智能制造與工業(yè)4.0有何不同？

作者：Claire Fallon, ISA; Jeff Winter

在向智能制造和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過程中，企業(yè)如何判斷其行動是否足夠快？您的工業(yè)4.0項(xiàng)目收到成效了嗎？

自動化技術(shù)的進(jìn)步正在改變制造業(yè)的格局。這些智能制造計(jì)劃被廣泛地稱為“工業(yè)4.0”，將物理和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)更高的性能、效率、可持續(xù)性、安全性和競爭優(yōu)勢。

作為一個術(shù)語，工業(yè)4.0起源于 2011 年——被廣泛歸因于德國政府在當(dāng)年漢諾威工業(yè)博覽會上公布的一項(xiàng)戰(zhàn)略。十二年過去了，制造業(yè)發(fā)生了很大變化。在許多情況下，工業(yè)4.0的基本原則已經(jīng)發(fā)生了變化，并隨著行業(yè)需求重新確定了優(yōu)先次序。例如，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)在人們?nèi)粘９ぷ髦邪l(fā)揮的作用可能比我們在2011年想象的要大得多。

▲圖1：數(shù)字化轉(zhuǎn)型框架要求改變?nèi)藛T、過程和技術(shù)使用數(shù)據(jù)的方式。關(guān)鍵要素包括更新的數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施、系統(tǒng)集成、數(shù)字化技能和培訓(xùn)，以及適當(dāng)?shù)念I(lǐng)導(dǎo)力和愿景等。

01

制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的難點(diǎn)

雖然工業(yè)4.0和數(shù)字化轉(zhuǎn)型這兩個詞經(jīng)常被混淆，但它們之間仍存在著一些重要的區(qū)別。

工業(yè) 4.0 是關(guān)于使用數(shù)字平臺、產(chǎn)品和服務(wù)來獲得競爭優(yōu)勢，就像蒸汽機(jī)、裝配線和工業(yè)機(jī)器人在以前的工業(yè)革命中所做的那樣。這些都是有效的新工具，但重點(diǎn)并不一定是改變個人使用這些工具的行為。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型是一種影響業(yè)務(wù)開展方式的更實(shí)質(zhì)性的變化——它既是思維方式的轉(zhuǎn)變，也是新技術(shù)的采用。數(shù)字化轉(zhuǎn)型包括將數(shù)字技術(shù)集成到企業(yè)或組織的各個方面，而工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型則特別側(cè)重于利用數(shù)字技術(shù)來優(yōu)化和改造制造業(yè)和工業(yè)部門的運(yùn)營。

兩者都可能涉及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的使用、數(shù)據(jù)分析和人工智能。在工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中，這些技術(shù)可用于監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備、預(yù)測維護(hù)需求或優(yōu)化工廠環(huán)境中的能源消耗。對于制造企業(yè)來說，一些相互作用使工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型比其他行業(yè)更具挑戰(zhàn)性：

· 制造工藝的復(fù)雜性:?制造涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、原材料采購、生產(chǎn)組裝、質(zhì)量控工具和設(shè)備制、包裝和分銷等多個階段。每個階段都有自己的一套流程、這使得以有效解決整個價值鏈的方式實(shí)施數(shù)字技術(shù)具有挑戰(zhàn)性。

· 與物理系統(tǒng)的集成:?與主要處理數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和交易的銀行業(yè)不同，制造業(yè)涉及將實(shí)物材料轉(zhuǎn)化為成品。這需要將這些物理資產(chǎn)與數(shù)字技術(shù)連接起來，例如物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器。這種集成可能需要先進(jìn)的工程解決方案、獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)安全措施和實(shí)時數(shù)據(jù)處理能力，而這些都是其他行業(yè)所沒有的。

· 專業(yè)人才和熟練勞動力:?在制造業(yè)中成功實(shí)施數(shù)字化轉(zhuǎn)型需要一支精通傳統(tǒng)制造工藝和先進(jìn)數(shù)字技術(shù)的員工隊(duì)伍。對“雙技能”勞動力的需求可能會在培訓(xùn)和提高員工技能方面帶來獨(dú)特的挑戰(zhàn)。所需技能的人才庫遠(yuǎn)低于其他行業(yè)。通常，在數(shù)據(jù)分析、AI或應(yīng)用程序開發(fā)方面擁有較新技能的人不會首選制造業(yè)。制造企業(yè)不僅需要專注于文化和品牌變革以吸引合適的人才，而且與其他行業(yè)相比，他們很可能必須花費(fèi)更多的時間和資源來提升和再培訓(xùn)員工，以填補(bǔ)這一空白。

02

實(shí)施數(shù)字化轉(zhuǎn)型的三個階段

很多人對于全面實(shí)施數(shù)字化轉(zhuǎn)型的真正含義可能會感到困惑，因此考慮在此過程中的不同步驟非常重要。國際自動化學(xué)會（ISA）的執(zhí)行董事Claire Fallon認(rèn)為，數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程通?？煞譃橄旅嫒齻€階段。

將模擬文件數(shù)字化并在整個組織內(nèi)共享是明確的第一步，許多企業(yè)已經(jīng)開始這樣做。事實(shí)上，許多組織甚至在我們理解“工業(yè) 4.0”這個概念之前就開始了這種做法。這很容易實(shí)施，但對整個數(shù)字化轉(zhuǎn)型之旅的影響相對較小。

中間階段是對現(xiàn)有工作流程的數(shù)字化。想想現(xiàn)有的工作流程，例如拿著帶夾子的寫字板在工廠車間走動以執(zhí)行日常檢查。如果我們將這個流程數(shù)字化，那么檢查員可能會使用平板電腦來更新數(shù)據(jù)，甚至可能佩戴智能眼鏡等增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。這使得工程師和檢查員更容易訪問文檔，并以筆記、照片和視頻的形式記錄測量、讀數(shù)和觀察結(jié)果。所有這些信息都可以與特定位置相關(guān)聯(lián)，從而使報表的處理更加簡單。但我們?nèi)匀灰谲囬g里行走，記錄數(shù)據(jù)以及創(chuàng)建報告。工程師的工作與以前沒有太大區(qū)別。

最后一步是真正的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，即數(shù)字化工具從根本上改變甚至改善組織開展業(yè)務(wù)的方式。例如，一家石油和天然氣運(yùn)營商開始依靠機(jī)器學(xué)習(xí)通過圖像分析來識別其海上生產(chǎn)平臺上的腐蝕。機(jī)器學(xué)習(xí)引擎使用在整個設(shè)施中捕獲的圖像進(jìn)行工程和運(yùn)營，以識別潛在的腐蝕區(qū)域，從而通過其潛在的偏差分析減少對傳統(tǒng)手動檢查的需求。在這種情況下，機(jī)器視覺算法還可以識別在大規(guī)模手動工作中可能遺漏的潛在問題。當(dāng)檢查員和工程師團(tuán)隊(duì)不再需要手動巡視整個設(shè)施時，就可以騰出時間和精力來管理最有效的方法來排除和解決機(jī)器最初發(fā)現(xiàn)的問題。

▲圖2：根據(jù)美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的說法，工業(yè)AI的應(yīng)用需要考慮如何實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、提取和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；分析、檢測和診斷；優(yōu)化；生成；規(guī)定；預(yù)測并采取行動。

03

進(jìn)展速度是否足夠快？

企業(yè)如何知道他們在工業(yè)4.0方面的進(jìn)展速度是否足夠快？工業(yè)4.0行業(yè)專家，日立解決方案（Hitachi Solutions）制造業(yè)戰(zhàn)略高級總監(jiān)Jeff Winter認(rèn)為，判斷是否“足夠快”實(shí)際上取決于兩件事：1）您的企業(yè)與競爭對手相比如何？2）如何實(shí)現(xiàn)自己的工業(yè)4.0目標(biāo)？

對于第一個問題，采用成熟度模型有助于評估企業(yè)的數(shù)字化成熟度和工業(yè)4.0的進(jìn)展（例如Acatech的工業(yè)4.0成熟度指數(shù)、INCIT的智能工業(yè)準(zhǔn)備度指數(shù)等）。這些模型允許企業(yè)根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和最佳實(shí)踐對業(yè)績進(jìn)行基準(zhǔn)測試，通常包括對企業(yè)的整體評估。

對于第二個問題，企業(yè)可以通過跟蹤其工業(yè)4.0計(jì)劃的關(guān)鍵績效指標(biāo)（KPI）以衡量進(jìn)展情況。常見的指標(biāo)包括整體設(shè)備效率（OEE）、質(zhì)量、靈活性甚至創(chuàng)新。由世界經(jīng)濟(jì)論壇與麥肯錫合作開展的燈塔網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃已經(jīng)實(shí)施了數(shù)年，該計(jì)劃旨在找出那些在技術(shù)應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位、正在大規(guī)模實(shí)施先進(jìn)制造并取得顯著成效的頂級工廠。這些項(xiàng)目取得的成果都是公開的，可作為改進(jìn)關(guān)鍵績效指標(biāo)的現(xiàn)實(shí)基準(zhǔn)。

以國際工業(yè)轉(zhuǎn)型中心（INCIT）的智能行業(yè)準(zhǔn)備指數(shù)（SIRI）為例。該指數(shù)非常適合評估工業(yè)4.0的進(jìn)展，因?yàn)樗峁┝艘环N全面的、結(jié)構(gòu)化和系統(tǒng)性的方法來評估組織的數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)程。該指數(shù)由新加坡經(jīng)濟(jì)發(fā)展委員會制定，該委員會與TüV SUD合作，對評估人員進(jìn)行認(rèn)證。SIRI指數(shù)旨在幫助制造商評估和推進(jìn)數(shù)字化進(jìn)程的準(zhǔn)備工作。Winter認(rèn)為，SIRI框架有兩個優(yōu)勢：1）有相關(guān)課程可以獲得SIRI評估師認(rèn)證；2）它們還提供了一個優(yōu)先級矩陣和框架，有助于在評估結(jié)果出來后制定可行的計(jì)劃。

04

智能制造與工業(yè)4.0有何不同？

工業(yè)4.0和智能制造這兩個術(shù)語經(jīng)?；Q使用，但Jeff Winter認(rèn)為它們是不同的概念，關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域不同。

智能制造是一種先進(jìn)的工業(yè)生產(chǎn)方法，它利用尖端技術(shù)、數(shù)據(jù)分析和自動化來優(yōu)化制造過程，提高效率，并實(shí)現(xiàn)更靈活、更快速的系統(tǒng)。它代表了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和分銷方式的范式轉(zhuǎn)變。智能制造的主要目標(biāo)是提高生產(chǎn)力、效率和靈活性，同時減少浪費(fèi)、能源消耗和運(yùn)營成本。范圍通常涵蓋整個制造價值鏈，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)、生產(chǎn)計(jì)劃、供應(yīng)鏈管理、生產(chǎn)、質(zhì)量控制和分銷。

工業(yè)4.0是一個更廣泛的概念，它描述了當(dāng)前的時代，即第四次工業(yè)革命。這代表著由于越來越多地采用數(shù)字技術(shù)而對傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行的持續(xù)轉(zhuǎn)型。工業(yè)4.0不僅包括智能制造，還擴(kuò)展到其它功能，如物流、供應(yīng)鏈、運(yùn)輸、能源，甚至醫(yī)療保健和零售。

對最終用戶、原始設(shè)備制造商（OEM）和系統(tǒng)集成商來講，工業(yè)4.0和智能制造意味著什么？智能制造的主要受益者顯然是制造商。從控制和自動化的角度來看，制造商可以獲得以下收益：

· 提高生產(chǎn)力：先進(jìn)的自動化和控制系統(tǒng)可以優(yōu)化生產(chǎn)過程，從而提高產(chǎn)量和資源利用率。

· 增強(qiáng)的過程控制：最終用戶可以實(shí)時監(jiān)控和調(diào)整生產(chǎn)過程，確保產(chǎn)品質(zhì)量一致，并降低缺陷或浪費(fèi)的可能性。

· 減少停機(jī)時間：高級自動化可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)，有助于防止設(shè)備意外故障，并最大限度地減少生產(chǎn)停機(jī)時間。

· 更好的數(shù)據(jù)驅(qū)動決策：來自自動化系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)，可以幫助最終用戶在過程改進(jìn)、資源分配以及生產(chǎn)的其它方面做出更明智的決策。

作為工業(yè)4.0的一部分，OEM和系統(tǒng)集成商的業(yè)務(wù)和運(yùn)營模式將發(fā)生不同的轉(zhuǎn)變。它們可以采取的幾種適應(yīng)方式包括：

· 價值模式轉(zhuǎn)變：隨著客戶對更智能、更互聯(lián)機(jī)器的需求，OEM和系統(tǒng)集成商的價值模式從簡單地提供硬件向提供更智能、數(shù)據(jù)驅(qū)動的解決方案轉(zhuǎn)變。這需要開發(fā)軟件、分析和連接方面的新功能。

· 服務(wù)化：工業(yè)4.0使所有企業(yè)，尤其是OEM和系統(tǒng)集成商，都能夠利用遠(yuǎn)程連接提供數(shù)字化服務(wù)，并能從獲得的所有數(shù)據(jù)見解中提供超額價值。這包括遠(yuǎn)程監(jiān)控、預(yù)測性維護(hù)、無線更新和優(yōu)化服務(wù)。這甚至可能導(dǎo)致全新的商業(yè)模式，基于訂閱的服務(wù)取代了成本更大的資本支出購買，基于產(chǎn)出的合同取代了傳統(tǒng)的基于工作范圍的合同。

· 合作與伙伴關(guān)系：工業(yè)4.0技術(shù)不斷增加的復(fù)雜性和跨學(xué)科性，鼓勵OEM和系統(tǒng)集成商與其它技術(shù)提供商（如軟件開發(fā)商、數(shù)據(jù)分析公司和物聯(lián)網(wǎng)平臺供應(yīng)商）建立戰(zhàn)略伙伴關(guān)系。繼續(xù)采用“一站式商店”的公司越來越少，大多轉(zhuǎn)而展示他們是端到端生態(tài)系統(tǒng)的一部分，該生態(tài)系統(tǒng)可以全面幫助制造商實(shí)現(xiàn)組織轉(zhuǎn)型。

▲圖3：數(shù)字化轉(zhuǎn)型的成功要素包括通過新的知識、技能和視角來創(chuàng)造新的愿景。

05

工業(yè)4.0時代對自動化工程師的新要求

從工業(yè)3.0到工業(yè)4.0的轉(zhuǎn)變，使得成為一名成功的控制和自動化工程師所需的知識和技能發(fā)生了重大變化。其中最大的差異包括：

· 不斷學(xué)習(xí)的成長型思維方式：技術(shù)創(chuàng)新和市場條件變化如此之快，如果不能迅速做出反應(yīng)，對組織來說可能是災(zāi)難性的。它還使現(xiàn)在的知識/技能在短時間內(nèi)過時。必須花時間了解自動化、控制和工業(yè)4.0技術(shù)的最新發(fā)展。

· 進(jìn)入新的學(xué)科：工程和組織部門之間的界限變得非常模糊。通過理解各種技術(shù)（如機(jī)械、電氣、軟件工程、IT、網(wǎng)絡(luò)以及其它領(lǐng)域）之間的相互依存關(guān)系，樹立多學(xué)科思維。這將幫助您對所使用的系統(tǒng)有更全面的了解，并確定改進(jìn)的機(jī)會。

· 關(guān)注網(wǎng)絡(luò)安全：由于工業(yè)4.0嚴(yán)重依賴互聯(lián)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)交換，網(wǎng)絡(luò)安全至關(guān)重要。熟悉網(wǎng)絡(luò)安全最佳實(shí)踐，如安全通信協(xié)議、加密和訪問控制。此外，確保它們在項(xiàng)目中得到實(shí)施。

· 像分析師一樣思考：那些能夠更好地捕捉和利用數(shù)據(jù)價值的企業(yè)，將是工業(yè)4.0領(lǐng)域的成功者。培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析和可視化技能，以利用智能制造系統(tǒng)生成的所有數(shù)據(jù)。這將使用戶能夠識別趨勢、檢測異常情況并做出數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策，以優(yōu)化過程并提高整體效率。

06

不要忽視網(wǎng)絡(luò)安全

隨著智能制造技術(shù)的實(shí)施和成熟，除了設(shè)備級IT風(fēng)險之外，還出現(xiàn)了新增加的網(wǎng)絡(luò)安全挑戰(zhàn)。該領(lǐng)域被稱為運(yùn)營技術(shù)（OT）網(wǎng)絡(luò)安全，指的是工業(yè)環(huán)境的安保和安全，在保護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施、供應(yīng)鏈等方面至關(guān)重要。

OT網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域面臨的最大挑戰(zhàn)之一是全球大部分關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中的舊設(shè)備。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，特定于 OT 的安全設(shè)備和平臺在市場上變得越來越普遍，但并非所有設(shè)備和平臺都是平等的，也不是統(tǒng)一采用的。

預(yù)計(jì)未來幾年，對于涉及關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的企業(yè)將需要更嚴(yán)格的解決方案，以提供最高級別的安全性和互操作性，并將尋求符合 ISA/IEC 62443 等公認(rèn)的國際標(biāo)準(zhǔn)。勞動力發(fā)展將是另一個重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域，未來幾年，工廠經(jīng)理將更加關(guān)注OT網(wǎng)絡(luò)安全培訓(xùn)和認(rèn)證計(jì)劃。

在過去十年中，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）實(shí)現(xiàn)的數(shù)字化有所增加，傳感器技術(shù)的進(jìn)步提供了更多有關(guān)設(shè)備、流程和操作的背景信息。新的應(yīng)用和進(jìn)步也可能意味著更大的脆弱性，這就是為什么風(fēng)險管理和緩解策略已成為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一個關(guān)鍵部分。

07

工業(yè)5.0已經(jīng)開啟了嗎？

工業(yè) 4.0 不是目的地，這是一個持續(xù)的旅程。能夠最好地優(yōu)化其信息物理系統(tǒng)（CPS）的制造商將成為其市場的贏家。我們的建議是今天就做你能做的事。現(xiàn)在開始永遠(yuǎn)不會太晚。

工業(yè)5.0的概念已經(jīng)引起了人們的熱議，它旨在闡明工業(yè)對整個社會的作用和貢獻(xiàn)。工業(yè) 4.0 是關(guān)于安全、流程、效率和盈利能力的改進(jìn)，而工業(yè) 5.0 是關(guān)于彈性、以人為本和可持續(xù)的業(yè)務(wù)戰(zhàn)略。工業(yè)5.0設(shè)想了這樣一種未來場景：人類和人工智能、機(jī)器人和自動化等先進(jìn)技術(shù)將以更和諧、更高效的方式協(xié)同工作，將人類最擅長的創(chuàng)造力、同理心和判斷力與先進(jìn)技術(shù)的精確性、速度和可擴(kuò)展性結(jié)合起來。

與工業(yè)4.0一樣，這些想法可能是企業(yè)已經(jīng)在做的事情。例如，許多企業(yè)已承諾致力于可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保實(shí)踐，有一些公司還進(jìn)一步致力于實(shí)現(xiàn)基于科學(xué)的目標(biāo)。與工業(yè)4.0一樣，企業(yè)轉(zhuǎn)型所需的有意義的變革也需要思維方式的轉(zhuǎn)變。無論如何，工業(yè)5.0確實(shí)將成為未來工業(yè)發(fā)展的一個戰(zhàn)略方向。

審核編輯：黃飛

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