拥抱工业4.0——技术进步、战略建议及先锋案例

编译/夏溦

拥抱工业4.0
——技术进步、战略建议及先锋案例

编译/夏溦

自从提出以来，工业4.0概念及实践日益受到关注。本文将阐述构成工业4.0基础的九大技术进步，提出拥抱工业4.0的战略建议，并列举几个已经实施工业4.0的先锋公司的案例，以期让读者更深刻地了解工业4.0。

工业4.0的基础——九大技术进步

波士顿咨询公司认为，构成工业4.0的基础有九大技术进步。虽然其中的多数已经被应用于制造中，但是在工业4.0背景下，他们将发生转变：由孤立的、优化的单元转变为完全集成、自动化和优化的生产流程，从而导致更高的效率，并改变传统的供应商、生产商和客户之间的关系，以及人与机器之间的关系。这九大技术进步（见图1）详述如下。

大数据分析 基于大数据集的分析最近才开始出现在制造界，在此，它优化产品质量，节约能源，并改善设备服务。在工业4.0背景下，对来自许多不同来源的数据（包括生产设备和系统，以及企业和客户管理系统）的收集和综合评价将成为标准，用以支持实时决策。例如，半导体制造商英飞凌科技公司（Infineon Technologies）通过将生产过程最后的测试阶段收集到的单片机数据与前期收集到的晶圆状态阶段的过程数据相关联，已经降低了产品故障率。通过这种方式，英飞凌可以识别模式，帮助去除生产过程早期的故障芯片，提高生产质量。

自主机器人 许多行业的制造商很早就在使用机器人来处理复杂的作业，但为实现更大的效用，机器人在不断进化。他们变得更加自主、更加灵活和更可以合作。最终，他们将能彼此进行交互，与人类并肩安全合作，并从中学习。与今天制造业中使用的机器人相比，这些机器人成本会更低，而能力范围会更大。例如，欧洲机器人设备制造商Kuka提供能够彼此交互的自主机器人。这些机器人相互连接，以便可以一起工作，并自动调整行动，以配合产品线中下一个未完成的产品。高端传感器和控制单元使之与人类密切合作。同样，工业机器人供应商ABB推出了被称为YuMi的双臂机器人，该机器人专门设计用来与人类一起组装产品（如消费类电子产品）。两个填充的手臂和计算机视觉能让它安全地进行互动和零件识别。

模拟 在工程阶段，产品、材料和生产过程中都已经使用了三维模拟技术，但在将来，模拟将被更广泛地应用在工厂作业中。这些模拟将利用实时数据来在虚拟模型中反映物理世界，它可以包括机器、产品和人类。这种模拟能让操作人员在物理转换之前，在虚拟世界中为线上的下一个产品的机器设置进行测试和优化，从而减少机器安装调试时间，提高产品质量。例如，西门子（Siemens）和一家德国机床供应商开发了一个虚拟机，可以使用来自物理机的数据，模拟零件加工。这能将实际加工过程中的安装调试时间降低80%之多。

水平和垂直系统集成（一体化）今天大部分的IT系统都是不完全集成的。公司、供应商和客户很少能够紧密地联系在一起。工程、生产和服务部门之间也是如此。职能从企业级到车间级都不能完全集成。即使工程本身——从产品到工厂到自动化——也缺乏完全集成。但在工业4.0中，公司、部门、职能和能力将变得更加紧密，更具有凝聚力，因为跨公司的通用数据集成网络的发展能够实现真正自动化的价值链。例如，达索系统（DassaultSystèmes）和BoostAeroSpace为欧洲航空航天和国防工业推出了一个合作平台AirDesign。作为设计和制合作的共同工作空间，该平台在私有云上提供服务。它能管理多个合作伙伴之间交换产品和生产数据的复杂任务。

工业物联网 今天，只有少数一些制造商的传感器和机器联网，并使用嵌入式计算。它们通常在垂直自动化系统中被组织起来，系统中的传感器和具有有限智能和自动化控制的现场设备被纳入总体的生产过程控制系统。但在工业物联网中，更多的设备——有时甚至包括未完成的产品——将由于嵌入式计算机而变得更为丰富，并使用标准技术连接在一起。这样，不仅现场设备之间可以实现相互沟通和互动，而且必要时，现场设备可以与更集中的控制器之间实现沟通和互动。工业物联网还能够分散分析和决策，实现实时响应。驱动和控制系统供应商博世力士乐（Bosch Rexroth）为阀门配备了半自动、分散生产过程的生产设施。产品通过无线电频率识别（radio frequency identification，RFID）代码进行识别，工作站“知道”每个产品必须要执行的生产步骤，并能调整并适应执行这些特定的操作。

网络安全 许多公司目前依然依靠未连接或封闭的管理和生产系统。与工业4.0随之而来的是连接及标准通信协议使用的增加，为此，保护关键的工业系统和生产线免受网络安全威胁的需求急剧增加。因此，安全、可靠的通讯，以及机器复杂的身份识别和访问管理必不可少。

图1：构成工业4.0基础的九大技术进步

云计算 公司已经在一些企业和分析应用中使用基于云计算的软件，但在工业4.0中，更多的与生产相关的工作将需要增加跨站点和公司界限的数据共享。同时，云计算技术的性能将会提高，反应时间只需要几毫秒。因此，机器数据和功能将会越来越多地部署到云上，为生产系统提供更多的数据驱动的服务。即使是监控和控制过程的系统都可能变成基于云技术。

增材制造 公司刚刚开始采用增材制造技术（如3D打印），他们大多是用该技术生产原型或个别组件。在工业4.0中，增材制造方法将被广泛用于生产小批量的能提供构造优势的定制产品，比如那些复杂、轻量化设计的产品。高性能并分散的增材制造系统将会缩短运输距离，让手上随时有库存。例如，航空公司已经开始将增材制造应用于新的设计，减轻飞机重量，降低钛等原材料的费用。

增强现实 基于增加现实的系统支持各种服务，如在仓库中选择零件，并在移动设备上发送维修指令。这些系统目前正处于起步阶段，但在将来，公司将更广泛地利用增强现实技术，为工人提供实时信息，以改善决策和工作程序。例如，当工人正在检查需要维修的实际系统时，可能会收到关于如何更换某一特定部分的维修说明。这种信息可能会通过如增强现实眼镜这类设备，直接显示在工作的视野中。增加现实技术的另一个应用是虚拟训练。西门子已经为其普世软件（Comos software）开发了一个虚拟工厂操作员培训模块，该模块使用带有增加现实眼镜的现实的、基于数据的三维环境来培训车间人员处理突发事件。在这个虚拟的世界中，操作人员可以通过点击网络画面学会与机器进行交互。他们也可以更改参数，检索操作数据和维护说明。

如何拥抱工业4.0

工业和国家将以不同的速度和不同的方式拥抱工业4.0。具有高产品变型水平的工业，如汽车和食品饮料行业，将受益于由更大程度的灵活性带来的生产力的增加；对产品有高质量要求的工业，如半导体和药品行业，将受益于数据分析驱动的改进，减少错误率。高技能劳动力成本高的国家将能够利用更高的自动化程度，应对对于高技能劳动力需求的增加。然而，许多有年轻、技术娴熟的员工队伍的新兴市场也可能会抓住这个机会，甚至可能创建全新的制造理念。为积极塑造这一转型，生产者和系统供应商必须采取果断的行动，去拥抱科技进步的九大支柱。同时，他们还必须解决需要，以调整适应适当的基础设施和教育。

对生产者而言，他们设置其生产过程中的优先级，并提高员工的能力，这主要包括以下两个方面：

·确定改进的关键领域，如灵活性、速度、效率和质量。然后，考虑技术进步的九大支柱如何能在选定的区域驱动改进。避免陷入渐进增量的方法，相反，考虑由九种技术组合能带来的更根本性的变化。

·分析对劳动力的长期影响，对劳动力进行战略规划。适应角色、招聘和职业培训，让员工具有所需的额外的IT技能。

虽然这些改进在现有的工业中已经有了巨大的潜力，但在新兴领域中可以利用工业4.0技术，使用创新的工厂布局和生产流程打乱现有标准。

而对于制造系统的供应商而言，他们必须了解如何能够在新的应用案例中使用新技术，为其客户提供最大的利益。这些技术可以被用于不同的产品，例如增强网络化嵌入式系统和自动化，开发新的软件产品和提供新的服务，如分析驱动的服务等。要提供这些，供应商必须让正确的基础到位：

·定义在增强的或新的提供物中使用哪种业务模型

·建立技术基础，如分析的工具库

·建立正确的组织结构和功能

·建立在数字世界中至关重要的伙伴关系

·参与并塑造技术标准化

另外，系统供应商需要构建基于场景的长远的产业发展愿景，并确保其战略为最可能发生的情况做好准备。

同时，基础设施和教育必须要进行调整。在拥抱工业4.0技术的时候，生产商和供应商必须努力调整适应基础设施和教育。这最好是通过政府、行业协会和企业的共同努力，来实现如下目标：

·升级技术基础设施，如固定和移动宽带服务。基础设施必须提供足够快速、安全和可靠的近实时数据，让公司可以依赖于它

表1：工业4.0发展的维度与阶段

·调整学校的课程、培训和大学课程，加强创业的办法，以提高劳动力IT相关的技能和创新能力

工业4.0为创新的生产商、系统供应商和整个地区带来巨大的商机。但是，与以往的转型发展类似，工业4.0也会对落伍者构成严重威胁。随着商业模式、经济和技能要求的转变，公司和地区级别的高层发生重大变化。对大多数公司而言，工业4.0（或者工业互联网）的实施是一个多年的转型过程,会导致其价值链发生重大变化。公司的高层管理者必须认识到这一问题的重要性，把它列入工作议程中，并将其放在公司的最高优先级。

由于各个公司的起点不同，客户和竞争情况，以及投资意愿等也不一样，因此，公司应该根据自身情况，采取不同的战略。

“龙头（领导）”：为了更早的使用数字化带来的机会，公司快速行动，并承担风险。这类公司与工业4.0的概念共同发展，甚至有可能创造实际标准。然而，这类公司也必须承担更大的风险，因为它们不得不先开发和实施新的、未经验证的方案。

“快速调整适应”：公司学习初始开拓者的经验，迅速调整并实施对他们自身而言最显而易见的成功概念。然而，这类公司要承担的风险就是它可能不能充分发挥潜力。

“等待”：为了完全依赖于已经测试过的概念，即具有定义好的标准和既定的盈利能力分析的概念，公司等待工业4.0解决方案的广泛实施。然而，公司要承担的风险是在迅速变化的世界落后于全球竞争中而不被低估。

综合起来，工业4.0的能力发展跨越五个维度和四个阶段。五个维度是业务模式、产品和服务组合，市场和客户访问，价值链、流程和系统，合规性、法律、风险、安全和税收，以及组织与文化。四个阶段包括数字新手，纵向集成者，横向合作者和数字冠军。其中涉及的具体内容见表1。

工业4.0先锋的最佳实践

在描述工业4.0的最佳实践时，主要考虑三类群体的实践，即工业4.0的技术供应商，基础设施提供商和工业用户。西门子、库卡（Kuka）或达索（Dassault）之类的技术供应商提供关键的生产技术，如协作机器人或电子保养系统。电信商或SAP等基础设施提供商处理支持结构和服务，例如云计算、大数据存储和处理。工业用户是传统的全球性制造公司，如大众（VW）或巴斯夫（BASF），他们使用如快速原型设计或智慧能源建筑等技术优化生产流程。要让工业4.0成为现实，这些参与者必不可少。在进入工业4.0时，公司必须能够更迅速、灵活地响应客户需求，尤其是快速变化的客户要求。在物流方面，这种变化是显而易见的。但是，从事机械工程、医学工程和发动机生产的公司，也正在向建立智能化的生产流程和定制产品迈出成功的第一步。

一些企业已经开发出创新理念，将其业务部门的活动转向工业4.0。其他很多公司预计会跟随这些公司的行动。下面举一些不同国家的公司的例子，展示他们如何将生产转化为更智慧、更虚拟、更多连接和更分散放权的系统。

Trumpf 通快公司（Trumpf）是德国一家工具制造商，它是工业4.0的供应商，同时是激光系统的全球的市场领导者，该公司的第一个“社会机器”已经投入使用。机器的每个组件都是“智慧的”，知道已经对其进行了哪些工作。由于生产设施已经知道其产能利用率并能与其他设施进行沟通，因此生产选项能够被自动优化。在生产过程中，客户可以实时接收机器图片，并有机会很早就给出反馈信息，这有助于建造更好的机器。

西门子 作为工业用户，德国制造业巨头西门子正在医疗工程中实施工业4.0解决方案。多年以来，人工膝关节和髋关节都是标准化的产品，工程师需要几天的时间来根据患者的情况进行定制。现在，新的软件和转向解决方案能让西门子公司在3到4小时内就生产出一个植入体。

罗尔斯-罗伊斯（Rolls-Royce）英国航空发动机制造商罗尔斯-罗伊斯也是一个工业用户，它正在准备使用3D打印技术生产喷气发动机的零部件。由于涉及模具加工时间，有些零部件的交付周期很长，甚至可能需要18个月的时间才能供应定货。3D打印将会大大缩短这一进程，并有可能制造出更轻型的零部件。

达索系统（DassaultSystèmes） 法国软件提供商达索系统正在推动产品开发和生产的一体化。这一倡议的核心是一个3D平台，它被设计成公司的共同工作环境，设计师和工程师能够共同实时地模拟新产品。并且，联网的3D环境还可以通过云计算来使用 。

我们不需要等待工业4.0，相反，第四次工业革命，或者说工业4.0的“列车”已经离开了站台，并且其关键技术已经在使用，某些行业甚至已经工业规模地使用这些先进技术。革命是快速的、颠覆性的和有破坏性的，并且无法回头。因此，公司必须决定何时对他们是最佳时刻，然后马上上车!