【Altair白皮书】如何有效地对物联网进行数字化
本文摘要（由AI生成）：
本文概述了物联网技术的发展趋势、挑战与机遇，强调了物联网从小规模试验向大规模消费部署的转变，并指出标准化缺失和试验规模扩大难题为当前挑战。文章展望了物联网市场的增长前景，并提及了NB-IoT、LoRa等新技术为物联网连接提供多元选择。物联网的设备、网 关、云端三大要素及其互操作性至关重要。Altair方法简化了物联网部署，并展示了物联网在互联车辆等领域的应用案例。文章还讨论了物联网的新业务模式，如按需付费，预示着巨大的市场潜力和增长机会。
简介
物联网 (IoT) 技术正在走向成熟。目前，许多行业都面临从小的试验部署、验证向主流、高容量消费部署的挑战。此类需求与有限试点项目极为不同，相关行业需要具备足够的技术能力，灵活增添设备和用户，最终实现大规模经营。然而，标准化的持续欠缺成为满足物联网服务和应用程序加快上市需求的阻碍，灵活实现扩大试验规模也面临重重困难。
在物联网发展的这一阶段，各行业能够有能力进行试验和实验，而避免成本的失控是至关重要的。没有人愿意进行一次性投资来支持未被证明是成功的用例。然而，如果不启动服务，则无法判断其是否可行。因此，灵活的技术和连接平台是拓展物联网服务和应用程序应用范围的基本要求。
积极的一面是，现有技术能够支持各行业的试验以及实施的大规模物联网部署，尤其是连接的车辆、智能能源和工业物联网。高德纳咨询公司针对市场增长率提供了普遍积极的预测结果，截至 2020 年将部署208 亿台物联网设备。这些设备收集并通信的数据必将有助于研究公司 IDC 实现价值预计高达 2030 亿美元的大数据市场。
物联网机遇的规模和范围巨大，研究公司 MarketsandMarkets 的报告指出，物联网市场规模预计将由 2016 年的 1570.5 亿美元增至 2021 年的 6617.4 亿美元，2016 年至 2021 年的复合年增长率将达 33.3％。
在物联网获得引导走向腾飞的同时，整个商业环境中的数字化规模也在不断扩大。公司需要协助加深运营和物联网的数字化程度，而物联网传感器收集的数据将发挥至关重要的作用。然而，部分复杂的技术难题亟待解决，力求实现数字化以及物联网项目取得丰硕成果。除设备、网 关和云技术选项外，各行业还需寻觅新一波连接选项。随着 2G 网络逐步退出历史舞台，新兴技术（如窄带物联网 (NB-IoT)）开始兴起，其中包括低功耗广域网技术(LPWAN)，如 LoRa、窄带物联网 (NB-IoT) 和 Zigbee 以及 3G、4G 和 5G 连接的传统 GSMA 蜂窝系列。
选择范围扩大并且缺乏互操作性的危险可能阻碍各行业付出的努力，但只要加以留意并选择正确的基础技术，获得成功的潜力极大。
最新一代限位开关和传感器 - 在兼容既有产品范围的同时，提供无线和无电池功能
平板电脑的天线设计需要考虑众多复杂要求，例如多频段应用、紧凑型设计、有限天线空间以及天线周围的复杂环境
动态数字演示（也称“数字孪生”）使用传感器数据生成机器镜像，从而在改进操作的同时了解并优化其性能
物联网三大关键要素
除连接性外，三大核心要素是各行业充分利用庞大物联网不可或缺的条件。其中包括：
1. 设备
设备对于有效收集数据和控制相关功能（如执行器），从而实现自动化发挥绝对至关重要的作用。随着部署的激增，越来越多的设备进入开发阶段，以处理特定应用类型。例如，连接汽车设备所需的属性。该设备需要良好的连接性、天气和过热保护以及较长使用寿命 - 理想的车辆寿命长短不同于垃圾桶中传感器所需的属性，原因是垃圾桶仅在装满并需要清空时偶尔与城市当局通信。此类传感器仅需基础连接，可以轻松完成升级。然而，其仍需耐受风雨并具备安全性。
一般而言，基本设备属性包括：紧凑外形、自主操作和启动、设备内模块通过良好信号传播进行通信的能力、智能性、经济性、安全性和安全合规性以及可靠性。
最后一项重要技术是将动态软件模型与其物理对象或系统相连，为其馈入传感器收集的大量物理数据。动态数字演示（也称“数字孪生”）用于根据现实世界条件了解并优化性能。它们还提供具有优势的实时预测-预防模型，而不是在打破传统后进行修复。
2. 网 关
同等重要的是接收设备传输的数据以及向设备发送指令的网 关，尤其是控制执行特定功能的执行器网 关。例如，可以在部署位置使用网 关，收集并联合工厂中物联网传感器设备收发的数据或连接车辆中所有启用物联网的设备。网 关也部署在中心位置，其中的数据载入云端或其他企业 IT 系统。
此外，网 关的选择取决于指示所需功能的部署要求。关键网 关属性包括：选择最佳网络的能力、被处理数据的数量和类型具有适当性能、确保数据不受影响的安全性、系统免遭黑客入侵以及限制辐射暴露（这一点对于敏感地点极其重要）。
3. 云端
第三大要素是云端，针对所有数据进行聚合、存储和分析。物联网项目需要超可靠的、高度可扩展的计算和存储基础架构来实现，而云端作为基础技术平台是最合适的，因为它能提供灵活性和可扩展性。物联网行业需要强大的监控能力以及存储量和分析能力，能够将物联网数据转化为可执行的建议，针对改进并运营日益增长的数字化业务创造相关命令。
因此，物联网部署的云端关键属性涵盖聚合、存储、分析，包括预测算法、机器学习和数据挖掘、监控和命令。
在这三大领域中组合所需功能，确保每项功能与其他功能进行互操作，外加连接性是物联网行业面临的一项复杂挑战。通过选择在这三大关键领域拥有丰富专业知识的供应商可将其简化。拥有知识储备的供应商将能够确保设备符合部署的设计标准，保障网 关具有与设备连接和互操作以及通往云端的正确功能。这三大要素不可或缺，因此可通过最大限度削减供应商数量简化开发。例如，Altair 可以针对全部三大关键要素提供相关专业知识。
可扩展设计平台 - Altair 方法
Altair方法在以下四大关键领域实现简化、共享、加速和增值：
1. 采用高效设计的智能设备
2. 具有最优传播和通信功能的网 关和网络
3. 商业智能平台需要基于云端的现代化解决方案
4. 确保改善开发成果并提升产品创造速度的软件可用性
所有物联网部署的基础点均为采用有效设计的设备。实现这一点涉及试验、错误以及具有强大仿真能力的公司，其能够设计适合相关部署情况的产品。通过使用仿真，可以完成有关最终设计的重要研究，无需耗资构建实体产品或中间试验。显而易见，仿真为漫长而昂贵的智能物联网设备发展计划实现数字化提供了机会。
新一代传感器还需具备专业数据处理能力，例如处理 3D 视频或抑制背景信息。设计师使用 Altair 工具提供并使用这些功能。同理，必须具有极强反应能力且能量效率极高的执行器可以优先设计为具有这些属性。
借助 Altair 的工具和经验，用户可以通过图表自动生成代码，从而针对设备进行编程、定制并加速这项任务。
例如，通过系统仿真限制能量流和各种能量损耗，改善能源管理。事实上，用户也以通过非接触式充电利用振动、致动或重力运动及功率器件产生的能量
最后，Altair 的业务解决方案支持用户跟踪资产、实时跟踪关键设备，例如预测维护的机器监控。
嵌入物联网设备的执行器性能优化
互联车辆
互联车辆和自动驾驶车辆市场是一个很好的例子，彰显设备采用高效设计的重要性。汽车和车辆制造商已嵌入电子产品，但为了高效操作和利用物联网，经常需要使用数百个传感器收集汽车的静态和动态信息及其在行驶过程中的变化情况。此类传感器应具备高精度及紧凑小巧的外形，从而将其轻松集成至车辆中，还需要以理想方式可靠地进行实时通信。此外，在任何车速、通信频率下，无论制造材质、必须适应的外形尺寸、工作温度范围它们必须保持正常工作并对周围未连接的系统不产生干扰。
对于具有上述全部属性的设备，后续需要将智能与通信功能加入车辆之中。该操作对复杂性不应低估。汽车中的混合技术和连接变得极具挑战性，原因是必须设计并集成各种设备和天线类型，进而将其放置于信号传播和收集数据自身的最佳位置。即使相对简单的功能（例如远程车门开启、防撞雷达或无线轮胎压力监测系统）也无法自然共存或轻松并存，因此大量的设计构思必须着眼于打造最佳设备。
此外，新兴需求（如车对车 (C2C) 和车对基础设施 (C2I) 通信）要求使用规范设计新设备，同时考虑出厂时未装配此类系统的传统汽车市场。这是一项持续存在的挑战，经验最为丰富的人群最有可能设计出这些设备，确保所有不同系统可以共存，最终实现互操作。随着新通信标准入市（如 5G 手机），其重要性将显著提升。通过结合实时数据分析与处理，这些设备将奠定自主汽车革命的基础，要求在环境中集成雷达与网 关，以实现最佳网络覆盖。
最为重要的是，设备和网 关必须安全可靠。铁路行业是运输行业的另一项示例，Altair 的客户可能使用 Altair 工具设计传感器，从而极为准确地跟踪列车位置并优化铁路使用情况，同时不会降低运行的安全性。受益于智能识别平台和连接的商业智能平台，采用即时资产跟踪和管理解决机场物流相关的需求。
时变和车辆功能处理车对车 (C2C) 和车对基础设施 (C2I) 通信
先进的仿真软件支持设计
铁路传感器，收集有关铁路的详尽信息（方向、速度、长度、重量等），将其应用于安全应用和网络使用优化。
RFID 阅读器和天线性能仿真
工业物联网
另一项持续增长的物联网部署是工业物联网 (IIoT)。此处的工业环境自动利用物联网功能运营工厂、提高生产效率或管理环境影响。
在这些部署类型中，物联网意味着数据交换量大幅增加，其中主要交换无线数据，交换速度更快。在这些敏感性通常较强的位置，所有设备必须限制电磁波辐射量，必须增加对外部环境因素（如热量和湿度）的抗扰度。
石油化工厂中的网 关网络节点优化
此外，设计者重视轻松编程和定制设备的能力，能够根据最终应用轻松调整相关操作。最新工具允许控制器快速、简单并且可靠地自动生成代码。最新版本甚至支持 Arduino 物联网开发套件。
Altair 已创建相关工具，支持客户设计各类天线（包括发射和接收天线），涵盖 ZigBee 到用户的 RFID 标签并将为 5G 提供设计。考虑到机器或叉车等资产的移动，Altair 与客户通力合作，使用 Altair 无线规划工具功能，确保其设计适用于恶劣的工业环境并将天线和网 关置于合适的位置实现最好的覆盖。Altair 用户已开发出可以纳入特定外形的微传感器和执行器。此外，通过提升转矩减少执行器中所需齿轮元件数量可限制能量损耗。这些元件重量大且价格昂贵，因此限制其使用的数量能够节约成本同时使设备更轻更小巧。
最新的集成断路器嵌入了所有通信功能以及执行智能操作的功率/能量测量 1 级精度。可以使用智能手机作为主 HMI 监控断路器，从而轻松便捷地进行管理
智能能源
从能源产生到转换、运输、可能的存储和消费，物联网能够将智能能源从电网和微电网传递给个人终端用户。Altair 的用户正在设计最新一代风力汽轮机和水力发电机，其中包括越来越多的通信技术和监控类型。通过实时监控关键功能（如发电机工作状态）提升整体性能，避免中断能源生产并辅助预防性维护。
此外，Altair 用户正在设计断路器及其他安全中压设备，以控制并预测故障。如果缺乏产量，此类设计使得公司能够快速反应，避免遭到处罚或工厂停产。
仪表板示例应用管理
考虑到新技术的可用性，无线和传感器网络将设计为具备最恰当的覆盖范围。例如，核电厂非常敏感，因此访问极为受限。因此，设计人员使用 Altair 工具监控传感器，针对安装执行远程控制的物理检查，从而保持最高生产水平。此后，中央仪表板广泛应用于信息的聚合与控制，在紧急情况下能够进行预测干预并制定有效决策。
适应和定制已成为微电网层级的标准活动，Altair 解决方案正应用于设计的具体应用。其中包括：电梯下降时收集的能量、智能手机的可定制应用程序（如 Toggled® 灯根据使用目的调节房间亮度）以及本地电网在网络负载的最佳时段充电。
其他许多行业的设计者也运用 Altair 工具和专业知识。例如，在电子健康领域，可针对心脏监测设备执行无线通信和充电，或者开发在人体内发送数据的可植入天线。我们还协助无人机的开发，使其长时间停留在空中并通过设计提升其可控性。我们的工具用于增加电机转矩/重量/速度、扩展无人机自主范围并增强其数据交换功能。
新业务模式
当然，这些新市场和新技术与销售软件或 IT 服务和产品的传统限制条件不兼容。物联网具有灵活性，可按需扩大或缩小。此外，部分部署的规模将妨碍资源的持续使用。物联网服务提供商仅为使用的内容付费并且在需要使用时具备相关功能。在复杂模型中工作或使用 FEA/CFD 尖端仿真技术的同时，访问近乎无限的计算资源也是设计者非常欣赏的加速措施。这对于传统 IT 行业而言是一项困难的转变，但许多人对市场需求有着深刻理解，通过自身重组有效应对新市场，同时采用能吸引客户的方式。
现代高效环境可用于开发动态系统的虚拟样机
Altair 已开发出一种为客户产生价值的创新方法，AltairHyperWorks 方法支持用户通过基于单元的许可证系统利用 Altair 产品，该系统将根据使用的产品数量向用户收费。Altair 将其称为 HyperWorks Unit。这种获得专利的按需许可模式将合作伙伴与云解决方案融为一体，最大限度提升灵活性和成本效益。这是一种软件即服务，但采用针对物联网（融合技能、技术和能力的完整生态系统）进行设计和度量的模型。
Altair 的物联网解决方案
结论
随着物联网成为主流逐步变为现实，各行业继续努力寻求通过一种精简数字化方法提升开发和运营效率。这需要预先集成物联网启用链的更多元素，而且其来自少数供应商（无需创建锁定）。物联网相关服务应采取新型计费方式，例如灵活的许可证、技术货币化等。
各行业需要一个值得信赖的专家合作伙伴，引导其应对新兴标准化和技术选择激增（尤其是网络中）经常出现混乱的情况。Altair 拥有软件工具和丰富的专业知识来完成这项工作。
市场数据
Machina Research 的研究表明，38％的美国公司正在积极使用物联网解决方案，出于竞争优势的原因，81％的公司将于 2018 年底部署物联网解决方案。随着物联网项目获得战略性支持，解决方案方面的支出将快速增长，截至 2020 年将占据 IT 预算的 43％。
麦肯锡管理咨询公司估计，截至 2025 年，应用范围更加广泛的物联网产值将介于 4 万亿美元至 11 万亿美元之间。该公司表示，这项收入不单纯独来自设备销售，还包括将软件作为新的供应链。
高德纳预计，截至 2020 年，连接物联网的设备制造商的软件收入可能因未实施 LEM（许可证和授权管理系统）而下降 20％。
根据Berg Insight 提供的报告，全球第三方物联网 (IoT) 平台市场于 2015 年上升 36％，达到 6.1 亿。按 30.8％的年复合增长率 (CAGR)，2021 年的收入预计达到 30.5 亿。
尽管如此，截至 2017 年，启用物联网的设备预计将达到 150 亿至 500 亿部，市场正从计数端点向涉及物联网提供的各种体验和服务转移。
分析公司 IDC 表示，许多正在部署的设备将推动超过 20 万个新物联网应用程序和服务蓬勃发展。
物联网的广泛应用提升了平台即服务 (PaaS) 的利用率。高德纳分析公司预测，截至 2020 年，PaaS 开发的所有新应用中将有 50％以上以物联网为中心，这将破坏传统架构的应用。
