工業(yè)4.0：自主、定制、柔性制造背后的技術(shù)挑戰(zhàn)
為了降低生產(chǎn)成本，阿迪達(dá)斯在亞洲大量生產(chǎn)運(yùn)動(dòng)鞋。然而，從設(shè)計(jì)到商店出售需要耗時(shí)18個(gè)月。對(duì)于客戶來說，這個(gè)漫長(zhǎng)的等待過程正在變得越來越難以忍受�？蛻粽趯ふ要�(dú)特的定制產(chǎn)品，并希望立即嘗試最新款式。但是傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式根本無法滿足這些要求，因此阿迪達(dá)斯正在創(chuàng)建一個(gè)高速工廠的概念，以便在更接近銷售網(wǎng)點(diǎn)的地方生產(chǎn)定制的運(yùn)動(dòng)鞋。
同樣，日本機(jī)床制造商大隈機(jī)械也開發(fā)了一套完整的銑削加工工藝，www.whsntf.cn，可以7×24小時(shí)自主運(yùn)行。整個(gè)過程可以根據(jù)需要自動(dòng)選擇和更換切削刀具，提供原材料和耗材，而不需要人為干預(yù)。工作人員只需在現(xiàn)場(chǎng)用平板設(shè)備上的監(jiān)測(cè)應(yīng)用執(zhí)行高附加值的任務(wù)，來監(jiān)督工廠運(yùn)營(yíng)。除此之外，工廠完全自動(dòng)化運(yùn)行。
這些例子讓我們意識(shí)到第四次工業(yè)革命已經(jīng)來臨這將改變當(dāng)前我們的全球經(jīng)濟(jì)模式，并決定未來我們?nèi)绾蝿?chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值。與前三次工業(yè)革命一樣，這次工業(yè)革命會(huì)迅速采用創(chuàng)新和變革技術(shù)。這些技術(shù)將挑戰(zhàn)我們之前的所有假設(shè)，并改變我們對(duì)制造業(yè)的一切認(rèn)知。這也意味著工人、制造商和政府需要為不可避免的變革做好準(zhǔn)備，否則就會(huì)被時(shí)代拋棄。
革命萬歲
第一次工業(yè)革命以蒸汽機(jī)的發(fā)明為開端，用機(jī)器代替了手工勞動(dòng)，并達(dá)到了難以置信的規(guī)模。第二次工業(yè)革命電力使裝配流水線和大批量生產(chǎn)成為可能。計(jì)算機(jī)的發(fā)明帶來了第三次工業(yè)革命，這使得機(jī)器人和機(jī)器自動(dòng)化可以集成到流水線中，以幫助或在某些情況下取代人類工人。
今天，制造業(yè)的發(fā)展方向已經(jīng)與前三次工業(yè)革命大相徑庭。前三次工業(yè)革命的重點(diǎn)是集中化和大批量生產(chǎn)，以實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)；而第四次工業(yè)革命將以大規(guī)模定制和彈性生產(chǎn)為基礎(chǔ)，產(chǎn)品生產(chǎn)的地點(diǎn)盡可能靠近需求中心。
制造商不再只是生產(chǎn)和管理庫存，機(jī)器人維修，而是致力于建立高度整合的供應(yīng)鏈，并根據(jù)上游供應(yīng)商和消費(fèi)者的實(shí)時(shí)需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。這需要在生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)并采取糾正措施。造成這種轉(zhuǎn)型和變革的原因是制造商在整個(gè)端到端生產(chǎn)過程中希望以最小的甚至不需人為干預(yù)的情況下完成所有生產(chǎn)流程。
所謂工業(yè)4.0制造模式很大程度上依賴于制造技術(shù)之間的自動(dòng)化和數(shù)據(jù)交換，涉及信息物理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等。
智能工廠的分權(quán)和自動(dòng)化
工業(yè)4.0模式旨在將工廠本身轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)或智能工廠。在每家智能工廠內(nèi)，模塊化生產(chǎn)流程通過信息物理系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)技術(shù)與機(jī)器相融合，而不僅僅是為了遙控和監(jiān)測(cè)。這些模塊化智能工廠能夠自主決策如何實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的分權(quán)和自動(dòng)化，并且能夠通過物聯(lián)網(wǎng)與人工操作員和其他智能工廠進(jìn)行溝通和合作，以完成一個(gè)全方位的供應(yīng)鏈變更。
事實(shí)上，這就像IT行業(yè)多年來使用數(shù)據(jù)中心的情況一樣：通過虛擬化物理服務(wù)器，以及業(yè)務(wù)流程自動(dòng)化技術(shù)，使機(jī)器在一定程度上實(shí)現(xiàn)自我管理。而我們將繼續(xù)推動(dòng)這些模式進(jìn)一步開發(fā)新功能，例如軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）、混合云和人工智能（AI）。
數(shù)據(jù)中心虛擬化現(xiàn)在可能已經(jīng)成為主流，但是工業(yè)4.0運(yùn)動(dòng)對(duì)很多人來說仍然陌生。盡管如此，它在全球制造業(yè)的發(fā)展卻越來越快。德國(guó)政府在2013年創(chuàng)建了這個(gè)詞，同時(shí)也提出了一個(gè)使該國(guó)制造業(yè)全面計(jì)算機(jī)化的計(jì)劃。
2015年德國(guó)總理默克爾（AngelaMerkel）在達(dá)沃斯舉行的世界經(jīng)濟(jì)論壇上介紹了這一概念，并將其稱為工業(yè)4.0。她熱烈歡迎這種新模式，借此快速融合在線世界和工業(yè)生產(chǎn)世界。大部分工業(yè)化國(guó)家都受到了該事件的影響。
德國(guó)政府并不只是口頭說說而已，目前德國(guó)政府投資了2億多歐元用于鼓勵(lì)公民在學(xué)術(shù)、商業(yè)和政府領(lǐng)域進(jìn)行切實(shí)可行的研究，而德國(guó)并不是唯一進(jìn)行此類投資的國(guó)家。
工業(yè)4.0四大設(shè)計(jì)原則
以下四大設(shè)計(jì)原則可以支持和定義工業(yè)4.0：
1.互操作性：機(jī)器、設(shè)備、傳感器和人類通過物聯(lián)網(wǎng)或人聯(lián)網(wǎng)（IoP）相互連接和溝通。
2.信息透明度：信息系統(tǒng)利用傳感器數(shù)據(jù)建立數(shù)字工廠模型，就可以為現(xiàn)實(shí)世界創(chuàng)建虛擬副本。這需要收集原始傳感器數(shù)據(jù)，整理出具有更高價(jià)值的信息。
3.技術(shù)支持：第一，支持系統(tǒng)通過綜合分析信息進(jìn)行知情決策，迅速解決突發(fā)問題以幫助人類。第二，信息物理系統(tǒng)可以處理各種令人不快、過于勞累或不安全的任務(wù)，來支持他們的人類同事。
4.分權(quán)決策：信息物理系統(tǒng)自行做出決定并自主執(zhí)行任務(wù)。只有在異常、干擾或目標(biāo)沖突的情況下，任務(wù)才會(huì)被委托給更高級(jí)別來執(zhí)行。
（資料來源：工業(yè)4.0情景設(shè)計(jì)原則）
工業(yè)4.0的技術(shù)挑戰(zhàn)
然而，革命既有挑戰(zhàn)性，也可能雜亂無章，而工業(yè)4.0也一樣。除了經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)力變化所帶來的文化和政治挑戰(zhàn)之外，推廣工業(yè)4.0模式還需克服幾項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)，包括：
1.集成新系統(tǒng)并對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行更多訪問，導(dǎo)致數(shù)據(jù)安全性問題大大增加。此外，專有生產(chǎn)知識(shí)也成為IT安全問題。
2.成功的信息物理通信需要高度的可靠性和穩(wěn)定性，但很難實(shí)現(xiàn)和維護(hù)。
3.以較少的人力監(jiān)管維持整個(gè)生產(chǎn)過程可能困難重重。
4.如何解決由于技術(shù)問題導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p失的生產(chǎn)中斷也需引起重視。
企業(yè)在確保其數(shù)據(jù)中心技術(shù)可用、安全的情況下，建立信息物理應(yīng)用，不僅涉及軟件，還涉及工業(yè)機(jī)器以及工廠安全（工廠內(nèi)每臺(tái)機(jī)器、設(shè)備和控制儀器都變成了終端設(shè)備）。因此實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)行業(yè)構(gòu)想似乎困難重重。所有這一切都需要在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，這意味著全面實(shí)現(xiàn)這些革命性的變化，可能都是IT部門的工作。
工業(yè)4.0的應(yīng)用性能管理比現(xiàn)在更為復(fù)雜。當(dāng)一個(gè)傳統(tǒng)的軟件應(yīng)用出現(xiàn)性能下降，或者變緩慢時(shí)，很難確定導(dǎo)致這個(gè)問題的原因。大部分企業(yè)已部署了一系列工具來監(jiān)測(cè)和診斷這些問題，盡量避免半夜開電話會(huì)議，讓應(yīng)用團(tuán)隊(duì)和網(wǎng)絡(luò)團(tuán)隊(duì)互相指責(zé)：應(yīng)用團(tuán)隊(duì)認(rèn)為問題由網(wǎng)絡(luò)造成，而網(wǎng)絡(luò)團(tuán)隊(duì)則通過檢索冗長(zhǎng)的日志，力圖證明數(shù)據(jù)庫才是罪魁禍?zhǔn)住＿z憾的是，對(duì)于許多此類事件的響應(yīng)團(tuán)隊(duì)來說，雖然有很多工具可以利用，機(jī)器人維修，但由于缺乏可視性，因而仍然無法完成診斷工作。
Gigamon可視化平臺(tái)
現(xiàn)在Gigamon可視化平臺(tái)可以很大程度上解決這種可視性缺乏問題。該平臺(tái)提供用戶交互的端到端視圖，不僅包含應(yīng)用，還包含支持該應(yīng)用的完整基礎(chǔ)架構(gòu)。Gigamon可視化平臺(tái)能夠幫助IT部門利用診斷工具更有效解決應(yīng)用性能問題。
想象一下就在不遠(yuǎn)的將來，企業(yè)要求IT部門診斷信息物理系統(tǒng)下全自動(dòng)流水線性能下降，或運(yùn)行緩慢的原因。整個(gè)流水線和其所有的物理組件將成為新的應(yīng)用，并帶來比傳統(tǒng)軟件應(yīng)用復(fù)雜萬分的問題。
雖然看起來監(jiān)測(cè)和管理工業(yè)4.0信息物理應(yīng)用的工作量巨大，但其解決方案與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的可視化解決方案基本一樣。在整個(gè)流水線和智能工廠網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，Gigamon可視化平臺(tái)可以監(jiān)測(cè)對(duì)運(yùn)營(yíng)商來說重要的數(shù)據(jù)變化，并智能幫助和增強(qiáng)監(jiān)測(cè)和診斷工具，以應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的海量數(shù)據(jù)篩查。