自工業(yè)革命爆發(fā)以來(lái)，技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)了工業(yè)生產(chǎn)力的大幅提升。十九世紀(jì)由蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的工廠，電氣化導(dǎo)致了二十世紀(jì)早期的大規(guī)模生產(chǎn)，并且工業(yè)在二十世紀(jì)七十年代變成了自動(dòng)化。然而，在接下來(lái)的幾十年里，工業(yè)技術(shù)進(jìn)步只是漸進(jìn)的，尤其是與IT，移動(dòng)通信和電子商務(wù)轉(zhuǎn)型的突破相比。
然而，現(xiàn)在我們正處在技術(shù)進(jìn)步的第四浪潮中：被稱為工業(yè)4.0的新型數(shù)字工業(yè)技術(shù)的興起，這種轉(zhuǎn)變由九項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)步驅(qū)動(dòng)。 (見(jiàn)圖1)在這個(gè)轉(zhuǎn)型過(guò)程中，傳感器，機(jī)器，工件和IT系統(tǒng)將沿價(jià)值鏈連接到一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。這些連接的系統(tǒng)(也稱為網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng))可以使用標(biāo)準(zhǔn)的基于互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議進(jìn)行交互，并分析數(shù)據(jù)以預(yù)測(cè)故障，自行配置和適應(yīng)變化。工業(yè)4.0將能夠收集和分析機(jī)器間的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)更快，更靈活和更高效的流程，以降低成本生產(chǎn)更高質(zhì)量的產(chǎn)品。這反過(guò)來(lái)又會(huì)提高制造業(yè)生產(chǎn)率，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)工業(yè)增長(zhǎng)，并改變勞動(dòng)力狀況 - 最終改變公司和地區(qū)的競(jìng)爭(zhēng)力。
技術(shù)進(jìn)步的九大支柱
工業(yè)4.0基礎(chǔ)技術(shù)的九大技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)在制造業(yè)中得到了應(yīng)用，但工業(yè)4.0將會(huì)改變生產(chǎn)：隔離的，優(yōu)化的單元將成為一個(gè)完全集成，自動(dòng)化和優(yōu)化的生產(chǎn)流程，引領(lǐng)提高效率并改變供應(yīng)商，生產(chǎn)商和客戶之間，以及人與機(jī)器之間的傳統(tǒng)生產(chǎn)關(guān)系。
大數(shù)據(jù)和分析
基于大數(shù)據(jù)集的分析直到最近才在制造業(yè)中出現(xiàn)，它優(yōu)化了生產(chǎn)程序，節(jié)約了能源并改善了設(shè)備服務(wù)。 在工業(yè)4.0的背景下，來(lái)自許多不同來(lái)源(生產(chǎn)設(shè)備和系統(tǒng)以及企業(yè)和客戶管理系統(tǒng))的數(shù)據(jù)的收集和綜合評(píng)估將成為支持實(shí)時(shí)決策的標(biāo)準(zhǔn)。
例如，半導(dǎo)體制造商英飛凌科技公司通過(guò)將生產(chǎn)過(guò)程結(jié)束時(shí)測(cè)試階段捕獲的單芯片數(shù)據(jù)與該過(guò)程早期晶圓狀態(tài)階段收集的過(guò)程數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，減少了產(chǎn)品故障。 通過(guò)這種方式，英飛凌可以識(shí)別在生產(chǎn)過(guò)程早期幫助排出故障芯片并提高生產(chǎn)質(zhì)量。
自主機(jī)器人
許多行業(yè)的制造商長(zhǎng)期以來(lái)一直使用機(jī)器人來(lái)處理復(fù)雜的任務(wù)，但機(jī)器人正在不斷發(fā)展以獲得更大的應(yīng)用。他們變得更加自主，靈活和合作。最終，他們將互相交流，并與人類并肩安全地工作，并向他們學(xué)習(xí)。這些機(jī)器人將比現(xiàn)在制造中使用的機(jī)器人成本更低，功能范圍更廣。
例如，歐洲機(jī)器人設(shè)備制造商Kuka提供了可以相互作用的自動(dòng)機(jī)器人。這些機(jī)器人是相互聯(lián)系的，以便他們可以一起工作并自動(dòng)調(diào)整行動(dòng)，以適應(yīng)下一個(gè)未完成的產(chǎn)品。高端傳感器和控制單元可與人類密切合作。同樣，工業(yè)機(jī)器人供應(yīng)商ABB正在推出名為YuMi的雙臂機(jī)器人，該機(jī)器人專門用于與人類組裝產(chǎn)品(如消費(fèi)電子產(chǎn)品)。兩個(gè)填充手臂和計(jì)算機(jī)視覺(jué)允許安全的互動(dòng)和零件識(shí)別。
模擬
在工程階段，已經(jīng)使用了產(chǎn)品，材料和生產(chǎn)工藝的三維仿真，但是在未來(lái)，仿真也將在工廠運(yùn)行中得到更廣泛的應(yīng)用。 這些模擬將利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)反映虛擬模型中的物理世界，虛擬模型可能包括機(jī)器，產(chǎn)品和人類。 這允許操作員在物理轉(zhuǎn)換之前測(cè)試和優(yōu)化虛擬世界中下一個(gè)產(chǎn)品的機(jī)器設(shè)置，從而縮短機(jī)器設(shè)置時(shí)間并提高質(zhì)量。
例如，西門子和一家德國(guó)機(jī)床供應(yīng)商開(kāi)發(fā)出一種虛擬機(jī)，可以使用物理機(jī)器的數(shù)據(jù)來(lái)模擬零件加工。 這將實(shí)際加工過(guò)程的設(shè)置時(shí)間縮短了80%。
水平和垂直系統(tǒng)集成
今天的大多數(shù)IT系統(tǒng)都沒(méi)有完全集成。公司，供應(yīng)商和客戶很少緊密聯(lián)系。工程，生產(chǎn)和服務(wù)等部門也不例外。從企業(yè)到車間層面的功能沒(méi)有完全整合。即使是工程設(shè)計(jì)本身 - 從產(chǎn)品到工廠到自動(dòng)化 - 都缺乏完整的集成。但隨著工業(yè)4.0，隨著跨公司，通用數(shù)據(jù)集成網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展并實(shí)現(xiàn)真正自動(dòng)化的價(jià)值鏈，公司，部門，功能和能力將變得更加緊密。
例如，DassaultSystèmes和BoostAeroSpace為歐洲航空航天和國(guó)防工業(yè)推出了一個(gè)協(xié)作平臺(tái)。該平臺(tái)AirDesign作為設(shè)計(jì)和制造協(xié)作的通用工作空間，并作為私有云上的服務(wù)提供。它管理著在多個(gè)合作伙伴之間交換產(chǎn)品和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的復(fù)雜任務(wù)。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)
今天，只有一些制造商的傳感器和機(jī)器聯(lián)網(wǎng)并利用嵌入式計(jì)算。它們通常組建在一個(gè)垂直自動(dòng)化金字塔中，其中傳感器和具有有限智能的自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化控制器供應(yīng)到總體制造過(guò)程控制系統(tǒng)。但隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，更多的設(shè)備(有時(shí)甚至包括未完成的產(chǎn)品)將通過(guò)嵌入式計(jì)算進(jìn)行豐富并使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行連接。這使得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以根據(jù)需要進(jìn)行通信并相互交互并與更集中的控制器進(jìn)行交互。它還分散了分析和決策，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)響應(yīng)。
Bosch Rexroth是一家驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)供應(yīng)商，為半自動(dòng)化，分散式生產(chǎn)流程的閥門提供生產(chǎn)設(shè)備。產(chǎn)品通過(guò)射頻識(shí)別代碼進(jìn)行識(shí)別，工作站“知道”每個(gè)產(chǎn)品必須執(zhí)行的制造步驟，并且可以適應(yīng)執(zhí)行特定的操作。
網(wǎng)絡(luò)安全
目前許多公司仍然依靠不連接或封閉的管理和生產(chǎn)系統(tǒng)。隨著工業(yè)4.0帶來(lái)的連接性和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的增加，保護(hù)關(guān)鍵工業(yè)系統(tǒng)和生產(chǎn)線免受網(wǎng)絡(luò)安全威脅的需求大幅增加。因此，安全可靠的通信以及機(jī)器和用戶的復(fù)雜身份和訪問(wèn)管理至關(guān)重要。
云端
有公司已經(jīng)在一些企業(yè)和分析應(yīng)用中使用基于云的軟件，但隨著工業(yè)4.0，更多與生產(chǎn)有關(guān)的企業(yè)將需要增加跨站點(diǎn)和公司邊界的數(shù)據(jù)共享。同時(shí)，云技術(shù)的性能將得到改善，反應(yīng)時(shí)間僅需幾毫秒。因此，機(jī)器數(shù)據(jù)和功能將越來(lái)越多地部署到云中，為生產(chǎn)系統(tǒng)提供更多的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)服務(wù)。即使是監(jiān)視和控制流程的系統(tǒng)也可能變成基于云。
添加劑制造（3D打?。?/span>
公司剛剛開(kāi)始采用增材制造，如3D打印，他們主要用于原型和生產(chǎn)單個(gè)組件。隨著工業(yè)4.0，這些添加劑制造方法將被廣泛用于生產(chǎn)小批量的定制產(chǎn)品，提供建筑優(yōu)勢(shì)，如復(fù)雜，輕量級(jí)的設(shè)計(jì)。高性能，分散式增材制造系統(tǒng)將減少運(yùn)輸距離和庫(kù)存。
例如，航空航天公司已經(jīng)在使用增材制造來(lái)應(yīng)用新設(shè)計(jì)，以降低飛機(jī)重量，降低其原材料(如鈦)的開(kāi)支。
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)
基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)支持多種服務(wù)，例如選擇倉(cāng)庫(kù)中的零件以及通過(guò)移動(dòng)設(shè)備發(fā)送修復(fù)指令。這些系統(tǒng)目前還處于初級(jí)階段，但未來(lái)公司將更廣泛地使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為工作人員提供實(shí)時(shí)信息以改進(jìn)決策制定和工作流程。
例如，工作人員可能會(huì)收到有關(guān)如何在查看需要修理的實(shí)際系統(tǒng)時(shí)更換特定零件的維修說(shuō)明。這些信息可以使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡等設(shè)備直接顯示在工作人員的視野中。
另一個(gè)應(yīng)用是虛擬培訓(xùn)。西門子為其Comos軟件開(kāi)發(fā)了虛擬工廠 - 操作員培訓(xùn)模塊，該模塊使用逼真的基于數(shù)據(jù)的3-D環(huán)境和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡來(lái)培訓(xùn)工廠人員處理緊急情況。在這個(gè)虛擬世界中，操作員可以通過(guò)點(diǎn)擊網(wǎng)絡(luò)代表學(xué)習(xí)與機(jī)器交互。他們還可以更改參數(shù)并檢索運(yùn)行數(shù)據(jù)和維護(hù)說(shuō)明。
工業(yè)4.0的影響
基于工業(yè)4.0元素的競(jìng)賽已經(jīng)在歐洲，美國(guó)和亞洲的公司之間進(jìn)行。
量化影響：以德國(guó)為例
為了對(duì)工業(yè)4.0潛在的全球影響進(jìn)行量化的理解，我們分析了德國(guó)的制造業(yè)前景，并發(fā)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步的第四次浪潮將帶來(lái)四個(gè)方面的好處：
★生產(chǎn)率。在未來(lái)的五到十年內(nèi)，工業(yè)4.0將會(huì)被更多的公司所接受，從而將德國(guó)所有制造業(yè)的生產(chǎn)力提高900億歐元到1500億歐元。轉(zhuǎn)化成本的生產(chǎn)率提高將排除材料成本，從15%到25%不等。當(dāng)材料成本考慮在內(nèi)時(shí)，生產(chǎn)率將提高5%到8%。這些改進(jìn)會(huì)因行業(yè)而異。例如，工業(yè)零部件制造商將取得一些最大的生產(chǎn)力提升(20%至30%)，汽車公司預(yù)計(jì)將增加10%至20%。
★收入增長(zhǎng)。工業(yè)4.0也將推動(dòng)收入增長(zhǎng)。制造商對(duì)增強(qiáng)型設(shè)備和新數(shù)據(jù)應(yīng)用的需求，以及消費(fèi)者對(duì)越來(lái)越多定制產(chǎn)品的需求將推動(dòng)每年約300億歐元的額外收入增長(zhǎng)，即德國(guó)GDP的大約1%。
★就業(yè)。在我們對(duì)工業(yè)4.0對(duì)德國(guó)制造業(yè)影響的分析中，我們發(fā)現(xiàn)它刺激的增長(zhǎng)將導(dǎo)致未來(lái)十年就業(yè)人數(shù)增加6%。 (見(jiàn)圖4)同時(shí)，對(duì)機(jī)械工程領(lǐng)域員工的需求可能會(huì)進(jìn)一步增加 - 高達(dá)10%。但是，需要不同的技能。在短期內(nèi)，實(shí)現(xiàn)更大自動(dòng)化的趨勢(shì)將取代一些執(zhí)行簡(jiǎn)單重復(fù)任務(wù)的低技能勞動(dòng)者。與此同時(shí)，越來(lái)越多地使用軟件，連接和分析將增加對(duì)具有軟件開(kāi)發(fā)和IT技術(shù)能力的員工的需求，例如具有軟件技能的機(jī)電一體化專家。 (機(jī)電一體化是一個(gè)由多個(gè)工程學(xué)科組成的工程領(lǐng)域。)這種能力轉(zhuǎn)變是未來(lái)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。
★投資。 我們估計(jì)，調(diào)整生產(chǎn)流程以納入工業(yè)4.0將需要德國(guó)生產(chǎn)商在未來(lái)十年投資約2500億歐元(約占制造商收入的1%至1.5%)。德國(guó)的預(yù)計(jì)收益顯示了工業(yè)4.0對(duì)全球制造業(yè)的潛在影響。 工業(yè)4.0將對(duì)生產(chǎn)者及其勞動(dòng)力以及提供制造系統(tǒng)的公司產(chǎn)生直接影響。
生產(chǎn)者
下一波制造將影響生產(chǎn)商從設(shè)計(jì)到售后服務(wù)的整個(gè)價(jià)值鏈：
★沿著價(jià)值鏈，生產(chǎn)流程將通過(guò)集成的IT系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。 因此，今天的孤島制造單元將被全自動(dòng)化的集成生產(chǎn)線所取代。
★產(chǎn)品，生產(chǎn)過(guò)程和生產(chǎn)自動(dòng)化將通過(guò)一個(gè)綜合過(guò)程并通過(guò)生產(chǎn)商和供應(yīng)商的協(xié)作來(lái)設(shè)計(jì)和調(diào)試。 物理原型將被減少到絕對(duì)最小值。
工業(yè)4.0允許更快地響應(yīng)客戶的需求，它提高了生產(chǎn)過(guò)程的靈活性，速度，生產(chǎn)力和質(zhì)量。 它為采用新的商業(yè)模式，生產(chǎn)流程和其他創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。 隨著更多的工業(yè)生產(chǎn)商投資于工業(yè)4.0技術(shù)來(lái)增強(qiáng)和定制他們的產(chǎn)品，這將實(shí)現(xiàn)新的大規(guī)模定制水平。
制造系統(tǒng)供應(yīng)商
隨著制造商要求其工廠中具有工業(yè)4.0功能的機(jī)器和系統(tǒng)的更大連接性和相互作用，制造系統(tǒng)供應(yīng)商將不得不擴(kuò)大IT在其產(chǎn)品中的作用。這些變化可能包括在云中和嵌入式設(shè)備上部署功能更強(qiáng)大的模塊化功能。隨著系統(tǒng)的整體功能和復(fù)雜性的增加，需要更多的決策分配。此外，用于下載軟件和協(xié)作伙伴關(guān)系的在線門戶可以提供更靈活和適應(yīng)性更強(qiáng)的設(shè)備配置。自動(dòng)化架構(gòu)也將針對(duì)不同的使用情況發(fā)展。供應(yīng)商將不得不為這些情況做好準(zhǔn)備并支持這些轉(zhuǎn)變。
工業(yè)自動(dòng)化供應(yīng)商和大多數(shù)機(jī)床制造商已經(jīng)建立了重要的軟件開(kāi)發(fā)能力 - 但工業(yè)4.0將需要更多。此外，這些供應(yīng)商將不得不與不斷增長(zhǎng)的與車間和生產(chǎn)相關(guān)的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)服務(wù)市場(chǎng)的IT企業(yè)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。
機(jī)器，產(chǎn)品，零件和人員之間不斷增長(zhǎng)的互聯(lián)性也將需要新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以確定這些元素在未來(lái)的數(shù)字工廠中的相互作用。制定這些標(biāo)準(zhǔn)的努力尚處于起步階段，但正在被傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)和新興財(cái)團(tuán)所推動(dòng)。德國(guó)的Plattform Industrie 4.0是第一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素，但是由制造業(yè)，互聯(lián)網(wǎng)，IT和電信公司于2014年3月創(chuàng)立的美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)已經(jīng)成為一個(gè)突出的選擇。隨后，德國(guó)成立了一個(gè)新機(jī)構(gòu)Dialogplattform Industrie 4.0，以抵消IIC的強(qiáng)大地位。其他幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織在該領(lǐng)域有雄心壯志。戰(zhàn)略性地選擇參與這些機(jī)構(gòu)和其他機(jī)構(gòu)，積極塑造標(biāo)準(zhǔn)化議程對(duì)于制造系統(tǒng)供應(yīng)商來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。
前面的道路
行業(yè)和國(guó)家將以不同的速度和方式采用工業(yè)4.0。具有高水平產(chǎn)品變體的行業(yè)，如汽車和食品和飲料行業(yè)，將受益于更大程度的靈活性，從而可以提高生產(chǎn)力，例如，需要高品質(zhì)的行業(yè)，如半導(dǎo)體和制藥將受益于減少錯(cuò)誤率的數(shù)據(jù)分析驅(qū)動(dòng)的改進(jìn)。
生產(chǎn)者和系統(tǒng)供應(yīng)商必須采取果斷行動(dòng)，積極塑造轉(zhuǎn)型，以擁抱技術(shù)進(jìn)步的九大支柱。他們還必須解決適應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施和教育的需要。
生產(chǎn)者優(yōu)先事項(xiàng)并提升員工素質(zhì)
生產(chǎn)者必須在他們的生產(chǎn)過(guò)程中確定優(yōu)先級(jí)，并提高員工的能力，具體如下：
確定關(guān)鍵的改進(jìn)領(lǐng)域，如靈活性，速度，生產(chǎn)力和質(zhì)量。然后，考慮技術(shù)進(jìn)步的九大支柱如何推動(dòng)指定地區(qū)的改善。避免陷入漸進(jìn)式方法;相反，考慮由九種技術(shù)的組合所帶來(lái)的更多基本變化。
分析對(duì)員工的長(zhǎng)期影響，并進(jìn)行戰(zhàn)略性員工隊(duì)伍規(guī)劃。調(diào)整角色，招聘和職業(yè)培訓(xùn)，為員工提供所需的額外IT技能。
雖然這些改進(jìn)已經(jīng)對(duì)現(xiàn)有工業(yè)具有巨大的潛力，但新興領(lǐng)域可以使用工業(yè)4.0技術(shù)來(lái)使用創(chuàng)新的工廠布局和生產(chǎn)工藝來(lái)破壞現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)。
供應(yīng)商必須利用（Leverage）的技術(shù)
制造系統(tǒng)供應(yīng)商需要了解他們?nèi)绾卧谛碌氖褂冒咐惺褂眉夹g(shù)，為客戶提供最大的利益。這些技術(shù)可以用于不同的產(chǎn)品，如增強(qiáng)聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)和自動(dòng)化，開(kāi)發(fā)新的軟件產(chǎn)品以及提供分析驅(qū)動(dòng)服務(wù)等新服務(wù)。為了建立這些能力，他們必須建立正確的基礎(chǔ)：
★定義哪種業(yè)務(wù)模式可用于增強(qiáng)或新增優(yōu)惠。
★建立技術(shù)基礎(chǔ)，例如分析工具基礎(chǔ)。
★建立正確的組織結(jié)構(gòu)和能力。
★發(fā)展在數(shù)字世界中至關(guān)重要的伙伴關(guān)系。
★參與和塑造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。
同時(shí)，系統(tǒng)供應(yīng)商需要為長(zhǎng)期行業(yè)發(fā)展構(gòu)建一個(gè)基于情景的愿景，并確保他們的戰(zhàn)略將為最可能發(fā)生的情況做好準(zhǔn)備。
基礎(chǔ)設(shè)施和教育必須適應(yīng)
生產(chǎn)商和供應(yīng)商必須努力適應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施和教育，因?yàn)樗麄儞肀ЧI(yè)4.0的技術(shù)。這最好通過(guò)政府，行業(yè)協(xié)會(huì)和企業(yè)的共同努力來(lái)實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：
★升級(jí)技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，如固定和移動(dòng)寬帶服務(wù)?；A(chǔ)設(shè)施必須快速，安全和可靠，足以讓公司依靠它來(lái)獲得近實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
★修改學(xué)校課程，培訓(xùn)和大學(xué)課程，并加強(qiáng)創(chuàng)業(yè)方法，提高員工的IT相關(guān)技能和創(chuàng)新能力。
工業(yè)4.0為創(chuàng)新型生產(chǎn)商，系統(tǒng)供應(yīng)商和整個(gè)地區(qū)提供了巨大的機(jī)遇。但是，與以前的轉(zhuǎn)型發(fā)展一樣，工業(yè)4.0也對(duì)落后者構(gòu)成嚴(yán)重威脅。隨著商業(yè)模式，經(jīng)濟(jì)和技能要求的轉(zhuǎn)變，我們可以看到公司和地區(qū)層面的重大變化。