Industria 4.0 per la produttività e la competitività sostenibile

0

Il contesto di riferimento

La struttura della società attuale sarà fortemente condizionata da 10 trend che ne cambieranno in maniera significativa la fisionomia e contribuiranno a costruire una nuova rivoluzione industriale:
1. la capacità delle imprese di gestire la consumer experience intesa come l’interazione tra l’azienda e il cliente lungo tutto lo sviluppo della loro relazione;
2. la possibilità di realizzare la mass customization attraverso una riduzione dei costi unitari propri della produzione di massa unita alla capacità di realizzare produzioni flessibili volte a ottenere prodotti fortemente personalizzati;
3. la capacità di conseguire la glocalization come conseguenza di un pensare in termini globali e di una capacità di agire sul piano locale;
4. la possibilità di realizzare l’internet of things collegando a internet miliardi di dispositivi (dai più complessi come un aereo ai più semplici come un ago per cucire);
5. attuando il remote control sia dei sistemi più semplici quali gli elettrodomestici di una casa, sia di un’intera fabbrica;
6. sviluppando un 3D Printing capace di modificare il modello di business delle imprese;
7. producendo smart objects capaci di dialogare con i sistemi di controllo,di ricevere e fornire informazioni sul loro livello di prestazione ovunque e in qualsiasi momento;
8. realizzando il reshoring manufacturing attraverso il bilanciamento di un ampio spettro di fattori (costi di produzione e di trasporto, tassi di cambio, protezione della proprietà intellettuale e vicinanza al cliente);
9. attuando un approccio proattivo in termini di regulation compliance anticipando i tempi di allineamento alle modifiche normative nei diversi campi della sicurezza e della sostenibilità ambientale;
10. perseguendo la sustainability a 360° nell’impiego delle risorse, nello sviluppo dei prodotti e dei processi produttivi, nella sostenibilità del business.
Gli elementi determinanti per la realizzazione di questi trend possono essere individuati nei Cyber-Physical Systems (CPS) che rappresentano il risultato della sempre maggior convergenza tra il “mondo fisico” e il “mondo virtuale” (cyber spazio) grazie all’introduzione del protocollo internet IPv6 capace di rendere disponibile un numero di indirizzi IP sufficiente a mettere in diretto collegamento tramite internet gli smart objects ovvero dispositivi che misurano, analizzano, controllano e comunicano.
Questo significa che, per la prima volta, sarà possibile far dialogare e creare in internet un network di risorse, informazioni, oggetti e servizi (Internet of Things and Services – IoTS).
L’Internet of Things and Services e la conseguente trasformazione in atto determinerà lo sviluppo di smart grids in molteplici settori (figura 1):
•produzione e distribuzione di energia (Smart Energy);
•mobilità sostenibile e logistica (Smart Mobility e Smart Logistics);
•costruzioni (Smart Buildings);
•sanità (Smart Health):
•produzione industriale (Smart Products realizzati con uno Smart Manufacturing in Smart Factories).

La Quarta Rivoluzione Industriale

Nell’ambiente industriale si può ormai parlare di una Quarta Rivoluzione Industriale (Industry 4.0 o Industrie 4.0) la cui piena attuazione richiede lo sviluppo di processi di integrazione:
•orizzontale attraverso la generazione di network della catena del valore;
•verticale della supply chain di sistemi produttivi smart;
•delle tecnologie abilitanti;
•della progettazione interdisciplinare lungo l’intera catena del valore.
L’iniziativa “Industrie 4.0” è un’iniziativa strategica del governo tedesco che è stata adottata a novembre 2011 come parte del più ampio High-Tech Strategy 2020 Action Plan nell’ambito del quale, con lo scopo di definire le linea guida e le iniziative collegate, a gennaio 2012 è stato istituito l’Industrie 4.0 Working Group che, sotto la presidenza di Siegfried Dais (della Robert Bosch GmbH) e del Prof. Henning Kagermann (della Acatech – Accademia Tedesca di Scienze e Ingegneria), ha presentato le sue raccomandazioni sull’argomento con una relazione al governo tedesco e la predisposizione di un documento tecnico di riferimento [Acatech, 2013].

Fig 1 - Internet of things and Services - Fonte: Acatech et all., 2013

Fig 1 – Internet of things and Services – Fonte: Acatech et all., 2013

L’obiettivo da raggiungere è quello della Fabbrica Intelligente (Smart Factory) che, grazie a CPS e IOTS, è caratterizzata da flessibilità, efficienza nell’uso delle risorse produttive, ergonomia e sicurezza, processi di integrazione dei clienti e dei business partner nella catena del valore e del business.
Industria 4.0 potrà contare sui seguenti driver tecnologi [Rubman et al., 2015; MISE, 2016]:
•Industrial Internet of Things che già oggi vede la presenza di un numero di dispositivi di processo (dispositivi embedded, macchinari, sistemi di controllo, sensori, altri dispositivi di campo) dotati di IPe capaci di identificazione, localizzazione, autodiagnosi, sensing e comunicazione in internet che in futuro potranno essere collegati con dispositivi di prodotto in un sistema integrato di controllo grazie anche alla comunicazione mobile.
•Cloud Manufacturing che rappresenta l’applicazione in ambito manifatturiero del Cloud Computing che sta via via sostituendo i personal computer ma che sempre di più dovrà consentire lo scambio di dati e informazioni tra diversi siti della stessa impresa e tra imprese di differente ragione sociale all’interno della supply chain abilitando, tramite internet, l’accesso diffuso a risorse IT per la gestione della supply chain e dei relativi processi produttivi anche grazie alla virtualizzazione delle risorse produttive su piattaforme dedicate.
•Broadband infrastruttura di rete per la condivisione, in tempo reale, di dati, informazioni, software e applicazioni tramite internet.
Fig 2 - La quarta rivoluzione industriale

Fig 2 – La quarta rivoluzione industriale

•Big Data and Analytics in quanto i dati sono prodotti ed utilizzati ovunque con un tasso di crescita esponenziale (il 90% dei dati è stato generato negli ultimi due anni) e richiedono una sempre maggiore attenzione con riferimento alle 6 V del dato (Volume, Varietà, Velocità, Valore, Veridicità, Volatilità). L’Industrial Analytics consiste nello sviluppo di metodologie capaci di trattare ed elaborare velocemente grandi quantità e varietà di dati (Big Data) generati dalla supply chain.
•Cybersecurity in quanto la realizzazione di smart grid nella produzione industriale renderà necessario proteggere le informazioni, i processi e i sistemi industriali critici da accessi non desiderati per tutelare privacy e segreti industriali.
•Additive Manufacturing/3D Printing grazie all’impiego di strumenti innovativi per il disegno, la modellazione solida (CAD 3D) e la produzione industriale con stampanti 3D che permettono la realizzazione economica di prototipi e la produzione, anche decentralizzata, di geometrie di prodotto complesse, in piccoli lotti di prodotti personalizzati (anche uno) incidendo in maniera significativa sui tempi di produzione, sui costi di trasporto e di stoccaggio.
•Artificial Intelligence/Machine Learning che grazie allo sviluppo di algoritmi adattativi e capaci di autoapprendimento consentono lo sviluppo di una automazione avanzata e la realizzazione di robot autonomi capaci di analizzare e correlare dati e informazioni, riconoscere forme, suoni e immagini con modalità sempre più vicine a quelle umane.
•Advanced Automation and Autonomous Robot disponibilità di macchine automatiche sempre più “intelligenti” e di robot con rilevanti capacità cognitive in autoapprendimento che stanno diventando sempre più flessibili, autonomi e cooperativi sia con altri robot, che con il personale con il quale lavorano fianco a fianco in sicurezza e dal quale imparano.
•Advanced Human Machine Interface, Wearable Devices, Augmented Reality dispositivi e funzionalità digitali capaci di integrare dati e informazioni alla visione fisica in modo da supportare una notevole varietà di servizi quali ad esempio quelli logistici per guidare il prelievo della merce in magazzino, con indicazioni su quale prodotto prendere, in che quantità e dove si trova, nonché riconoscimento tramite telecamera integrata (e quindi tracking del prodotto), quelli manutentivi con la visione sovraimposta ai macchinari delle fasi da svolgere per la manutenzione, con il dettaglio di dove intervenire.
•Simulation da applicare nell’integrazione verticale dell’ingegneria del prodotto, del processo e dell’impianto e nella programmazione della produzione grazie alla disponibilità in tempo reale di dati relativi ai prodotti, alle macchine alle risorse umane.Ad esempio Enterprise Resource Planning (ERP) in grado di programmare i Manufacturing Execution System (MES) in base ai segnali dinamici provenienti da POS e smart-product, con flessibilità di impianto automatizzata.

Il potenziale e le aree chiave di Industria 4.0

Il potenziale della Quarta Rivoluzione Industriale può essere così sintetizzato;
•le fabbriche intelligenti (figura 3) saranno capaci di realizzare lotti di produzione molto piccoli e, in alcuni casi, addirittura unitari;
•le dinamiche del business model e i processi di ingegneria consentiranno modifiche anche last minute dei piani di produzione e dei relativi processi per reagire a qualsiasi problema produttivo dalle modifiche degli ordini dei clienti, alla disruption della supply chain dei fornitori e/o a problemi manutentivi;
•lo scambio di informazioni e la trasparenza end-to-end sui processi produttivi dell’intera supply chain diventerà praticabile favorendo il forecasting e la pianificazione evoluta della produzione, il monitoraggio in tempo reale della supply chain e le scelte decisionali dei diversi agenti della filiera;

Fig 3 - La Smart Factory - Fonte: MISE, 2016

Fig 3 – La Smart Factory – Fonte: MISE, 2016

•l’impiego efficiente di tutte le risorse produttive verrà abilitato lungo l’intera supply chain e la catena del valore ne beneficerà garantendo ritorni adeguati sia al cliente finali, sia ai diversi agenti della filiera;
•l’organizzazione del lavoro potrà tener conto dell’evoluzione demografica, dei cambiamenti sociali e dello sviluppo della conoscenza.
L’implementazione della strategia Industria 4.0 si focalizzerà necessariamente su alcune aree prioritarie di integrazione (figura 4):
•orizzontale attraverso la realizzazione di reti del valore;
•verticale dell’ingegneria lungo l’intera catena del valore attraverso la completa digitalizzazione dei processi di ingegneria;
•verticale dei sistemi produttivi in filiera che saranno chiamati ad operare in rete;
•dei nuovi modelli sociali e organizzativi dell’ambiente di lavoro.

Fig 4 - La quarta rivoluzione industriale - Fonte: Acatech et all., 2013

Fig 4 – La quarta rivoluzione industriale – Fonte: Acatech et all., 2013

I modelli di business delle aziende e le relative strategie, i nuovi network del valore potranno ricevere nuovo supporto dallo sviluppo dei CPS che renderanno possibili nuovi modelli e forme di cooperazione tra i diversi attori per lo sviluppo della produzione sostenibile, la protezione della conoscenza, la standardizzazione, la formazione del capitale umano.
I CPS potranno contribuire alla realizzazione dell’integrazione digitale end-to-end di tutti i processi di ingegneria di prodotto, di processo e di impianto attraverso la catena del valore che attraversa tutte le aziende della suppy chain per soddisfare le esigenze del cliente. In tale ambito:
•un approccio olistico ai sistemi di ingegneria è la base per raccordare le diverse discipline scientifiche e le relative metodologie e tecniche di progettazione;
•la simulazione gioca un ruolo chiave nella gestione della complessità crescente dei sistemi tecnologici e produttivi;
•i sistemi informativi devono supportare l’integrazione verticale dell’ingegneria lungo l’intera catena del valore dalla progettazione del prodotto, alla progettazione dei processi produttivi e degli impianti, alla gestione della produzione, all’erogazione dei servizi post vendita.
Nell’integrazione verticale dei sistemi produttivi i CPS consentiranno di realizzare ambienti produttivi flessibili e riconfigurabili per realizzare piani e processi produttivi grazie alla disponibilità di modelli, algoritmi, dati e informazioni capaci di delineare configurazioni specifiche per le situazioni che di volta in volta si presenteranno e che saranno gestite dagli ERP aziendali.
I CPS per assicurare il pieno sviluppo del loro potenziale richiedono la realizzazione di nuove strutture dell’organizzazione del lavoro per realizzare lo sviluppo dell’interdisciplinarietà delle competenze individuali, la collaborazione e il lavoro di team, il lifelong learning, il miglioramento della produttività in un ambiente di lavoro che vedrà operatori e robot lavorare fianco a fianco. L’impegno verso la responsabilità sociale delle imprese dovrà aumentare per assicurare nuovi modelli di contratti di lavoro, di socializzazione delle conoscenze, di job rotation.

Le aree chiave e i processi per l’implementazione della strategia Industria 4.0

Le tecnologie abilitanti per l’Industria 4.0 si stima possano raggiungere la piena maturità tecnologica e commerciale in un arco temporale di 10-15 anni con livelli di investimento significativi sia a livello europeo che nazionale come evidenziato dalle analisi del Ministero dello Sviluppo Economico riportate in figura 5.

Fig 5 - Stima del fabbisogno di investimenti per industria - Fonte: MISE, 2016

Fig 5 – Stima del fabbisogno di investimenti per industria – Fonte: MISE, 2016

Data la complessità tecnologica e l’alto impatto sull’impiego delle risorse, l’implementazione della strategia Industria 4.0 deve essere realizzata attraverso un’iniziativa strategica del governo così come avvenuto nel 2012 in Germania, accompagnata da adeguate decisioni industriali e di politica industriale, supportata da azioni specifiche in aree chiave e guidata da una lettura attenta del tessuto industriale di applicazione a livello di sistema paese, di territorio, di settore/filiera, di sistemi di aggregazione (cluster, reti di imprese, ecc.).
Le priorità degli interventi necessari a realizzare un sistema nazionale di Industria 4.0 possono essere individuate nelle aree seguenti:
•definizione di Standard e Architetture di Riferimento per reti di imprese e supply chain;
•revisione dei modelli legislativi, normativi, di contrattualistica industriale e di protezione industriale;
•sviluppo delle capacità di pianificazione e management dei sistemi complessi;
•sviluppo della capacità del sistema industriale nazionale a contribuire alla realizzazione e a utilizzare al meglio le tecnologie abilitanti di Industria 4.0;
•sviluppo della capacità di gestione e analisi dei Big Data;
•realizzazione di una robusta infrastruttura di banda larga per il sistema industriale che copra l’intero territorio nazionale;
•rafforzamento dell’attenzione per le tematiche di security, safety ed environment;
•revisione dei modelli di organizzazione e progettazione del lavoro;
•sviluppo delle capacità di ricerca e innovazione;
•formazione (tecnica e universitaria) e sviluppo professionale.
Di particolare interesse è l’attenzione agli standard e alle architetture di riferimento che costituiscono il framework all’interno del quale si potranno strutturare, sviluppare, integrare e operare i processi di sviluppo e produzione dei prodotti e dei servizi offerti dalle diverse imprese della supply chain realizzando la convergenza verso un unico comune approccio dei differenti approcci delle aziende partecipanti.
Lo sviluppo dell’architettura di riferimento potrà essere sviluppata con diverse prospettive (figura 6):
•dei sistemi produttivi;
•dei dispositivi da interconnettere;
•del software;
•dell’ingegneria.
Fig 6 - L’architettura di riferimento per Industria 4.0	   Fonte: Acatech et all., 2013

Fig 6 – L’architettura di riferimento per Industria 4.0 Fonte: Acatech et all., 2013

Dal punto di vista dei sistemi produttivi questo significherà integrare i processi produttivi e logistici.
Dal punto di vista dei dispositivi da interconnettere all’interno dei sistemi produttivi l’integrazione andrà sviluppata tenendo in considerazione le diverse tipologie e il livello di evoluzione tecnologica di: dispositivi di automazione, dispositivi di campo, bus di campo, controllori logici programmabili, dispositivi operativi, dispositivi mobili, server, workstation, dispositivi di accesso Web.
Dal punto di vista degli applicativi software è opportuno far riferimento alle applicazioni software per:
•l’ambiente di produzione per: acquisizione dati dai sensori, funzioni di controllo sequenziale, controllo continuo, interconnesso, dati operativi, dati macchina, dati di processo, archiviazione, analisi delle tendenze, funzioni di pianificazione e di ottimizzazione;
•la supply chain per: la definizione di SLA (Service Level Agreements), la pianificazione commerciale e di gestione, la logistica interaziendale o delle reti di supporto, incluse le interfacce rilevanti e l’integrazione con i singoli ambienti di produzione
La prospettiva dell’ingegneria in un sistema di produzione seguirà necessariamente la logica del Product Lifecycle Management (PLM), integrando i diversi sistemi propri dell’ingegneria di prodotto quali il CAD (Computer Aided Design) e il CAE (Computer Aided Engineering) con quelli dell’ambiente di produzione CAPP(Computer Aided Process Planning), CAM (Computer Aided Manufacturing), CIM (Computer Integrated Manufacturing) e MES (Manufacturing Execution Systems).
Lo sviluppo dell’Industria 4.0 pone però una serie di questioni per il tessuto imprenditoriale italiano che, essendo caratterizzato dalla presenza di piccole e medie imprese con dimensioni molto ridotte delle unità produttive, non ha adeguate capacità di investimento e di accesso al credito, necessita di una maggiore stabilità delle politiche industriali e di promozione ed incentivazione della ricerca e dell’innovazione, ha ancora difficoltà a collaborare (con le altre imprese e il sistema della ricerca).
Il rischio reale per le di piccole e medie imprese è quello di anteporre l’adeguamento di impianti e sistemi informatici ad una chiara definizione dei bisogni di standardizzazione dei processi e delle informazioni da condividere nei processi di rete/filiera, muoversi in maniera autonoma e non coordinata con la rete/filiera di appartenenza, non riuscire ad analizzare in maniera critica l’offerta di tecnologia produttiva ed informatica.
Appare quindi fondamentale una forte sinergia tra l’azione politica e quella industriale rivolta a:
•costituire una Cabina di Regia/Piattaforma per assicurare un approccio trasversale all’implementazione delle azioni nelle aree chiave grazie al contributo di esperti dell’industria, delle professioni e del sistema della ricerca e dell’università;
•rafforzare l’azione di promozione delle aggregazioni delle imprese in rete per sviluppare iniziative di Reti 4.0 (il Contratto di Rete è uno strumento molto appropriato per lo sviluppo di un Programma di Rete 4.0);
•favorire la collaborazione tra il Cluster “Fabbrica Intelligente”, le Reti Industriali e le Reti di Ricerca e Innovazione;
•favorire la costituzione di network tra il sistema di ricerca e formazione superiore (Istituti di Ricerca e Università) per fornire supporto alle imprese e alle Reti 4.0 anche attraverso la costituzione di Hub Tecnologici che, a scala territoriale, favoriscano l’incontro di domanda e offerta di innovazione tra il mondo delle imprese e il mondo della ricerca e della consulenza come di recente proposto da Unindustria Lazio attraverso il progetto pilota Cicero Hub – CPS/Iot Ecosystem of Excellence for Manufacturing Innovation.

BIBLIOGRAFIA

• AA. VV., (2014), “Industry 4.0 – Opportunities and challenges of the industrial internet”, Strategy & Formerly Booz&Company.
• Acatech-National Academy of Science and Engineering, Wirtschaft und Wissenschaft begleiten die Hightech-Strategie, (2013), “Securing the future on German manufacturing industry. Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE 4.0”, Final Report of the Industrie 4.0 Working Group, Aprile 2013.
• Bentivogli M., Di Vico D., Viscardi G., Pero L., Barba Navaretti G., Mosconi F, (2015),“#SindacatoFuturo in Industry 4.0”, FIM-CILS, ADAPT University Press,Settembre 2015.
• Blanchet M., Rinn T., Von Thaden G., De Thieulloy G., (2014), “Think Act Industy 4.0. The new industrial revolution; how Europe will succeed”, Roland Berger Strategy Consultants, Marzo 2014.
• Committee on Visionary Manufacturing Challenges, Board on Manufacturing and Engineering Design, Commission on Engineering and Technical Systems National Research Council, (1998), “Visionary Manufacturing Challenges for 2020”, National Academy Press
• Deloitte, (2014), “Industry 4.0. Challenges and solutions for the digital transformations and use of exponential technologies”.
• Hanebrink J., Kunze H. M., Mix T., Löffler J., Felten D., Leppien K., (2015), “Industry 4.0 – How to navigate digitization of the manufacturing sector”, McKinsey&Company.
• McKinsey&Company, (2015), “Industry 4.0, How to navigate digitalization of the manufacturing sector”, 2015.
• MISE-Ministero dello Sviluppo Economico (2016), Manifattura Italia: la rivoluzione digitale del manifatturiero 4.0 come leva di trasformazione competitiva del Paese, Bozza per discussione.
• Nanry J., Narayanan S., Rassey L., (2015), “Digitizing the value chain. Challenges remain for Industry 4.0, but the buzz is growing”, McKinsey Quarterly, Marzo 2015.
• National Academy of Science an Engineering, Wirtschaft und Wissenschaft begleiten die Hightech-Strategie, (2013), “Securing the future on German manufacturing industry. Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE 4.0”, Final Report of the Industrie 4.0 Working Group, Aprile 2013.
• PricewaterhouseCoopers, (2014), “Industry 4.0 – Oppotunities and Challenges of the Industrial Internet”, Dicembre 2014.
• Rubmann M., Lorenz M., Gerbert P., Waldner M., Justus J., Engel P., Harnisch M., (2015), “Industry 4.0: the Future of Productivity and Growth in Manufacturing Industries”, Boston Consulting Group, Aprile 2015.
• Smart Service Welt, Acatech-National Academy of Science and Engineering, (2015), Recommendations for the strategic initiative web-based services for business, Final Report, Long Version, Marzo 2015.

FRANCESCO COSTANTINO, GIULIO DI GRAVIO, MASSIMO TRONCI

Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, Sapienza Università di Roma
francesco.costantini@uniroma1.it
giulio.digravio@uniroma1.it
massimo.tronci@uniroma1.it
Share.

Comments are closed.