IoT – Best Practices: Internet der Dinge, Geschäftsmodellinnovationen, IoT-Plattformen, IoT in Fertigung und Logistik (Edition HMD) (German Edition)

Das Internet der Dinge (Internet of Things – IoT) ist längst Realität. Mehr oder weniger intelligente Dinge messen, analysieren und kommunizieren weltweit, verbunden über das Internet, mit anderen Dingen. Sei es die Optimierung eines bestehenden Prozesses, die Erweiterung eines solchen, ein smartes Produkt oder gleich der Aufbau eines völlig neuen Geschäftsmodells – IoT-Konzepte bilden oft die Grundlage dafür. Das grundsätzliche Potential (Warum?) des Internets der Dinge ist vielfach bewiesen. Das „Wie?“ und das „Wofür?“ sind die Fragen, die es zu beantworten gilt. Welche Prozesse bieten das meiste Potential für eine Vernetzung? An welchen Stellen steht der Aufwand nicht im Verhältnis zum Mehrwert? Welche Technologien stehen zur Verfügung und passen zum entsprechenden Szenario? Wie müssen Geschäftspartner in einem Ecosystem eingebunden werden und welche sicherheitsrelevanten oder auch rechtlichen Probleme gilt es zu lösen? Die Autoren aus Wissenschaft und Praxis des vorliegenden Werkes greifen in ihren Beiträgen genau diese Fragestellungen auf und bieten konzeptionelle, prototypische bzw. praxisnahe Antworten und Lösungswege an. Geleitwort Vorwort Inhaltsverzeichnis Über die Autoren Teil I: Der Einfluss von IoT auf Geschäftsmodelle – IoT-Geschäftsmodellinnovationen 1: Der lange Weg im IoT – Von der Vernetzung zur Profitabilität 1.1 Einleitung 1.2 Wie das IoT Geschäftsmodelle verändert 1.2.1 Wertschöpfung 1.2.2 Wertversprechen 1.2.3 Monetarisierung 1.3 Überwindung des Digitalisierungs-Paradox 1.3.1 Das Digitalisierungs-Paradox 1.3.2 Der lange Weg zur Profitabilität im IoT 1.3.3 Etablierte Vorgehensweise 1.4 Zusammenfassung und Ausblick 1.4.1 Zentrale Paradigmenwechsel im IoT 1.4.2 Vom „Internet of Things“ zur „Economy of Things“ Literatur 2: IIoT-basierte Geschäftsmodellinnovation im Industrie-Kontext – Archetypen und praktische Einblicke 2.1 Das Internet der Dinge als Wegbereiter neuer Geschäftsmodelle 2.2 Digitale Geschäftsmodelle und Geschäftsmodellinnovation 2.3 IIoT-basierte Geschäftsmodell-Archetypen im Industrie-Kontext 2.4 Herausforderungen der Geschäftsmodelltransformation 2.5 Praxisrelevante Handlungsempfehlungen Literatur Teil II: Identifizieren, Priorisieren und Planen von IoT-Projekten 3: Innovation durch den Einsatz von Enterprise IoT-Lösungen – Ein Modell zur Bestimmung des Innovationspotenzials 3.1 Einleitung und Motivation 3.2 Über Innovations- und Reifegradmodelle und das Internet der Dinge 3.3 Methodische Vorgehensweise 3.3.1 Datenerhebung 3.3.2 Datenauswertung 3.3.3 Synthese 3.4 Das Innovationsstufenmodell und seine Anwendung 3.4.1 Vier Schlüsseldimensionen und ihre Ausprägungen 3.4.2 Anwendung des Innovationsstufenmodells 3.4.2.1 ABB 3.4.2.2 Midor 3.5 Nutzungsoptionen und Mehrwerte für die Unternehmenspraxis 3.5.1 Ist-Situation und Fortschrittsanalyse 3.5.2 Entscheidungsunterstützung Literatur 4: Priorisierung von Digitalisierungsprojekten entlang der gesamten kundenorientierten Prozesskette im Maschinenbau 4.1 Einleitung und Motivation 4.2 Grundlagen und Stand der Technik 4.3 Priorisierungsansätze und Theoriedefizit 4.4 Entwicklung und Anwendung des Ansatzes am Beispiel der TRUMPF GmbH + Co. KG 4.5 Zusammenfassung und Ausblick Literatur 5: IoT Best Practices 5.1 Hintergrund 5.2 Planung von IoT-Projekten 5.3 Fallstudie: Umsetzung eines internationalen IoT-Projekts 5.3.1 Security By Design 5.3.2 Abrechnungsmodell/Geschäftsmodell 5.3.3 Ermittlung des Datenaufkommens 5.3.4 Updatestrategie 5.3.5 Fachliche Anforderungen und technische Möglichkeiten 5.3.6 Wahl der Plattform 5.3.7 Edge Devices 5.3.8 Testkonzept und Testplanung 5.3.9 Datenschutz 5.4 Ausblick 5.5 Zusammenfassung & Erkenntnisse Literatur Teil III: IoT-Plattformen – Vielfalt, Auswahl und Integrationsaspekte 6: Vergleichbarkeit der Funktionalität von IoT-Software-Plattformen durch deren einheitliche Beschreibung in Form einer Taxonomie und Referenzarchitektur 6.1 Einleitung und Motivation 6.1.1 Die Bewertung und Auswahl einer geeigneten IoT-Software-Plattform wird durch hohe Produktvielfalt und uneinheitliche Produktbeschreibungen erschwert 6.1.2 Die Funktionalität unterschiedlicher IoT-Software-Plattformen lässt sich mit Hilfe einer Taxonomie und einer darauf aufbauenden Referenzarchitektur einheitlich beschreiben 6.2 Verwandte Arbeiten 6.2.1 Taxonomien und Referenzarchitekturen allgemein 6.2.2 Taxonomien und Referenzarchitekturen für IoT-Software-Plattformen 6.3 Methodik 6.3.1 Ermittlung der sieben wichtigsten IoT-Software-Plattformen 6.3.2 Durchführung einer qualitativen Inhaltsanalyse zur Ableitung einer Taxonomie auf Basis der Unterlagen der sieben wichtigsten IoT-Software-Plattformen 6.4 Taxonomie und Referenzarchitektur zur einheitlichen Beschreibung der Funktionalität von IoT-Software-Plattformen 6.4.1 Taxonomie für IoT-Software-Plattformen 6.4.2 Referenzarchitektur für IoT-Software-Plattformen 6.4.3 Kernfunktionen von IoT-Software-Plattformen 6.4.3.1 Unternehmensintegration 6.4.3.2 Anwendungsentwicklung 6.4.3.3 Datenmodellierung 6.4.3.4 Datenvisualisierung 6.4.3.5 Datenanalyse 6.4.3.6 Daten- und Speicherverwaltung 6.4.3.7 Ereignisverwaltung 6.4.3.8 Datentransformation 6.4.3.9 Geräteverwaltung 6.4.3.10 Gerätekonnektivität 6.4.4 Querschnittsfunktionen von IoT-Software-Plattformen 6.4.4.1 Informationssicherheit 6.4.4.2 Betrieb, Verwaltung und Wartung 6.5 Verwendung der Referenzarchitektur im Rahmen von Projekten zur Bewertung und Auswahl der am besten geeigneten IoT-Software-Plattform aus einer Menge von Kandidaten 6.5.1 Einsatz der Referenzarchitektur innerhalb der Screening-Phase eines Bewertungs- und Auswahlprojektes 6.5.2 Vergleich der Funktionalität von IoT-Software-Plattformen 6.5.3 Bewertung der Funktionalität von IoT-Software-Plattformen 6.6 Zusammenfassung und Ausblick 6.6.1 Implikationen für Wissenschaft und Praxis 6.6.2 Einschränkungen und zukünftige Forschung Literatur 7: Cloud to Cloud Integration im IoT-Umfeld 7.1 Einleitung 7.2 Anforderungsanalyse 7.2.1 Vorgehensweise 7.2.2 Analyseergebnisse 7.3 Realisierung 7.3.1 Soll-Konzept 7.3.2 Technische Umsetzung 7.3.2.1 Entwurf einer Architektur 7.3.2.2 Konnektivitätsorientierte IoT Plattform 7.3.2.3 Anwendungsorientierte IoT Plattform 7.3.2.4 Details zum Datenaustausch 7.3.2.5 Ansätze Hochverfügbarkeit 7.4 Diskussion 7.4.1 Wirtschaftlicher Nutzen – Betreiber 7.4.2 Wirtschaftlicher Nutzen – Kunde 7.4.3 Herausforderungen – Betreiber 7.4.4 Herausforderungen – Kunde 7.5 Zusammenfassung und Ausblick Literatur Teil IV: Einsatz von IoT in der Fertigung und Logistik – Industrie 4.0 8: Industrie 4.0 in kleinen und mittleren Unternehmen – Lösungsansatz und Handlungsempfehlungen für die Integration smarter Geräte 8.1 Motivation 8.2 Ausgangssituation – Industrie 4.0 in KMU 8.3 Projektvorgehen 8.4 Lösungsansatz 8.5 Anwendungsfälle 8.5.1 Werkzeuginstandsetzung bei Maschinenausfällen 8.5.2 Dokumentation von Maschinenstillständen und Fehlererfassung 8.5.3 Anleitung für Maschineneinstellungen 8.6 Allgemeine Erkenntnisse und Handlungsempfehlungen 8.7 Fazit Literatur 9: Konzeption und Realisierung eines Produktionssystems für die modulare Fertigung in der Automobilindustrie 9.1 Motivation und Ausgangssituation 9.2 Begriffsdefinition 9.3 Ausgangssituation und Projektziele 9.4 Methodisches Vorgehen 9.5 Erfahrungen 9.6 Fazit und Ausblick Literatur 10: Digitalisierungspotenziale der Instandhaltung 4.0 – Von der Aufbereitung binärer Daten zum Einsatz transparenter künstlicher Intelligenz 10.1 Nutzenmachung von Daten für intelligente Wartungsansätze als Wettbewerbsfaktor in der Fertigung 10.2 Theoretische Grundlagen der Datenanalyse 10.2.1 Datenanalyse in der Instandhaltung 10.2.2 Process Mining 10.2.3 Erklärbare künstliche Intelligenz 10.3 Schrittweiser Entwicklungsansatz für die Nutzung binärer Datenwerte hinsichtlich moderner Instandhaltungsansätze 10.3.1 Methodische Stringenz der Erarbeitung 10.3.2 Deskriptive Datennutzung als grundlegende Überwachungsinstanz 10.3.3 Erweiterte Datennutzung als fortschreitende Überwachungsinstanz 10.4 Evaluation des schrittweisen Entwicklungsgangs anhand eines Demonstrators 10.5 Zusammenfassende Betrachtung für Praxis und Forschung Literatur 11: Automatisierung von Geschäftsprozessen im Maschinen- und Anlagenbau – Fallstudie zu Predictive Maintenance 11.1 Produkt-Service-Systeme im Maschinen- und Anlagenbau 11.2 Wellpappe und Wellpappenanlagen 11.3 Predictive Maintenance 11.4 Fallstudie: Predictive Maintenance bei Wellpappenanlagen 11.4.1 Ausgangssituation 11.4.2 Ansätze zur Modellierung 11.4.3 Anwendung der Analytics zur Automatisierung der Geschäftsprozesse 11.5 Lessons Learned und Ausblick Literatur 12: Einbindung von intelligenten Ladungsträgern in Prozesse der Intralogistik 12.1 Intelligente Vernetzung in der Logistik 12.2 Herausforderungen in der Praxis 12.3 Track & Trace in der Logistik 12.4 Konzept zur Umsetzung 12.5 Chancen und Limitationen 12.6 Zusammenfassung Literatur Teil V: Smarte Produkte – Herausforderungen und Vorgehen bei der Produktentwicklung 13: Von smarten Produkten zu smarten Dienstleistungen und deren Auswirkung auf die Wertschöpfung 13.1 Einleitung 13.2 Vom Ursprung smarter Produkte 13.3 Smarte, vernetzte Produkte 13.3.1 Eine Einordnung smarter Produkte 13.3.2 Die Fähigkeiten smarter Produkte 13.4 Von smarten Produkten zu smarten Diensten 13.5 Der Einfluss smarter Dienste auf Geschäftsmodelle 13.6 Schlussbetrachtung Literatur 14: Integration von Smarten Produkten und Dienstleistungen im IoT-Zeitalter – Ein Graph-basierter Entwicklungsansatz 14.1 Einleitung 14.2 Smarte Produkte und Dienstleistungen im IoT-Kontext 14.3 Konzeptioneller Integrationsansatz mittels Graphdatenbanken 14.4 Prototypische Umsetzung 14.5 Strategische Handlungsempfehlungen 14.6 Fazit Literatur 15: Smartifizierung von Maschinenbauprodukten mittels einer zielorientierten Methode 15.1 Einleitung 15.2 Begriffsbestimmung zu intelligenten Produkten 15.3 Beschreibung einer Methode zur Smartifizierung von Maschinenbauprodukten 15.3.1 Allgemeingültige Ziele im Smartifizierungsprozess 15.3.1.1 Verbesserung von Service-Prozessen 15.3.1.2 Verbesserung der Produktentwicklung 15.3.1.3 Steigerung der Produkteffizienz 15.3.1.4 Steigerung der Produkteffektivität 15.3.1.5 Steigerung der Service-Flexibilität 15.3.1.6 Operationalisierung digitaler Geschäftsmodelle 15.3.1.7 Anwendungsfall zur Operationalisierung digitaler Geschäftsmodelle 15.4 Anwendung der Methode 15.5 Empfehlungen für den Einsatz der Methode Literatur 16: Smartere Produkte durch analysebasierte Dienstleistungen – Ein methodisches Werkzeug zur strukturierten Entwicklung 16.1 Einleitung und Motivation 16.2 Daten und Analyseverfahren als zentrale Komponenten der Wertschöpfung in Dienstleistungen 16.3 Methodisches Vorgehen 16.3.1 Aufbau einer Datenbasis analysebasierter Dienstleistungen 16.3.2 Identifizierung der zentralen Schlüsselfaktoren und ihrer Ausprägungscharakteristiken 16.4 Ergebnisse 16.4.1 Fünf Schlüsselfaktoren zur Beschreibung analysebasierter Dienstleistungen 16.4.2 Ein Werkzeug für die Gestaltung analysebasierter Dienstleistungen 16.4.3 Illustration des Werkzeugs für die Gestaltung analysebasierter Dienstleistungen 16.4.3.1 Cochlear 16.4.3.2 Thyssenkrupp 16.5 Implikationen für die Unternehmenspraxis Literatur 17: (Re-)Engineering smarter Produkte – Mit dem digitalen Freiheitsgrad zu flexiblen Leistungsangeboten 17.1 Einleitung 17.2 Charakteristika Smarter Produkte 17.3 Gestaltungsfreiheitsgrade physischer Produkte durch Mass Customization 17.4 Auswahl flexibler Gestaltungsstrategien am Beispiel eines PKW-Frontscheinwerfers 17.5 Strategische Handlungsempfehlungen 17.6 Fazit Literatur Teil VI: Architektur kommunaler IoT-Szenarien in Metropolregionen 18: IoT-gestützte, kommunale Datenarchitektur für Metropolregionen in Deutschland – Metropolitan Data Space 18.1 Ausgangssituation 18.2 Grundlegende Einordnung bestehender Konzepte 18.2.1 Diskussion der Betrachtungsebene 18.2.2 Existierende Konzepte im Smart-City-Bereich 18.2.3 Relevante Lösungsbausteine 18.3 Untersuchung der IoT- und Datenarchitektur in der Metropolregion Rhein-Ruhr 18.3.1 Wirtschaftliche Perspektive 18.3.2 Technische Perspektive 18.3.3 Regulatorische Perspektive 18.3.4 Ethische Perspektive 18.3.5 Weiterführende Entwicklungen 18.4 Entwurf einer IoT-gestützten Gesamtarchitektur 18.4.1 Technische Zielarchitektur 18.4.2 Ökosystem für datenbasierte Geschäftsmodelle 18.4.3 Künftige Geschäftsmodelle 18.5 Implementierung der Architektur in der Metropolregion Rhein-Ruhr 18.5.1 Initiale Anwendungsfälle 18.5.2 Langfristige Implementierungsroadmap 18.6 Zusammenfassung und Ausblick Literatur Teil VII: Effiziente Verarbeitung von IoT-Daten – Edge vs. Cloud 19: Anforderungen für Zeitreihendatenbanken im industriellen IoT 19.1 Ausgangssituation und Problemstellung 19.2 Verwandte Themen 19.2.1 Überblick über existierende Open-Source-TSDB 19.2.2 Data Lakes im IIoT 19.3 Einsatzszenarien für Zeitreihendatenbanken im industriellen IoT 19.3.1 Beispielhaftes Einsatzszenario für die Edge 19.3.2 Beispielhaftes Einsatzszenario für den Data Lake 19.4 Erstellung des Kriterienkatalogs 19.4.1 Methodisches Vorgehen 19.4.2 Kriterienkatalog für Zeitreihendatenbanken 19.5 Evaluation des Katalogs am Beispiel von InfluxDB 19.5.1 Vorgehensbeschreibung zur Evaluation 19.5.2 Anwendung des Kriterienkatalogs 19.6 Diskussion und Ausblick 19.6.1 Fazit 19.6.2 Ausblick und Limitationen Literatur Teil VIII: IoT Security – Datensicherheit, Datenschutz, Authentifizierungsverfahren 20: Das Internet of Things – zwischen Usability und Verlust der Datensouveränität 20.1 Einleitung 20.2 Charakteristika und Anwendungsbereiche des IoT in Unternehmen 20.3 Sicherheits- und Datenschutzaspekte im IoT 20.3.1 Bedrohungssituation 20.3.2 Schwachstellen und Angriffsvektoren 20.3.3 Die Rolle des Datenschutzes 20.3.4 Emergenz-Effekte und Datensouveränität 20.4 Maßnahmen 20.4.1 Staatliche Akteure 20.4.2 Unternehmen und Industrie 20.4.3 Lösungsansätze und Forschungsbedarf 20.5 Zusammenfassung und Ausblick Literatur 21: IoT Security Best Practices 21.1 Einführung 21.2 Grundsätzliche Sicherheitsanforderungen im IoT 21.2.1 Zugangskontrolle 21.2.2 Authentifizierung und Onboarding 21.2.3 Vertraulichkeit (Confidentiality) 21.3 Authentifizierungsverfahren im IoT – Stand der Technik 21.3.1 Authentifizierungsverfahren im Vergleich 21.3.1.1 Guardian Model 21.3.1.2 Blockchain-Technologie 21.3.1.3 Clientseitige Authentifizierung 21.3.1.4 Zusammenfassender Vergleich der Authentifizierungstechnologien 21.3.2 Potenziale und Limitationen der clientseitigen Authentifizierung gegenüber anderen Technologien 21.3.2.1 Potenziale 21.3.2.2 Limitationen 21.4 Fallstudie: Security Konzept eines internationalen IoT-Projekts im Agriculture Segment 21.4.1 Anforderungen und Wahl des Authentifizierungssystems 21.4.2 Technische Systemgestaltung 21.4.2.1 Abrechnungsdomain 21.4.2.2 Schlüsselpaarerstellung 21.4.2.3 Anforderung des Registrierungscodes 21.4.2.4 Erstellung des individuellen Client Zertifikats 21.5 Ergebnis 21.5.1 Innovative Merkmale und Mehrwert des vorgestellten IoT Security Systems 21.5.2 Aktuelle Anwendungspraxis 21.5.3 Weiterführende Anwendungen und Entwicklungsbedarf Literatur Stichwortverzeichnis