工业4.0的9大支柱技术及其带来的影响

自工业革命以来,科技进步大幅推动了工业生产力的发展。蒸汽机的出现给19世纪工业革命提供了人力无法企及的物理动能。20世纪初,电力的普及让大规模制造成为可能。20世纪70年代,制造自动化技术让工业生产力大幅提升。然而,此后制造业技术的发展却放慢了脚步,与IT、移动通信和电子商务等划时代的创新相比,近30年工业技术并没有取得突破性的进展。

如今,我们终于迎来了第四波工业创新浪潮:工业4.0——以9项数字化工业技术为基础的变革。在这次工业转型中,传感器、机器和IT系统将跨越单一企业在整条价值链上融合到一起。这种相互连接的系统(也称为智慧整合感控系统)通过标准的互联网协议进行互联,收集分析相关数据,预判错误,不断进行自我调整,从而适应不断变化的环境。工业4.0可以在不同的机器之间收集和分析数据,可以让生产的速度更快、灵活性更强且效率更高,从而提升产品质量并降低生产成本。它将大大提升制造业生产力,进而推动经济转型和产业发展,并改进劳动力就业结构,最终改变公司乃至国家之间的竞争格局。

工业4.0的9大支柱技术

9大支柱技术中很多已经应用在制造业中,但工业4.0将这些技术整合到一起,成为完整的生产流程,提升效率,进而改变供应商、制造商和消费者之间的关系,以及人与机器之间的关。

 

(一)大数据分析

在制造业领域,基于海量数据的分析方兴未艾,但它已经能帮助企业优化生产质量、节省能源并改进设备服务。在工业4.0的环境下,对不同数据源(生产设备和系统以及企业和客户管理系统等)进行收集和分析将成为未来企业进行实时决策的标准配备。

 

(二)自动机器人

很多行业制造商已经广泛采用机器人完成复杂的生产任务,但今天的机器人技术则变得更加强大。它们变得更加灵活且智能。最终,这些机器人之间不但可以互通互联, 更可以安全地与人类一起工作,甚至从人类身上学习新的技能。这些新机器人不但在性能上远超今天的工业机器人,更大大降低了成本。

 

(三)模拟技术

在工程设计领域,不少公司都采用了3D模拟技术来设计产品的结构和材料。未来,模拟技术将在工厂运营中扩展到更广的范围。人们可以用实时数据来模仿包括机器、产品和人在内的物理世界,将新产品放入虚拟的生产环境中。在进行实际生产前, 公司可以对这些新产品进行测试和优化,从而减少设备装配调试的时间并提高产品质量。

 

(四)水平和垂直系统整合

今天大部分公司的IT系统并未完全整合。公司、供应商和客户常常相互割裂。企业内部,工程设计、生产和职能部门也往往各自为战。即便是工程设计这一环节,也没有几家公司能做到设计——制造——自动化的三位一体。但随着工业4.0的发展,公司、部门和职能将成为更加紧密的整体,一条横跨公司的数据网络将让价值链真正实现自动化。

 

(五)工业物联网

目前,仅有少数制造型企业的传感器和设备进行了互联并应用了嵌入式计算技术。这些产品的组织方式依旧是垂直的金字塔结构,系统中的传感器和分布装置的智能有限,控制者需要通过中心制造流程对系统进行控制。然而随着物联网时代的到来,越来越多的设备,甚至包括一些半成品,都将装备嵌入式计算技术,并通过标准技术实现互联。届时,身处不同地理位置的产品设备将能进行互动和沟通,并由中央处理器集中控制。物联网将实现决策的去中心化,互联设备能进行自动分析和决策,对环境变化进行实时反应。

 

(六)网络安全

很多公司的管理和制造系统依旧是独立或封闭的。但随着工业4.0的到来,原先相   互隔绝的设备将以统一协议相互连接,工业系统和生产线将连接成一体。届时,保护关键工业系统和生产线免受网络安全威胁的需求将大幅提高。安全可靠的网络通信以及身份辨别和接入管理系统将变得至关重要。

 

(七)云计算

很多企业已经开始在企业和数据分析应用中使用基于云的软件。随着工业4.0的到   来,越来越多与生产相关的任务需要更多的跨地域和跨公司的数据分享。与此同时, 云技术的性能也会不断增强,使反应速度达到几毫秒。机器数据和功能将逐渐迁移到云端,越来越多的生产系统数据服务也会应运而生。未来,检测和控制生产流程的系统也会搬到云端。一些制造执行系统供应商已经开始提供云端服务解决方案。

 

(八)增材制造

目前一些企业已经开始采用增材制造技术(比如3D打印),但大多数都处于试验阶段或用于制造独立部件。在工业4.0时代,增材制造将会广泛地应用到小批量生产定制产品上,带来诸如复杂或超轻量的设计等结构优势,高性能、去中心化的增材制造系统将降低产品的物流成本和库存。

 

 

 

 

(九)增强现实技术

增强现实系统可以在很多方面协助工人生产,例如通过手持设备挑选仓库中的配件或发送维修指令。这些系统目前还处在实验阶段,但未来这些技术将为工人提供实时信息,帮助他们进行实时决策,改善生产流程。

 

工业4.0的影响力

欧洲、美国和亚洲的企业已开始采用工业4.0的相关技术,争夺新时代的技术竞争    已拉开大幕。为了量化世界范围内工业4.0带来的潜在影响,我们以德国的制造业为研究对象,发现以下四个方面将从工业4.0中获益:

(1)生产率提高。在未来5-10年,越来越多的公司将采用工业4.0技术。德国制造业产值将   提升900亿至1,500亿欧元,按除原料成本以外的加工成本计算,生产率将提升15%- 25%。即使加上原料成本,整体生产率也将提升5到8个百分点。各个行业的生产率提升水平略有不同。工业部件制造型企业的生产率提升幅度最大,为20%-30%;而   汽车制造企业生产率则将提高10%-20%。

(2)收入增长。工业4.0将推动企业的收入增长。制造商对新型设备和数据应用需求将  大大增加,同时消费者对定制产品的需求也将增多。这将带来每年300亿欧元的新增收入,大致相当于德国GDP的1%。

(3)带动就业。 我们分析,未来十年工业4.0带来的增长带动就业人数提高6%。而在机械工程领域,雇佣需求提升的幅度更大,达到10%左右。然而,企业   需要的技能也将发生改变。短期内,机器自动化技术的渗透将替代一些技术含量低、重复性高的人工劳作。与此同时,软件、互联网和数据分析方面的人才需求将越来越大。

(4)带动投资。我们预计,德国大规模采用工业4.0将在未来10年带动2,500亿欧元的投资

(相当于制造商收入的1%-1.5%)。

 

报告来源:工业4.0——未来生产力与制造业发展前景(波士顿咨询公司BCG)

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