工业 4.0 的 6 大挑战和风险

Aaron Ricadela | 内容策略师 | 2023 年 10 月 12 日

工业 4.0 是一种制造方法,它将联网车间设备与计算机分析相结合,能够显著提升制造工厂的效率。通过实施工业 4.0,制造商不仅可以提高产量、降低成本、改善产品质量、加快投放市场速度以及提高设备正常运行时间,还能增强市场竞争力,降低环境影响。

然而,面对如此多的工业 4.0 优势,制造商必须清醒认识到自己面临的挑战和风险,例如新技术与传统 IT 系统的集成问题和更加严峻的网络安全威胁等等。只有制定合理的计划、加强协作以及投资部署可促进安全和高效制造的新技术,制造商才能成功部署工业 4.0。

什么是工业 4.0?

工业 4.0 是指使用自动化技术和数据分析技术打造智能工厂,利用联网机械设备与工人分享生产数据。这种智能制造方法的主要好处是,制造商可以更快地生产更多产品且产品质量更优。工业 4.0 的一个重要组成部分是工业物联网 (IIoT),即制造业版的物联网 (IoT):使用传感器监视制造设备的维护状态并传输生产数据以供分析。此外,工业 4.0 还离不开一系列其他技术,例如无线互联网(应用于工厂、港口和货运码头);自动化机器人;高级数据处理系统。

关键要点

  • 工业 4.0 部署面临的主要挑战包括安全问题、技术标准和互操作性问题以及劳动力技能提升问题。
  • 面对工业 4.0 部署挑战,制造商必须大力增强跨部门协作。例如,通过启动小规模的工业 4.0 项目,持续征集各种团队的意见并持续优化,制造商可以解决工业 4.0 部署的成本挑战。
  • 技术在应对工业 4.0 挑战和降低风险方面发挥着重要作用,例如集成软件可以帮助制造商将传统设施改造成智能工厂,云计算可以可靠防范网络攻击。

工业 4.0 挑战详解

随着制造商运用技术力量驱动工厂流程自动化,他们在采用工业 4.0 方法的过程中经常会遇到各种问题。例如工业 4.0 成本高昂,一些中小型企业尤其难以负担新设备、传感器和软件投资;工人缺乏相关技能,无力监视信息物理生产系统、使用便携式计算装置以及基于软件建议调整生产流程;制造商可能还需要招募工程师、数据科学家和软件开发人员,而这些人才可能十分稀缺;将工业 4.0 技术引入工厂后,工厂设备和网络可能遭到网络攻击,导致数据泄露。

工业 4.0 的 6 大挑战及解决方案

McKinsey 在 2020 年的一项面向全球 800 多家制造商的调查显示,制造商在部署工业 4.0 的道路上会遇到很多挑战,包括成本挑战(扩展成本高昂);组织挑战(例如争取管理层认可智能工厂计划);以及技术挑战(例如选择适当的软件和实施合作伙伴)。同时,市场研究机构 IDC 在 2022 年的一项 IT 决策者调查显示,制造商在实施 IoT 项目上的主要挑战包括安全挑战(占比 35%)、技术功能和稳定性挑战(占比 27%)以及部署成本挑战(占比 26%)。

其实,对于每一项挑战,制造商都可以通过多种方法予以解决,实现工业 4.0 优势。

1. 传统 IT 系统

过时的 IT 基础设施可能无法与新部署的旨在分析生产数据的软件集成,需要制造商投入大量时间进行改造。

  • 解决方案:在构建智能工厂或使用工业 4.0 技术改造现有工厂前,制造商需要执行一些基础性的 IT 工作。制造商应跨研发、采购、生产和仓储职能,全面分析业务管理系统现状。此外,制造商应全面评估工业 4.0 项目对所有制造工厂(而不是一家工厂)的技术影响,确保 IT 部门与其他部门密切协作。

2. 互操作性

很多工厂在部署新设备的同时保留了已运行长达数十年的旧设备,这些旧设备缺乏对于智能工厂至关重要的传感器和互联网连接能力,既无法改造,也无可替代。此外,很多制造商还缺乏适当的 IT 系统来评估联网机械设备生成的数据。

  • 解决方案:长期以来,打通孤立的数据源一直是一项复杂工作,但不断下降的传感器成本和标准化通信协议可以简化这一任务。如今,制造商可以使用集成软件来连接数据中心/云端计算机与工厂设备。同时,通过投资部署 ERP 系统,生产计划人员能够与车间高效交换信息,实现互联制造:生产计划将“流入”制造执行系统,然后“流入”设备控制层面。

3. 成本和资源有限

对于智能工厂,制造商需要投入资金来使 IoT 系统兼容可能使用了多种技术标准的传统制造控制和执行系统。如果无力或难以负担技术投资,制造商可能无法将工业 4.0 项目从试点推广到多个工厂。此外,很多制造商还表示在争取部署成本和管理层认可上面临困难,这同样不利于在更大范围内推广工业 4.0 方法。

  • 解决方案:相比坐等一个全面的 IT 架构就位,制造商可以采用最小可行性产品 (MVP) 方法,即实施周期相对更短的工业 4.0 项目并基于用户反馈不断修正。最小可行性产品方法还有助于制造商集中成本和定义项目范围。

4. 员工技能缺口

由于很多员工缺乏打通数字系统与生产工作的专业知识和技能,工业 4.0 实施项目面临招募人才和培训员工这一制造商 HR 挑战。制造商通常需要重新培训员工,指导员工通过触摸屏、平板电脑以及其他设备来与互联系统交互;指导员工基于数据洞察优化生产流程。

  • 解决方案:在智能工厂中,生产操作人员必须学习如何解读新型信息,如何在需要时干预并修复流程,以及如何通过新的方式控制生产设备。对此,相比课堂学习,车间实地培训更有助于员工提升技能。此外,工程师也需要接受培训,掌握新的分析方法来改进制造流程。最后,制造商可能还需要从外界招募专业技术人才,例如机器人专家和数字孪生工程师。

5. 变更管理

工业 4.0 并不局限于车间,无论是在试点项目中还是在大范围推广时,制造商都必须确保整个组织上下了解将革新哪些流程以及哪些部门需要参与其中。这意味着,制造商需要构建与过去不同的新的工作方式。

  • 解决方案:在实施 IIoT 前,制造商需要识别在哪些场景和工厂中能够快速实现预期目标和取得投资回报,以此证明工业 4.0 技术的价值,简化变更管理。这是因为,工业 4.0 项目的成功离不开员工积极采用新技术,而通过向管理层证明工业 4.0 的投资回报,制造商可以更好地争取各个团队投身其中。

6. 网络安全

过去,制造商防御网络攻击和保护工厂设备的方法主要是尽可能避免设备暴露在公共互联网中。然而,工业 4.0 要求使用互联网连通各种设备和业务管理系统。为此,IIoT 决策者经常为工业 4.0 技术的安全问题感到担忧,事实也证明这并非是杞人忧天:10 多年前,Stuxnet 病毒攻击了很多制造和电力设施;2017 年,Petya 病毒猖獗,导致妮维雅 (Nivea) 面霜制造商拜尔斯道夫 (Beiersdorf) 的十几家工厂生产中断。

  • 解决方案:云计算可确保始终运行最新版本的软件,云基础设施可提供深入计算机网络多个层级的安全性。此外,通过为 IoT 实施专用 LTE 和 5G 网络,制造商可以通过自有和自主控制的射频频谱来传输传感器数据,显著增强 IoT 安全性。制造商还可以通过实施网络安全标准和控制 IoT 系统访问权限来降低风险。
实施工业 4.0 时,制造商必须严格防范和控制网络威胁、传统 IT 系统、技能缺口、互操作性以及成本方面的风险。

使用 Oracle 解决方案应对工业 4.0 挑战

使用 Oracle Industry 4.0 软件,制造商不仅能捕获更丰富的运营洞察,还可以轻松将 ERP 和供应链管理软件与生产线集成在一起。

Oracle Fusion Cloud Manufacturing 可以全面捕获整个工厂的数据,帮助管理人员基于数据,通过电脑、手机或平板电脑采取针对性措施。得益于数据与其他供应链管理和 ERP 应用集成,制造商可以打通信息孤岛,顺利扩展工业 4.0 项目。

此外,Oracle Fusion Cloud Internet of Things Intelligent Applications 支持制造商基于传感器数据开展预测性设备维护,充分提高设备的正常运行时间。资产监视软件和维护软件将联合生成警报和部件可视化图形,通过标注相关传感器数据来向维护人员展示需要检查哪些内容。Oracle Manufacturing Execution System for Discrete Manufacturing 能够监视生产运行并指导操作人员高效完成日常干工作,提高生产效率。该软件重点关注重要活动,可以帮助操作人员发现浪费问题。最后,Oracle 的混合模式制造软件能够同时满足离散制造和批量制造管理要求,例如它支持包装消费品制造商通过一个软件跟踪零食生产流程和包装流程。

工业 4.0 挑战常见问题解答

采用工业 4.0 技术会面临哪些风险?
制造自动化会淘汰或重新定义某些角色,因此制造商需要招募具有所需技能的人才或重新培训现有员工。此外,在安装了接入互联网的传感器后,工厂设备会更容易遭到网络攻击。最后,在工业 4.0 项目从试点扩展到生产环境的过程中,制造商可能无法取得预期的投资回报。

如何更好地将工业 4.0 项目从试点扩展到更大区域?
制造商需要清晰定义业务流程和数据流动,然后争取管理人员加入,使管理人员紧跟工厂变革脚步。如果资源有限,制造商可以采用最小可行性产品方法,持续收集用户反馈并相应改善系统,为扩展工业 4.0 项目做好充分准备。此外,制造商可能还需要按照工业 4.0 项目要求招募特殊人才,或重新培训现有员工。

工业 4.0 技术有哪些?
工业 4.0 离不开传感器网络、边缘计算、数据分析软件和机器学习。很多制造商采用 3D 打印技术(即所谓的“增材制造”)来锻造零件。他们可能还采用数字孪生技术,在实际实施前通过计算模型来测试变更对工厂布局和生产线的影响。

阅读专家观点,了解当下制造商的 6 大工作要点以及这些工作将如何帮助制造商应对挑战,成功部署工业 4.0。

注:为免疑义,本网页所用以下术语专指以下含义:

  1. Oracle专指Oracle境外公司而非甲骨文中国。
  2. 相关Cloud或云术语均指代Oracle境外公司提供的云技术或其解决方案。