智能制造的理想终局：工业4.0

智能制造的理想 终局：工业4.0 PhotobyAzazFarukiKearney,Dallas 第四次工业革命正快速影响着制造业处理工作中重大挑战的方式，例如用工短缺，供应链管理和作业安全。 长期以来，疫情影响着各行各业，将繁多的机遇与挑战呈现在我们面前。尽管全球经济逐渐复苏，商品的流通也明显反弹，制造业用工荒仍在持续。由此产生的可观的工业自动化需求，将工业机器人的交付周期从疫情前的六个月拉长到了一年。 在这样动态的环境下，更多的制造业者开始思考如何有效的改善原材料的供应以确保市场需求得到满足，同时保持原料成本和质量的可控。为此，大量工业4.0(Industry4.0或I4.0)的解决方案得得以在疫情期间加速推进，例如： —3D打印技术 —高级机器人 —可穿戴设备、增强现实和虚拟现实技术 —物联网技术(IoT) —人工智能技术 工业4.0，指的是在制造业中应用大量的自动化和上述前沿技术，以支持决策，同时提升生产力的制造业技术发展趋势。本文将着重展示该技术革命中的前沿发展现状，以及制造业者们如何利用这些技术以应对日常工作中的重大挑战。 技术发展是工业4.0革命的核心动力 首先，本文将为您展示工业4.0的关键发展，尤其是跨平台、跨应用场景的技术发展及其对制造业的启示 3D打印技术 最初，3D打印主要应用于原型设备的制造和小批量的定制生产，并逐渐将其应用场景拓展到大批量的生产制造。因此，3D打印批量生产的速度更快，同时其所需物料的价格正在降低。 近期一项对于定制生产中心的调查结果显示，相比2020年，73%的机械制造公司在2021年生产或采购了更多的3D打印零部件。尽管现今3D打印对整体制造产量的贡献仍不足0.1%，这项技术的应用场景和对定制化生产的需求在未来仍将持续增加。该调查结果还显示，3D打印市场将以17%的平均年增长率持续扩张，并有望在2026年形成一个372亿美元的市场。 由于新冠疫情带来的供应链阻隔，相当数量的企业转向了3D打印技术以缓解紧绷的产能和工时。在医疗和健康领域，每当传统机械无法满足爆炸增长的需求时，3D打印技术常被应用于打印紧急的医疗零部件和定制化的产品，诸如口罩，新冠拭子和呼吸机零部件。例如在新冠爆发的初期，意大利一家3D打印初创公司Isinnova研发出了关键的呼吸机替换阀门；在2020年4月，来自美国的3D打印公司Carbon可每周生产百万个以上的新冠鼻拭子。 快速原型生产和3D打印在生产领域的另一项主要应用则是激光。这项技术通常被用于高速焊接领域。宾州州立大学的TimothyW.Simpson教授表示：“制造商之间的‘激光战争’已经打响，这也将给3D打印技术带来全新的想象 空间。” 随着人工智能和机器学习的发展与渗透，3D打印机也将在未来持续的迭代进化。随着这项技术的生产提速和质量提升，它和传统制造技术的分庭抗礼的时间点也在不断临近。而目前，工程师们正在不断地降低金属粉末的生产成本，从而让3D打印技术变得更具有成本优势。 高级机器人技术 在新冠疫情的不断催化作用下，高级机器人在制造业中的比重在稳步提升。一份国际机器人联盟的报告显示，在2021年，全球的每10000名制造业从业者中的工业机器人密度达到了126台，为历史新高。而这一指标在2015年时仅为66台。其中，工业互联网的和信息化系统的发展和整合进一步发掘了机器人的潜力，并为我们设想的协同机器人系统（Co-Bots）铺平了道路。 而在这个过程中，不得不提到新冠疫情带来的各种挑战在2021年底起到的推动作用。尤以短期需求波动、断续和不可预测的用工荒、防疫措施带来的作业场所限制和加速变化的终端需求为甚。国际机器人联盟预测直到2024年，工业机器人市场的年复合增长率将达到5%。 智能制造的理想终局：工业4.01 与此同时，机器人系统的整合成本在持续地下降，这也让中小企业在人工成本增长的环境中实施机器人方案成为了可能。一份ARKInvestmentManagement的报告显示，到2025年，工业机器人的单位成本将下降50%至 60%。这主要归功于物料和技术成本的下降、工业物联网和云端基础设施的改进和机器人系统整合成本的降低。 在过去的几年中，工业机器人的应用场景早已超出了制造业。作业场所的消杀，核酸检测等场景都可以见到工业机器人的身影。WilderSystems和AdvancedRoboticsforManufacturingInstitute研发的机器人系统极大地加速了核酸检测的速度。其包含的协同机械臂系统可完成每天约2000次的核酸检测–人工检测速度的7倍以上；西门子公司和Henderson缝纫机公司、YaskawaMotoman和HomTex公司也在协作探索利用自动化和机器人系统快速生产卫生防护设备的可能性。 ओ1 ାՎ຿֥࣬୎नື໓શോᗢঝᵆ ୶ஓାՎ຿֥࣬ᦍ຿ᱞ(ݦ߀) 400 422 382 384 435 453 +6% 486 518 304 254 2015 ኜສ 201620172018201920202021f2022f2023f2024f ḙჂ ໓ᄽ:ऒᶉ຿֥࣬ᚓᎮЫᒝ઻્ 智能制造的理想终局：工业4.02 ओ2 ܻܳܫೋູՁݨ₞ײାՎ຿֥࣬ᎎೋູञఐ᮸Ղᶐ 111 112 117 133 100 103 99 105 100101103103 106 94 8986 81 76 71 66 61 5634 51 46 2006 2007 200820092010 2011 2012201320142015201620172020 ဌહ๕ܻܳܫೋູՁݨᎌ۰ဏ(2006୶ॷมբ33.2$/હ๕)ݱ՘ାՎ຿֥࣬సೋູՂᶐᎌ۰ဏ(2006୶ॷมբ$59,000) ໓ᄽ:ูᝇഊ᪯Ыᙃऒܻା૑ᗖ᧤Ыᒝ઻્ ओ3 ᶨᏐೋູՂᶐ₞ାՎ຿֥࣬࿨ޯ௮ຢܯ຃ާ ାՎ຿֥࣬ೋູ(ݦᙃڏ) $60 $56 $53$51 $48 $45 $42 $39 $36 $33 $30 $27 $11 200620072008200920102011201220132014 2015 20162017f2025f ໓ᄽ€ऒᶉ຿֥࣬ᚓᎮЫᒝ઻્ 智能制造的理想终局：工业4.03 如今，这项技术和系统正离其经济可行的成本水平越来越近。而协同机器人系统的逐渐成熟，更是通过其不断降低的前期投资，为大中小各种企业实施这项技术提供了可能性。西门子公司及其合作伙伴已经能完成三层防护口罩的全自动生产线：每条产线每分钟可生产和包装超过100片口罩，而一个工人可以轻松地管理10条这样的生产线。相 比之下，传统的人工生产则需要为一条产线配置5个工人，而每分钟仅能生产20片口罩。 Henderson缝纫机公司大CEOFrankHenderson表示，在轻纺行业内使用机器人系统已经不再遥不可及。在降低成本的同时，机器人系统可帮助公司在新冠防疫措施的限制下维持产能。 此外，高级机器人技术，尤其物流机器人，也在不断革新。自动驾驶技术的成熟和电池技术的突破拓宽了AGV小车的应用场景。与此同时，分拣机器人也开始能够完成产线上简单的操作。随着制造业者对协同机器人系统越来越熟悉，我们有望在未来看到这个细分行业中更多的资金涌入和更快的系统整合。 可穿戴设备、增强现实和虚拟现实技术 工业4.0中人机交互的另一大想象空间出现在可穿戴设备的大量工业应用上。在制造、零售、娱乐、旅游和教育等行业中，可穿戴设备领域的竞争已经日渐激烈。竞争催生了大量的创新和相关生态圈技术的投资行为（图4）。来自联盟市场研究机构的调查显示，从2019年到2027年，全球工业可穿戴设备市场将从38亿美元增长到84亿美元。 同时，虚拟现实和增强现实领域的原始设备制造商正在不断的降低设备的成本，同时提升设备的复杂度。行业巨 头，例如索尼、谷歌、微软、苹果、脸书和HTC已经在消费级和工业级VR/AR市场上有诸多尝试。此外，软件供应商将VR和AR设备与机器学习和人工智能相结合，让设备和应用可以看见和分析几乎视野内的一切。 ओ4 ޿ᓌೝ᧾রഃົ࿨ञߎᥥߎՎ՛୽ႉஈዽ ᭈ׌஬ޫᙬޘਁ᧾র܈᮹ᙬ ڳઘ؝ஈࡼ נಚ࣬܈᮹ࡼ ࡼዽઋೞ 7(/؝ஈࡼ ጇਖ਼ጇ࣬ ؝ஈࡼ ዻఛᭈ׌؝ஈࡼ ๱ᑬᷫ໠؝ஈࡼ ဣዽઋೞ %6/:6ஈዽࡼ஋ᐺ׌รߐ؝ஈࡼ ໓ᄽ€ᒝ઻્ 智能制造的理想终局：工业4.04 工业4.0案例 —增强现实结合人工智能在现场执行支持领域的应用 —供应商物料远程质检 工厂中可穿戴设备、AR和VR的用例 在工业界，可穿戴设备、VR和AR有大量的使用场景（图5) 工业物联网 工业物联网特指通过物联网技术将工业资产进行连接，提升工业生产中设备和运营状况的可见性和透明度的技术体系。典型的智能工厂工业互联网生态系统包括传感器、互联设备、网络、设备连接解决方案、边缘计算、云端基础设施、工业物联网平台和网关以及分析应用等主要模块（见图6）。需要指出，工业物联网的生态系统目前仍然是一个高速迭代、日新月异的体系。因此，制造业从业者和软件开发人员不得不快速地开发和部署新的工业物联网应用和服务以确保质量和生产力的持续改善。 Gartner的一份研究表明，到2025年，约50%的工业品公司将使用工业物联网方案来提升其工厂的运营，相比2020年提升约10%。同样地，疫情的到来极大地加速了工厂转向工业物联网的速度。疫情期间，制造业企业纷纷急于缓解全球封锁、劳动力短缺和供应链危机所带来的产能问题。鉴于疫情的持续，我们认为全球工业物联网市场将从2020年的2.16千亿增长至2028年的约1.1万亿。 ओ5 —ࠄା٨ஙᎎޅ๕Ꭷඑ —ޅ๕ኛখᎧඑᐼظ׿Վኛখ੻ڟ —௴஄ᄖᮍᎎॶ᧯ڳઘ׃ᶐ״ุ֥੪ռຠᖷ —൏᷎ඦ؝ᎎՈખݭܴ —঱ໂା׿नຄ՛ᎎޅ๕ᮎᒲՈખงോ —ۗ઺ᔒ௤٧ጕ᮹ ೋᎎฑ኏֛ࠛᛣՂᶐ —ฌࢗା׿Ⴛִᙯ ۗ઺᷊ᰎ׌൳עЫᮉାЫგ᪤ࠛ ೋ࠺കஐ —ڕອ੻ᦍഃᛣલ ᜵ᎎዻ֛ᶑ܈ ޿ᓌೝ᧾রЫVRࠛARञ܈᮹Վḛ९ᎎ୽ႉஈዽ ֛࠺઄܈ —֛࠺ሶສᎎᖼᦍูழ —ᷫߘઋೞ᷎ဿᎎ ়ᦿྐྵ઄܈ ۗ઺გ᪤ ᮎᒲงോ ෶׿ॶ᧯ ևฐࠛம୦ᵽഔ ໓ᄽ€ᒝ઻્ 智能制造的理想终局：工业4.05 工业物联网生态系统 仅仅在十年前，工业物联网还被认为是一项非常昂贵的技术。如今，由于硬件成本的下降和软件基础设施的完善，工业物联网的实施成本已经显著的降低了。来自高盛的研究认为，工业物联网传感器的单价已经从2004年的1.3美元，下降至2020年的38美分。 与之对应的，如今工业物联网软件解决方案也实现了充分的模块化，并普遍支持按需收费的计费模式。因此，工业物联网的项目的投资回报率得到了极大的提高。分析机构IoTAnalytics在分析了约1600个工业物联网项目后指 出，79%的项目表现出正向的投资回报率，而其中领先的案例甚至可以将投资回报率提升至98%。 在十年前，工业物联网被认为是一项昂贵的技术，但现在成本已大幅降低。 ୵߀ࠛॷᐭ᧾฻ ຿࣬੪ռ มൺᔲኵ ᧁḤ۰໦ ᧾রᔲኵ มൺႻযኵ ຿࣬ᵒ᮴ػ ᷍᧤ᔯࠛ ᭼ᘊ᧤ᔯ ᔲኵࠛ ᩀஓ ओ6 ାՎሱᚓᘮ᮴ᮃዻ֛᪯ฬᎎ֍ᚓ֍᮴ඦݨାތᮆ׿ᎎᮭ๞ஓ ໓ᄽ€ᒝ઻્ ାՎሱᚓᘮஈዽ ᮎᒲᎧඑ ḙჂఱᗩظ ᧾রؒዽ኏ךݕ ᮆᠽ޿ᧁ ᛣᙶᎧඑ ᘮᗓࠛᮐඐ׌ ๕ᵒดಚᘮᗓ WiFi NBIoT ᮎ᫴ᒓ่ᖷጇ ֍ᚓାՎ᧾র 智能制造的理想终局：工业4.06 而在各大行业中，制造业无疑在工业物联网方面显著领先，这也从制造业每年产出的大量物联网用例中可见一斑（图7）： —工厂运营远程监控 —设备健康状况实时检查 —预测性设别维保 —厂房产线可视方案 —人机物联网连接 —设备使用率评估 —物联网支持能耗评估 此外，5G技术的兴起进一步拓宽了物联网应用的边界。对制造业者们来说，工业4.0的图景也因此变得愈加清 晰了。 —更可靠：5G通信比它的前代技术要更加的可靠和低成本，高速通信比以往更加简单和稳定 —更安全：5G通信对安全协议的深度整合极大地缓解了制