进入工业4.0的制造业的新时代

第四次工业革命正在顺利进行——这要归功于几年前我们作为科幻小说而写下的技术融合。以前的工业革命集中在引入一些新的工具和流程，但工业4.0需要在组织内部进行前所未有的系统集成，并以改善协作和数据共享为名在合作伙伴之间进行明智投资。

现在让我们来看看其中的一些技术，以及它们对制造业的影响。

什么是工业4.0？

要了解工业4.0及其发展方向，需要首先了解我们曾经走过的发展历程。以下是前三次工业革命的简单描述：

❈ 工业1.0：在18世纪后期和19世纪，制造业通过引入更高效的工具和工艺，包括蒸汽机，甚至动物辅助机械设备，将注意力集中在优化劳动力上。

❈ 工业2.0：在20世纪初，钢铁和电力的使用开始在工厂出现。电气化设备的出现催生了装配线，极大地提高了产品产量和整体生产效率。

❈ 工业3.0：直到20世纪50年代末的第三次工业革命，制造商才开始将其电力制造基础设施与计算机控制和数字系统结合起来。工业3.0为第四次工业革命预期的真正自动化未来埋下了种子。

每一个不同的制造时代都使用当时可用的工具解决了当时的问题。然而，它们都有一个共同点，那就是寻求制造系统之间的更大互连性，提高信息的可访问性和透明度，更快、更高效的生产模式，以及引进需要更少人工干预的设备。

工业4.0是前几个制造时代的必然结果，但更令人印象深刻的是，它的潜力是如此巨大，以至于它的许多独立创新都值得分别进行更详细的探索。

工业物联网（IIOT）

工业物联网（IIOT）是工业4.0中最有前途和最值得讨论的方面之一。 事实上，它基本上是工业4.0的支柱。

从广义上讲，它描述了一种将数字系统和物理系统连接起来的方法，以产生一种智能、透明和高效的基础设施。你可能听说过“智能工厂”这个词，如果你能理解这个概念，你就知道它是制造业的未来。然而，如果不对数字物理系统和物联网设备进行大量投资，我们就无法实现这一目标。

工业物联网工具允许工厂监控自身的环境条件——湿度、温度、照明控制等，并根据操作需要自动或通过远程人机交互进行更改。不过，这还不是全部。

投资于IIoT技术的工厂也可以更好地了解其运营数据，例如，当连网的物料搬运设备监测到输送带移动产品的速度减慢或堵塞时，它可以充当产品输送量的调节器。

IIOT设备也使维护工作更加智能和主动。工厂设备能够在需要维护时测量自己的性能并及时发出维护通知，这通常是在设备发生全面故障之前进行。

工业4.0的用例则更多。事实上，它也延伸到以下每一个技术领域，并提供一种中枢系统，供其他技术一起工作。

01云计算

物联网是收集有意义数据的工具，而云则是数据移动的工具。首先，云平台促进了数据共享，包括跨多个生产设施、单个部门内以及业务伙伴之间的数据共享。

与云计算结合使用的一些术语包括边缘计算和雾计算，它们彼此很相似，并且依赖于工业物联网所提供的互联基础设施。雾计算是指在许多节点（包括工业物联网设备）上分散的网络体系结构，而边缘计算则是将智能收集和分析移向操作的边缘，并靠近数据源。

02大数据和分析

简而言之，大数据是分析从各种来源收集信息的过程。工业控制系统和连网机器是两个潜在来源。其他包括客户关系管理软件、企业规划平台，甚至从网络流量、搜索引擎结果、社交媒体、客户服务交互等收集到的数据。

大数据和分析的最终目标是在实时或接近实时的情况下做出更多决策。毫不奇怪，70%最成功的分销公司都将某种分析能力融入了其企业规划系统中。

03人工智能和自主机器人

正如我们已经看到的那样，大多数的这些技术都像俄罗斯套娃一样相互嵌套。工业物联网设备向云端提供实时信息，而云则将这些数据信息分发到分析平台以及其他需要的地方，同时，大数据则为多个设施、合作伙伴甚至行业提供了进行更紧密协作和信息共享的手段。

人工智能正在帮助智能制造商和工厂将上述每项技术结合起来，让我们更接近一个没有人为错误和不必手工操作的世界。正如我们所知，人工智能在预测客户行为、预测机器故障、自动化库存流程和原材料重新订购等方面正变得不可或缺。

未来更有潜力。生成式设计正逐渐成为一种在某些固定参数下创建更高效产品设计的方法。它的工作原理如下：人类工程师使用生成设计软件来指定诸如材料使用、最终设计的期望公差甚至成本要求等参数，然后，程序中的人工智能生成一个或多个符合所需标准的物理设计。

随着人工智能逐渐成熟，我们正在见证包括机器人技术在内的自主技术的扩散。协作机器人，也被称为cobots，是一种吸引机器人工厂的重要技术。Cobots与人类工人一起工作，可以有效减轻体力劳动者的负担。

在装配工厂中，协作机器人可以举起和搬运重物，如发动机零件或汽车面板，而人类工人则从事精细和灵巧的工作，如将其焊接到位。

在其他工厂环境中，我们可以期望cobots执行更重要的检查任务和其他需要相当注重细节以及错误代价高昂的任务。

04增强现实（AR）

在一个制造工厂里，AR头戴装置让技术人员和工程师可以将示意图和装配说明直接投射在现实世界中。想想在装配汽车的某个阶段，配备了AR的工人可以在其视野内看到汽车的详细“分解”视图。维修技术人员可以将手册和详细检查清单放在他们的视野中，以确保他们不会错过任何步骤。

增强现实允许进行极其详细的模拟，以映射真实世界，而不会有同样的损坏或设备故障风险。机器操作员可以验证校准设置，而不会有损坏机器的风险，并且由于减少了真实世界的反复试验，还缩短了启动时间。

05增材制造

包括3D打印在内的增材制造，要像上一代制造技术，如注塑成型那样具有可扩展性，还有很长的一段路要走。然而，它正在迅速从小众应用扩展到可能在不久的将来，成为世界各地制造商的常规业务。

将增材制造付诸实施的最吸引人的方法之一是快速原型制作。考虑使用生成式设计和3D打印的好处，以便在加速生产之前，在现实世界中快速生产和测试产品。之后，许多用于原型制作的3D打印机材料——被称为细丝——可以回收再利用。

树脂、尼龙、聚苯乙烯和塑料——如ABS和PLA塑料——是当今3D打印中最常用的一些材料。然而，工业规模的打印机也可以很容易地生产出由铝、钢和其他金属制成的替换零件，并且公差越来越小，设计越来越精细。甚至木材、石头和竹子也可以与生态塑料一起用作环保产品的打印纤维，并具有无可否认的触觉吸引力。

06横向和垂直系统集成

最终，这些技术发展领域中的每一个都有着相同的目标：部门和员工职能之间、多个公司和供应链合作伙伴之间的凝聚力。达到这种横向和垂直系统集成需要强大的网络物理基础设施，例如，真正的智能工厂可能需要以下每种类型的系统集成：

▲来货分配，如刚拉来的货物，从卡车上装载到自动滚筒上，并通过射频识别扫描器。这些扫描器会自动验证计数，并将信息发送到智能设施系统。该系统将货物转移到任何需要的地方——无论是临时储存还是直接转移到装配车间。

▲在共享供应链中协同工作的多个企业可以参与系统集成，以实现零件重新排序的自动化，并同步其提货和交货计划。

▲多个工业系统以一种被称为“数字双胞胎”的新兴趋势结合在一起。制造企业的生存和死亡都是根据其经营活动的精细程度来决定的，这意味着不需要有多余的库存。企业规划软件根据过去和现在的合作伙伴和客户数据得出关于未来库存水平的最佳结论。自动化制造系统调用数字原理图——数字双胞胎——并将它们发送到工厂设备。然后，计算机化的装配和搬运设备工作，直到需求得到满足。

工厂内部的垂直系统集成以及合作伙伴之间的横向系统集成是制造业不可避免的未来。这种互联系统网络意味着更精简、更高效的生产，它还以更低的错误率以及部门和合作伙伴之间更少的传输错误来显著节省成本。

实现这一未来需要工业控制系统和数字管理平台之间的兼容性，反过来，这需要合作伙伴之间的协作或API的使用。然而，一旦各方都明白了这些好处，就很容易克服这些障碍。

07网络安全

当然，所有这些连接都引发了对网络安全的严重担忧，并反过来产生了旨在保护知识产权、客户信息和运营数据免受窥探的新技术。

为了保持先进制造基础设施的安全，需要解决几个关键问题。必须执行身份验证并对工厂网络和网络物理系统实施访问控制；合作伙伴之间可靠且加密的通信对于保护传输中的数据至关重要；存储和分析工业信息的数据中心需要有强大的数字和物理保护，以防止潜在的黑客入侵。

这些技术中的一些仍然较新，以至于它们的安全性没有引起足够的重视。即使是工业规模的加热和冷却设备，如果它利用IIoT进行远程操作和诊断，也是一个潜在的故障点，很容易被网络犯罪分子利用。

在智能工厂和供应链上进行更广泛的协作意味着要非常谨慎地审查设备以及硬件和软件的供应商。许多科技公司都在为工业物联网和未来工业提供连网解决方案。然而，最终取决于设施经理、首席技术官和首席执行官是否充分了解底层技术，以便在选择合作伙伴时做出明智、合理的决策。

将这些技术视为另一场工业革命的开端是正确的，它们共同代表了整个制造业自上而下的重新构想。