工业4.0:制造业生产率增长的未来

标签:物联网电子商务安全转型云计算

访客:32426  发表于:2015-12-10 09:54:41

自工业革命开始以来,每一次技术进步都能够带来工业生产效率的大幅提高。19世纪初,蒸汽机促进了现代工厂的建立,到了20世纪,电气化带动了工业大规模生产并在70年代实现了自动化。然而在随后的几十年里,工业技术进步仅仅是量的增加,与信息技术、移动通信、电子商务等相比突破甚微。

现在,我们正处于第四波工业浪潮中:新兴的数字技术产业被称为工业4.0,具体即指九项基础技术进步驱动的转型(图1)。在这些转变中,传感器、机器、工件和IT系统将相互联接起来,超越单个企业扩大到价值链。这些联接系统可以与基于因特网协议的其它系统相互作用,分析数据、进行预测和自动配置来适应变化。工业4.0可以实现跨设备的数据收集和分析,更加灵活高效地生产出低价高质的商品。这反过来还将提高生产效率、转变经济发展模式、促进工业增长,最终提升企业和地区的竞争力。

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波士顿咨询公司发布报告介绍了工业4.0时代的九大技术趋势,并探讨其潜在的技术和经济效益,为制造商和生产设备供应商提供信息。这九大技术进步已应用于制造业,而随着工业4.0的到来,它们将改变生产方式:独立和优化的单元将完全整合为自动化的生产流程,改变供应商、生产商和客户之间的传统关系,也改变了人和机器之间的关系。(图2)

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一、大数据及分析

基于大数据的分析模式最近只在全球制造业大量出现,它的优势在于能够优化产品质量、节约能源,提高设备服务。在工业4.0背景下,将对来自开发系统、生产系统、企业与客户管理系统等不同来源的数据进行全面的整合评估,使其成为支持实时决策的标准。例如,德国的半导体制造商英飞凌已经采用了将单芯片关联的方式,帮助检测有故障的芯片来提高生产质量。

二、自主式机器人

许多行业的生产商长期使用机器人来处理复杂的作业,但机器人却在不断进化,甚至可以在更大的实用程序中使用。它们变得更加自主、灵活、合作。最终,它们将与人类并肩合作,并且人类也要向它们学习。这些机器人将花费更少,并且相比于制造业之前使用的机器人,它们的适用范围更广泛。

在许多行业中,机器人已经被长期使用来处理复杂的任务且仍在不断发展。它们正在变得更加自主灵活,最终将学会与人交往,和人类安全地共同工作并向人类学习。这些机器人将价格更低且用处更大,能够承担更为复杂的角色。

例如,顾家家居已经使用了欧洲制造商的机器设备。这些机器人是相互连接的,以便他们可以协同工作,并自动调整行动,以配合下一个未完成的产品线。高端传感器和控制单元可保证与人类密切合作。同样,工业机器人供应商ABB推出一款有两支手臂的机器人,它被称为“玉米”,专门设计用来与人类一起组装产品(如电子消费品)。计算机视觉技术的应用保证了安全互动和零件识别的实现。

三、仿真模拟

在工程阶段,运用了3D仿真材料和产品,但在未来,模拟将更广泛地应用于装置运转中。模拟将利用实时数据,在虚拟模型中反映真实世界,包括机器、产品、人等等,这使得运营商可以在虚拟建模中进行测试和优化。例如西门子就开发出了可以模拟的虚拟机器,从而使加工过程减少了80%。

四、水平和垂直系统集成

目前,大多数的IT系统都没有被完全整合,公司、供应商和客户之间联系并不密切,从企业到车间的功能也缺乏完整的一体化。即使是工程本身,从产品到工厂自动化,缺乏完全集成。随着工业4.0的到来,公司和部门间将更具凝聚力,数据整合网络的发展将使价值链实现真正的自动化。

例如,达索系统和云供应商Boostaerospace联手为欧洲航空航天和国防工业建立了一个合作平台——AirDesign。该平台可以作为一个工作空间设计和制造业的合作车间,也可作为一个私有云服务。它负责管理多方之间的交换产品和生产数据的复杂任务。

五、物联网

如今,只有一些制造商的传感器和设备进行了联网和嵌入式计算,它们通常处于一个垂直化的金字塔中,距离进入总体控制系统的智能化和自动化水平仍有一定距离。随着物联网产业的发展,更多的设备甚至更多的未成品将使用标准技术连接,可以进行现场通信,提供实时响应。

驱动和控制系统供应商博世力士乐,生产了一种半自动的阀门生产设施,可以分散地分析生产过程。产品通过无线电频率识别码进行识别,并且工作站能够“获知”每个产品必须执行的生产步骤,从而适时地进行特定的操作。

六、网络安全

许多企业依然依赖于未连接或者脱机的管理和生产系统,而到了工业4.0时代,连接性增强,网络安全威胁也急剧增加。不过人们可以对整个新框架充满信心,工业设备供应商正联手同网络安全公司进行合作和收购。

七、云计算

在工业4.0时代里,更需要跨站点和跨企业的数据共享,与此同时,云技术的性能将提高,只在几毫秒内就能进行反应。其结果是设备数据将存储在云中,生产系统可以提供更多的数据驱动服务,许多工业监测和控制处理也将进入云端。

八、增材制造

企业已开始采用增材制造,比如用3D打印生产单个组件。进入工业4.0,这种增材制造方法将在小批量定制产品的生产中更加广泛地应用,它可以催生多种复杂而轻巧造型设计。高性能且分散的增材制造系统将减少运输距离和库存。例如,航空公司已将增材制造工艺应用于新设计中,既能减轻飞机重量,还能降低钛等原料的费用。

九、增强现实

增强现实技术支持各种服务,比如你可以在仓库里挑选部件并通过移动设备发送维修指令。这些系统目前正处于起步阶段,未来,企业将更加广泛的使用增强现实技术为工人提供实时信息,改进决策和工作程序。目前这种系统已经以谷歌眼镜的形式进入了市场,工人可以透过虚拟现实的眼镜看到实际的场景。

另一个应用程序是虚拟培训。西门子已经开发了一个虚拟工厂操作员培训模块,利用增强现实眼镜,创造了以工厂人员处理突发事件的数据为基础的3D环境。

工业4.0的影响

量化影响:以德国为例

为了对工业4.0的潜在的世界范围内的影响有更进一步的量化的理解,我们对德国制造业展望进行了分析,发现第四次技术革命会引发四个领域内的收益:

生产力方面。在接下来的五年到十年,工业4.0将会对德国制造业领域内的更多企业产生推动作用,并提高生产力,预计产值讲会从900亿欧元提高到1500亿欧元。不计算材料的成本,生产成本可能会提高15%到25%;如果把材料成本计算在内,生产成本可能会提高5%到8%。工业各行业差别很大。工业零部件制造商有望实现生产力最大的一些改进(20-30%),例如,汽车公司可以预期增加10-20%(图3)。

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税收增长方面。工业4.0也将推动收入增长。厂家提高设备和新的数据应用需求,以及消费者对更广泛的定制产品的需求将越来越多,这可以税收增加300亿欧元,或德国的大约占GDP的1%。

就业方面。工业4.0将使德国在未来五年内就业增长6%。(如图4)在同一时期,机械工程部门对员工的需求可能会上升10%之多。然而,也会因此需要会不同技术的人。在短期内,自动化的趋势将取代一些操作简单、重复率高的低技能的工。同时,软件、连接和分析越来越多地被使用,将增加对软件开发和相关技术员工的需求。

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投资方面。在接下来的十年里,为适应生产过程一体化,德国生产商投资约2500亿欧元。工业4.0将直接影响生产商和他们的劳动力以及供应制造系统的公司。

工业4.0:制造业生产率增长的未来

作者:刘爱冰 胥富元译

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