擁抱工業(yè)4.0
——技術(shù)進步、戰(zhàn)略建議及先鋒案例

編譯/夏溦

擁抱工業(yè)4.0
——技術(shù)進步、戰(zhàn)略建議及先鋒案例

編譯/夏溦

自從提出以來，工業(yè)4.0概念及實踐日益受到關(guān)注。本文將闡述構(gòu)成工業(yè)4.0基礎(chǔ)的九大技術(shù)進步，提出擁抱工業(yè)4.0的戰(zhàn)略建議，并列舉幾個已經(jīng)實施工業(yè)4.0的先鋒公司的案例，以期讓讀者更深刻地了解工業(yè)4.0。

工業(yè)4.0的基礎(chǔ)——九大技術(shù)進步

波士頓咨詢公司認(rèn)為，構(gòu)成工業(yè)4.0的基礎(chǔ)有九大技術(shù)進步。雖然其中的多數(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于制造中，但是在工業(yè)4.0背景下，他們將發(fā)生轉(zhuǎn)變：由孤立的、優(yōu)化的單元轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆?、自動化和?yōu)化的生產(chǎn)流程，從而導(dǎo)致更高的效率，并改變傳統(tǒng)的供應(yīng)商、生產(chǎn)商和客戶之間的關(guān)系，以及人與機器之間的關(guān)系。這九大技術(shù)進步（見圖1）詳述如下。

大數(shù)據(jù)分析 基于大數(shù)據(jù)集的分析最近才開始出現(xiàn)在制造界，在此，它優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約能源，并改善設(shè)備服務(wù)。在工業(yè)4.0背景下，對來自許多不同來源的數(shù)據(jù)（包括生產(chǎn)設(shè)備和系統(tǒng)，以及企業(yè)和客戶管理系統(tǒng)）的收集和綜合評價將成為標(biāo)準(zhǔn)，用以支持實時決策。例如，半導(dǎo)體制造商英飛凌科技公司（Infineon Technologies）通過將生產(chǎn)過程最后的測試階段收集到的單片機數(shù)據(jù)與前期收集到的晶圓狀態(tài)階段的過程數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，已經(jīng)降低了產(chǎn)品故障率。通過這種方式，英飛凌可以識別模式，幫助去除生產(chǎn)過程早期的故障芯片，提高生產(chǎn)質(zhì)量。

自主機器人 許多行業(yè)的制造商很早就在使用機器人來處理復(fù)雜的作業(yè)，但為實現(xiàn)更大的效用，機器人在不斷進化。他們變得更加自主、更加靈活和更可以合作。最終，他們將能彼此進行交互，與人類并肩安全合作，并從中學(xué)習(xí)。與今天制造業(yè)中使用的機器人相比，這些機器人成本會更低，而能力范圍會更大。例如，歐洲機器人設(shè)備制造商Kuka提供能夠彼此交互的自主機器人。這些機器人相互連接，以便可以一起工作，并自動調(diào)整行動，以配合產(chǎn)品線中下一個未完成的產(chǎn)品。高端傳感器和控制單元使之與人類密切合作。同樣，工業(yè)機器人供應(yīng)商ABB推出了被稱為YuMi的雙臂機器人，該機器人專門設(shè)計用來與人類一起組裝產(chǎn)品（如消費類電子產(chǎn)品）。兩個填充的手臂和計算機視覺能讓它安全地進行互動和零件識別。

模擬 在工程階段，產(chǎn)品、材料和生產(chǎn)過程中都已經(jīng)使用了三維模擬技術(shù)，但在將來，模擬將被更廣泛地應(yīng)用在工廠作業(yè)中。這些模擬將利用實時數(shù)據(jù)來在虛擬模型中反映物理世界，它可以包括機器、產(chǎn)品和人類。這種模擬能讓操作人員在物理轉(zhuǎn)換之前，在虛擬世界中為線上的下一個產(chǎn)品的機器設(shè)置進行測試和優(yōu)化，從而減少機器安裝調(diào)試時間，提高產(chǎn)品質(zhì)量。例如，西門子（Siemens）和一家德國機床供應(yīng)商開發(fā)了一個虛擬機，可以使用來自物理機的數(shù)據(jù)，模擬零件加工。這能將實際加工過程中的安裝調(diào)試時間降低80%之多。

水平和垂直系統(tǒng)集成（一體化）今天大部分的IT系統(tǒng)都是不完全集成的。公司、供應(yīng)商和客戶很少能夠緊密地聯(lián)系在一起。工程、生產(chǎn)和服務(wù)部門之間也是如此。職能從企業(yè)級到車間級都不能完全集成。即使工程本身——從產(chǎn)品到工廠到自動化——也缺乏完全集成。但在工業(yè)4.0中，公司、部門、職能和能力將變得更加緊密，更具有凝聚力，因為跨公司的通用數(shù)據(jù)集成網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展能夠?qū)崿F(xiàn)真正自動化的價值鏈。例如，達(dá)索系統(tǒng)（DassaultSystèmes）和BoostAeroSpace為歐洲航空航天和國防工業(yè)推出了一個合作平臺AirDesign。作為設(shè)計和制合作的共同工作空間，該平臺在私有云上提供服務(wù)。它能管理多個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)物聯(lián)網(wǎng) 今天，只有少數(shù)一些制造商的傳感器和機器聯(lián)網(wǎng)，并使用嵌入式計算。它們通常在垂直自動化系統(tǒng)中被組織起來，系統(tǒng)中的傳感器和具有有限智能和自動化控制的現(xiàn)場設(shè)備被納入總體的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)。但在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，更多的設(shè)備——有時甚至包括未完成的產(chǎn)品——將由于嵌入式計算機而變得更為豐富，并使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)連接在一起。這樣，不僅現(xiàn)場設(shè)備之間可以實現(xiàn)相互溝通和互動，而且必要時，現(xiàn)場設(shè)備可以與更集中的控制器之間實現(xiàn)溝通和互動。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)還能夠分散分析和決策，實現(xiàn)實時響應(yīng)。驅(qū)動和控制系統(tǒng)供應(yīng)商博世力士樂（Bosch Rexroth）為閥門配備了半自動、分散生產(chǎn)過程的生產(chǎn)設(shè)施。產(chǎn)品通過無線電頻率識別（radio frequency identification，RFID）代碼進行識別，工作站“知道”每個產(chǎn)品必須要執(zhí)行的生產(chǎn)步驟，并能調(diào)整并適應(yīng)執(zhí)行這些特定的操作。

網(wǎng)絡(luò)安全 許多公司目前依然依靠未連接或封閉的管理和生產(chǎn)系統(tǒng)。與工業(yè)4.0隨之而來的是連接及標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議使用的增加，為此，保護關(guān)鍵的工業(yè)系統(tǒng)和生產(chǎn)線免受網(wǎng)絡(luò)安全威脅的需求急劇增加。因此，安全、可靠的通訊，以及機器復(fù)雜的身份識別和訪問管理必不可少。

圖1：構(gòu)成工業(yè)4.0基礎(chǔ)的九大技術(shù)進步

云計算 公司已經(jīng)在一些企業(yè)和分析應(yīng)用中使用基于云計算的軟件，但在工業(yè)4.0中，更多的與生產(chǎn)相關(guān)的工作將需要增加跨站點和公司界限的數(shù)據(jù)共享。同時，云計算技術(shù)的性能將會提高，反應(yīng)時間只需要幾毫秒。因此，機器數(shù)據(jù)和功能將會越來越多地部署到云上，為生產(chǎn)系統(tǒng)提供更多的數(shù)據(jù)驅(qū)動的服務(wù)。即使是監(jiān)控和控制過程的系統(tǒng)都可能變成基于云技術(shù)。

增材制造 公司剛剛開始采用增材制造技術(shù)（如3D打印），他們大多是用該技術(shù)生產(chǎn)原型或個別組件。在工業(yè)4.0中，增材制造方法將被廣泛用于生產(chǎn)小批量的能提供構(gòu)造優(yōu)勢的定制產(chǎn)品，比如那些復(fù)雜、輕量化設(shè)計的產(chǎn)品。高性能并分散的增材制造系統(tǒng)將會縮短運輸距離，讓手上隨時有庫存。例如，航空公司已經(jīng)開始將增材制造應(yīng)用于新的設(shè)計，減輕飛機重量，降低鈦等原材料的費用。

增強現(xiàn)實 基于增加現(xiàn)實的系統(tǒng)支持各種服務(wù)，如在倉庫中選擇零件，并在移動設(shè)備上發(fā)送維修指令。這些系統(tǒng)目前正處于起步階段，但在將來，公司將更廣泛地利用增強現(xiàn)實技術(shù)，為工人提供實時信息，以改善決策和工作程序。例如，當(dāng)工人正在檢查需要維修的實際系統(tǒng)時，可能會收到關(guān)于如何更換某一特定部分的維修說明。這種信息可能會通過如增強現(xiàn)實眼鏡這類設(shè)備，直接顯示在工作的視野中。增加現(xiàn)實技術(shù)的另一個應(yīng)用是虛擬訓(xùn)練。西門子已經(jīng)為其普世軟件（Comos software）開發(fā)了一個虛擬工廠操作員培訓(xùn)模塊，該模塊使用帶有增加現(xiàn)實眼鏡的現(xiàn)實的、基于數(shù)據(jù)的三維環(huán)境來培訓(xùn)車間人員處理突發(fā)事件。在這個虛擬的世界中，操作人員可以通過點擊網(wǎng)絡(luò)畫面學(xué)會與機器進行交互。他們也可以更改參數(shù)，檢索操作數(shù)據(jù)和維護說明。

如何擁抱工業(yè)4.0

工業(yè)和國家將以不同的速度和不同的方式擁抱工業(yè)4.0。具有高產(chǎn)品變型水平的工業(yè)，如汽車和食品飲料行業(yè)，將受益于由更大程度的靈活性帶來的生產(chǎn)力的增加；對產(chǎn)品有高質(zhì)量要求的工業(yè)，如半導(dǎo)體和藥品行業(yè)，將受益于數(shù)據(jù)分析驅(qū)動的改進，減少錯誤率。高技能勞動力成本高的國家將能夠利用更高的自動化程度，應(yīng)對對于高技能勞動力需求的增加。然而，許多有年輕、技術(shù)嫻熟的員工隊伍的新興市場也可能會抓住這個機會，甚至可能創(chuàng)建全新的制造理念。為積極塑造這一轉(zhuǎn)型，生產(chǎn)者和系統(tǒng)供應(yīng)商必須采取果斷的行動，去擁抱科技進步的九大支柱。同時，他們還必須解決需要，以調(diào)整適應(yīng)適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)設(shè)施和教育。

對生產(chǎn)者而言，他們設(shè)置其生產(chǎn)過程中的優(yōu)先級，并提高員工的能力，這主要包括以下兩個方面：

·確定改進的關(guān)鍵領(lǐng)域，如靈活性、速度、效率和質(zhì)量。然后，考慮技術(shù)進步的九大支柱如何能在選定的區(qū)域驅(qū)動改進。避免陷入漸進增量的方法，相反，考慮由九種技術(shù)組合能帶來的更根本性的變化。

·分析對勞動力的長期影響，對勞動力進行戰(zhàn)略規(guī)劃。適應(yīng)角色、招聘和職業(yè)培訓(xùn)，讓員工具有所需的額外的IT技能。

雖然這些改進在現(xiàn)有的工業(yè)中已經(jīng)有了巨大的潛力，但在新興領(lǐng)域中可以利用工業(yè)4.0技術(shù)，使用創(chuàng)新的工廠布局和生產(chǎn)流程打亂現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)。

而對于制造系統(tǒng)的供應(yīng)商而言，他們必須了解如何能夠在新的應(yīng)用案例中使用新技術(shù)，為其客戶提供最大的利益。這些技術(shù)可以被用于不同的產(chǎn)品，例如增強網(wǎng)絡(luò)化嵌入式系統(tǒng)和自動化，開發(fā)新的軟件產(chǎn)品和提供新的服務(wù)，如分析驅(qū)動的服務(wù)等。要提供這些，供應(yīng)商必須讓正確的基礎(chǔ)到位：

·定義在增強的或新的提供物中使用哪種業(yè)務(wù)模型

·建立技術(shù)基礎(chǔ)，如分析的工具庫

·建立正確的組織結(jié)構(gòu)和功能

·建立在數(shù)字世界中至關(guān)重要的伙伴關(guān)系

·參與并塑造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化

另外，系統(tǒng)供應(yīng)商需要構(gòu)建基于場景的長遠(yuǎn)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展愿景，并確保其戰(zhàn)略為最可能發(fā)生的情況做好準(zhǔn)備。

同時，基礎(chǔ)設(shè)施和教育必須要進行調(diào)整。在擁抱工業(yè)4.0技術(shù)的時候，生產(chǎn)商和供應(yīng)商必須努力調(diào)整適應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施和教育。這最好是通過政府、行業(yè)協(xié)會和企業(yè)的共同努力，來實現(xiàn)如下目標(biāo)：

·升級技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，如固定和移動寬帶服務(wù)?；A(chǔ)設(shè)施必須提供足夠快速、安全和可靠的近實時數(shù)據(jù)，讓公司可以依賴于它

表1：工業(yè)4.0發(fā)展的維度與階段

·調(diào)整學(xué)校的課程、培訓(xùn)和大學(xué)課程，加強創(chuàng)業(yè)的辦法，以提高勞動力IT相關(guān)的技能和創(chuàng)新能力

工業(yè)4.0為創(chuàng)新的生產(chǎn)商、系統(tǒng)供應(yīng)商和整個地區(qū)帶來巨大的商機。但是，與以往的轉(zhuǎn)型發(fā)展類似，工業(yè)4.0也會對落伍者構(gòu)成嚴(yán)重威脅。隨著商業(yè)模式、經(jīng)濟和技能要求的轉(zhuǎn)變，公司和地區(qū)級別的高層發(fā)生重大變化。對大多數(shù)公司而言，工業(yè)4.0（或者工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)）的實施是一個多年的轉(zhuǎn)型過程,會導(dǎo)致其價值鏈發(fā)生重大變化。公司的高層管理者必須認(rèn)識到這一問題的重要性，把它列入工作議程中，并將其放在公司的最高優(yōu)先級。

由于各個公司的起點不同，客戶和競爭情況，以及投資意愿等也不一樣，因此，公司應(yīng)該根據(jù)自身情況，采取不同的戰(zhàn)略。

“龍頭（領(lǐng)導(dǎo)）”：為了更早的使用數(shù)字化帶來的機會，公司快速行動，并承擔(dān)風(fēng)險。這類公司與工業(yè)4.0的概念共同發(fā)展，甚至有可能創(chuàng)造實際標(biāo)準(zhǔn)。然而，這類公司也必須承擔(dān)更大的風(fēng)險，因為它們不得不先開發(fā)和實施新的、未經(jīng)驗證的方案。

“快速調(diào)整適應(yīng)”：公司學(xué)習(xí)初始開拓者的經(jīng)驗，迅速調(diào)整并實施對他們自身而言最顯而易見的成功概念。然而，這類公司要承擔(dān)的風(fēng)險就是它可能不能充分發(fā)揮潛力。

“等待”：為了完全依賴于已經(jīng)測試過的概念，即具有定義好的標(biāo)準(zhǔn)和既定的盈利能力分析的概念，公司等待工業(yè)4.0解決方案的廣泛實施。然而，公司要承擔(dān)的風(fēng)險是在迅速變化的世界落后于全球競爭中而不被低估。

綜合起來，工業(yè)4.0的能力發(fā)展跨越五個維度和四個階段。五個維度是業(yè)務(wù)模式、產(chǎn)品和服務(wù)組合，市場和客戶訪問，價值鏈、流程和系統(tǒng)，合規(guī)性、法律、風(fēng)險、安全和稅收，以及組織與文化。四個階段包括數(shù)字新手，縱向集成者，橫向合作者和數(shù)字冠軍。其中涉及的具體內(nèi)容見表1。

工業(yè)4.0先鋒的最佳實踐

在描述工業(yè)4.0的最佳實踐時，主要考慮三類群體的實踐，即工業(yè)4.0的技術(shù)供應(yīng)商，基礎(chǔ)設(shè)施提供商和工業(yè)用戶。西門子、庫卡（Kuka）或達(dá)索（Dassault）之類的技術(shù)供應(yīng)商提供關(guān)鍵的生產(chǎn)技術(shù)，如協(xié)作機器人或電子保養(yǎng)系統(tǒng)。電信商或SAP等基礎(chǔ)設(shè)施提供商處理支持結(jié)構(gòu)和服務(wù)，例如云計算、大數(shù)據(jù)存儲和處理。工業(yè)用戶是傳統(tǒng)的全球性制造公司，如大眾（VW）或巴斯夫（BASF），他們使用如快速原型設(shè)計或智慧能源建筑等技術(shù)優(yōu)化生產(chǎn)流程。要讓工業(yè)4.0成為現(xiàn)實，這些參與者必不可少。在進入工業(yè)4.0時，公司必須能夠更迅速、靈活地響應(yīng)客戶需求，尤其是快速變化的客戶要求。在物流方面，這種變化是顯而易見的。但是，從事機械工程、醫(yī)學(xué)工程和發(fā)動機生產(chǎn)的公司，也正在向建立智能化的生產(chǎn)流程和定制產(chǎn)品邁出成功的第一步。

一些企業(yè)已經(jīng)開發(fā)出創(chuàng)新理念，將其業(yè)務(wù)部門的活動轉(zhuǎn)向工業(yè)4.0。其他很多公司預(yù)計會跟隨這些公司的行動。下面舉一些不同國家的公司的例子，展示他們?nèi)绾螌⑸a(chǎn)轉(zhuǎn)化為更智慧、更虛擬、更多連接和更分散放權(quán)的系統(tǒng)。

Trumpf 通快公司（Trumpf）是德國一家工具制造商，它是工業(yè)4.0的供應(yīng)商，同時是激光系統(tǒng)的全球的市場領(lǐng)導(dǎo)者，該公司的第一個“社會機器”已經(jīng)投入使用。機器的每個組件都是“智慧的”，知道已經(jīng)對其進行了哪些工作。由于生產(chǎn)設(shè)施已經(jīng)知道其產(chǎn)能利用率并能與其他設(shè)施進行溝通，因此生產(chǎn)選項能夠被自動優(yōu)化。在生產(chǎn)過程中，客戶可以實時接收機器圖片，并有機會很早就給出反饋信息，這有助于建造更好的機器。

西門子 作為工業(yè)用戶，德國制造業(yè)巨頭西門子正在醫(yī)療工程中實施工業(yè)4.0解決方案。多年以來，人工膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)都是標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，工程師需要幾天的時間來根據(jù)患者的情況進行定制?，F(xiàn)在，新的軟件和轉(zhuǎn)向解決方案能讓西門子公司在3到4小時內(nèi)就生產(chǎn)出一個植入體。

羅爾斯-羅伊斯（Rolls-Royce）英國航空發(fā)動機制造商羅爾斯-羅伊斯也是一個工業(yè)用戶，它正在準(zhǔn)備使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)噴氣發(fā)動機的零部件。由于涉及模具加工時間，有些零部件的交付周期很長，甚至可能需要18個月的時間才能供應(yīng)定貨。3D打印將會大大縮短這一進程，并有可能制造出更輕型的零部件。

達(dá)索系統(tǒng)（DassaultSystèmes） 法國軟件提供商達(dá)索系統(tǒng)正在推動產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)的一體化。這一倡議的核心是一個3D平臺，它被設(shè)計成公司的共同工作環(huán)境，設(shè)計師和工程師能夠共同實時地模擬新產(chǎn)品。并且，聯(lián)網(wǎng)的3D環(huán)境還可以通過云計算來使用 。

我們不需要等待工業(yè)4.0，相反，第四次工業(yè)革命，或者說工業(yè)4.0的“列車”已經(jīng)離開了站臺，并且其關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)在使用，某些行業(yè)甚至已經(jīng)工業(yè)規(guī)模地使用這些先進技術(shù)。革命是快速的、顛覆性的和有破壞性的，并且無法回頭。因此，公司必須決定何時對他們是最佳時刻，然后馬上上車!