自工業革命爆發以來，技術進步推動了工業生產力的大幅提升。十九世紀由蒸汽機驅動的工廠，電氣化導致了二十世紀早期的大規模生產，并且工業在二十世紀七十年代變成了自動化。然而，在接下來的幾十年里，工業技術進步只是漸進的，尤其是與IT，移動通信和電子商務轉型的突破相比。
然而，現在我們正處在技術進步的第四浪潮中：被稱為工業4.0的新型數字工業技術的興起，這種轉變由九項基礎技術進步驅動。（見圖1）在這個轉型過程中，傳感器，機器，工件和IT系統將沿價值鏈連接到一個生態系統。這些連接的系統（也稱為網絡物理系統）可以使用標準的基于互聯網的協議進行交互，并分析數據以預測故障，自行配置和適應變化。工業4.0將能夠收集和分析機器間的數據，實現更快，更靈活和更高效的流程，以降低成本生產更高質量的產品。這反過來又會提高制造業生產率，轉變經濟，促進工業增長，并改變勞動力狀況-最終改變公司和地區的競爭力。
今天本文譯者帶來的是BCG的工業4.0及制造業的報告，和大家一起討論作為工業4.0構建模塊的九項技術趨勢，以及它們為制造商和生產設備供應商帶來的潛在技術和經濟效益。本文使用了德國相關的案例研究，這是公認的工業自動化領域的世界領先者。
一、技術進步的九大支柱
工業4.0基礎技術的九大技術進步已經在制造業中得到了應用，但工業4.0將會改變生產：隔離的，優化的單元將成為一個完全集成，自動化和優化的生產流程，引領提高效率并改變供應商，生產商和客戶之間，以及人與機器之間的傳統生產關系。（見圖2）
大數據和分析
基于大數據集的分析直到最近才在制造業中出現，它優化了生產程序，節約了能源并改善了設備服務。在工業4.0的背景下，來自許多不同來源（生產設備和系統以及企業和客戶管理系統）的數據的收集和綜合評估將成為支持實時決策的標準。
例如，半導體制造商英飛凌科技公司通過將生產過程結束時測試階段捕獲的單芯片數據與該過程早期晶圓狀態階段收集的過程數據相關聯，減少了產品故障。通過這種方式，英飛凌可以識別在生產過程早期幫助排出故障芯片并提高生產質量。
自主機器人
許多行業的制造商長期以來一直使用機器人來處理復雜的任務，但機器人正在不斷發展以獲得更大的應用。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，并向他們學習。這些機器人將比現在制造中使用的機器人成本更低，功能范圍更廣。
例如，歐洲機器人設備制造商Kuka提供了可以相互作用的自動機器人。這些機器人是相互聯系的，以便他們可以一起工作并自動調整行動，以適應下一個未完成的產品。高端傳感器和控制單元可與人類密切合作。同樣，工業機器人供應商ABB正在推出名為YuMi的雙臂機器人，該機器人專門用于與人類組裝產品（如消費電子產品）。兩個填充手臂和計算機視覺允許安全的互動和零件識別。
模擬
在工程階段，已經使用了產品，材料和生產工藝的三維仿真，但是在未來，仿真也將在工廠運行中得到更廣泛的應用。這些模擬將利用實時數據來反映虛擬模型中的物理世界，虛擬模型可能包括機器，產品和人類。這允許操作員在物理轉換之前測試和優化虛擬世界中下一個產品的機器設置，從而縮短機器設置時間并提高質量。
例如，西門子和一家德國機床供應商開發出一種虛擬機，可以使用物理機器的數據來模擬零件加工。這將實際加工過程的設置時間縮短了80％。
水平和垂直系統集成
今天的大多數IT系統都沒有完全集成。公司，供應商和客戶很少緊密聯系。工程，生產和服務等部門也不例外。從企業到車間層面的功能沒有完全整合。即使是工程設計本身-從產品到工廠到自動化-都缺乏完整的集成。但隨著工業4.0，隨著跨公司，通用數據集成網絡的發展并實現真正自動化的價值鏈，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防工業推出了一個協作平臺。該平臺AirDesign作為設計和制造協作的通用工作空間，并作為私有云上的服務提供。它管理著在多個合作伙伴之間交換產品和生產數據的復雜任務。
工業互聯網
今天，只有一些制造商的傳感器和機器聯網并利用嵌入式計算。它們通常組建在一個垂直自動化金字塔中，其中傳感器和具有有限智能的自動化現場設備和自動化控制器供應到總體制造過程控制系統。但隨著工業物聯網的發展，更多的設備（有時甚至包括未完成的產品）將通過嵌入式計算進行豐富并使用標準技術進行連接。這使得現場設備可以根據需要進行通信并相互交互并與更集中的控制器進行交互。它還分散了分析和決策，實現了實時響應。
Bosch Rexroth是一家驅動和控制系統供應商，為半自動化，分散式生產流程的閥門提供生產設備。產品通過射頻識別代碼進行識別，工作站“知道”每個產品必須執行的制造步驟，并且可以適應執行特定的操作。
網絡安全
目前許多公司仍然依靠不連接或封閉的管理和生產系統。隨著工業4.0帶來的連接性和標準通信協議的增加，保護關鍵工業系統和生產線免受網絡安全威脅的需求大幅增加。因此，安全可靠的通信以及機器和用戶的復雜身份和訪問管理至關重要。
去年，幾家工業設備供應商通過合作或收購與網絡安全公司合作。
云端
有公司已經在一些企業和分析應用中使用基于云的軟件，但隨著工業4.0，更多與生產有關的企業將需要增加跨站點和公司邊界的數據共享。同時，云技術的性能將得到改善，反應時間僅需幾毫秒。因此，機器數據和功能將越來越多地部署到云中，為生產系統提供更多的數據驅動服務。即使是監視和控制流程的系統也可能變成基于云。
添加劑制造（3D打印）
公司剛剛開始采用增材制造，如3D打印，他們主要用于原型和生產單個組件。隨著工業4.0，這些添加劑制造方法將被廣泛用于生產小批量的定制產品，提供建筑優勢，如復雜，輕量級的設計。高性能，分散式增材制造系統將減少運輸距離和庫存。
例如，航空航天公司已經在使用增材制造來應用新設計，以降低飛機重量，降低其原材料（如鈦）的開支。
增強現實
基于增強現實的系統支持多種服務，例如選擇倉庫中的零件以及通過移動設備發送修復指令。這些系統目前還處于初級階段，但未來公司將更廣泛地使用增強現實技術，為工作人員提供實時信息以改進決策制定和工作流程。
例如，工作人員可能會收到有關如何在查看需要修理的實際系統時更換特定零件的維修說明。這些信息可以使用增強現實眼鏡等設備直接顯示在工作人員的視野中。
另一個應用是虛擬培訓。西門子為其Comos軟件開發了虛擬工廠-操作員培訓模塊，該模塊使用逼真的基于數據的3-D環境和增強現實眼鏡來培訓工廠人員處理緊急情況。在這個虛擬世界中，操作員可以通過點擊網絡代表學習與機器交互。他們還可以更改參數并檢索運行數據和維護說明。
二、工業4.0的影響
基于工業4.0元素的競賽已經在歐洲，美國和亞洲的公司之間進行。
量化影響：以德國為例
為了對工業4.0潛在的全球影響進行量化的理解，我們分析了德國的制造業前景，并發現技術進步的第四次浪潮將帶來四個方面的好處：
生產率。在未來的五到十年內，工業4.0將會被更多的公司所接受，從而將德國所有制造業的生產力提高900億歐元到1500億歐元。轉化成本的生產率提高將排除材料成本，從15％到25％不等。當材料成本考慮在內時，生產率將提高5％到8％。這些改進會因行業而異。例如，工業零部件制造商將取得一些最大的生產力提升（20％至30％），汽車公司預計將增加10％至20％。（見附件3）
收入增長。工業4.0也將推動收入增長。制造商對增強型設備和新數據應用的需求，以及消費者對越來越多定制產品的需求將推動每年約300億歐元的額外收入增長，即德國GDP的大約1％。
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