工业4.0将彻底改变设计、制造、运营以及产品服务和生产系统。零件、机器和人之间的互连互动将使制造速度提高30%，制造效率提升25%，此外大规模定制水平也将提升到一个新的高度。
　　制造业变革
　　制造业将从孤立的自动化单元转化为整合的自动化设施，并且能够相互联通，从而提升制造系统的灵活性、速度、生产力和质量。以德国为例，未来10年内德国制造业的生产率提升将达到制造总成本的5%-8%，总量相当于900亿至1,500亿欧元。
　　提升收入、就业和投资
　　工业4.0的影响力将极其巨大。我们的研究显示，仅在德国，未来10年它将贡献德国GDP的1%，创造39万个工作岗位，增加投资额达2,500亿欧元（相当于制造业总收入的1%-1.5%）。尽管向工业4.0的完全转型还需要20年时间，但在未来的5到10年内，一些关键的优势将会逐渐确立，胜败也会见分晓。
　　自工业革命以来，科技进步大幅推动了工业生产力的发展。蒸汽机的出现给19世纪工业革命提供了人力无法企及的物理动能。20世纪初，电力的普及让大规模制造成为可能。20世纪70年代，制造自动化技术让工业生产力大幅提升。然而，此后制造业技术的发展却放慢了脚步，与IT、移动通信和电子商务等划时代的创新相比，近30年工业技术并没有取得突破性的进展。
　　如今，我们终于迎来了第四波工业创新浪潮：工业4.0——以9项数字化工业技术为基础的变革（参阅图1）。在这次工业转型中，传感器、机器和IT系统将跨越单一企业在整条价值链上融合到一起。这种相互连接的系统（也称为智慧整合感控系统）通过标准的互联网协议进行互联，收集分析相关数据，预判错误，不断进行自我调整，从而适应不断变化的环境。工业4.0可以在不同的机器之间收集和分析数据CONTROL ENGINEERING China版权所有，可以让生产的速度更快、灵活性更强且效率更高，从而提升产品质量并降低生产成本。它将大大提升制造业生产力，进而推动经济转型和产业发展，并改进劳动力就业结构，最终改变公司乃至国家之间的竞争格局。

　　本报告阐述了工业4.0包含的9项支柱技术，并探索这些技术为制造商和生产设备供应商带来的潜在技术和经济利益。为了展示我们的研究发现，我们将以公认的全球工业转型领导者德国为案例。
　　工业4.0的9大支柱技术
　　9大支柱技术中很多已经应用在制造业中，但工业4.0将这些技术整合到一起，成为完整的生产流程，提升效率，进而改变供应商、制造商和消费者之间的关系，以及人与机器之间的关系（参阅图2）。

　　1 大数据分析
　　在制造业领域，基于海量数据的分析方兴未艾，但它已经能帮助企业优化生产质量、节省能源并改进设备服务。在工业4.0的环境下，对不同数据源（生产设备和系统以及企业和客户管理系统等）进行收集和分析将成为未来企业进行实时决策的标准配备。
　　例如，半导体制造商Infineon（原西门子半导体）收集测试中的单片机数据，与生产流程早期晶片成型阶段的数据进行关联分析，从而降低了生产过程中的失误。此外，公司还能辨认出一些典型模式，能在前期将残次品的芯片排除，从而改进了生产质量。
　　最终，这些机器人之间不但可以互通互联，更可以安全地与人类一起工作，甚至从人类身上学习新的技能。
　　2 自动机器人
　　很多行业制造商已经广泛采用机器人完成复杂的生产任务，但今天的机器人技术则变得更加强大。它们变得更加灵活且智能。最终，这些机器人之间不但可以互通互联，更可以安全地与人类一起工作，甚至从人类身上学习新的技能。这些新机器人不但在性能上远超今天的工业机器人，更大大降低了成本。
　　例如，欧洲机器人设备制造商Kuka提供生产的机器人就具备相互沟通的能力。这些机器人可以在一起合作，根据生产线上的工序调整自己的行动。这些机器人还搭载了先进的传感器和控制单元，能与人类进行紧密的合作。类似地，ABB公司也推出了双臂机器人YuMi，与工人并肩工作，专门用来进行产品组装（例如电子消费产品）。它们的计算机视觉系统和带缓冲垫的两臂，使得它们不但可以识别零件，还能保证与人进行安全的互动。
　　3 模拟技术
　　在工程设计领域，不少公司都采用了3D模拟技术来设计产品的结构和材料。未来，模拟技术将在工厂运营中扩展到更广的范围。人们可以用实时数据来模仿包括机器、产品和人在内的物理世界，将新产品放入虚拟的生产环境中。在进行实际生产前，公司可以对这些新产品进行测试和优化，从而减少设备装配调试的时间并提高产品质量。
　　例如，西门子和一家机械工具生产商合作开发了一台虚拟机，它可以利用真实机器的数据对机器部件进行模拟。这个系统最多能减少设备准备时间达80%。
　　4 水平和垂直系统整合
　　今天大部分公司的IT系统并未完全整合。公司、供应商和客户常常相互割裂。企业内部，工程设计、生产和职能部门也往往各自为战。即便是工程设计这一环节，也没有几家公司能做到设计——制造——自动化的三位一体。但随着工业4.0的发展，公司、部门和职能将成为更加紧密的整体，一条横跨公司的数据网络将让价值链真正实现自动化。
　　例如，Dassault Systèmes和BoostAeroSpace为欧洲航天和国防工业搭建了名为AirDesign的合作平台。它为设计和制造的合作提供了共享空间，该平台搭建在私有云上，参与的合作伙伴可通过该平台对复杂的产品和生产数据进行交互。
　　5 工业物联网
　　目前，仅有少数制造型企业的传感器和设备进行了互联并应用了嵌入式计算技术。这些产品的组织方式依旧是垂直的金字塔结构，系统中的传感器和分布装置的智能有限，控制者需要通过中心制造流程对系统进行控制。然而随着物联网时代的到来，越来越多的设备，甚至包括一些半成品，都将装备嵌入式计算技术，并通过标准技术实现互联。届时，身处不同地理位置的产品设备将能进行互动和沟通，并由中央处理器集中控制。物联网将实现决策的去中心化，互联设备能进行自动分析和决策，对环境变化进行实时反应。
　　博世集团旗下的一家驱动和控制设备供应商Rexroth公司推出一套半自动、去中心化生产流程的系统。通过射频识别码，不同位置的工作站可以感知每件产品需要进行的生产步骤，并自动执行生产。
　　6 网络安全
　　很多公司的管理和制造系统依旧是独立或封闭的。但随着工业4.0的到来，原先相互隔绝的设备将以统一协议相互连接，工业系统和生产线将连接成一体。届时，保护关键工业系统和生产线免受网络安全威胁的需求将大幅提高。安全可靠的网络通信以及身份辨别和接入管理系统将变得至关重要。
　　去年，欧洲几家大型工业设备制造商已经通过与网络安全公司合作或并购的形式加强了网络安全能力。
　　7 云计算
　　很多企业已经开始在企业和数据分析应用中使用基于云的软件。随着工业4.0的到来，越来越多与生产相关的任务需要更多的跨地域和跨公司的数据分享。与此同时，云技术的性能也会不断增强，使反应速度达到几毫秒。机器数据和功能将逐渐迁移到云端，越来越多的生产系统数据服务也会应运而生。未来，检测和控制生产流程的系统也会搬到云端。一些制造执行系统供应商已经开始提供云端服务解决方案。
　　8 增材制造
　　目前一些企业已经开始采用增材制造技术（比如3D打印），但大多数都处于试验阶段或用于制造独立部件。在工业4.0时代控制工程网版权所有，增材制造将会广泛地应用到小批量生产定制产品上，带来诸如复杂或超轻量的设计等结构优势CONTROL ENGINEERING China版权所有，高性能、去中心化的增材制造系统将降低产品的物流成本和库存。
　　例如，飞机制造企业已经开始使用3D打印技术，通过新型设计来降低飞机的重量，节省钛等稀有材料的使用量。
　　9 增强现实技术
　　增强现实系统可以在很多方面协助工人生产控制工程网版权所有，例如通过手持设备挑选仓库中的配件或发送维修指令。这些系统目前还处在实验阶段，但未来这些技术将为工人提供实时信息，帮助他们进行实时决策，改善生产流程。例如，未来工人可以装备增强现实眼镜等设备。当他们检查一台设备时CONTROL ENGINEERING China版权所有，计算机就将故障原因和维修指南发送到工人的眼镜上。
　　另一种应用是虚拟训练系统。西门子为Comos软件开发了一套发电站虚拟操作训练系统。该系统通过增强现实眼镜，构建一个仿真、基于数据的3D环境，培训发电站工作人员如何应对紧急状况。在这个虚拟世界中，操作人员可以通过点击网页互动界面与机器进行互动。他们也可以改变界面设置，并从中获取操作数据和维护指南。
　　欧洲、美国和亚洲的企业已开始采用工业4.0的相关技术，争夺新时代的技术竞争已拉开大幕。
　　工业4.0的影响力
　　量化影响力：以德国为例
　　为了量化世界范围内工业4.0带来的潜在影响，我们以德国的制造业为研究对象: