Prof. Giambattista Gruosso - Politecnico di Milano (Italy)

La quarta rivoluzione industriale

The fourth industrial revolution

“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, pro-ductive 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 mechanisa-tion of production using water and steam power, the intro-duction 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.

Industry 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-

“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 ef-ficiente, 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, stampan-ti 3D, maggiore efficienza e sostenibilità sono realtà alla base di un nuovo concetto di fabbrica: la cosiddetta fabbrica intelligen-te o smart factory.Si stanno dunque delineando i connotati di un’altra rivoluzione industriale, la quarta, per l’appunto, dopo le prime tre che han-no 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.

L’industria 4.0

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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topi

cs

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tizzazione delle industrie tradizionali come quella manifatturie-ra 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 mac-chine 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 tra-sformazione. Il prodotto stesso porterà dentro di sé tutte le in-formazioni necessarie alla sua realizzazione e le macchine sa-ranno 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 an-che creare una forma di intelligenza distribuita che faccia diven-tare i processi autonomi e in grado di autoregolarsi. La compo-nente chiave di questa visione è che tutti i processi saranno inseriti in reti inter-aziendali e saranno caratterizzati da un’inge-gneria integrata che pensa sia al processo di fabbricazione sia al prodotto, nello stesso tempo elemento di intelligenza e di os-servazione dell’intero processo.

Dalla teoria alla pratica

La totale digitalizzazione dei processi produttivi rivoluzionerà completamente i modelli organizzativi e di business. Nella so-stanza sono previsti i cosiddetti sistemi cyber-fisici (Cyber Physical Systems): i prodotti saranno resi intelligenti dall’inte-grazione di sensori, processori, unità di memoria e trasmettito-ri. Tutto questo non solo consentirà alle macchine di comunica-re 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 secon-da degli input esterni che ricevono, mantenendo un’alta effi-cienza.

Internet delle cose o Internet of Everythings

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 sta-to: 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.

moting computerisation in traditional industries such as man-ufacturing 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 re-quired 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 ma-chines will be capable of sharing information and coordinat-ing 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 autono-mous 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 character-ised by integrated engineering, which will be responsible for both the manufacturing process and the product while at the same time overseeing the entire process.

From theory to practice

Complete digitalisation of production processes will revolu-tionise organisational and business models. In the so-called Cyber Physical Systems (CPS), products will be rendered intel-ligent 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 interact-ing 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.

The Internet of Things or the Internet of Everything

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 an-other machine. Welcome to Era 4.0 in which everyday objects are custom-

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ised and are able to constantly communi-cate amongst themselves! Everything from clothes to shampoo will be made to meas-ure without additional costs. Objects ac-quire 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 com-munication. While these applica-tions in the consumer sector may still be a long way off, in the world of indus-try they are just around the corner.

Smart Factory: the advantages

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 flex-ibility enables it to be rapidly reprogrammed to deliver the products requested by the market in a much shorter time-frame as part of a custom manufacturing approach. Process engineering is sufficiently dynamic to enable last-minute changes to be made, while warehouse management and lo-gistics can quickly adapt to production needs based on real-time 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 cur-rently 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.

Impact on the workplace

Industry 4.0 will have a profound impact on the working envi-ronment 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 re-al-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 accord-ing 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 ex-ploiting the enormous volume of data making up the “collec-tive memory” of the factory 4.0.It will therefore be crucial to teach new skills, both in schools and universities and through continuing education.

The position of Italy

Italy is lagging behind competitors such as Germany, Japan and the US, where Industry 4.0 has already become well es-tablished. 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 turno-ver levels makes it difficult to adopt a long-term vision capable of exploiting new opportunities. For these reasons, it is vital to

Tutto, dai vestiti allo shampoo sarà fatto su misura senza l’aggravio dei costi ag-giuntivi fino ad oggi necessari. Gli og-getti acquisiscono intelligenza grazie al fatto di comunicare dati su se stessi integrandoli con quelli di altri pre-senti in rete. Una comunicazione

molto attiva ma silenziosa. Se questo può sembrare difficile nel campo con-

sumer, nel mondo dell’industria è sicu-ramente storia di domani.

Smart Factory: i vantaggi

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, spe-

diti e venduti. La fabbrica diventa sempre più flessibile e può essere riprogrammata rapidamente per for-nire 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 re-ale quanti e quali pezzi sono stati prodotti, dove saranno desti-nati e di quali materiali necessitano.La manutenzione predittiva sarà possibile grazie a modelli di si-mulazione 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 pro-duzione, 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 vici-no al consumatore anziché in lotto e commercializzato a prezzi più bassi rispetto a quelli attuali.

Effetti sul lavoro

Gli effetti che l’industria 4.0 avrà sul contesto lavorativo e sulla sua organizzazione sono molteplici e apriranno le porte a nuo-ve professionalità. La conoscenza avanzata di sistemi IT, la capa-cità 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 impo-stare 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 que-ste 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” del-la fabbrica 4.0.Diventa dunque indispensabile agire sulle competenze: dalla scuola fino alla formazione continua, passando per l’Università.

Il posizionamento dell’Italia

L’Italia è in ritardo rispetto a competitor come Germania, Giap-pone 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 dav-vero bisogno. La bassa propensione al rischio e all’innovazione, unitamente alla tendenza del mantenimento del fatturato, limi-ta l’instaurarsi di una visione lungimirante verso le nuove op-portunità. Sarà determinante promuovere una nuova cultura

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promote a new business culture and invest in collaboration be-tween the worlds of business and education.

The hurdles

The need for standards defining interoperability between sys-tems remains one of the key issues. It is a matter of longstand-ing debate whether it is preferable to adopt open standards capable of facilitating this diffusion or to retain closed stand-ards to ensure the best possible performance in terms of safe-ty and reliability. Traditional automation suppliers are increas-ingly promoting factory concepts based on their own solutions, whereas end users tend to be attracted to different approach-es 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 direc-tions: opening protocols and standards to the outside world while establishing rules for those who want to develop applica-tions 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 differ-ent 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.

Security

While industry 4.0 will require common platforms and languag-es to enable machines to understand each other across bor-ders, 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 at-tack. 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.

d’impresa e investire in uno sforzo collaborativo tra impresa e scuola.

Gli ostacoli

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 in-tegrino 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. Princi-palmente, lo scopo di queste tecnologie è creare un set di dati utili all’analisi dei processi, ma nello stesso tempo portano die-tro 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 in-dustriali che deve essere garantita, fermo restando che non tut-ti i dati sono sensibili e pertanto potrebbero essere facilmente condivisi.

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 siste-mi fisici rende questi ultimi vulnerabili agli attacchi di hacker. I processi di produzione potrebbero essere danneggiati in re-moto manipolando il protocollo di produzione o paralizzando semplicemente il processo. Man mano che le fabbriche intelligenti diventeranno realtà, ca-pire come assicurare la ciber-sicurezza senza rinunciare ai be-nefici CPS (come la comunicazione in tempo reale tra le macchi-ne) diventerà presto una priorità per i produttori.