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在制造業(yè)領(lǐng)域,基于海量數(shù)據(jù)的分析方興未艾,但它已經(jīng)能幫助企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)質(zhì)量、節(jié)省能源并改進(jìn)設(shè)備服務(wù)。在工業(yè)4.0的環(huán)境下,對(duì)不同數(shù)據(jù)源(生產(chǎn)設(shè)備和系統(tǒng)以及企業(yè)和客戶(hù)管理系統(tǒng)等)進(jìn)行收集和分析將成為未來(lái)企業(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)決策的標(biāo)準(zhǔn)配備。

例如,半導(dǎo)體制造商Infineon(原西門(mén)子半導(dǎo)體)收集測(cè)試中的單片機(jī)數(shù)據(jù),與生產(chǎn)流程早期晶片成型階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,從而降低了生產(chǎn)過(guò)程中的失誤。此外, 公司還能辨認(rèn)出一些典型模式,能在前期將殘次品的芯片排除,從而改進(jìn)了生產(chǎn)質(zhì)量。

2.自動(dòng)機(jī)器人

很多行業(yè)制造商已經(jīng)廣泛采用機(jī)器人完成復(fù)雜的生產(chǎn)任務(wù),但今天的機(jī)器人技術(shù)則變得更加強(qiáng)大。它們變得更加靈活且智能。最終,這些機(jī)器人之間不但可以互通互聯(lián), 更可以安全地與人類(lèi)一起工作,甚至從人類(lèi)身上學(xué)習(xí)新的技能。這些新機(jī)器人不但在性能上遠(yuǎn)超今天的工業(yè)機(jī)器人,更大大降低了成本。

例如,歐洲機(jī)器人設(shè)備制造商Kuka提供生產(chǎn)的機(jī)器人就具備相互溝通的能力。這些機(jī)器人可以在一起合作,根據(jù)生產(chǎn)線(xiàn)上的工序調(diào)整自己的行動(dòng)。這些機(jī)器人還搭載了先進(jìn)的傳感器和控制單元,能與人類(lèi)進(jìn)行緊密的合作。類(lèi)似地,ABB公司也推出了雙臂機(jī)器人YuMi,與工人并肩工作,專(zhuān)門(mén)用來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品組裝(例如電子消費(fèi)產(chǎn)品)。它們的計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)和帶緩沖墊的兩臂,使得它們不但可以識(shí)別零件,還能保證與人進(jìn)行安全的互動(dòng)。

3.模擬技術(shù)

在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域,不少公司都采用了3D模擬技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和材料。未來(lái),模擬技術(shù)將在工廠(chǎng)運(yùn)營(yíng)中擴(kuò)展到更廣的范圍。人們可以用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)模仿包括機(jī)器、產(chǎn)品和人在內(nèi)的物理世界,將新產(chǎn)品放入虛擬的生產(chǎn)環(huán)境中。在進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)前, 公司可以對(duì)這些新產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試和優(yōu)化,從而減少設(shè)備裝配調(diào)試的時(shí)間并提高產(chǎn)品質(zhì)量。

例如,西門(mén)子和一家機(jī)械工具生產(chǎn)商合作開(kāi)發(fā)了一臺(tái)虛擬機(jī),它可以利用真實(shí)機(jī)器的數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器部件進(jìn)行模擬。這個(gè)系統(tǒng)最多能減少設(shè)備準(zhǔn)備時(shí)間達(dá)80%。

4.水平和垂直系統(tǒng)整合

今天大部分公司的IT系統(tǒng)并未完全整合。公司、供應(yīng)商和客戶(hù)常常相互割裂。企業(yè)內(nèi)部,工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和職能部門(mén)也往往各自為戰(zhàn)。即便是工程設(shè)計(jì)這一環(huán)節(jié),也沒(méi)有幾家公司能做到設(shè)計(jì)—制造—自動(dòng)化的三位一體。但隨著工業(yè)4.0的發(fā)展,公司、 部門(mén)和職能將成為更加緊密的整體,一條橫跨公司的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將讓價(jià)值鏈真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

例如,Dassault Systèmes和BoostAeroSpace為歐洲航天和國(guó)防工業(yè)搭建了名為 AirDesign的合作平臺(tái)。它為設(shè)計(jì)和制造的合作提供了共享空間,該平臺(tái)搭建在私有云上,參與的合作伙伴可通過(guò)該平臺(tái)對(duì)復(fù)雜的產(chǎn)品和生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行交互。

5.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

目前,僅有少數(shù)制造型企業(yè)的傳感器和設(shè)備進(jìn)行了互聯(lián)并應(yīng)用了嵌入式計(jì)算技術(shù)。 這些產(chǎn)品的組織方式依舊是垂直的金字塔結(jié)構(gòu),系統(tǒng)中的傳感器和分布裝置的智能有限,控制者需要通過(guò)中心制造流程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。然而隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái),越來(lái)越多的設(shè)備,甚至包括一些半成品,都將裝備嵌入式計(jì)算技術(shù),并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。屆時(shí),身處不同地理位置的產(chǎn)品設(shè)備將能進(jìn)行互動(dòng)和溝通,并由中央處理器集中控制。物聯(lián)網(wǎng)將實(shí)現(xiàn)決策的去中心化,互聯(lián)設(shè)備能進(jìn)行自動(dòng)分析和決策,對(duì)環(huán)境變化進(jìn)行實(shí)時(shí)反應(yīng)。

博世集團(tuán)旗下的一家驅(qū)動(dòng)和控制設(shè)備供應(yīng)商Rexroth公司推出一套半自動(dòng)、去中心化生產(chǎn)流程的系統(tǒng)。通過(guò)射頻識(shí)別碼,不同位置的工作站可以感知每件產(chǎn)品需要進(jìn)行的生產(chǎn)步驟,并自動(dòng)執(zhí)行生產(chǎn)。

6.網(wǎng)絡(luò)安全

很多公司的管理和制造系統(tǒng)依舊是獨(dú)立或封閉的。但隨著工業(yè)4.0的到來(lái),原先相互隔絕的設(shè)備將以統(tǒng)一協(xié)議相互連接,工業(yè)系統(tǒng)和生產(chǎn)線(xiàn)將連接成一體。屆時(shí),保護(hù)關(guān)鍵工業(yè)系統(tǒng)和生產(chǎn)線(xiàn)免受網(wǎng)絡(luò)安全威脅的需求將大幅提高。安全可靠的網(wǎng)絡(luò)通信以及身份辨別和接入管理系統(tǒng)將變得至關(guān)重要。

去年,歐洲幾家大型工業(yè)設(shè)備制造商已經(jīng)通過(guò)與網(wǎng)絡(luò)安全公司合作或并購(gòu)的形式加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)安全能力。

7.云計(jì)算

很多企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始在企業(yè)和數(shù)據(jù)分析應(yīng)用中使用基于云的軟件。隨著工業(yè)4.0的到來(lái),越來(lái)越多與生產(chǎn)相關(guān)的任務(wù)需要更多的跨地域和跨公司的數(shù)據(jù)分享。與此同時(shí), 云技術(shù)的性能也會(huì)不斷增強(qiáng),使反應(yīng)速度達(dá)到幾毫秒。機(jī)器數(shù)據(jù)和功能將逐漸遷移到云端,越來(lái)越多的生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)也會(huì)應(yīng)運(yùn)而生。未來(lái),檢測(cè)和控制生產(chǎn)流程的系統(tǒng)也會(huì)搬到云端。一些制造執(zhí)行系統(tǒng)供應(yīng)商已經(jīng)開(kāi)始提供云端服務(wù)解決方案。

8.增材制造

目前一些企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始采用增材制造技術(shù)(比如3D打印),但大多數(shù)都處于試驗(yàn)階段或用于制造獨(dú)立部件。在工業(yè)4.0時(shí)代,增材制造將會(huì)廣泛地應(yīng)用到小批量生產(chǎn)定制產(chǎn)品上,帶來(lái)諸如復(fù)雜或超輕量的設(shè)計(jì)等結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì),高性能、去中心化的增材制造系統(tǒng)將降低產(chǎn)品的物流成本和庫(kù)存。

例如,飛機(jī)制造企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始使用3D打印技術(shù),通過(guò)新型設(shè)計(jì)來(lái)降低飛機(jī)的重量,節(jié)省鈦等稀有材料的使用量。

9.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以在很多方面協(xié)助工人生產(chǎn),例如通過(guò)手持設(shè)備挑選倉(cāng)庫(kù)中的配件或發(fā)送維修指令。這些系統(tǒng)目前還處在實(shí)驗(yàn)階段,但未來(lái)這些技術(shù)將為工人提供實(shí)時(shí)信息,幫助他們進(jìn)行實(shí)時(shí)決策,改善生產(chǎn)流程。

例如,未來(lái)工人可以裝備增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡等設(shè)備。當(dāng)他們檢查一臺(tái)設(shè)備時(shí),計(jì)算機(jī)就將故障原因和維修指南發(fā)送到工人的眼鏡上。

另一種應(yīng)用是虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)。西門(mén)子為Comos軟件開(kāi)發(fā)了一套發(fā)電站虛擬操作訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡,構(gòu)建一個(gè)仿真、基于數(shù)據(jù)的3D環(huán)境,培訓(xùn)發(fā)電站工作人員如何應(yīng)對(duì)緊急狀況。在這個(gè)虛擬世界中,操作人員可以通過(guò)點(diǎn)擊網(wǎng)頁(yè)互動(dòng)界面與機(jī)器進(jìn)行互動(dòng)。他們也可以改變界面設(shè)置,并從中獲取操作數(shù)據(jù)和維護(hù)指南

工業(yè)4.0的影響力

量化影響力:以德國(guó)為例

為了量化世界范圍內(nèi)工業(yè)4.0帶來(lái)的潛在影響,我們以德國(guó)的制造業(yè)為研究對(duì)象,發(fā)現(xiàn)以下四個(gè)方面將從工業(yè)4.0中獲益:

——生產(chǎn)率。 在未來(lái)5-10年,越來(lái)越多的公司將采用工業(yè)4.0技術(shù)。德國(guó)制造業(yè)產(chǎn)值將提升900億至1,500億歐元,按除原料成本以外的加工成本計(jì)算,生產(chǎn)率將提升15%-25%。即使加上原料成本,整體生產(chǎn)率也將提升5到8個(gè)百分點(diǎn)。各個(gè)行業(yè)的生產(chǎn)率提升水平略有不同。工業(yè)部件制造型企業(yè)的生產(chǎn)率提升幅度最大,為20%-30%;而汽車(chē)制造企業(yè)生產(chǎn)率則將提高10%-20%(參閱圖3)。

下一波制造技術(shù)將影響制造型企業(yè)從設(shè)計(jì)到售后服務(wù)的整條價(jià)值鏈:

——在價(jià)值鏈上,生產(chǎn)流程將通過(guò)整合的IT系統(tǒng)得到優(yōu)化。今天孤立的制造單元將被完全自動(dòng)化、一體化的生產(chǎn)線(xiàn)取代。

——通過(guò)制造商和供應(yīng)商的合作,產(chǎn)品、生產(chǎn)流程和自動(dòng)化生產(chǎn)將在一個(gè)充分整合的流程中設(shè)計(jì)并完成。所需的實(shí)體原型數(shù)量將降至最低(參閱“配件制造商從制造柔性中獲益”)。

隨著制造商要求自己工廠(chǎng)的設(shè)備和機(jī)器具備更強(qiáng)的互聯(lián)和互動(dòng)功能,生產(chǎn)系統(tǒng)供應(yīng)商必須提升其產(chǎn)品的信息化。這些改變極可能包含搭載于云端和嵌入設(shè)備中更強(qiáng)大的功能化模塊。隨著系統(tǒng)整體功能的增多和復(fù)雜程度的提升,決策分散化的需求將進(jìn)一步提高。此外,擁有軟件下載功能以及合作伙伴連接功能的在線(xiàn)接口,將大大增強(qiáng)設(shè)備設(shè)置的靈活性和適應(yīng)性。同時(shí),自動(dòng)化架構(gòu)也將根據(jù)不同的使用場(chǎng)景不斷變化更新。供應(yīng)商要對(duì)不同的情景做好準(zhǔn)備,并對(duì)這些變化提供支持。

大部分工業(yè)自動(dòng)化供應(yīng)商和機(jī)械工具生產(chǎn)商已經(jīng)具備了一定的軟件開(kāi)發(fā)能力,但還達(dá)不到工業(yè)4.0技術(shù)的要求。此外,這些傳統(tǒng)供應(yīng)商未來(lái)還要面臨來(lái)自IT公司的競(jìng)爭(zhēng), 這些IT公司開(kāi)始提供車(chē)間生產(chǎn)相關(guān)的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型服務(wù)。

隨著機(jī)器、產(chǎn)品、部件和人之間互聯(lián)程度的提高,未來(lái)的數(shù)字工廠(chǎng)需要新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義這些組件之間的互動(dòng)。目前這些標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)還處于初級(jí)階段,并由傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)和一些新興的技術(shù)聯(lián)盟所主導(dǎo)。德國(guó)的Plattform Industrie 4.0是這方面的先行者,而2014年3月在美國(guó)建立的由互聯(lián)網(wǎng)、IT和電信公司組成的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC) 是前者主要的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。相應(yīng)地,德國(guó)制定了新的Dialogplattform Industrie 4.0平臺(tái)來(lái)應(yīng)對(duì)IIC的激烈競(jìng)爭(zhēng),其他幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織也磨拳擦掌,準(zhǔn)備在該領(lǐng)域拔得頭籌。戰(zhàn)略性地選擇加入這些機(jī)構(gòu),積極地參與標(biāo)準(zhǔn)制定將對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)供應(yīng)商至關(guān)重要。

前路

不同國(guó)家和行業(yè)將以不同的節(jié)奏和方式迎接工業(yè)4.0。對(duì)于產(chǎn)品多樣化程度較高的行業(yè),比如汽車(chē)和食品飲料行業(yè),工業(yè)4.0技術(shù)帶來(lái)的巨大靈活性將大大提高它們的生產(chǎn)率。而那些對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求較高的行業(yè),比如半導(dǎo)體和制藥,數(shù)據(jù)分析技術(shù)將大大降低生產(chǎn)流程的出錯(cuò)率。

那些擁有高成本高技術(shù)勞動(dòng)力的國(guó)家將利用更高的自動(dòng)化程度和更豐富的高級(jí)技工儲(chǔ)備在工業(yè)4.0競(jìng)爭(zhēng)中搶先一步。但是一些擁有年輕且高素質(zhì)勞動(dòng)力的新興市場(chǎng)國(guó)家也將擁有不錯(cuò)的發(fā)展機(jī)遇,甚至創(chuàng)造出全新的制造理念。

要想更主動(dòng)地參與構(gòu)建即將到來(lái)的轉(zhuǎn)型,制造型企業(yè)和生產(chǎn)系統(tǒng)供應(yīng)商必須積極果斷地采用上述9大類(lèi)技術(shù)創(chuàng)新。同時(shí),基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和對(duì)相關(guān)人才的培育也是邁向工業(yè)4.0時(shí)代的重中之重。

制造型企業(yè)要設(shè)定優(yōu)先級(jí),并升級(jí)勞動(dòng)力

制造型企業(yè)必須確定生產(chǎn)流程中的優(yōu)先任務(wù)并增強(qiáng)員工的能力,具體措施如下:

——識(shí)別改進(jìn)的關(guān)鍵領(lǐng)域,比如柔性生產(chǎn)、速度、生產(chǎn)率和質(zhì)量。其次,企業(yè)需要思考工業(yè)4.0包含的9項(xiàng)技術(shù)如何應(yīng)用于對(duì)重點(diǎn)領(lǐng)域的改進(jìn)。避免采用漸進(jìn)式的方法,要綜合利用9項(xiàng)技術(shù),進(jìn)行徹底的變革。

——分析工業(yè)4.0對(duì)勞動(dòng)力的長(zhǎng)期影響,對(duì)用人需求進(jìn)行戰(zhàn)略規(guī)劃。采用職位轉(zhuǎn)變、招聘和假期培訓(xùn)等方式,幫助員工發(fā)展必備的IT技能。

這些提升對(duì)現(xiàn)有行業(yè)有著深遠(yuǎn)的意義,而一些新興領(lǐng)域也可采用工業(yè)4.0技術(shù),通過(guò)工廠(chǎng)布局和生產(chǎn)流程等方面的創(chuàng)新來(lái)顛覆傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

生產(chǎn)系統(tǒng)供應(yīng)商必須積極利用技術(shù)

生產(chǎn)系統(tǒng)供應(yīng)商需要了解如何在新的場(chǎng)景下應(yīng)用新技術(shù),從而為客戶(hù)帶來(lái)最大的價(jià)值。這些技術(shù)可以應(yīng)用到不同的產(chǎn)品和服務(wù)中,比如增強(qiáng)互聯(lián)嵌入系統(tǒng)可以增強(qiáng)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度,而新軟件產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)則能讓廠(chǎng)商實(shí)現(xiàn)全新的服務(wù)(如數(shù)據(jù)分析服務(wù)等)。 為了構(gòu)建這些產(chǎn)品和服務(wù),企業(yè)必須首先鋪設(shè)相應(yīng)的基礎(chǔ):

—— 確定使用哪種業(yè)務(wù)模式對(duì)產(chǎn)品和服務(wù)進(jìn)行改進(jìn)或推新;

——建立技術(shù)基礎(chǔ),例如數(shù)據(jù)分析工具;

——創(chuàng)建合適的組織架構(gòu)和能力;

——在數(shù)字化領(lǐng)域結(jié)成重要合作關(guān)系;

——參與并影響技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定。

同時(shí),系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商要開(kāi)發(fā)基于情景的行業(yè)發(fā)展長(zhǎng)期愿景,并根據(jù)可能性最大的情景制定自己的戰(zhàn)略。

基礎(chǔ)設(shè)施和教育必須同步

制造型企業(yè)和供應(yīng)商在迎接工業(yè)4.0的同時(shí),還必須調(diào)整其基礎(chǔ)設(shè)施和教育培訓(xùn)。 這需要政府、行業(yè)協(xié)會(huì)和企業(yè)的共同努力:

——升級(jí)技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施,例如固定和移動(dòng)寬帶服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)必須快速、安全和可靠,才能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送。

——更新學(xué)校課程、培訓(xùn)和大學(xué)項(xiàng)目,鼓勵(lì)相關(guān)創(chuàng)業(yè),提高勞動(dòng)力的IT技能和創(chuàng)新能力。

工業(yè)4.0將為創(chuàng)新的生產(chǎn)制造商、系統(tǒng)供應(yīng)商和整個(gè)地區(qū)帶來(lái)巨大機(jī)遇。它也會(huì)對(duì)那些遲遲不愿行動(dòng)的落后者帶來(lái)威脅。隨著商業(yè)模式、經(jīng)濟(jì)模式和技術(shù)需求的轉(zhuǎn)變,我們將在公司和地區(qū)的競(jìng)爭(zhēng)格局中迎來(lái)巨大的變革。