工业4.0：制造业的未来

自工业革命爆发以来，技术进步推动了工业生产力的大幅提升。十九世纪由蒸汽机驱动的工厂，电气化导致了二十世纪早期的大规模生产，并且工业在二十世纪七十年代变成了自动化。然而，在接下来的几十年里，工业技术进步只是渐进的，尤其是与IT，移动通信和电子商务转型的突破相比。

然而，现在我们正处在技术进步的第四浪潮中：被称为工业4.0的新型数字工业技术的兴起，这种转变由九项基础技术进步驱动。（见图1）在这个转型过程中，传感器，机器，工件和IT系统将沿价值链连接到一个生态系统。这些连接的系统（也称为网络物理系统）可以使用标准的基于互联网的协议进行交互，并分析数据以预测故障，自行配置和适应变化。工业4.0将能够收集和分析机器间的数据，实现更快，更灵活和更的流程，以降低成本生产更高质量的产品。这反过来又会提高制造业生产率，转变经济，促进工业增长，并改变劳动力状况-zui终改变公司和地区的竞争力。

今天本文译者带来的是BCG的工业4.0及制造业的报告，和大家一起讨论作为工业4.0构建模块的九项技术趋势，以及它们为制造商和生产设备供应商带来的潜在技术和经济效益。本文使用了德国相关的案例研究，这是*的工业自动化领域

一、技术进步的九大支柱

工业4.0基础技术的九大技术进步已经在制造业中得到了应用，但工业4.0将会改变生产：隔离的，优化的单元将成为一个*集成，自动化和优化的生产流程，提率并改变供应商，生产商和客户之间，以及人与机器之间的传统生产关系。（见图2）

大数据和分析

基于大数据集的分析直到zui近才在制造业中出现，它优化了生产程序，节约了能源并改善了设备服务。在工业4.0的背景下，来自许多不同来源（生产设备和系统以及企业和客户管理系统）的数据的收集和综合评估将成为支持实时决策的标准。

例如，半导体制造商英飞凌科技公司通过将生产过程结束时测试阶段捕获的单芯片数据与该过程早期晶圆状态阶段收集的过程数据相关联，减少了产品故障。通过这种方式，英飞凌可以识别在生产过程早期帮助排出故障芯片并提高生产质量。

自主机器人

许多行业的制造商长期以来一直使用机器人来处理复杂的任务，但机器人正在不断发展以获得更大的应用。他们变得更加自主，灵活和合作。zui终，他们将互相交流，并与人类并肩安全地工作，并向他们学习。这些机器人将比现在制造中使用的机器人成本更低，功能范围更广。

例如，欧洲机器人设备制造商Kuka提供了可以相互作用的自动机器人。这些机器人是相互的，以便他们可以一起工作并自动调整行动，以适应下一个未完成的产品。传感器和控制单元可与人类密切合作。同样，工业机器人供应商ABB正在推出名为YuMi的双臂机器人，该机器人专门用于与人类组装产品（如消费电子产品）。两个填充手臂和计算机视觉允许安全的互动和零件识别。

模拟

在工程阶段，已经使用了产品，材料和生产工艺的三维仿真，但是在未来，仿真也将在工厂运行中得到更广泛的应用。这些模拟将利用实时数据来反映虚拟模型中的物理世界，虚拟模型可能包括机器，产品和人类。这允许操作员在物理转换之前测试和优化虚拟世界中下一个产品的机器设置，从而缩短机器设置时间并提高质量。

例如，西门子和一家德国机床供应商开发出一种虚拟机，可以使用物理机器的数据来模拟零件加工。这将实际加工过程的设置时间缩短了80％。

水平和垂直系统集成

今天的大多数IT系统都没有*集成。公司，供应商和客户很少紧密。工程，生产和服务等部门也不例外。从企业到车间层面的功能没有*整合。即使是工程设计本身-从产品到工厂到自动化-都缺乏完整的集成。但随着工业4.0，随着跨公司，通用数据集成网络的发展并实现真正自动化的价值链，公司，部门，功能和能力将变得更加紧密。

例如，DassaultSystèmes和BoostAeroSpace为欧洲航空航天和国防工业推出了一个协作平台。该平台AirDesign作为设计和制造协作的通用工作空间，并作为私有云上的服务提供。它管理着在多个合作伙伴之间交换产品和生产数据的复杂任务。

工业互联网

今天，只有一些制造商的传感器和机器联网并利用嵌入式计算。它们通常组建在一个垂直自动化金字塔中，其中传感器和具有有限智能的自动化现场设备和自动化控制器供应到总体制造过程控制系统。但随着工业物联网的发展，更多的设备（有时甚至包括未完成的产品）将通过嵌入式计算进行丰富并使用标准技术进行连接。这使得现场设备可以根据需要进行通信并相互交互并与更集中的控制器进行交互。它还分散了分析和决策，实现了实时响应。

Bosch Rexroth是一家驱动和控制系统供应商，为半自动化，分散式生产流程的阀门提供生产设备。产品通过射频识别代码进行识别，工作站“知道”每个产品必须执行的制造步骤，并且可以适应执行特定的操作。

网络安全

目前许多公司仍然依靠不连接或封闭的管理和生产系统。随着工业4.0带来的连接性和标准通信协议的增加，保护关键工业系统和生产线免受网络安全威胁的需求大幅增加。因此，安全可靠的通信以及机器和用户的复杂身份和访问管理至关重要。

去年，几家工业设备供应商通过合作或收购与网络安全公司合作。

云端

有公司已经在一些企业和分析应用中使用基于云的软件，但随着工业4.0，更多与生产有关的企业将需要增加跨站点和公司边界的数据共享。同时，云技术的性能将得到改善，反应时间仅需几毫秒。因此，机器数据和功能将越来越多地部署到云中，为生产系统提供更多的数据驱动服务。即使是监视和控制流程的系统也可能变成基于云。

添加剂制造（3D打印）

公司刚刚开始采用增材制造，如3D打印，他们主要用于原型和生产单个组件。随着工业4.0，这些添加剂制造方法将被广泛用于生产小批量的定制产品，提供建筑优势，如复杂，轻量级的设计。高性能，分散式增材制造系统将减少运输距离和库存。

例如，航空航天公司已经在使用增材制造来应用新设计，以降低飞机重量，降低其原材料（如钛）的开支。

增强现实

基于增强现实的系统支持多种服务，例如选择仓库中的零件以及通过移动设备发送修复指令。这些系统目前还处于初级阶段，但未来公司将更广泛地使用增强现实技术，为工作人员提供实时信息以改进决策制定和工作流程。

例如，工作人员可能会收到有关如何在查看需要修理的实际系统时更换特定零件的维修说明。这些信息可以使用增强现实眼镜等设备直接显示在工作人员的视野中。

另一个应用是虚拟培训。西门子为其Comos软件开发了虚拟工厂-操作员培训模块，该模块使用逼真的基于数据的3-D环境和增强现实眼镜来培训工厂人员处理紧急情况。在这个虚拟世界中，操作员可以通过点击网络代表学习与机器交互。他们还可以更改参数并检索运行数据和维护说明。

二、工业4.0的影响

基于工业4.0元素的竞赛已经在欧洲，美国和亚洲的公司之间进行。

量化影响：以德国为例

为了对工业4.0潜在的影响进行量化的理解，我们分析了德国的制造业前景，并发现技术进步的第四次浪潮将带来四个方面的好处：

生产率。在未来的五到十年内，工业4.0将会被更多的公司所接受，从而将德国所有制造业的生产力提高900亿欧元到1500亿欧元。转化成本的生产率提高将排除材料成本，从15％到25％不等。当材料成本考虑在内时，生产率将提高5％到8％。这些改进会因行业而异。例如，工业零部件制造商将取得一些zui大的生产力提升（20％至30％），汽车公司预计将增加10％至20％。（见附件3）

收入增长。工业4.0也将推动收入增长。制造商对增强型设备和新数据应用的需求，以及消费者对越来越多定制产品的需求将推动每年约300亿欧元的额外收入增长，即德国GDP的大约1％。