自工業革命爆發以來，技術進步推動了工業生產力的大幅提升。十九世紀由蒸汽機驅動的工廠，電氣化導致了二十世紀早期的大規模生產，并且工業在二十世紀七十年代變成了自動化。然而，在接下來的幾十年里，工業技術進步只是漸進的，尤其是與IT，移動通信和電子商務轉型的突破相比。

然而，現在我們正處在技術進步的第四浪潮中：被稱為工業4.0的新型數字工業技術的興起，這種轉變由九項基礎技術進步驅動。（見圖1）在這個轉型過程中，傳感器，機器，工件和IT系統將沿價值鏈連接到一個生態系統。這些連接的系統（也稱為網絡物理系統）可以使用標準的基于互聯網的協議進行交互，并分析數據以預測故障，自行配置和適應變化。工業4.0將能夠收集和分析機器間的數據，實現更快，更靈活和更高效的流程，以降低成本生產更高質量的產品。這反過來又會提高制造業生產率，轉變經濟，促進工業增長，并改變勞動力狀況-最終改變公司和地區的競爭力。

今天本文譯者帶來的是BCG的工業4.0及制造業的報告，和大家一起討論作為工業4.0構建模塊的九項技術趨勢，以及它們為制造商和生產設備供應商帶來的潛在技術和經濟效益。本文使用了德國相關的案例研究，這是公認的工業自動化領域的世界領先者。

技術進步的九大支柱

工業4.0基礎技術的九大技術進步已經在制造業中得到了應用，但工業4.0將會改變生產：隔離的，優化的單元將成為一個完全集成，自動化和優化的生產流程，引領提高效率并改變供應商，生產商和客戶之間，以及人與機器之間的傳統生產關系。（見圖2）

大數據和分析

基于大數據集的分析直到最近才在制造業中出現，它優化了生產程序，節約了能源并改善了設備服務。在工業4.0的背景下，來自許多不同來源（生產設備和系統以及企業和客戶管理系統）的數據的收集和綜合評估將成為支持實時決策的標準。

例如，半導體制造商英飛凌科技公司通過將生產過程結束時測試階段捕獲的單芯片數據與該過程早期晶圓狀態階段收集的過程數據相關聯，減少了產品故障。通過這種方式，英飛凌可以識別在生產過程早期幫助排出故障芯片并提高生產質量。

自主機器人

許多行業的制造商長期以來一直使用機器人來處理復雜的任務，但機器人正在不斷發展以獲得更大的應用。他們變得更加自主，靈活和合作。最終，他們將互相交流，并與人類并肩安全地工作，并向他們學習。這些機器人將比現在制造中使用的機器人成本更低，功能范圍更廣。

例如，歐洲機器人設備制造商Kuka提供了可以相互作用的自動機器人。這些機器人是相互聯系的，以便他們可以一起工作并自動調整行動，以適應下一個未完成的產品。高端傳感器和控制單元可與人類密切合作。同樣，工業機器人供應商ABB正在推出名為YuMi的雙臂機器人，該機器人專門用于與人類組裝產品（如消費電子產品）。兩個填充手臂和計算機視覺允許安全的互動和零件識別。

模擬

在工程階段，已經使用了產品，材料和生產工藝的三維仿真，但是在未來，仿真也將在工廠運行中得到更廣泛的應用。這些模擬將利用實時數據來反映虛擬模型中的物理世界，虛擬模型可能包括機器，產品和人類。這允許操作員在物理轉換之前測試和優化虛擬世界中下一個產品的機器設置，從而縮短機器設置時間并提高質量。

例如，西門子和一家德國機床供應商開發出一種虛擬機，可以使用物理機器的數據來模擬零件加工。這將實際加工過程的設置時間縮短了80％

水平和垂直系統集成

今天的大多數IT系統都沒有完全集成。公司，供應商和客戶很少緊密聯系。工程，生產和服務等部門也不例外。從企業到車間層面的功能沒有完全整合。即使是工程設計本身-從產品到工廠到自動化-都缺乏完整的集成。但隨著工業4.0，隨著跨公司，通用數據集成網絡的發展并實現真正自動化的價值鏈，公司，部門，功能和能力將變得更加緊密。

例如，DassaultSystèmes和BoostAeroSpace為歐洲航空航天和國防工業推出了一個協作平臺。該平臺AirDesign作為設計和制造協作的通用工作空間，并作為私有云上的服務提供。它管理著在多個合作伙伴之間交換產品和生產數據的復雜任務。

工業互聯網

今天，只有一些制造商的傳感器和機器聯網并利用嵌入式計算。它們通常組建在一個垂直自動化金字塔中，其中傳感器和具有有限智能的自動化現場設備和自動化控制器供應到總體制造過程控制系統。但隨著工業物聯網的發展，更多的設備（有時甚至包括未完成的產品）將通過嵌入式計算進行豐富并使用標準技術進行連接。這使得現場設備可以根據需要進行通信并相互交互并與更集中的控制器進行交互。它還分散了分析和決策，實現了實時響應。

Bosch Rexroth是一家驅動和控制系統供應商，為半自動化，分散式生產流程的閥門提供生產設備。產品通過射頻識別代碼進行識別，工作站“知道”每個產品必須執行的制造步驟，并且可以適應執行特定的操作。

網絡安全

目前許多公司仍然依靠不連接或封閉的管理和生產系統。隨著工業4.0帶來的連接性和標準通信協議的增加，保護關鍵工業系統和生產線免受網絡安全威脅的需求大幅增加。因此，安全可靠的通信以及機器和用戶的復雜身份和訪問管理至關重要。

去年，幾家工業設備供應商通過合作或收購與網絡安全公司合作。

云端

有公司已經在一些企業和分析應用中使用基于云的軟件，但隨著工業4.0，更多與生產有關的企業將需要增加跨站點和公司邊界的數據共享。同時，云技術的性能將得到改善，反應時間僅需幾毫秒。因此，機器數據和功能將越來越多地部署到云中，為生產系統提供更多的數據驅動服務。即使是監視和控制流程的系統也可能變成基于云。

添加劑制造（3D打印）

公司剛剛開始采用增材制造，如3D打印，他們主要用于原型和生產單個組件。隨著工業4.0，這些添加劑制造方法將被廣泛用于生產小批量的定制產品，提供建筑優勢，如復雜，輕量級的設計。高性能，分散式增材制造系統將減少運輸距離和庫存。

例如，航空航天公司已經在使用增材制造來應用新設計，以降低飛機重量，降低其原材料（如鈦）的開支。

增強現實

基于增強現實的系統支持多種服務，例如選擇倉庫中的零件以及通過移動設備發送修復指令。這些系統目前還處于初級階段，但未來公司將更廣泛地使用增強現實技術，為工作人員提供實時信息以改進決策制定和工作流程。

例如，工作人員可能會收到有關如何在查看需要修理的實際系統時更換特定零件的維修說明。這些信息可以使用增強現實眼鏡等設備直接顯示在工作人員的視野中。

另一個應用是虛擬培訓。西門子為其Comos軟件開發了虛擬工廠-操作員培訓模塊，該模塊使用逼真的基于數據的3-D環境和增強現實眼鏡來培訓工廠人員處理緊急情況。在這個虛擬世界中，操作員可以通過點擊網絡代表學習與機器交互。他們還可以更改參數并檢索運行數據和維護說明。

工業4.0的影響

基于工業4.0元素的競賽已經在歐洲，美國和亞洲的公司之間進行。

量化影響：以德國為例

為了對工業4.0潛在的全球影響進行量化的理解，我們分析了德國的制造業前景，并發現技術進步的第四次浪潮將帶來四個方面的好處：

生產率。在未來的五到十年內，工業4.0將會被更多的公司所接受，從而將德國所有制造業的生產力提高900億歐元到1500億歐元。轉化成本的生產率提高將排除材料成本，從15％到25％不等。當材料成本考慮在內時，生產率將提高5％到8％。這些改進會因行業而異。例如，工業零部件制造商將取得一些最大的生產力提升（20％至30％），汽車公司預計將增加10％至20％。（見附件3）

收入增長。工業4.0也將推動收入增長。制造商對增強型設備和新數據應用的需求，以及消費者對越來越多定制產品的需求將推動每年約300億歐元的額外收入增長，即德國GDP的大約1％。

就業。在我們對工業4.0對德國制造業影響的分析中，我們發現它刺激的增長將導致未來十年就業人數增加6％。（見圖4）同時，對機械工程領域員工的需求可能會進一步增加-高達10％。但是，需要不同的技能。在短期內，實現更大自動化的趨勢將取代一些執行簡單重復任務的低技能勞動者。與此同時，越來越多地使用軟件，連接和分析將增加對具有軟件開發和IT技術能力的員工的需求，例如具有軟件技能的機電一體化專家。（機電一體化是一個由多個工程學科組成的工程領域。）這種能力轉變是未來的關鍵挑戰之一。

投資。我們估計，調整生產流程以納入工業4.0將需要德國生產商在未來十年投資約2500億歐元（約占制造商收入的1％至1.5％），德國的預計收益顯示了工業4.0對全球制造業的潛在影響。工業4.0將對生產者及其勞動力以及提供制造系統的公司產生直接影響。

生產者

下一波制造將影響生產商從設計到售后服務的整個價值鏈：

沿著價值鏈，生產流程將通過集成的IT系統進行優化。因此，今天的孤島制造單元將被全自動化的集成生產線所取代。

產品，生產過程和生產自動化將通過一個綜合過程并通過生產商和供應商的協作來設計和調試。物理原型將被減少到絕對最小值。

工業4.0允許更快地響應客戶的需求，它提高了生產過程的靈活性，速度，生產力和質量。它為采用新的商業模式，生產流程和其他創新奠定了基礎。隨著更多的工業生產商投資于工業4.0技術來增強和定制他們的產品，這將實現新的大規模定制水平。

制造系統供應商

隨著制造商要求其工廠中具有工業4.0功能的機器和系統的更大連接性和相互作用，制造系統供應商將不得不擴大IT在其產品中的作用。這些變化可能包括在云中和嵌入式設備上部署功能更強大的模塊化功能。隨著系統的整體功能和復雜性的增加，需要更多的決策分配。此外，用于下載軟件和協作伙伴關系的在線門戶可以提供更靈活和適應性更強的設備配置。自動化架構也將針對不同的使用情況發展。供應商將不得不為這些情況做好準備并支持這些轉變。

工業自動化供應商和大多數機床制造商已經建立了重要的軟件開發能力-但工業4.0將需要更多。此外，這些供應商將不得不與不斷增長的與車間和生產相關的應用程序和數據驅動服務市場的IT企業進行競爭。

機器，產品，零件和人員之間不斷增長的互聯性也將需要新的國際標準，以確定這些元素在未來的數字工廠中的相互作用。制定這些標準的努力尚處于起步階段，但正在被傳統標準化機構和新興財團所推動。德國的Plattform Industrie 4.0是第一個驅動因素，但是由制造業，互聯網，IT和電信公司于2014年3月創立的美國工業互聯網聯盟（IIC）已經成為一個突出的選擇。隨后，德國成立了一個新機構Dialogplattform Industrie 4.0，以抵消IIC的強大地位。其他幾個標準化組織在該領域有雄心壯志。戰略性地選擇參與這些機構和其他機構，積極塑造標準化議程對于制造系統供應商來說至關重要。

前面的道路

行業和國家將以不同的速度和方式采用工業4.0。具有高水平產品變體的行業，如汽車和食品和飲料行業，將受益于更大程度的靈活性，從而可以提高生產力，例如，需要高品質的行業，如半導體和制藥將受益于減少錯誤率的數據分析驅動的改進。

生產者和系統供應商必須采取果斷行動，積極塑造轉型，以擁抱技術進步的九大支柱。他們還必須解決適應基礎設施和教育的需要。

生產者優先事項并提升員工素質

生產者必須在他們的生產過程中確定優先級，并提高員工的能力，具體如下：

確定關鍵的改進領域，如靈活性，速度，生產力和質量。然后，考慮技術進步的九大支柱如何推動指定地區的改善。避免陷入漸進式方法;相反，考慮由九種技術的組合所帶來的更多基本變化。

分析對員工的長期影響，并進行戰略性員工隊伍規劃。調整角色，招聘和職業培訓，為員工提供所需的額外IT技能。

雖然這些改進已經對現有工業具有巨大的潛力，但新興領域可以使用工業4.0技術來使用創新的工廠布局和生產工藝來破壞現有的標準。

供應商必須利用（Leverage）的技術

制造系統供應商需要了解他們如何在新的使用案例中使用技術，為客戶提供最大的利益。這些技術可以用于不同的產品，如增強聯網嵌入式系統和自動化，開發新的軟件產品以及提供分析驅動服務等新服務。為了建立這些能力，他們必須建立正確的基礎：

定義哪種業務模式可用于增強或新增優惠。

建立技術基礎，例如分析工具基礎。

建立正確的組織結構和能力。

發展在數字世界中至關重要的伙伴關系。

參與和塑造技術標準化。

同時，系統供應商需要為長期行業發展構建一個基于情景的愿景，并確保他們的戰略將為最可能發生的情況做好準備。

基礎設施和教育必須適應

生產商和供應商必須努力適應基礎設施和教育，因為他們擁抱工業4.0的技術。這最好通過政府，行業協會和企業的共同努力來實現以下目標：

升級技術基礎設施，如固定和移動寬帶服務。基礎設施必須快速，安全和可靠，足以讓公司依靠它來獲得近實時數據。

修改學校課程，培訓和大學課程，并加強創業方法，提高員工的IT相關技能和創新能力。

工業4.0為創新型生產商，系統供應商和整個地區提供了巨大的機遇。但是，與以前的轉型發展一樣，工業4.0也對落后者構成嚴重威脅。隨著商業模式，經濟和技能要求的轉變，我們可以看到公司和地區層面的重大變化。