La quarta rivoluzione industriale

The fourth industrial
revolution
Prof. Giambattista Gruosso - Politecnico di Milano (Italy)
topics
La quarta rivoluzione
industriale
“The fourth industrial revolution: the Internet of things at the
service of the manufacturing industry”. This might sound like
the title of a science fiction novel, but in fact it is much closer
to reality than one might think. It describes the way in which
computing and information technology interacts with the
physical world to make manufacturing more efficient, productive and competitive.
The crisis has already changed us. Right from the start we
knew we wouldn’t be continuing to use the same operating
procedures at the end of the crisis as when it began. But
more needed to be done than just search for new markets
and pursue product and process innovation.
Cyber-physical and embedded systems, the Internet of
Things, 3D printers and the pursuit of greater efficiency and
sustainability are all facets of the new smart factory concept.
So after the first three industrial revolutions – the mechanisation of production using water and steam power, the introduction of mass production through the use of electricity,
and the introduction of digital automation – the stage is now
set for the fourth industrial revolution. Industry 4.0 therefore
marks the culmination of 250 years of industrial history.
“Quarta rivoluzione industriale: l’Internet of things al servizio
del manifatturiero”.
Potrebbe sembrare il titolo di un libro di fantascienza, invece è
molto più vicino alla realtà di quanto si possa pensare.
È il mondo dei bit che entra in quello fisico per renderlo più efficiente, produttivo, competitivo.
La crisi di fatto ci ha già cambiati. Fin dall’inizio si sapeva che
non ne saremmo usciti con le stesse modalità operative con cui
si era entrati: oltre alla ricerca di nuovi mercati, innovazione di
prodotto e di processo, occorreva spingersi oltre.
Sistemi cyber-fisici ed embedded, internet delle cose, stampanti 3D, maggiore efficienza e sostenibilità sono realtà alla base di
un nuovo concetto di fabbrica: la cosiddetta fabbrica intelligente o smart factory.
Si stanno dunque delineando i connotati di un’altra rivoluzione
industriale, la quarta, per l’appunto, dopo le prime tre che hanno visto rispettivamente l’introduzione della potenza di acqua e
vapore per meccanizzare la produzione, dell’elettricità per la
produzione di massa e dell’automazione attraverso il digitale.
Una corsa di circa 250 anni di storia industriale che ci fa planare
qui, all’industria 4.0.
Industry 4.0
L’industria 4.0
The fourth industrial revolution was initiated at the world’s
largest exhibition of industrial technology held in Hanover in
2011.
This led to a German government hi-tech draft strategy pro-
La quarta rivoluzione industriale ha mosso i primi passi nel 2011
alla fiera di Hannover, il più grande appuntamento mondiale di
tecnologia industriale. Da qui la realizzazione di un progetto di
strategia hi-tech del governo tedesco che promuove l’informa-
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moting computerisation in traditional industries such as manufacturing with the aim of creating a smart factory with the
capacity for adaptation, efficiency and ergonomics.
The concept behind Industry 4.0 is that the objects (products)
and machines themselves incorporate all the information required to carry out the production process.
But the really innovative aspect is the product-centric nature
of the transformation process. In other words, products will
contain all the information needed for production, and machines will be capable of sharing information and coordinating their work, including aspects of calculation and control.
This requires not only the construction of a nervous system
based on enabling technologies such as those used in the
world of information technology, but also the creation of a
kind of distributed intelligence that makes processes autonomous and capable of self-regulation.
At the heart of this vision is the fact that all processes will be
incorporated into inter-company networks and characterised by integrated engineering, which will be responsible for
both the manufacturing process and the product while at
the same time overseeing the entire process.
tizzazione delle industrie tradizionali come quella manifatturiera e ha come obiettivo una fabbrica intelligente caratterizzata da
capacità di adattamento, efficienza ed ergonomia. Il paradigma
dell’Industria 4.0 è che saranno gli oggetti (prodotti) e le macchine a contenere dentro di sé tutte le informazioni necessarie
alla produzione. Ma il vero punto di rottura consiste nel fatto
che è il prodotto a diventare il centro di questo processo di trasformazione. Il prodotto stesso porterà dentro di sé tutte le informazioni necessarie alla sua realizzazione e le macchine saranno in grado di coordinarsi condividendo informazioni e
suddividendosi il lavoro, anche dal punto di vista del calcolo e
del controllo. In altre parole non si parla di costruire solamente
un sistema nervoso attraverso l’impiego di tecnologie abilitanti
come quelle che vengono dal mondo dell’informatica, ma anche creare una forma di intelligenza distribuita che faccia diventare i processi autonomi e in grado di autoregolarsi. La componente chiave di questa visione è che tutti i processi saranno
inseriti in reti inter-aziendali e saranno caratterizzati da un’ingegneria integrata che pensa sia al processo di fabbricazione sia al
prodotto, nello stesso tempo elemento di intelligenza e di osservazione dell’intero processo.
From theory to practice
Dalla teoria alla pratica
Complete digitalisation of production processes will revolutionise organisational and business models. In the so-called
Cyber Physical Systems (CPS), products will be rendered intelligent through the integration of sensors, processors, memory
units and transmitters. As a result, machines will not only be
able to communicate amongst themselves but will also be
capable of making autonomous decisions without interacting with humans. So in practice networked machines will
achieve a higher output with fewer errors and will be able to
alter production programs autonomously according to the
external inputs they receive while maintaining a high level of
efficiency.
La totale digitalizzazione dei processi produttivi rivoluzionerà
completamente i modelli organizzativi e di business. Nella sostanza sono previsti i cosiddetti sistemi cyber-fisici (Cyber
Physical Systems): i prodotti saranno resi intelligenti dall’integrazione di sensori, processori, unità di memoria e trasmettitori. Tutto questo non solo consentirà alle macchine di comunicare tra loro, ma anche di effettuare delle scelte autonome senza
l’interazione con l’uomo. In pratica, macchine collegate in rete
potranno non solo produrre di più e con meno errori, ma anche
modificare autonomamente gli schemi di produzione a seconda degli input esterni che ricevono, mantenendo un’alta efficienza.
The Internet of Things or the Internet of Everything
Internet delle cose o Internet of Everythings
The Internet of Things can be envisaged as an evolution of
the use of the Internet in which everything has its own social
network for the exchange of information and data. It’s as
though a machine is able to publish its own status: anyone
can look or comment – and that “anyone” may well be another machine.
Welcome to Era 4.0 in which everyday objects are custom-
È vista come un’evoluzione dell’uso della rete, dove ogni cosa
ha il suo social network, in cui scambia informazioni e dati.
È quasi come immaginare una macchina che pubblica il suo stato: ognuno può guardare o commentare, e questo “ognuno”
può essere un’altra macchina. Benvenuti nell’era 4.0 dove tutti
gli oggetti di uso quotidiano sono personalizzati e in continuo
contatto tra loro.
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ised and are able to constantly communicate amongst themselves! Everything from
clothes to shampoo will be made to measure without additional costs. Objects acquire intelligence thanks to their ability to
share data about themselves and to
combine these data with those of other
networked objects. This makes for a
very active but silent form of communication. While these applications in the consumer sector may still
be a long way off, in the world of industry they are just around the corner.
Smart Factory: the advantages
Tutto, dai vestiti allo shampoo sarà fatto
su misura senza l’aggravio dei costi aggiuntivi fino ad oggi necessari. Gli oggetti acquisiscono intelligenza grazie
al fatto di comunicare dati su se stessi
integrandoli con quelli di altri presenti in rete. Una comunicazione
molto attiva ma silenziosa. Se questo
può sembrare difficile nel campo consumer, nel mondo dell’industria è sicuramente storia di domani.
Smart Factory: i vantaggi
But what does the Smart Factory mean in
practice? The idea is a production model that may
revolutionise the way in which products are designed,
manufactured, shipped and sold. The factory’s increasing flexibility enables it to be rapidly reprogrammed to deliver the
products requested by the market in a much shorter timeframe as part of a custom manufacturing approach. Process
engineering is sufficiently dynamic to enable last-minute
changes to be made, while warehouse management and logistics can quickly adapt to production needs based on realtime knowledge of how many and which items have been
produced, where they are to be shipped and what materials
are needed. Predictive maintenance will be possible thanks to
increasingly accurate simulation models that acquire historic
data from similar products and processes. Another important
issue is that of energy management. Many companies currently waste a lot of energy during breaks in production, but
smart factories could solve this problem. Products will also be
manufactured to customers’ specific requirements through
the use of 3D printers. Factory-made items will subsequently be
processed at a location close to the consumer rather than as
part of a batch and will be sold at lower prices than at present.
Che cosa significa Smart Factory in termini
pratici? L’idea è un modello di produzione
che può cambiare profondamente il modo
in cui i prodotti sono ideati, fabbricati, spediti e venduti. La fabbrica diventa sempre
più flessibile e può essere riprogrammata rapidamente per fornire in minor tempo i prodotti richiesti dal mercato in un’ottica
di produzione personalizzata. La dinamicità delle ingegnerie di
processo potrà consentire modifiche dell’ultimo minuto, con
una gestione del magazzino e della logistica che potrà adattarsi
velocemente alle esigenze produttive, conoscendo in tempo reale quanti e quali pezzi sono stati prodotti, dove saranno destinati e di quali materiali necessitano.
La manutenzione predittiva sarà possibile grazie a modelli di simulazione sempre più accurati che vanno a pescare dati storici
di processi e prodotti simili.
Un altro tema importante è la gestione energetica. Oggi molte
aziende sprecano moltissima energia durante le pause di produzione, ma le fabbriche intelligenti potrebbero risolvere la
cosa. I prodotti verranno inoltre realizzati secondo le esigenze
più particolareggiate del cliente con l’utilizzo delle stampanti
3D: il pezzo di fabbrica verrà elaborato su misura nel luogo vicino al consumatore anziché in lotto e commercializzato a prezzi
più bassi rispetto a quelli attuali.
Impact on the workplace
Effetti sul lavoro
Industry 4.0 will have a profound impact on the working environment and the way it is organised, and this will inevitably
lead to the emergence of new professions. An advanced
knowledge of IT systems together with an ability to perform real-time analysis of big data and to work with cyber-physical
systems will form the skills base of the workers of the future.
Workers will be responsible for setting the computer system,
which in turn will automatically manage the process according to inputs from the production cycle. Professionals 4.0 will be
required to use these technologies while at the same time
working as analysts to develop new “recipes” capable of exploiting the enormous volume of data making up the “collective memory” of the factory 4.0.
It will therefore be crucial to teach new skills, both in schools
and universities and through continuing education.
Gli effetti che l’industria 4.0 avrà sul contesto lavorativo e sulla
sua organizzazione sono molteplici e apriranno le porte a nuove professionalità. La conoscenza avanzata di sistemi IT, la capacità di analisi in tempo reale dei Big Data e il sapersi muovere tra
sistemi cyber-fisici saranno la base di conoscenza per gli operai
del futuro. Il ruolo del lavoratore sarà dunque quello di impostare il sistema informatico che si occuperà automaticamente di
gestire il processo sulla base degli input che il ciclo produttivo
fornisce. I professionisti 4.0 saranno chiamati a maneggiare queste tecnologie e nello stesso tempo a trasformarsi in analisti per
mettere a punto nuove “ricette” in grado di trarre frutto dalla
mole dei Big Data che costituiranno la “memoria collettiva” della fabbrica 4.0.
Diventa dunque indispensabile agire sulle competenze: dalla
scuola fino alla formazione continua, passando per l’Università.
The position of Italy
Il posizionamento dell’Italia
Italy is lagging behind competitors such as Germany, Japan
and the US, where Industry 4.0 has already become well established. Our country must adopt a cultural paradigm shift
and abandon its short-sighted practice of accepting change
only when it is entirely unavoidable. A low propensity for risk
and innovation combined with a tendency to maintain turnover levels makes it difficult to adopt a long-term vision capable
of exploiting new opportunities. For these reasons, it is vital to
L’Italia è in ritardo rispetto a competitor come Germania, Giappone e USA, dove l’industria 4.0 ha già preso piede da tempo. Il
nostro Paese deve fare un salto culturale e superare la visione
miope di chi si decide al cambiamento solo quando ne ha davvero bisogno. La bassa propensione al rischio e all’innovazione,
unitamente alla tendenza del mantenimento del fatturato, limita l’instaurarsi di una visione lungimirante verso le nuove opportunità. Sarà determinante promuovere una nuova cultura
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promote a new business culture and invest in collaboration between the worlds of business and education.
d’impresa e investire in uno sforzo collaborativo tra impresa e
scuola.
The hurdles
Gli ostacoli
The need for standards defining interoperability between systems remains one of the key issues. It is a matter of longstanding debate whether it is preferable to adopt open standards
capable of facilitating this diffusion or to retain closed standards to ensure the best possible performance in terms of safety and reliability. Traditional automation suppliers are increasingly promoting factory concepts based on their own solutions,
whereas end users tend to be attracted to different approaches including those originating from areas outside traditional
automation such as consumer markets and social ICT.
It is therefore important to address both these needs and to
develop integrated solutions. This means moving in two directions: opening protocols and standards to the outside world
while establishing rules for those who want to develop applications that integrate “unconsolidated” automation systems. The
question of data and the cloud is a key component of this
transformation and requires some thought.
The primary purpose of these technologies is to create a set of
data that will be useful for analysing processes while at the
same time satisfying the need for sharing to allow new services
to be developed. One example is predictive maintenance,
where it is necessary to collect data that originate from different contexts but which remain the property of the individual
processes and are therefore difficult to share. Here too there is
much debate surrounding the need to guarantee the privacy
of industrial processes, although it is worth bearing in mind that
not all data are sensitive and could therefore be readily
shared.
L’esigenza di standard in grado di garantire l’interoperabilità tra
i sistemi rimane uno dei punti centrali.
Da lungo tempo si sta parlando se puntare verso standard open
in grado di facilitare questa diffusione o rimanere su standard
chiusi per garantire migliori performance in tema di sicurezza e
affidabilità.
Da un lato i fornitori di automazione tradizionale spingono per
una fabbrica sempre più fedele alle proprie soluzioni, dall’altra
gli end user sono sempre più attratti da soluzioni diverse che
vengono anche da mondi diversi dall’automazione tradizionale,
quali i mercati consumer o quello dell’ICT “social”.
Diventa importante mettere a confronto queste due esigenze
per arrivare a soluzioni integrate, che significa muoversi in due
direzioni: aprire protocolli e standard verso il mondo esterno e
fornire delle regole per chi vuole sviluppare applicazioni che integrino sistemi non “consolidati” dell’automazione.
Anche il tema dei dati e del cloud rappresenta un tema cardine
di questa trasformazione e necessita di alcune riflessioni. Principalmente, lo scopo di queste tecnologie è creare un set di dati
utili all’analisi dei processi, ma nello stesso tempo portano dietro l’esigenza di condivisione per permettere la nascita di nuovi
servizi. Si pensi alla manutenzione predittiva dove è necessario
raccogliere dati che provengono da contesti differenti, ma che
rimangono pur sempre proprietà dei singoli processi e quindi
difficilmente condivisibili.
Si parla anche in questo contesto di una privacy dei processi industriali che deve essere garantita, fermo restando che non tutti i dati sono sensibili e pertanto potrebbero essere facilmente
condivisi.
Security
While industry 4.0 will require common platforms and languages to enable machines to understand each other across borders, at the same time an excessive degree of homogeneity
may be risky.
It is far from easy to create secure networks, and integrating
the Internet into physical systems makes them vulnerable to attack. Hackers may be able to damage production processes
remotely by manipulating the production protocol or simply by
blocking the process.
As smart factories gradually become reality, working out how
to ensure cyber security without sacrificing the benefits of CPS
(such as real-time communication between machines) will
soon become a priority for manufacturers.
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La sicurezza
Se da una parte l’industria 4.0 richiederà piattaforme e linguaggi
comuni per permettere alle macchine di capirsi oltre i confini,
dall’altra un’omogeneità eccessiva può diventare pericolosa.
Creare reti sicure non è cosa facile e integrare internet nei sistemi fisici rende questi ultimi vulnerabili agli attacchi di hacker.
I processi di produzione potrebbero essere danneggiati in remoto manipolando il protocollo di produzione o paralizzando
semplicemente il processo.
Man mano che le fabbriche intelligenti diventeranno realtà, capire come assicurare la ciber-sicurezza senza rinunciare ai benefici CPS (come la comunicazione in tempo reale tra le macchine) diventerà presto una priorità per i produttori.
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