从工业发展的历程来看,蒸汽机技术推动机械化生产的普及,使人类社会进入工业1.0时代;电力的出现推动规模化生产,从此工业进入2.0时代;信息化技术的应用,使得自动化生产成为可能,工业进入3.0时代;而物联网等新技术与工业技术的深度融合,使得工业进入智慧化的时代,即工业4.0。工业 4.0是在个性化智能产品的需求驱使下,并在以物联网、大数据等新技术的有力支撑下,出现的新一代变革趋势。
三个特征
——垂直整合：各机器及生产线的自控系统、工厂的制造执行系统(MES)、以及ERP等系统的整合,打破信息化系统与自动化系统之间的历史鸿沟,使工厂与企业的生产制造能力得以优化。
——水平整合：企业内部及跨企业边界的各业务系统之间的整合,使得信息的共享、业务功能的组合可以跨越组织的边界,使价值链的整体竞争力得以提升。
——端到端价值链的数字化整合：这是实现“智能制造云”的愿景,用户只要提交需求,就可以获得所需的产品,而云端相关价值链各企业的制造与业务能力都以API的方式发布,使得快速柔性组合与安全调度执行成为可能,最大化发挥生态系统的设计、制造、服务等多方面的综合能力。
复杂命题
工业4.0是一个复杂的命题,从关键的用户需求—工业4.0产品的角度切入,有助于理解其要义与精髓。
工业产品经历了从传统产品(包括机械与电气部分〕,到智能产品(增加了电控、传感、软件与用户交互界面部分〕,再到当下个性化、软件定义、智能互联的产品(增加了网络连接,并得到后端产品平台强大计算分析能力的支撑〕的演变。
特斯拉就是工业4.0产品的一个典型代表,其精致的工业设计、 创新的电池动力系统、以及强大丰富的车载软件系统,为用户提供极致的个性化(大多通过软件体现〕使用体验。而其后端所连接的强大软件平台则提供了丰富的内容、服务、分析、应用等支持,是特斯拉汽车产品不可或缺的组成部分。从特斯拉的成功可以看出工业4.0产品是工业化与信息化深度融合的结晶。
全系统变革
工业4.0意味着产品全生命周期乃至全价值链、全生态系统的变革。
工业4.0产品，推动了设计、生产、销售与服务等各个环节以及相关价值链、 生态系统的变革与重塑。在生产的环节,需要通过物联网的实施及从生产系统到ERP系统的垂直整合,以及与CRM,SCM等系统的水平整合,实现生产的自动化、柔性化、智能化。使得整个生产的体系(包括上游材料与部件供应商〕能够针对“多批微量”的订单灵活组合各种材料、部件、能力与流程, 高效、大规模地完成个性化生产的任务,并联动下游的客户服务及上游的研发,使得客户得到最佳的产品体验与服务,并基于实时收集的客户反馈与使用数据,实现产品的快速演进与创新,不断提升竞争优势。
我们认为工业4.0转型,不是3.0时代MES，ERP，SCM，PLM，CRM等系统的简单集成或更新换代；而是借助新技术(物联网、大数据等〕在多个维度对企业及价值链的革命性整合、重塑与创新。工厂不再是“黑盒子”,而是清晰透明的服务提供方。不只是工厂,整个产业链的参与者(研发、供货、销售、服务等〕的各种能力都用API的方式来发布、被调用、接受监管,形成一个 “Manufacturing as a Service”的开放、灵活、自主、优化的合作体系,这将使企业及其价值链具备核心竞争优势。
“工业4.0”的挑战和要求
在工业4.0的趋势之下,现有工厂将面临四大业务挑战和五大管理要求。
四大业务挑战
1. 质量成本压力;
2. 产量及获利的不可预见性;
3. 生产设备的管理与维护费用压力;
4. 生产流程与设备的自动化需求。
五大管理要求
1. 工厂信息：必须完整且实时可视，以支持智能制造的多阶段分析需求;
2. 设备自动化：具备接受控制指令修改设备属性能力;
3. 设备维护：由3.0时代的定期维护进化成4.0所要求的主动性维护;
4. 工厂耗能：实现智慧管理，增加对环境的绿色责任;
5. 互联供应链：必须支持端到端的全面物联网相联。
而支撑以上挑战与要求的手段,除了完善互联机器自动化(Connected Machine Automation)及制造执行系统(MES)之外,还需配合大数据分析、云计算、移动设备和信息安全体系,以实现诸如生产线优化排程、产品质量早期预警、生产设备预测性维护等竞争优势。
全方位改变
当工业4.0的平台充分运行的时候,其影响如草地自动洒水机一般,全方位地改变了周遭领域。
例如:
——社交媒体：由社交媒体接触客户,感知客户；并由电子商务的方式活化营销手段、价格优化管理;再由具备360度客户画像的呼叫中心支撑售后服务,提升客户体验。 这些影响提升了销售服务
——客户分析：依赖大数据的手段深入了解客户,并预测进一步的产品需求;使用产品生命周期管理的方式,以市场为导向开发下一系列产品。这些影响提升了产品的研发设计。
——通过产品分析,早期发现并解决质量问题。一方面可以降低保修成本,同时提升客户对产品、品牌的体验;通过诊断维修分析,避免不必要的维护停机并提高首次响应完成的比例。这些影响优化生产运营的效率。
这些提升、优化将直接影响业务层,不但增加产品的销售,也增加了质保与服务合同的延伸,甚至相关其他产品的销售。
变革战略
全球许多标杆企业早已制定工业4.0的变革战略,开始实施并已取得相当成果。
常见的工业4.0转型变革战略实施路线图包括如下三个阶段。
第一阶段:M2M(厂内与企业内厂际互联)：工厂内系统、设备与机器间在物联网的基础上互联互通。逐步达到全企业内所有工厂间运营、监控和管理决策的完整联系。由此激发主要生产力的提升,并增强运营决策灵活性。
第二阶段:B2B(价值链上所有企业互联)：实现企业全方位供应链的互联互通。包含上游所有各级供应商的相关系统 (系统内包含相关设备的物联网信息〕以及下游各渠道的系统终端或设备。 以此增加生产力,提升效率与灵活性。
第三阶段:C2M(消费者与相关工厂间互联)：此一阶段又称为“以软件定义产品与制造”阶段。在这阶段中,产品方面的需求、设计、测试、上市,以及制造方面的工厂、制造、物流、服务,都在企业安全的架构体系之下全面地在云端互联互通。从而产生新的商机、新的业务模式和新的盈利模型。
转型的支撑力
物联网支撑下的工业4.0变革,为企业带来全面的业务价值与能力提升。
工业4.0的转型主要需要三大核心支柱的支撑:
——全面物联网建设。透过传感器、RFID、网关等技术的配置与建设,为全面自动化、智能化打好基础。
——工业4.0转型途径(Industry 4.0 Approaches)。工业4.0转型途径泛指公司管理文化的升级与改变。要以务实、严谨的管理态度,科学及数据分析的方法决策,精简流程,快速反应。
——构建新的生态系统。全面C2M的环境建设,新的生态系统的搭建,为企业创新提供新的业务环境。此时企业凭借新的能力、新的市场环境(包含产业市场、人力市场、资本市场等〕创造新的企业商业和服务模型。
业务价值与能力提升
工业4.0的转型,将为企业带来全面的业务价值与能力提升,主要集中在加速产品创新,优化生产运营及交付全新服务三个方面。
具体而言:
——企业具备生产制造的高灵活性和更能适应市场的生产流程。
——专业化聚焦能力。在完善全面产品生命周期管理,企业生产价值链互联互动之后,企业已经具备针对特定用户需求的专业化聚焦能力。
——提升以价值链为单位的整体竞争能力。欧美标杆产业通常由本身最具竞争力的产品线开始,稳定的掌握市场优势。
——通过新的服务与业务模型开创新市场。例如美国通用电器,由制造业已经开拓了金融业,现正进军软件业。中国华为由制造业进入软件业与咨询业等。
工业4.0七大切入点
我们对迈入工业4.0提出7个切入点: 工程与软件开发、产品合集成、智能制造与运维、供应链可视化、安全、智慧工厂的能源管理、创新服务与业务模型, 并形成了相应的切入点框架。
切入点架构图左边是供货商端,右边是提供给客户的服务,企业本身由开发设计开始,经由车间生产过程并采集数据,同时集成企业内部系统,提供及时分析与未来预测,然后加以优化。这些环节也同时考虑了节能与安全的需求。这七个切入点可以视客户的实际需求选择最需要改善的环节开始,或由一到七循序渐进。
工程与软件开发
强调在设计周期与客户的合作。运用的技术包含: 持续工程(如: DOORS、 Rational Team Concert、Rational Quality Manager)、建模与仿真(如 Rhapsody、RSA)、产品生命周期管理、业务流程管理(BPM)与实时决策的规则引擎(ODM)。
产品与集成
强调车间集成 (shop floor integration)。运用的技术包含: IBM Integration Bus (Manufacturing
Pack),高速文件传输系统、可支持实时海量数据传递的系统(如MQTT、MessageSight)、超长距离通信与低耗能的技术(如LoRa)。
智能制造与运维
强调不同来源的残次品检验、资源规划与生产过程的实时优化。运用的技术包含: MAO/PMQ、企业资产管理 (如Maximo)、大数据分析平台(如 BigInsight、Stream、Pure Data、SPSS、Cognos等)、业务规则与多变量规划引擎(如iLOG Rule、CPLEX等)。
供应链可视化
强调企业间的横向整合。运用的技术包含: 供应链管理(如Transparent Supply Chain)、整合面板(如GiView)、企业制造执行系统(MES, 如 SiView、LCDView) 、智能采购管理(如Emptoris)。
安全与隐私保障
强调实时监测安全漏洞,预防网络攻击。运用的技术包含: 认证授权与加密 (如IBM Access Manager)、数据与隐私保护(如Guardium、Optim data musking)、入侵检测预防(如IPS/IDS)、多因子生物辨识系统、智能安全系统 (如:QRadar)。
智慧工厂的能源管理
强调降低工厂能耗。运用的技术包含: 企业物业管理与智慧行绿色建筑(如 Tririga) 提供了一个单一的系统来管理设备的生命周期。它提供业务分析、关键警报和自动化流程来提高知名度,控制与房地产管理,资本项目,空间管理,设施维护和能源管理的自动化。它提供了一个集成的工作场所管理系统,以提高设施运营、财务和环保性能。PMQ预测维护与预防的实现,也能节省工耗。
创新服务于业务模型
强调挖掘新价值、创造新服务。运用的技术包含:移动互联平台(如MobileFirst Platform)、移动设备管理与安全(如MobileFirst Protect)、移动客户体验 (MobileFirst Engage)、物联网云平台(如IBM IOT Foundation)、API管理(如 IBM API Management)、劳动力与人才管理(如Kenexa)、对公对私的电商平台及B2B整合(如IBM Commerce、Sterling Commerce)。
工业4.0的转型方法论
不同企业的目标与所处的环境都不尽相同,难以一概而论。如果企业能设定未来5至10年的目标,评估目前自身的能力与不足,然后参考业界的典范与技术,则能合适地制定出未来的架构,以及及实践的步骤。针对这一过程, IBM提出了工业4.0转型方法论。
首先,从各行业的业务组件模型(Component Business Model)中选取相对应的所属行业业务模型。在“策略”、“控制”、“执行”三个水平层面,与 “设计”、“制造”、“销售”、“服务”、“供货商管理”、“客户关系管理”、“人事”、“财务”等业务垂直领域中分析成本效益,找出与工业4.0进程相关的热点(hotspot)业务模块。然后找出现在(as-is)的功能与业务流程,并订出改善后 (to-be)的功能与流程。
以类似的方式,找出现有的作业面流程,以及改善的方式。在技术层面与基础架构层面面亦然。比如当我要达到生产线自动化时,现有设备能不能用? 需要加装传感器、加强可程序控器(PLC)?还是换代成具备多功能且能收集生产数据的智能机器人?有没有车间集成系统(shop floor integration)?设备间能互相沟通吗?信息设备呢?是否能接到不同车间系统,还能串起整个链呢?这可能包含各后台系统 (如财务、人事、销售、服务、供应链等)的集成与业务流程的控制。
然后参考工业4.0的“切入点”(entry points),寻找最迫切的点来切入,依序渐进。 并且参考采用IBM工业4.0的基础平台与架构,来确定IT (Information Technology) 与OT (Operation Technology)的集成技术。
来源：慎思行（ID：shensixing2014）
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