工业 4.0 有望通过更多的使用先进技术开启数字化制造的新时代。根据制造业领导委员会对2030 年制造业的调查：84% 的制造商表示，到 2030 年，数字化采用的步伐将加快，大多数人认为这将是“游戏规则的改变，真正的新时代”。然而，当今的制造商面临着数字化制造的障碍，包括传统的基于硬件的系统，这些系统成本高昂、难以更新且耗能过多。为了获得工业 4.0 的好处，制造商正在寻求一种可以在现成硬件上运行的平台方法，简化更新，保护系统免受网络攻击，并降低现代化的成本和时间。

采用工业 4.0 的好处

工业 4.0，又称第四次工业革命，采用了额外的传感器并数字化了现有流程。这些数据可以后续被用来进行进一步的分析以提高效率、提高灵活性并增强可持续性。实施这些变革的好处包括：

· 效率：制造业中的人工智能可以快速处理本地数据，从而做出更明智、更快速的决策。普华永道的一份报告预测，到 2030 年，制造业中的人工智能将为全球经济贡献高达 15.7 万亿美元。计算机视觉在制造业中有许多应用，包括质量检查、自动分拣站以及检查工人是否穿着适当的安全装备。机器学习模型用于分析机器上的传感器，以预测下一个维护周期，从而提高整体设备效率 (OEE)。机器学习算法还可以提高焊接等机器人操作的精度和可重复性，以提高质量并减少抽样。

· 敏捷性：尽管供应链危机在过去一年有所改善，但半导体和其他零部件的供应仍然紧张。如果做得好，技术改进可以提高生产线的敏捷性，以应对供应压力、劳动力短缺和产品组合变化。

· 可持续性：根据美国环保署的数据，工业部门占美国温室气体排放量的 30%，主要来自制造工厂的能源使用。工业 4.0 计划有助于减少浪费和能源消耗。这不仅对地球有利，而且对制造商的生计也有好处——投资者越来越多地寻求投资可持续性，66% 的消费者愿意为可持续产品支付更多费用。

技术采用面临的挑战

尽管新技术前景光明，但世界经济论坛发现，超过70% 投资工业 4.0 技术的公司未能走出试点开发阶段。

一个典型的工厂可能拥有数千台单一功能的计算机，这些计算机难以维护或重新配置，并且浪费能源。

许多挑战源于尝试使用传统制造的方法来应用新技术，即为每个功能设置单独的系统。就像 25 年前的数据中心一样，工厂里充斥着数千台单一用途的计算机和专有硬件。这些硬件价格昂贵，生产交付周期长。缺乏备份会影响工厂生产力，而且对这些硬件的支持十分复杂且成本高昂。如果按照这种方法在工厂实施新的工业 4.0 技术，问题会变得更加严重。

工厂中最常见的软件更新方法是技术人员在维护时段使用 USB 存储驱动器。当软件漏洞仍未修补时，勒索软件等网络攻击的风险就会增加。

多年前，作为一名支持复杂半导体设备生产线的年轻工程师，我使用 USB 记忆棒更新了可编程逻辑控制器 (PLC)。令人惊讶的是，这仍然是当今生产车间更新软件和设备的最常用方法。而更麻烦的是，通常只能在短暂的生产间歇期间进行更新，这意味着重大更新可能需要数周才能实施。

除了支持成本之外，软件更新的难度还可能导致安全漏洞得不到修补。这很危险，因为制造业是受勒索软件影响最大的行业。我们亟需一种更好的方法来应用补丁，同时满足生产要求，使攻击者更难破坏系统。

日益增长的技术需求加上制造商传统的设备方法，意味着工厂车间将使用越来越多的单一用途的计算机。这种方法效率低下，而且额外的能源消耗不利于实现可持续发展目标。

平台方法：从混乱到幸福

VMware Edge Compute Stack 提供了一个计算和编排平台，用于整合新的智能制造技术，同时整合了工业 PC (IPC) 和可编程逻辑控制器 (PLC) 上运行的应用程序提供的现有功能。在容器上编写的现代应用程序可以与虚拟机中的现有应用程序同时运行，该系统能够在商用现货 (COTS) 硬件上重复且确定地运行实时和非实时工作负载。

平台方法简化了管理，降低了支持成本，提高了灵活性，改善了安全性，同时整合了硬件以提高可持续性。

平台方法结合了多台 PC，以降低支持成本、提高灵活性和可持续性。计算被放置在运动控制系统附近，以运行虚拟 PLC 和计算机视觉等实时应用程序。

降低支持成本/增加正常运行时间

将多台工业 PC 整合到一对备份边缘服务器上可减少硬件占用空间，而第二个节点可实现备份。现在可以使用成熟的 IT 管理工具轻松执行维护。无需现场访问即可远程克隆、迁移或恢复虚拟机到以前的状态。智能工作负载和网络遥测可以主动标记问题并帮助快速诊断。

更轻松地修补安全漏洞

自动化可以实现大规模修补，无需派遣技术人员携带 USB 驱动器到每台机器上安装安全补丁。如果在应用补丁后出现错误，虚拟机可以快速回滚到上次已知的良好状态，以最大限度地减少生产中断。通过更轻松、更及时地修补安全漏洞，制造商可以降低勒索软件和其他攻击的风险。即使虚拟机受到勒索软件的攻击，只需恢复到之前的快照即可解决问题。

提高敏捷性

通过将制造系统分为软件和硬件组件，可以使用 COTS 硬件，从而降低成本并缩短交付周期。现在，软件组件都集中在一个平台上，单个硬件设备也越来越少，因此，重新配置生产线以适应产品组合变化变得更加容易和快捷。

提高可持续性

很容易理解，运行 8 台单功能计算机比运行 1 或 2 个节点的服务器消耗更多能源。但从更大角度来看，它占用更少的空间并产生更少的热量，从而使整个工厂更加精简。

奥迪树立榜样

与许多制造商一样，我们的客户奥迪正在其工厂内实施人工智能和其他技术。除其他举措外，还将机器学习添加到扭矩扳手和焊接机器人中，以提高可重复性和质量，同时降低采样要求。奥迪汽车集团奥迪生产实验室负责人 Henning Loeser 博士于2023年 11 月在巴塞罗那的VMware Explore 上发表了讲话。他说：“工业 4.0 的一切最终都会导致计算需求呈指数级增长”。

“我们将在基础设施中添加越来越多的计算，如果我们不采取一些不同的措施，这将导致维护成本急剧上升。 ” Henning Loeser 博士说。

奥迪未来的工厂利用 VMware Edge Compute Stack 的虚拟化技术将工厂内的计算功能集成起来，这是其Edge Cloud 4 Production (EC4P) 计划的重要组成部分。通过用本地服务器取代单台计算机来运行工厂和工人支持系统，软件更新、部署和重新配置变得更加容易。

VMware Edge Compute Stack 可以帮助制造商实施新技术，作为智能制造或工业 4.0 计划的一部分。该平台简化了管理，以降低支持成本、提高灵活性和安全性，同时整合了硬件以提高可持续性。