擁抱工業4.0
——技術進步、戰略建議及先鋒案例

編譯/夏溦

擁抱工業4.0
——技術進步、戰略建議及先鋒案例

編譯/夏溦

自從提出以來，工業4.0概念及實踐日益受到關注。本文將闡述構成工業4.0基礎的九大技術進步，提出擁抱工業4.0的戰略建議，并列舉幾個已經實施工業4.0的先鋒公司的案例，以期讓讀者更深刻地了解工業4.0。

工業4.0的基礎——九大技術進步

波士頓咨詢公司認為，構成工業4.0的基礎有九大技術進步。雖然其中的多數已經被應用于制造中，但是在工業4.0背景下，他們將發生轉變：由孤立的、優化的單元轉變為完全集成、自動化和優化的生產流程，從而導致更高的效率，并改變傳統的供應商、生產商和客戶之間的關系，以及人與機器之間的關系。這九大技術進步（見圖1）詳述如下。

大數據分析 基于大數據集的分析最近才開始出現在制造界，在此，它優化產品質量，節約能源，并改善設備服務。在工業4.0背景下，對來自許多不同來源的數據（包括生產設備和系統，以及企業和客戶管理系統）的收集和綜合評價將成為標準，用以支持實時決策。例如，半導體制造商英飛凌科技公司（Infineon Technologies）通過將生產過程最后的測試階段收集到的單片機數據與前期收集到的晶圓狀態階段的過程數據相關聯，已經降低了產品故障率。通過這種方式，英飛凌可以識別模式，幫助去除生產過程早期的故障芯片，提高生產質量。

自主機器人 許多行業的制造商很早就在使用機器人來處理復雜的作業，但為實現更大的效用，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，并從中學習。與今天制造業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，并自動調整行動，以配合產品線中下一個未完成的產品。高端傳感器和控制單元使之與人類密切合作。同樣，工業機器人供應商ABB推出了被稱為YuMi的雙臂機器人，該機器人專門設計用來與人類一起組裝產品（如消費類電子產品）。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，產品、材料和生產過程中都已經使用了三維模擬技術，但在將來，模擬將被更廣泛地應用在工廠作業中。這些模擬將利用實時數據來在虛擬模型中反映物理世界，它可以包括機器、產品和人類。這種模擬能讓操作人員在物理轉換之前，在虛擬世界中為線上的下一個產品的機器設置進行測試和優化，從而減少機器安裝調試時間，提高產品質量。例如，西門子（Siemens）和一家德國機床供應商開發了一個虛擬機，可以使用來自物理機的數據，模擬零件加工。這能將實際加工過程中的安裝調試時間降低80%之多。

水平和垂直系統集成（一體化）今天大部分的IT系統都是不完全集成的。公司、供應商和客戶很少能夠緊密地聯系在一起。工程、生產和服務部門之間也是如此。職能從企業級到車間級都不能完全集成。即使工程本身——從產品到工廠到自動化——也缺乏完全集成。但在工業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據集成網絡的發展能夠實現真正自動化的價值鏈。例如，達索系統（DassaultSystèmes）和BoostAeroSpace為歐洲航空航天和國防工業推出了一個合作平臺AirDesign。作為設計和制合作的共同工作空間，該平臺在私有云上提供服務。它能管理多個合作伙伴之間交換產品和生產數據的復雜任務。

工業物聯網 今天，只有少數一些制造商的傳感器和機器聯網，并使用嵌入式計算。它們通常在垂直自動化系統中被組織起來，系統中的傳感器和具有有限智能和自動化控制的現場設備被納入總體的生產過程控制系統。但在工業物聯網中，更多的設備——有時甚至包括未完成的產品——將由于嵌入式計算機而變得更為豐富，并使用標準技術連接在一起。這樣，不僅現場設備之間可以實現相互溝通和互動，而且必要時，現場設備可以與更集中的控制器之間實現溝通和互動。工業物聯網還能夠分散分析和決策，實現實時響應。驅動和控制系統供應商博世力士樂（Bosch Rexroth）為閥門配備了半自動、分散生產過程的生產設施。產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”每個產品必須要執行的生產步驟，并能調整并適應執行這些特定的操作。

網絡安全 許多公司目前依然依靠未連接或封閉的管理和生產系統。與工業4.0隨之而來的是連接及標準通信協議使用的增加，為此，保護關鍵的工業系統和生產線免受網絡安全威脅的需求急劇增加。因此，安全、可靠的通訊，以及機器復雜的身份識別和訪問管理必不可少。

圖1：構成工業4.0基礎的九大技術進步

云計算 公司已經在一些企業和分析應用中使用基于云計算的軟件，但在工業4.0中，更多的與生產相關的工作將需要增加跨站點和公司界限的數據共享。同時，云計算技術的性能將會提高，反應時間只需要幾毫秒。因此，機器數據和功能將會越來越多地部署到云上，為生產系統提供更多的數據驅動的服務。即使是監控和控制過程的系統都可能變成基于云技術。

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

增強現實 基于增加現實的系統支持各種服務，如在倉庫中選擇零件，并在移動設備上發送維修指令。這些系統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實技術，為工人提供實時信息，以改善決策和工作程序。例如，當工人正在檢查需要維修的實際系統時，可能會收到關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實眼鏡這類設備，直接顯示在工作的視野中。增加現實技術的另一個應用是虛擬訓練。西門子已經為其普世軟件（Comos software）開發了一個虛擬工廠操作員培訓模塊，該模塊使用帶有增加現實眼鏡的現實的、基于數據的三維環境來培訓車間人員處理突發事件。在這個虛擬的世界中，操作人員可以通過點擊網絡畫面學會與機器進行交互。他們也可以更改參數，檢索操作數據和維護說明。

如何擁抱工業4.0

工業和國家將以不同的速度和不同的方式擁抱工業4.0。具有高產品變型水平的工業，如汽車和食品飲料行業，將受益于由更大程度的靈活性帶來的生產力的增加；對產品有高質量要求的工業，如半導體和藥品行業，將受益于數據分析驅動的改進，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，應對對于高技能勞動力需求的增加。然而，許多有年輕、技術嫻熟的員工隊伍的新興市場也可能會抓住這個機會，甚至可能創建全新的制造理念。為積極塑造這一轉型，生產者和系統供應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，以調整適應適當的基礎設施和教育。

對生產者而言，他們設置其生產過程中的優先級，并提高員工的能力，這主要包括以下兩個方面：

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

·分析對勞動力的長期影響，對勞動力進行戰略規劃。適應角色、招聘和職業培訓，讓員工具有所需的額外的IT技能。

雖然這些改進在現有的工業中已經有了巨大的潛力，但在新興領域中可以利用工業4.0技術，使用創新的工廠布局和生產流程打亂現有標準。

而對于制造系統的供應商而言，他們必須了解如何能夠在新的應用案例中使用新技術，為其客戶提供最大的利益。這些技術可以被用于不同的產品，例如增強網絡化嵌入式系統和自動化，開發新的軟件產品和提供新的服務，如分析驅動的服務等。要提供這些，供應商必須讓正確的基礎到位：

·定義在增強的或新的提供物中使用哪種業務模型

·建立技術基礎，如分析的工具庫

·建立正確的組織結構和功能

·建立在數字世界中至關重要的伙伴關系

·參與并塑造技術標準化

另外，系統供應商需要構建基于場景的長遠的產業發展愿景，并確保其戰略為最可能發生的情況做好準備。

同時，基礎設施和教育必須要進行調整。在擁抱工業4.0技術的時候，生產商和供應商必須努力調整適應基礎設施和教育。這最好是通過政府、行業協會和企業的共同努力，來實現如下目標：

·升級技術基礎設施，如固定和移動寬帶服務?；A設施必須提供足夠快速、安全和可靠的近實時數據，讓公司可以依賴于它

表1：工業4.0發展的維度與階段

·調整學校的課程、培訓和大學課程，加強創業的辦法，以提高勞動力IT相關的技能和創新能力

工業4.0為創新的生產商、系統供應商和整個地區帶來巨大的商機。但是，與以往的轉型發展類似，工業4.0也會對落伍者構成嚴重威脅。隨著商業模式、經濟和技能要求的轉變，公司和地區級別的高層發生重大變化。對大多數公司而言，工業4.0（或者工業互聯網）的實施是一個多年的轉型過程,會導致其價值鏈發生重大變化。公司的高層管理者必須認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，公司應該根據自身情況，采取不同的戰略。

“龍頭（領導）”：為了更早的使用數字化帶來的機會，公司快速行動，并承擔風險。這類公司與工業4.0的概念共同發展，甚至有可能創造實際標準。然而，這類公司也必須承擔更大的風險，因為它們不得不先開發和實施新的、未經驗證的方案。

“快速調整適應”：公司學習初始開拓者的經驗，迅速調整并實施對他們自身而言最顯而易見的成功概念。然而，這類公司要承擔的風險就是它可能不能充分發揮潛力。

“等待”：為了完全依賴于已經測試過的概念，即具有定義好的標準和既定的盈利能力分析的概念，公司等待工業4.0解決方案的廣泛實施。然而，公司要承擔的風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4.0的能力發展跨越五個維度和四個階段。五個維度是業務模式、產品和服務組合，市場和客戶訪問，價值鏈、流程和系統，合規性、法律、風險、安全和稅收，以及組織與文化。四個階段包括數字新手，縱向集成者，橫向合作者和數字冠軍。其中涉及的具體內容見表1。

工業4.0先鋒的最佳實踐

在描述工業4.0的最佳實踐時，主要考慮三類群體的實踐，即工業4.0的技術供應商，基礎設施提供商和工業用戶。西門子、庫卡（Kuka）或達索（Dassault）之類的技術供應商提供關鍵的生產技術，如協作機器人或電子保養系統。電信商或SAP等基礎設施提供商處理支持結構和服務，例如云計算、大數據存儲和處理。工業用戶是傳統的全球性制造公司，如大眾（VW）或巴斯夫（BASF），他們使用如快速原型設計或智慧能源建筑等技術優化生產流程。要讓工業4.0成為現實，這些參與者必不可少。在進入工業4.0時，公司必須能夠更迅速、靈活地響應客戶需求，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、醫學工程和發動機生產的公司，也正在向建立智能化的生產流程和定制產品邁出成功的第一步。

一些企業已經開發出創新理念，將其業務部門的活動轉向工業4.0。其他很多公司預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，展示他們如何將生產轉化為更智慧、更虛擬、更多連接和更分散放權的系統。

Trumpf 通快公司（Trumpf）是德國一家工具制造商，它是工業4.0的供應商，同時是激光系統的全球的市場領導者，該公司的第一個“社會機器”已經投入使用。機器的每個組件都是“智慧的”，知道已經對其進行了哪些工作。由于生產設施已經知道其產能利用率并能與其他設施進行溝通，因此生產選項能夠被自動優化。在生產過程中，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 作為工業用戶，德國制造業巨頭西門子正在醫療工程中實施工業4.0解決方案。多年以來，人工膝關節和髖關節都是標準化的產品，工程師需要幾天的時間來根據患者的情況進行定制?，F在，新的軟件和轉向解決方案能讓西門子公司在3到4小時內就生產出一個植入體。

羅爾斯-羅伊斯（Rolls-Royce）英國航空發動機制造商羅爾斯-羅伊斯也是一個工業用戶，它正在準備使用3D打印技術生產噴氣發動機的零部件。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。

達索系統（DassaultSystèmes） 法國軟件提供商達索系統正在推動產品開發和生產的一體化。這一倡議的核心是一個3D平臺，它被設計成公司的共同工作環境，設計師和工程師能夠共同實時地模擬新產品。并且，聯網的3D環境還可以通過云計算來使用 。

我們不需要等待工業4.0，相反，第四次工業革命，或者說工業4.0的“列車”已經離開了站臺，并且其關鍵技術已經在使用，某些行業甚至已經工業規模地使用這些先進技術。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!