可重復使用对于降低运营成本及改善应用程序和服务功能至关重要。麦肯锡指出，到2025年，实现互操作性有助于释放物联网超过4万亿美元的潜在经济规模（即占11.1万亿美元经济效益的36%）。然而时至今日，这类标准并不多见。

安全和隐私保护

安全与隐私保护息息相关，但关注点有所不同。隐私保护与个人身份信息（PII）相关，安全问题涉及保护设备和保护云免受第三方攻击。

物联网从根本上拓宽了个人身份信息在计算机系统上的暴露范围，从而提高了其受到攻击的概率。目前，构建和维护物联网体系很复杂。即使某个独立的系统安全性能得到保障，但如果未来连接到了其他系统，薄弱环节和新的攻击面可能随之出现。

随着物理和数字系统的融合，物联网生态体系中出现意外事件的风险日益严重。技术领域面临着前所未有的挑战。除了常见的木马硬件、恶意软件，工作流程与物联网功能的简单融合也会带来的风险（一个普通阀门明天可能接入一个嵌入式计算机）。与其他平台不同，物联网的安全问题和网络安全问题因素相互交织在一起。

在物联网开发初期，我们就必须考虑安全和隐私保护问题。一个系统只要具有电子控制模块，即便它只是间接接入互联网也很容易受到攻击。解决安全问题的另一个困难是：没有足够的物联网测试平台，也没有如前所述的以参考架构形式取得的成熟经验。新的安全和隐私保护方法可能带来帮助，如“认知防火墙”（Cognitive Firewall）。

个人和企业常常会拒绝采用物联网，是因为人们对当前的隐私保护措施缺乏信心。识别和信任是确保物联网可持续发展的基础。例如，必须能够证明安装在网络上的物联网阀门已经过认证，且应该能够证明安装阀门的人员是经过授权的。但是这一流程相当复杂，超出了目前的安全协议概念。不仅如此，在物联网中，还需要身份识别以确定谁已获授权。这种身份识别尚未清晰界定，导致了不同的工作惯例，并形成了潜在的安全漏洞。

物联网另一个问题是，系统之间隐性连接数量可以不断增加。可视化工具有助于终端用户了解其数据流问题，如共享了哪些内容、与谁共享，以及共享的目的是什么。如果用户能查看哪个设备在何时与哪个设备进行通信，就有助于建立理解和信任。

除了隐私保护和安全外，还有些问题与政策相关。欧盟新的《通用数据保护条例》制定了具体指导方针，提高了隐私保护的标准。

实现价值共享

对利润的追求阻碍了物联网的应用。对于单个组织而言，技术早期的投资回报率极难计算。首先，许多投资回报率计算必然趋于保守。其次，早期的投资回报率分析往往局限于个别项目的收益，而从整体上来看，物联网等技术有望带来更多收益。最后，客户的参与度和意想不到的收益等问题往往难以计算，因此这种收益常被人们所忽视。

发展物联网的第二个障碍是整个生态体系的价值分配。超高频无线射频识别技术遇到的发展障碍，就是一个典型例子。物联网需要建立一种生态体系观念，即寻求更大的利益、总结成功案例并获取成熟经验，从而为希望涉足物联网的早期探索者提供案例和信心。

在公共基础设施建设方面，上述问题尤为突出。目前，智能电网、水表等价值实现都取决于对物联网基础设施的重要投入。然而，很少有政府具有相应的财力。公私合作（PPP）是一种非常有效，且经济上可持续的方式，吸引投资和企业，改善城市设施并造福社会。因此，需要为PPP提供模板和成熟经验，以确保合作关系正常运行并获得收益。

物联网的终极优势是实现可持续发展。世界经济论坛与IoT Analytics机构合作进行的一项分析指出，84%的物联网应用目前正在解决或有望解决可持续发展问题。为实现这一宏伟目标，需要从跨行业和跨国家视角进行更广泛的系统思考，而不是只关注眼前利益。

组织发展

物联网将给不同组织带来积极和消极影响。物联网不会给不同部门带来同一比例的收益，因此管理者需要专注于企业的整体成功，需要下定决心应对这些变化。面对挑战，企业的领导力将至关重要，而对失败的容忍度将成为决定性因素。

物联网也有望影响企业的商业模式。例如，意识到未来的制造业将被服务型制造所取代的趋势，福特公司收购了旧金山的巴士公司Chariot，旨在测试将运输业转变为服务业，通用电气公司的做法也与此类似。诸如此类的举措将改变企业的激励机制、工作内容和技能需求，这也需要更有才能的经理人。

物联网将拉大企业间、国家间的技能差距。物联网对新兴的零工经济带来更多挑战。传统信息技术技能只能部分转化到物联网领域，而了解关于物联网的协议、硬件、安全性、隐私保护和云平台是普通零工经济从业者转变为物联网从业者的基本要求。

物联网的出现还涉及新的手册协议、系统、检查和各种技能清单。开发这些新程序将需要大量工作，与此同时，还要开展培训活动。然而，随着技术的飞速发展，不断更新这些协议和程序将成为新常态。

新技术还需要新的客户行为模式。企业的产品供应现已成为更大生态系统的一部分，因此与该生态系统的整合变得更加重要。

提高技能是物联网革命的一个核心内容。物联网在带来挑战的同时，也带来了巨大机遇。利用新的教育方法（如在线教育），结合新的教育模式，有可能造就一批新的员工骨干和创新者，使他们在新的物联网世界获得收入丰厚的创造性工作岗位。

生态体系的治理结构

物联网生态体系面临一个特殊的问题：整体管理较少，而在某些标准层面，彼此对立的管理规定较多。因此，物联网迫切需要加强合作、自我管理、自我认证、积累成熟经验、制定多国协议和自我监督。对于万维网来说，万维网联盟（W3C）也起到了这样的作用。同样，知识共享促进并规范了创意作品的共享和再利用。

物联网集体行动框架建议及结论

建议

物联网应被视为全新的设计语言，而非仅仅被视为一种渐进性改善。无论是在组织内部，还是在跨组织、跨行业和跨国家层面，自上而下的领导方式最为有效。各个组织必须做好试验、学习、改进和参与的准备，并借助现有标准、政策和举措，开展安全的小型试验，才能率先取得研究进展。

架构和标准。一是物联网的使用将不断增加。企业应该考虑行业的发展方向，确保物联网架构的扩展性和持久性，并能对整个系进行升级和维护。二是在规划物联网系统架构时，应重点考虑物理对象是否能够进行数字孪生，并考虑云计算与边缘计算（和边缘通信）的比例。三是根据范围、功率、延迟、带宽方面的具体需求采用不同的通信标准。

安全和隐私保护。一是应创建基于安全方法的参考架构。必须对安全和隐私保护问题提前做好规划。二是随着网络世界和物理世界的融合，将需要新的安全和隐私保護方法。与主要大学和行业合作研究，不断更新思维。三是身份识别、访问控制、身份验证、数据所有权和数据使用需要明确的、以用户为中心的策略。四是做好紧急预案。如何处置设备故障？设备更换需要哪些技术和人员协议？防止恶意人员（包括员工和顾问）以及木马硬件和软件的协议有哪些？新的隐私保护技术在物联网领域能发挥重要作用。

实现价值共享。一是应整理记录跨行业、跨部门和跨组织的使用情况，并制定相应的路线图。实现所有相关方（包括最终消费者）的价值共享至关重要。二是需要激励供应商创建可互操作的硬件、软件和数据标准，以便生态体系的所有成员都能从中受益。占地为王的错误思想将限制行业的自我发展。三是PPP有利于发挥政府和企业的优势。由于物联网覆盖面广、规模大和可扩展性强，与许多传统行业相比，物联网涉及的参与方更多。

组织发展。一是物联网将使组织和生态系统发生颠覆性变化。物联网将改变经营模式、个人激励机制和组织边界。二是需要制定基于物联网的人力资本发展战略。物联网是新的设计语言，掌握物联网语言的人才是关键。应采用新技术（如虚拟现实和增强现实）培训新员工，满足零工经济时代对劳动力日益扩大的需要。三是劳动者需要大量再培训，应对技能不足的现象。应考虑采用先进的培训理念，包括在线课程、研讨班等。

生态体系的治理结构。一是需要建立物联网生态体系治理委员会。该委员会的重点和目标应是确保可持续性和实现价值共享。还需要建立安全观察站，以便各行业和部门共享指导原则、标准、参考架构、测试平台、成熟经验，并能及时发出预警。二是应建立一个全面的哲学框架，思考物联网环境下的安全和隐私保护问题。与学术界合作完成该哲学框架是最优选择，重新思考物联网的应用。三是在展开全面竞争前，人们应制定具有高度共识的路线图。与工业互联网联盟和国际物品编码协会等行业组织密切合作，是实现多方参与的关键。四是应鼓励和开发新的跨行业培训标准、认证和证书，以实现共同学习和进步。

结论

物联网有望改变整个规则，并对企业和社会产生重大影响。物联网也为改变生态系统提供了机会，从而改革企业和政府，并进而改变整个社会。

物联网的价值很难量化，但无论如何，物联网都将对经济和社会带来巨大影响。通过建立伙伴关系，提升社会整体水平，物联网有望为各参与方带来丰厚回报。物联网的健康发展，有望使人们的日常生活更安全、更有效、更方便，并使整个世界更具可持续性、更幸福、更友好。物联网如同一种全新的设计语言，其连通性、计算能力、传感和联动能力能为人类创造更好生活。

尽管如此，物联网层次繁多，参与方众多。不同参与者的行动并不协调。物联网实验室、初创企业和大公司取得的技术进步虽然令人兴奋，却尚未成熟且常常各自为政，并存在受到严厉监管的风险。而在监管缺失的情况下，企业获取先发优势的行动可能对行业产生不利影响，而不完善的产品可能导致企业合作关系和消费者认知的破坏。在许多情况下，物联网领域必须通过合作来评估和避免各种委托代理问题。例如，政府官员可能希望实现广泛的标准化，而技术供应商可能偏爱个性化标准。现在，物联网领域迫切需要多方参与，包括企业、行业、政府、标准化组织和民众。

物联网的重大问题包括隐私、安全、信任、可持续性和用户指导原则等。这些问题需要综合解决，而不能各个击破。数字系统和物理系统的融合需要终端用户的信任和授权。物联网数据十分丰富，意味着数据透明度与可靠的硬件或传统网络安全一样重要，以便参与者控制数据所有权和数据共享范围。领导者需要重新思考行动规范，并以安全、可扩展和有效的方式挖掘物联网的潜力。企业和非企业组织应具有清晰的愿景，把物联网应用作为管理层所考虑的优先事项，并围绕新的物联网愿景重新调整组织结构。每个组织内部必须团结一致，并与其他组织并肩合作，打造良好的物联网生态。这些组织必须拥有适应能力强的团队，保持积极开拓的意愿，拓展全球视野，并纳入更多学科，实现优势互补。

国际物品编码协会和工业互联网联盟等行业组织应充分考虑如何实现零售和实体产业融合。此外，应组建一个跨行业委员会，来应对各项问题和挑战。世界经济论坛则为各方达成广泛共识提供了机遇。物联网有望彻底改变人们的工作、生活和娱乐，以及消费、销售和互动方式。

物联网如同一种新的设计语言，一条通向更美好未来的康庄大道。人们必须在物联网这一语系中创造更多词汇和语法，以确保物联网的发展能趋利避害，最大程度地造福人类社会。