工業(yè) 4.0 時(shí)代制造業(yè)的范式躍遷

作者：是德科技產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Choon-Hin Chang

摘要

工業(yè) 4.0 的特點(diǎn)是將數(shù)字技術(shù)融入生產(chǎn)和制造流程，它標(biāo)志著制造業(yè)進(jìn)入了一個(gè)產(chǎn)業(yè)革命的新階段。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，制造業(yè)正逐步通過加速自動(dòng)化和數(shù)據(jù)交換以及采用智能系統(tǒng)等方式來創(chuàng)建一個(gè)更加互聯(lián)和高效的生產(chǎn)流程。

此篇是德科技署名文章旨在探討工業(yè) 4.0 技術(shù)如何變革制造業(yè)，并提高整個(gè)產(chǎn)業(yè)的效率、生產(chǎn)力和創(chuàng)新能力。文章深入分析了物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、人工智能 (AI)、大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器人技術(shù)和增材制造（Additive Manufacturing）等技術(shù)對制造業(yè)產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響。此外，本文還探討了制造商在采用這些技術(shù)時(shí)面臨的挑戰(zhàn)和需要綜合考慮的因素，為加速工業(yè) 4.0 時(shí)代到來、推動(dòng)制造業(yè)的未來發(fā)展提供了真知灼見。

引言

在工業(yè) 4.0 技術(shù)的推動(dòng)下，制造業(yè)正在經(jīng)歷一場深刻的變革。工業(yè) 4.0 通過引入自動(dòng)化設(shè)備、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和高級分析，徹底改變了傳統(tǒng)的制造流程。作為第四次工業(yè)革命，工業(yè) 4.0利用互聯(lián)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換和智能技術(shù)來創(chuàng)造更加高效、靈活、創(chuàng)新的生產(chǎn)和制造環(huán)境。本文探討了支撐工業(yè) 4.0 的關(guān)鍵技術(shù)及其給制造業(yè)帶來的深刻變革。

工業(yè)的演進(jìn)

如圖 1 所示，從工業(yè) 1.0 到工業(yè) 4.0 的演變歷程標(biāo)志著制造業(yè)和工業(yè)所經(jīng)歷的范式躍遷。

圖 1：四次工業(yè)革命

工業(yè) 1.0（18 世紀(jì)末）：也就是第一次工業(yè)革命，這個(gè)時(shí)代標(biāo)志著機(jī)械化的到來，利用水和蒸汽作為動(dòng)力實(shí)現(xiàn)了從手工勞動(dòng)向機(jī)械化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變。蒸汽機(jī)等關(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)的引入使得機(jī)器能夠取代傳統(tǒng)的手工勞動(dòng)來完成工作任務(wù)，從而徹底改變了工業(yè)生產(chǎn)的面貌。

工業(yè) 2.0（19 世紀(jì)末）：第二次工業(yè)革命引入了電力和流水線作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模生產(chǎn)。這個(gè)時(shí)代徹底改變了制造流程，極大地提高了生產(chǎn)效率和規(guī)模效益。

工業(yè) 3.0（20 世紀(jì)末）：工業(yè) 3.0 也被稱為數(shù)字革命，通過引入電子技術(shù)和 IT 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制造的自動(dòng)化，也就是說全面應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)入自動(dòng)化時(shí)代，大大提高了生產(chǎn)效率和精度。在這一階段，隨著可編程邏輯控制器、機(jī)器人、ICT在線測試儀等電子設(shè)備以及其他信息技術(shù)的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)被運(yùn)用到了生產(chǎn)制造流程中，提供了強(qiáng)大的勞動(dòng)力。此外，這個(gè)時(shí)代還標(biāo)志著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的崛起和可再生能源使用的開始，引發(fā)了新一輪的工業(yè)創(chuàng)新浪潮。

工業(yè) 4.0（21 世紀(jì)）：工業(yè) 4.0 將網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、人工智能 (AI)、大數(shù)據(jù)分析和其他前沿技術(shù)整合到生產(chǎn)制造流程中，從而將數(shù)字革命擴(kuò)展到了新高度。這一階段側(cè)重于互聯(lián)互通、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換和智能決策，開創(chuàng)了生產(chǎn)自動(dòng)化、高效化和定制化的新時(shí)代。每一次工業(yè)革命都代表著商品生產(chǎn)和制造的范式躍遷，利用日益先進(jìn)的技術(shù)推動(dòng)各行業(yè)提高效率、生產(chǎn)力和創(chuàng)新能力。

科技領(lǐng)航工業(yè) 4.0 時(shí)代

如圖 2 所示，工業(yè) 4.0 標(biāo)志著制造業(yè)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)革命的新階段，其特點(diǎn)是將尖端數(shù)字技術(shù)無縫集成到生產(chǎn)流程中。工業(yè) 4.0 技術(shù)改變了制造業(yè)的格局，顯著提高了效率和生產(chǎn)力，并推動(dòng)了創(chuàng)新。它強(qiáng)調(diào)了物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器人技術(shù)和增材制造等關(guān)鍵技術(shù)的重要作用，并深入探討了它們對工業(yè)的深遠(yuǎn)影響。

圖 2：工業(yè) 4.0

物聯(lián)網(wǎng)將機(jī)器、系統(tǒng)和傳感器連接起來，實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)制造生態(tài)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和通信。這種連接有助于進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)、減少宕機(jī)時(shí)間并優(yōu)化生產(chǎn)流程。人工智能利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析海量數(shù)據(jù)，有助于做出更加智能的決策、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程自動(dòng)化和加強(qiáng)質(zhì)量控制。大數(shù)據(jù)分析利用數(shù)據(jù)的潛力來提供深入的洞察、推動(dòng)戰(zhàn)略決策并提高運(yùn)營效率。

機(jī)器人技術(shù)通過自動(dòng)執(zhí)行重復(fù)性的工作任務(wù)提高了精度并加快了生產(chǎn)速度，從而徹底改變了制造業(yè)。協(xié)作機(jī)器人（ Cobots ）與人類操作員協(xié)同工作，提高了工廠產(chǎn)線的靈活性和生產(chǎn)效率。增材制造（又稱 3D 打印）能夠快速生產(chǎn)復(fù)雜的定制產(chǎn)品，減少材料浪費(fèi)，縮短生產(chǎn)周期。

雖然工業(yè) 4.0 帶來的裨益良多，但制造商在采用這些技術(shù)時(shí)也面臨著挑戰(zhàn)。將傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造系統(tǒng)與新的數(shù)字化解決方案相結(jié)合，在確保網(wǎng)絡(luò)安全的同時(shí)彌合勞動(dòng)力隊(duì)伍中的技能差距，這些都是至關(guān)重要的考量因素。此外，要充分發(fā)揮工業(yè) 4.0 的潛力，還需要對技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大舉投資。

盡管面臨這些挑戰(zhàn)，但在工業(yè) 4.0 時(shí)代，制造業(yè)的未來仍然充滿希望。隨著企業(yè)不斷采用和整合這些技術(shù)，整個(gè)制造業(yè)的生產(chǎn)效率、創(chuàng)新能力和競爭力將達(dá)到前所未有的水平。物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人技術(shù)和增材制造技術(shù)的融合，必將重新定義傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造模式，為打造更智能、更靈活、更有彈性的工業(yè)格局鋪平道路。

制造業(yè)采用工業(yè) 4.0技術(shù)的優(yōu)勢

在工業(yè)4.0時(shí)代，制造業(yè)相較于傳統(tǒng)生產(chǎn)制造流程具有諸多優(yōu)勢。通過整合先進(jìn)技術(shù)和以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，企業(yè)能夠解鎖新的業(yè)務(wù)增長點(diǎn)，并挖掘提高效率的機(jī)會(huì)。工業(yè) 4.0 在制造業(yè)中的主要優(yōu)勢包括以下幾點(diǎn)：

· 提高運(yùn)營效率和生產(chǎn)力：工業(yè) 4.0 使制造商能夠通過生產(chǎn)自動(dòng)化和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析來優(yōu)化運(yùn)營流程。智能設(shè)備和互聯(lián)系統(tǒng)可簡化生產(chǎn)流程、最大限度地縮短宕機(jī)時(shí)間、降低錯(cuò)誤率并提高整體生產(chǎn)力。

· 提高產(chǎn)品的質(zhì)量和定制能力：工業(yè) 4.0 使制造商能夠以更高的精度生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。在先進(jìn)傳感器、機(jī)器人技術(shù)和人工智能等技術(shù)的加持下，企業(yè)能夠監(jiān)測和控制生產(chǎn)過程中的各種變量，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。此外，工業(yè) 4.0 技術(shù)還為定制化生產(chǎn)提供了靈活性，可滿足客戶的個(gè)性化需求和偏好。

· 優(yōu)化供應(yīng)鏈管理和物流管理：工業(yè) 4.0 能夠在整個(gè)生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)操作的實(shí)時(shí)可視化和精確控制。通過在整個(gè)流程中集成物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和數(shù)據(jù)分析能力，制造商可以追蹤庫存水平、監(jiān)控設(shè)備性能并優(yōu)化物流運(yùn)營。這些功能可降低成本，加強(qiáng)庫存管理，并縮短交貨時(shí)間。

工業(yè) 4.0的典型用例和成功案例

通過利用先進(jìn)技術(shù)優(yōu)化生產(chǎn)流程、提高效率和推動(dòng)創(chuàng)新，工業(yè) 4.0 正在變革制造業(yè)。在這一部分，是德科技將著重探討一些典型用例和成功案例，展示工業(yè) 4.0所帶來的巨大變革。

智能工廠是踐行工業(yè) 4.0 的典型案例。這些相互連接的數(shù)字化智能工廠通過使用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機(jī)器人和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，并優(yōu)化運(yùn)營流程。通過整合機(jī)器、設(shè)備和系統(tǒng)，智能工廠可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)測性維護(hù)和高效的資源分配，最終提高生產(chǎn)效率、減少宕機(jī)時(shí)間并加強(qiáng)質(zhì)量控制。

工業(yè) 4.0 技術(shù)的應(yīng)用遍及各行各業(yè)。例如，在汽車行業(yè)中，制造商正在部署車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，讓車輛與車輛之間以及車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間能夠進(jìn)行相互通信，從而提高駕駛安全和交通效率。在醫(yī)療保健領(lǐng)域，工業(yè) 4.0技術(shù)正在改變醫(yī)療設(shè)備的生產(chǎn)制造，推動(dòng)個(gè)性化醫(yī)療保健解決方案的開發(fā)，并改善患者的治療效果。

現(xiàn)實(shí)世界中，企業(yè)擁抱工業(yè) 4.0 并取得成功的案例比比皆是。例如，一家領(lǐng)先的電子產(chǎn)品制造商采用先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)來簡化其生產(chǎn)線，從而大幅降低了制造成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。另一家公司采用了物聯(lián)網(wǎng)傳感器和分析技術(shù)來降低能源消耗，從而節(jié)省了大量成本并減少了對環(huán)境的影響。

工業(yè) 4.0 帶來的可持續(xù)發(fā)展機(jī)遇

在工業(yè) 4.0 時(shí)代，將這些先進(jìn)技術(shù)整合到生產(chǎn)制造流程中是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)。通過利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，制造商可以收集有關(guān)能源消耗、生產(chǎn)流程和資源利用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。通過分析這些數(shù)據(jù)，制造商可以鎖定能耗高的領(lǐng)域，并采取相應(yīng)的節(jié)能措施，從而減少對環(huán)境的影響。

能源的利用率對實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展而言至關(guān)重要。工業(yè) 4.0 技術(shù)使得制造商能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控能源使用情況、優(yōu)化設(shè)備性能并尋找出潛在的節(jié)能機(jī)會(huì)。通過實(shí)施智能控制和預(yù)測性維護(hù)，制造商可以減少能源浪費(fèi)，降低碳排放，并實(shí)現(xiàn)更長遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

減少資源浪費(fèi)是工業(yè) 4.0 能夠產(chǎn)生重大影響的另一個(gè)重要領(lǐng)域。利用人工智能和大數(shù)據(jù)分析，制造商可以優(yōu)化生產(chǎn)流程，最大限度地減少原材料浪費(fèi)，提高資源利用率。實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測分析使得制造商能夠鑒別出資源利用率比較低下的環(huán)節(jié)，減少廢棄物的產(chǎn)生并優(yōu)化原材料的使用，從而塑造更加可持續(xù)的生產(chǎn)制造流程。

此外，工業(yè) 4.0 還提倡循環(huán)經(jīng)濟(jì)原則，旨在通過資源的再利用、修復(fù)和回收來最大限度地減少浪費(fèi)并提高資源的使用效率。工業(yè) 4.0 技術(shù)使得制造商能夠在產(chǎn)品全生命周期中的各個(gè)環(huán)節(jié)對其進(jìn)行跟蹤和追溯，從而完善高效的逆向物流體系并加快循環(huán)經(jīng)濟(jì)實(shí)踐的持續(xù)落地。

通過整合先進(jìn)技術(shù)，制造商得以提高能效并減少廢棄物的產(chǎn)生，從而降低整個(gè)生產(chǎn)制造流程對環(huán)境的影響。貫徹發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的原則，制造商可以推動(dòng)整個(gè)生產(chǎn)制造流程的可持續(xù)發(fā)展，并為塑造更加綠色的未來做出貢獻(xiàn)。

結(jié)論

工業(yè) 4.0 技術(shù)正在重塑制造業(yè)格局，有助于提高效率、生產(chǎn)力和創(chuàng)新能力。通過采用這些技術(shù)，制造商能夠更加靈活地在競爭激烈的市場環(huán)境中不斷滿足動(dòng)態(tài)變化的市場需求。工業(yè) 4.0 的潛在優(yōu)勢遠(yuǎn)大于挑戰(zhàn)，可為制造業(yè)帶來一個(gè)更智能、更互聯(lián)、更可持續(xù)發(fā)展的未來。正在進(jìn)行的數(shù)字化轉(zhuǎn)型標(biāo)志著整個(gè)社會(huì)進(jìn)入了一個(gè)技術(shù)與人類創(chuàng)造力相融合的新時(shí)代，為制造業(yè)帶來了前所未有的機(jī)遇。

工業(yè) 4.0 與智能制造的融合正在開創(chuàng)一個(gè)以敏捷性、高效、可持續(xù)發(fā)展和高效益為特征的生產(chǎn)制造新時(shí)代。

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