自工業(yè)革命爆發(fā)以來，技術(shù)進步推動了工業(yè)生產(chǎn)力的大幅提升。十九世紀(jì)由蒸汽機驅(qū)動的工廠，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化。然而，在接下來的幾十年里，工業(yè)技術(shù)進步只是漸進的，尤其是與IT，移動通信和電子商務(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)變由九項基礎(chǔ)技術(shù)進步驅(qū)動。（見圖1）在這個轉(zhuǎn)型過程中，傳感器，機器，工件和IT系統(tǒng)將沿價值鏈連接到一個生態(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)議進行交互，并分析數(shù)據(jù)以預(yù)測故障，自行配置和適應(yīng)變化。工業(yè)4.0將能夠收集和分析機器間的數(shù)據(jù)，實現(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。這反過來又會提高制造業(yè)生產(chǎn)率，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟，促進工業(yè)增長，并改變勞動力狀況-最終改變公司和地區(qū)的競爭力。
今天本文譯者帶來的是BCG的工業(yè)4.0及制造業(yè)的報告，和大家一起討論作為工業(yè)4.0構(gòu)建模塊的九項技術(shù)趨勢，以及它們?yōu)橹圃焐毯蜕a(chǎn)設(shè)備供應(yīng)商帶來的潛在技術(shù)和經(jīng)濟效益。本文使用了德國相關(guān)的案例研究，這是公認(rèn)的工業(yè)自動化領(lǐng)域的世界領(lǐng)先者。
一、技術(shù)進步的九大支柱
工業(yè)4.0基礎(chǔ)技術(shù)的九大技術(shù)進步已經(jīng)在制造業(yè)中得到了應(yīng)用，但工業(yè)4.0將會改變生產(chǎn)：隔離的，優(yōu)化的單元將成為一個完全集成，自動化和優(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，以及人與機器之間的傳統(tǒng)生產(chǎn)關(guān)系。（見圖2）
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，來自許多不同來源（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)的收集和綜合評估將成為支持實時決策的標(biāo)準(zhǔn)。
例如，半導(dǎo)體制造商英飛凌科技公司通過將生產(chǎn)過程結(jié)束時測試階段捕獲的單芯片數(shù)據(jù)與該過程早期晶圓狀態(tài)階段收集的過程數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，減少了產(chǎn)品故障。通過這種方式，英飛凌可以識別在生產(chǎn)過程早期幫助排出故障芯片并提高生產(chǎn)質(zhì)量。
自主機器人
許多行業(yè)的制造商長期以來一直使用機器人來處理復(fù)雜的任務(wù)，但機器人正在不斷發(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)。這些機器人將比現(xiàn)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(shè)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(lián)系的，以便他們可以一起工作并自動調(diào)整行動，以適應(yīng)下一個未完成的產(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)機器人供應(yīng)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(chǎn)品（如消費電子產(chǎn)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(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，仿真也將在工廠運行中得到更廣泛的應(yīng)用。這些模擬將利用實時數(shù)據(jù)來反映虛擬模型中的物理世界，虛擬模型可能包括機器，產(chǎn)品和人類。這允許操作員在物理轉(zhuǎn)換之前測試和優(yōu)化虛擬世界中下一個產(chǎn)品的機器設(shè)置，從而縮短機器設(shè)置時間并提高質(zhì)量。
例如，西門子和一家德國機床供應(yīng)商開發(fā)出一種虛擬機，可以使用物理機器的數(shù)據(jù)來模擬零件加工。這將實際加工過程的設(shè)置時間縮短了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有完全整合。即使是工程設(shè)計本身-從產(chǎn)品到工廠到自動化-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)展并實現(xiàn)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(yè)推出了一個協(xié)作平臺。該平臺AirDesign作為設(shè)計和制造協(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器聯(lián)網(wǎng)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(xiàn)場設(shè)備和自動化控制器供應(yīng)到總體制造過程控制系統(tǒng)。但隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，更多的設(shè)備（有時甚至包括未完成的產(chǎn)品）將通過嵌入式計算進行豐富并使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)進行連接。這使得現(xiàn)場設(shè)備可以根據(jù)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(xiàn)了實時響應(yīng)。
Bosch Rexroth是一家驅(qū)動和控制系統(tǒng)供應(yīng)商，為半自動化，分散式生產(chǎn)流程的閥門提供生產(chǎn)設(shè)備。產(chǎn)品通過射頻識別代碼進行識別，工作站“知道”每個產(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帶來的連接性和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的增加，保護關(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器和用戶的復(fù)雜身份和訪問管理至關(guān)重要。
去年，幾家工業(yè)設(shè)備供應(yīng)商通過合作或收購與網(wǎng)絡(luò)安全公司合作。
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)將需要增加跨站點和公司邊界的數(shù)據(jù)共享。同時，云技術(shù)的性能將得到改善，反應(yīng)時間僅需幾毫秒。因此，機器數(shù)據(jù)和功能將越來越多地部署到云中，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(chǎn)單個組件。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，如復(fù)雜，輕量級的設(shè)計。高性能，分散式增材制造系統(tǒng)將減少運輸距離和庫存。
例如，航空航天公司已經(jīng)在使用增材制造來應(yīng)用新設(shè)計，以降低飛機重量，降低其原材料（如鈦）的開支。
增強現(xiàn)實
基于增強現(xiàn)實的系統(tǒng)支持多種服務(wù)，例如選擇倉庫中的零件以及通過移動設(shè)備發(fā)送修復(fù)指令。這些系統(tǒng)目前還處于初級階段，但未來公司將更廣泛地使用增強現(xiàn)實技術(shù)，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(guān)如何在查看需要修理的實際系統(tǒng)時更換特定零件的維修說明。這些信息可以使用增強現(xiàn)實眼鏡等設(shè)備直接顯示在工作人員的視野中。
另一個應(yīng)用是虛擬培訓(xùn)。西門子為其Comos軟件開發(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)境和增強現(xiàn)實眼鏡來培訓(xùn)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(wǎng)絡(luò)代表學(xué)習(xí)與機器交互。他們還可以更改參數(shù)并檢索運行數(shù)據(jù)和維護說明。
二、工業(yè)4.0的影響
基于工業(yè)4.0元素的競賽已經(jīng)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(yè)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(yè)前景，并發(fā)現(xiàn)技術(shù)進步的第四次浪潮將帶來四個方面的好處：
生產(chǎn)率。在未來的五到十年內(nèi)，工業(yè)4.0將會被更多的公司所接受，從而將德國所有制造業(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，生產(chǎn)率將提高5％到8％。這些改進會因行業(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)計將增加10％至20％。（見附件3）
收入增長。工業(yè)4.0也將推動收入增長。制造商對增強型設(shè)備和新數(shù)據(jù)應(yīng)用的需求，以及消費者對越來越多定制產(chǎn)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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