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，阿迪達斯在亞洲大量生產(chǎn)運動鞋。然而，從設計到商店出售需要耗時18個月。對于客戶來說，這個漫長的等待過程正在變得越來越難以忍受。客戶正在尋找獨特的定制產(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，因此阿迪達斯正在創(chuàng)建一個高速工廠的概念，以便在更接近銷售網(wǎng)點的地方生產(chǎn)定制的運動鞋。
同樣，日本機床制造商大隈機械也開發(fā)了一套完整的銑削加工工藝，m.dekuna.com，可以7×24小時自主運行。整個過程可以根據(jù)需要自動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。工作人員只需在現(xiàn)場用平板設備上的監(jiān)測應用執(zhí)行高附加值的任務，來監(jiān)督工廠運營。除此之外，工廠完全自動化運行。
這些例子讓我們意識到第四次工業(yè)革命已經(jīng)來臨這將改變當前我們的全球經(jīng)濟模式，并決定未來我們?nèi)绾蝿?chuàng)造經(jīng)濟價值。與前三次工業(yè)革命一樣，這次工業(yè)革命會迅速采用創(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，并改變我們對制造業(yè)的一切認知。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備，否則就會被時代拋棄。
革命萬歲
第一次工業(yè)革命以蒸汽機的發(fā)明為開端，用機器代替了手工勞動，并達到了難以置信的規(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。計算機的發(fā)明帶來了第三次工業(yè)革命，這使得機器人和機器自動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)革命的重點是集中化和大批量生產(chǎn)，以實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟；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，機器人維修，而是致力于建立高度整合的供應鏈，并根據(jù)上游供應商和消費者的實時需求進行動態(tài)調(diào)整。這需要在生產(chǎn)過程中實時預測并采取糾正措施。造成這種轉(zhuǎn)型和變革的原因是制造商在整個端到端生產(chǎn)過程中希望以最小的甚至不需人為干預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）、云計算和大數(shù)據(jù)等。
智能工廠的分權(quán)和自動化
工業(yè)4.0模式旨在將工廠本身轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C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)將計算機技術(shù)與機器相融合，而不僅僅是為了遙控和監(jiān)測。這些模塊化智能工廠能夠自主決策如何實現(xiàn)生產(chǎn)的分權(quán)和自動化，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行溝通和合作，以完成一個全方位的供應鏈變更。
事實上，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器，以及業(yè)務流程自動化技術(shù)，使機器在一定程度上實現(xiàn)自我管理。而我們將繼續(xù)推動這些模式進一步開發(fā)新功能，例如軟件定義網(wǎng)絡（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運動對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。德國政府在2013年創(chuàng)建了這個詞，同時也提出了一個使該國制造業(yè)全面計算機化的計劃。
2015年德國總理默克爾（AngelaMerkel）在達沃斯舉行的世界經(jīng)濟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)化國家都受到了該事件的影響。
德國政府并不只是口頭說說而已，目前德國政府投資了2億多歐元用于鼓勵公民在學術(shù)、商業(yè)和政府領(lǐng)域進行切實可行的研究，而德國并不是唯一進行此類投資的國家。
工業(yè)4.0四大設計原則
以下四大設計原則可以支持和定義工業(yè)4.0：
1.互操作性：機器、設備、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，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。只有在異常、干擾或目標沖突的情況下，任務才會被委托給更高級別來執(zhí)行。
（資料來源：工業(yè)4.0情景設計原則）
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模式還需克服幾項技術(shù)挑戰(zhàn)，包括：
1.集成新系統(tǒng)并對這些系統(tǒng)進行更多訪問，導致數(shù)據(jù)安全性問題大大增加。此外，專有生產(chǎn)知識也成為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，但很難實現(xiàn)和維護。
3.以較少的人力監(jiān)管維持整個生產(chǎn)過程可能困難重重。
4.如何解決由于技術(shù)問題導致出現(xiàn)嚴重損失的生產(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，建立信息物理應用，不僅涉及軟件，還涉及工業(yè)機器以及工廠安全（工廠內(nèi)每臺機器、設備和控制儀器都變成了終端設備）。因此實現(xiàn)這項行業(yè)構(gòu)想似乎困難重重。所有這一切都需要在網(wǎng)絡上運行，這意味著全面實現(xiàn)這些革命性的變化，可能都是IT部門的工作。
工業(yè)4.0的應用性能管理比現(xiàn)在更為復雜。當一個傳統(tǒng)的軟件應用出現(xiàn)性能下降，或者變緩慢時，很難確定導致這個問題的原因。大部分企業(yè)已部署了一系列工具來監(jiān)測和診斷這些問題，盡量避免半夜開電話會議，讓應用團隊和網(wǎng)絡團隊互相指責：應用團隊認為問題由網(wǎng)絡造成，而網(wǎng)絡團隊則通過檢索冗長的日志，力圖證明數(shù)據(jù)庫才是罪魁禍首。遺憾的是，對于許多此類事件的響應團隊來說，雖然有很多工具可以利用，機器人維修，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
現(xiàn)在Gigamon可視化平臺可以很大程度上解決這種可視性缺乏問題。該平臺提供用戶交互的端到端視圖，不僅包含應用，還包含支持該應用的完整基礎(chǔ)架構(gòu)。Gigamon可視化平臺能夠幫助IT部門利用診斷工具更有效解決應用性能問題。
想象一下就在不遠的將來，企業(yè)要求IT部門診斷信息物理系統(tǒng)下全自動流水線性能下降，或運行緩慢的原因。整個流水線和其所有的物理組件將成為新的應用，并帶來比傳統(tǒng)軟件應用復雜萬分的問題。
雖然看起來監(jiān)測和管理工業(yè)4.0信息物理應用的工作量巨大，但其解決方案與傳統(tǒng)網(wǎng)絡的可視化解決方案基本一樣。在整個流水線和智能工廠網(wǎng)絡中設置監(jiān)測點，Gigamon可視化平臺可以監(jiān)測對運營商來說重要的數(shù)據(jù)變化，并智能幫助和增強監(jiān)測和診斷工具，以應對可能出現(xiàn)的海量數(shù)據(jù)篩查。