La Quarta Rivoluzione Industriale – S. Farnè

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industria40Sempre più spesso i giornali riportano termini ed espressioni come fabbrica intelligente, manifattura 4.0, smart factory, rivoluzione digitale. Si tratta di concetti che stanno progressivamente entrando nel dibattito pubblico e che sottendono a un’idea di cambiamento nei sistemi di produzione delle economie più sviluppate. Attraverso la tecnologia digitale, infatti, le imprese stanno progressivamente cambiando il loro modo di stare sul mercato, rivoluzionando i propri processi produttivi alla ricerca di una rinnovata competitività nei confronti dei paesi a più recente industrializzazione. Al giorno d’oggi siamo circondati da una moltitudine di oggetti che definiamo come “smart”, ovvero “intelligenti”. Si pensi alla straordinaria diffusione della tecnologia smartphone o alla comparsa dello smart building (casa intelligente), caratterizzata da una serie di apparecchiature connesse alla rete, che possono essere controllate a distanza attraverso dei terminali quali telefonini e tablet per lo svolgimento di mansioni di uso quotidiano. Si tratta di strumenti interconnessi che, grazie a ciò che viene chiamato internet delle cose (IoT), sono in grado di scambiarsi informazioni o comandi.

Tuttavia, l’etichetta smart non si limita a fornire informazioni sulle capacità relazionali di un numero crescente di oggetti materiali, ma assume una pluralità di significati e campi di applicazione. In particolare, il successo di questa espressione lo si deve principalmente agli studi urbanistici sulla città del futuro. A partire dalla fine degli anni novanta, infatti, sia nella letteratura scientifica che nel dibattito pubblico si è diffuso il concetto di città intelligente (smart city), che può essere definita come quel luogo che sa coniugare sviluppo economico e qualità della vita. In pratica, si tratta di una città in cui l’innovazione e la flessibilità del processo produttivo si amalgamano con una mobilità sostenibile e una forte rete di interconnessioni e scambi sia di natura interpersonale che tra i diversi soggetti economici: una città in cui lo sviluppo tecnologico è volto a migliorare non solo le performance dell’economia ma anche la qualità della vita e dell’ambiente. Partendo da queste premesse, sin dai primi anni duemila, nel settore manifatturiero ha incominciato a circolare l’espressione smart factory (fabbrica intelligente). Si tratta di un concetto che, pur mancando di una definizione univoca, trae origini negli ambienti industriali e nelle scienze economiche, riflettendosi anche nella sfera della sociologia e della filosofia politica.

Un’altra espressione che si sta diffondendo è Internet of Things (IoT): si tratta di un’innovazione nel processo di sviluppo della tecnologia basata sulla  rete internet, in cui molti oggetti a disposizione in uso quotidiano possono essere interconnessi tra loro. IoT si riferisce alle macchine intelligenti con sensoristica diffusa, collegate direttamente oppure tramite Cloud, e può essere considerato come un'estensione delle reti di sensori tradizionali (WSN) che rende la comunicazione oggetto-oggetto possibile grazie all’uso della tecnologia chiamata “identificazione a radiofrequenza” (RFID). Si tratta di una connettività di infrastrutture e di edifici “intelligenti” attraverso reti di comunicazione, che consente l'erogazione di servizi software, di analisi dei dati e di controllo autonomo dal Cloud. L’espressione Industrial Internet of Things (IIoT) aggiunge il contesto industriale alla IoT, sottolineando in tal modo alcuni requisiti specifici, tipici del controllo dei processi industriali, come ad esempio determinismo, la capacità in tempo reale, la sicurezza e l’integrità. Nell’IIoT ogni oggetto acquista una identità digitale unica, mediante la quale “dialoga” e interagisce con gli altri dispositivi connessi.

“Sempre, ovunque e con qualunque mezzo” è stata per lungo tempo la visione che spinge in avanti il progresso nelle tecnologie della comunicazione. In questo contesto, le tecnologie wireless hanno svolto un ruolo chiave. Dopo aver studiato vari casi di utilizzo degli oggetti e delle loro architetture, si può affermare che IoT  e le tradizionali architetture di Internet sono simili in molti aspetti: infatti, l'architettura del sistema IoT è generalmente divisa in tre strati: il livello comunicazione (o percezione), il livello di rete, il livello di servizio (o livello di applicazione). Il livello di comunicazione costituisce l'origine delle informazioni e lo strato di base dell’IoT. Tutti i tipi di informazioni del mondo fisico utilizzati in IoT sono percepiti e raccolti in questo strato (ad es. rete di sensori wireless (WSN), tag e reader-writers, ecc).  Il livello di rete, chiamato anche livello di trasporto, include la rete principale e la rete di accesso e fornisce la capacità di trasmissione dei dati. Le informazioni possono essere inviate dal livello percezione al livello superiore mediante la rete di comunicazione mobile esistente. Il livello di servizio, chiamato anche livello di applicazione, include la gestione dei dati e dei servizi applicativi sub-layer. In particolare, la gestione dei dati sub-layer fornisce l'elaborazione di dati complessi e le informazioni incerte.

La strategia high-tech su cui si basa IIoT ha origine nel progetto denominato Industry 4.0, promosso dal governo tedesco per l'informatizzazione della produzione. Questo termine è stato usato per la prima volta alla Fiera di Hannover nel 2011 e nell’ottobre 2012 un gruppo di lavoro dedicato all'Industria 4.0, presieduto da Siegfried Dais della multinazionale di ingegneria ed elettronica Robert Bosch GmbH e da Henning Kagermann della Acatech (Accademia tedesca delle Scienze e della Ingegneria) presentò al governo federale tedesco una serie di raccomandazioni per la sua implementazione. L'8 aprile 2013, all'annuale Fiera di Hannover, fu diffuso il report finale del gruppo di lavoro.

L’espressione Industry 4.0 evoca la “quarta rivoluzione industriale”: la prima rivoluzione industriale è stata realizzata grazie alla meccanizzazione della produzione, utilizzando la potenza dell’acqua e del vapore; la sua nascita può essere fatta coincidere con l’invenzione della macchina a vapore nel 1784. La seconda rivoluzione industriale ha poi introdotto la produzione di massa con l'aiuto dell’energia elettrica e del petrolio e può farsi risalire al 1870. La terza rivoluzione industriale è stata quella derivante dallo sviluppo dell’elettronica e dell’informatica a partire dal 1970. La quarta è una rivoluzione digitale con la pervasiva diffusione di dispositivi elettronici in grado di dialogare tra di loro, al fine di automatizzare ulteriormente la produzione. Non esiste ancora una definizione esauriente del fenomeno, ma in estrema sintesi alcuni analisti tendono a descriverla come un processo che porterà alla produzione industriale del tutto automatizzata e interconnessa.

Secondo un recente rapporto della multinazionale di consulenza McKinsey le nuove tecnologie digitali avranno un impatto profondo nell'ambito di quattro direttrici di sviluppo: la prima riguarda l’utilizzo dei dati, la potenza di calcolo e la connettività, e si declina in big data, open data, Internet of Things, machine-to-machine e cloud computing per la centralizzazione delle informazioni e la loro conservazione. La seconda è quella degli analytics: una volta raccolti i dati, bisogna ricavarne valore. Oggi solo l’1% dei dati raccolti viene utilizzato dalle imprese, che potrebbero invece ottenere vantaggi a partire dal “machine learning”, dalle macchine cioè che perfezionano la loro resa “imparando” dai dati via via raccolti e analizzati.  La terza direttrice di sviluppo è linterazione tra uomo e macchina, che coinvolge le interfacce “touch”, sempre più diffuse, e la realtà aumentata: per fare un esempio la possibilità di migliorare le proprie prestazioni sul lavoro utilizzando strumenti come i Google Glass. Infine c’è tutto il settore che si occupa del passaggio dal digitale al “reale”, e che comprende la manifattura additiva, la stampa 3D, la robotica, le comunicazioni, le interazioni machine-to-machine e le nuove tecnologie per immagazzinare e utilizzare l’energia in modo mirato, razionalizzando i costi e ottimizzando le prestazioni.

Industria 4.0 è basata sui 6 seguenti principi, che supportano le aziende nella relativa implementazione. Interoperabilità: la capacità dei dispositivi elettronici, dotati di sensori e diffusi all’interno delle fabbriche intelligenti, di connettersi e comunicare tra loro attraverso reti aperte e descrizioni semantiche come Internet of Things e Internet of Services,  grazie ad opportuni  standard di comunicazione. Virtualizzazione: una copia virtuale della fabbrica intelligente viene creata e alimentata con i dati raccolti dai sensori (ad esempio derivanti dal monitoraggio dei processi fisici); in altri termini, i dati raccolti dai sensori vengono caricati nei modelli di simulazione degli impianti. In caso di guasto, di funzionamento anomalo o di emergenza, viene notificato un allarme al personale di controllo, a cui sono fornite tutte le informazioni necessarie. Decentramento: la capacità dei dispositivi, distribuiti all'interno della fabbrica intelligente, di prendere decisioni per conto proprio è consentita dai computer integrati al loro interno. Solo in caso di fallimento, i compiti sono delegati a un livello superiore, facendo intervenire il  controllo centrale. Capacità Real-Time: la capacità di raccogliere e analizzare i dati e fornire immediatamente le decisioni derivate. Per compiti organizzativi, è necessario che i dati vengono raccolti e analizzati in tempo reale. Lo stato dell'impianto è permanentemente monitorato e analizzato. Così, l’impianto può reagire al guasto di una macchina e re-instradare prodotti ad un'altra macchina. Orientamento al servizio: l’offerta di servizi (di sistemi informatici-fisici, umani o fabbriche Smart) mediante l’Internet dei Servizi. I servizi, all'interno dell'azienda, possono essere utilizzati mediante la rete di condivisione dei dispositivi interconnessi. Modularità: adeguamento flessibile delle fabbriche intelligenti alle mutate esigenze, sostituendo o espandendo i singoli moduli. I sistemi modulari sono in grado di adattarsi in modo flessibile alle mutevoli esigenze di sostituire o espandere i singoli moduli. Sulla base di interfacce software e hardware standardizzate, nuovi moduli vengono identificati automaticamente e possono essere utilizzati immediatamente.

L'argomento Industria 4.0 è stato al centro del World Economic Forum 2016, dal 20 al 24 gennaio a Davos (Svizzera), intitolato  “Mastering the Fourth Industrial Revolution; in questo consesso è stata presentata la ricerca "The Future of the Jobs", da cui è emerso che, nei prossimi  anni, fattori tecnologici e demografici influenzeranno profondamente l’evoluzione del lavoro. Alcuni (come la tecnologia del cloud e la flessibilizzazione del lavoro) stanno influenzando le dinamiche già adesso e lo faranno ancora di più nei prossimi 2-3 anni. L'effetto sarà la creazione di 2 nuovi milioni di posti di lavoro, ma contemporaneamente ne spariranno 7, con un saldo netto negativo di oltre 5 milioni di posti di lavoro. L’Italia ne esce con un pareggio (200mila posti creati e altrettanti persi), meglio di altri Paesi come Francia e Germania. A livello di gruppi professionali le perdite si concentreranno nelle aree amministrative e della produzione: rispettivamente 4,8 e 1,6 milioni di posti distrutti. Secondo la ricerca compenseranno parzialmente queste perdite l’area finanziaria, il management, l’informatica e l’ingegneriaCambiano di conseguenza le competenze e abilità ricercate: nel 2020 il problem solving rimarrà la soft skill più ricercata, ma diventeranno sempre più importanti il pensiero critico e la creatività.

La fabbrica intelligente ha una natura pluridimensionale che coinvolge sia la sfera dell’innovazione tecnologica che il tema delle relazioni tra tutti i componenti che ruotano attorno al sistema produttivo: impianti, forza lavoro e ambiente circostante. In questo contesto, il concetto di fabbrica intelligente deve trovare una sua estensione nel campo sociale e ambientale, prendendo a prestito alcuni elementi tipici della responsabilità sociale di impresa e della green economy. Non è, infatti, pensabile una fabbrica al passo con i tempi che non consideri queste due dimensioni come strategiche per il proprio sviluppo, sia in virtù di una domanda sempre più attenta a questi temi, sia per via delle evidenti ripercussioni positive in termini di produttività e di risparmio di risorse.

Dal punto di vista del processo produttivo, secondo alcuni autori, potremmo definire la fabbrica intelligente come “una soluzione produttiva che favorisce processi flessibili e adattivi per risolvere i problemi derivanti dalla complessità crescente attraverso un impianto di produzione dinamico e in rapida evoluzione. Da un lato, questa soluzione è correlata all'automazione, intesa come combinazione di software, hardware e/o meccanica, che dovrebbe portare all’ottimizzazione della produzione con la conseguente riduzione delle risorse impiegate. Dall’altro, rappresenta una prospettiva di collaborazione tra i diversi partner industriali e non, dove l'intelligenza deriva da un’organizzazione dinamica e partecipativa”.

La smart factory, perciò, integra la nuove risorse tecnologiche abilitanti, quali la stampa 3D, Internet delle Cose, la M2M (Machine-to-Machine communication tecnology), le micro tecnologie pervasive (Ubiquitous network tecnology) nei diversi livelli del processo decisionale, sfruttando gli innumerevoli benefici della rete. In particolare, la letteratura ha individuato sei principali categorie tecnologiche che possono sorreggere l’impalcatura della fabbrica intelligente e permetterle di svilupparsi. Ci riferiamo al già citato Internet delle Cose (IoT), all’analisi dei Big Data, alle tecnologie su misura (Wearable Technologies), all’utilizzo di una rete di server remoti ospitati su internet per archiviare, gestire e processare i dati (Cloud Computing), alla manifattura additiva, all’automazione attraverso la robotica.

Attraverso questi nuovi strumenti, la fabbrica intelligente mira a incrementare la sua efficienza, la sua competitività e la sua capacità di incontrare le esigenze di una domanda sempre più diversificata, puntando sull'interconnessione e la cooperazione dei fattori produttivi (macchinari e persone), impiegate non solo all’interno dell’azienda ma anche in tutta la filiera produttiva. Si tratta di un cambiamento del paradigma produttivo, che aspira a ridare competitività al sistema manifatturiero delle economie più consolidate, invertendo i processi di post- industrializzazione e di terziarizzazione. Nei paesi occidentali, infatti, la produzione di massa a basso contenuto di valore aggiunto ha da tempo cessato di costituire il riferimento dell’industrializzazione perché è stata progressivamente privata dei suoi mercati di riferimento. Diventa, perciò, fondamentale distinguere tra la manifattura replicativa, standard, destinata a essere attratta dai paesi low cost, e la manifattura innovativa, che invece ha buone possibilità non solo di restare, ma anche di catturare quote importanti di surplus dalle filiere mondiali a cui partecipa.

In quest’ottica, la fabbrica intelligente agisce migliorando la qualità sia dei prodotti che dei processi, all’interno di quelle nicchie di mercato che necessitano di alta specializzazione e differenziazione: sfruttando a pieno i vantaggi di una dotazione tecnologica che consente flessibilità, l’industria del futuro fa dell’orientamento al consumatore finale e della produzione su misura due capisaldi per mantenersi competitiva. Accanto a questa ottimizzazione del processo produttivo e alla realizzazione di prodotti sempre più innovativi, personalizzati e ad alto valore aggiunto la fabbrica intelligente si caratterizza per una spiccata attenzione al governo completo del ciclo di produzione che va dalla progettazione alla fidelizzazione della clientela. Servizi integrati, logistica e distribuzione, perciò, diventano variabili strategiche per razionalizzare il processo produttivo e incontrare più efficacemente le esigenze del cliente finale. Si tratta, perciò, di un sistema produttivo complesso, che aspira a imporsi non come semplice processo di riconversione tecnologica, ma come sistema integrato in cui la digitalizzazione e l’automazione si integrano con l’apporto di un capitale umano sempre più qualificato e in grado di governare i processi in modo flessibile, creativo e orientato al consumatore finale.

In tale prospettiva, le politiche pubbliche a livello di sostegno all’innovazione giocano un ruolo chiave nel processo di riconversione dell’industria verso la fabbrica intelligente; l’innovazione di processo sottesa dalla digitalizzazione e dall’IoT, infatti, rappresenta un costo ancora troppo elevato, specialmente per un tessuto imprenditoriale di piccole e medie dimensioni. Proprio per queste ragioni la Smart Factory ha visto un interesse crescente da parte dei governi e delle istituzioni europee. In ambito continentale, tale azione di promozione è ravvisabile in diversi interventi di politica industriale, tra cui l’Industrial Compact, che vede nella rivoluzione digitale il motore per far crescere il peso del manifatturiero nel Pil europeo dall'attuale 15,2% al 20% entro il 2020 e i bandi Horizon 2020 dell’Unione Europea. Questi ultimi, in particolare, pongono la fabbrica intelligente al centro della strategia per lo sviluppo e l’innovazione delle PMI e più in generale per l’efficientamento del sistema produttivo.

A livello nazionale, invece, è la Germania che sta guidando questa dinamica pubblico-privata di sostegno all’innovazione nell’ambito di un quadro strategico e di indirizzo definito Industrie 4.0 in cui si prefigura come, nel corso dei prossimi 10 -15 anni, il processo di cambiamento tecnologico potrà determinare una profonda trasformazione nell’industria. In Italia, gli ultimi governi hanno cercato di dare il loro contributo alla causa della fabbrica intelligente attraverso alcuni documenti di indirizzo e specifiche azioni di sostegno alla ricerca precompetitiva sulla scorta delle analoghe iniziative a livello europeo. In particolare ci si riferisce al programma di ricerca chiamato “LA FABBRICA DEL FUTURO”, approvato nel 2012 dal Comitato Interministeriale per la programmazione Economica (CIPE) e coordinato dal CNR, che ha tracciato il quadro del possibile sviluppo di una industria 4.0 nel sistema produttivo italiano. Tuttavia, si tratta di iniziative ancora insufficienti e il ritardo del nostro Paese rispetto alla Germania appare più che evidente.

Per non perdere ulteriore terreno, è necessario tenere ben presente quanto ha scritto Chris Anderson Chris Anderson Chris Anderson nel suo testo “Makers: Il ritorno dei produttori. Per una nuova rivoluzione industriale”, che si configura come una sorta di manifesto di questa nuova fase: “The past ten years have been about discovering new ways to create, invent, and work together o n the Web. The next ten years will be about applying those lessons to the real world”. La fabbrica intelligente appare, perciò, come una delle più promettenti direttrici dello sviluppo aziendale, che in alcuni casi sta producendo apprezzabili risultati: una visione futuristica, ad oggi ancora sperimentale, che potrebbe condurre a un cambiamento sostanziale del modello produttivo. Se, infatti, questa nuova modalità di produzione aspira a risolvere i problemi originati dalla complessità, attraverso la qualità dei prodotti e una rinnovata efficienza produttiva, tutto ciò diventa possibile solo grazie ad alcune acquisizioni tecnologiche.

Tuttavia, l’esperienza della fabbrica intelligente si distingue da un mero processo di adeguamento tecnologico, ma si configura come un approccio del tutto nuovo, che può plasmare modelli aziendali innovativi, orientati all’efficienza, alla personalizzazione del processo, alla sostenibilità ambientale e sociale. Si possono delineare alcuni ambiti evolutivi che tratteggiano tre nuovi modelli di fabbrica: Fabbriche per prodotti personalizzati; Fabbrica evolutiva, riconfigurabile e ad elevate prestazioni; Fabbrica sostenibile e per le persone. I nuovi modelli di fabbrica sono basati su diverse tipologie di tecnologie cosiddette abilitanti, intendendo con esse soluzioni hardware, software e metodologiche: Information Communication Technology (ICT) e tecnologie “Digital Factory” per la fabbrica intelligente; Tecnologie di produzione; Tecnologie di recupero materiali; Tecnologie di controllo di risorse e sistemi; Tecnologie di riconfigurazione della fabbrica; Tecnologie di gestione e manutenzione delle risorse; Tecnologie per il monitoraggio ed il controllo della qualità; Tecnologie di interazione uomo macchina.

Analizziamo ora con maggiore dettaglio cosa sta facendo l'Italia per lo sviluppo dell'Industria 4.0. Il Ministero per lo sviluppo economico ha emesso  un documento intitolato “Industry 4.0, la via italiana per la competitività del manifatturiero, con sottotitolo “Come fare della trasformazione digitale dell’industria una opportunità per la crescita e l’occupazione”, nel quale ha indicato la propria strategia d'azione. In particolare ha tracciato 8 aree di intervento per promuovere lo sviluppo della quarta rivoluzione industriale: rilanciare gli investimenti industriali con particolare attenzione a quelli in ricerca e sviluppo, conoscenza e innovazione; favorire la crescita dimensionale delle imprese; favorire la nuova imprenditorialità innovativa; definire protocolli, standard e criteri di interoperabilità condivisi a livello europeo; garantire la sicurezza delle reti (cybersecurity) e la tutela della privacy; assicurare adeguate infrastrutture di rete; diffondere le competenze per Industry 4.0; canalizzare le risorse finanziare. Secondo il Governo italiano, sono  cinque i Pilastri di Industria 4.0. Il primo pilastro riguarda la creazione di una governance adeguata per il sistema Paese, individua gli obiettivi da raggiungere e propone la costituzione di una Cabina di regia governativa. Il secondo pilastro prevede la realizzazione delle “infrastrutture abilitanti “ attraverso la realizzazione del piano banda ultralarga, lo sviluppo e la diffusione delle reti di connessione wireless  di quinta generazione, delle reti elettriche intelligenti, dei DIH  (Digital  Innovation Hubs) e di una pubblica amministrazione digitale. Il terzo pilastro prevede la progettazione di una formazione mirata alle competenze digitali: una formazione professionale di breve periodo rivolta prioritariamente a soggetti che non studiano e non lavorano, i cosiddetti Neet, o a personale impiegato in lavori in via di obsolescenza; una formazione che, nel medio periodo, potrà invece essere rivolta alle imprese con il coinvolgimento del middle management con possibile ed auspicate positive conseguenze sulla crescita dimensionale delle aziende. Il quarto pilastro è rappresentato dal rafforzamento della ricerca sia nell’ambito dell’autonomia universitaria sia in quello dei centri di ricerca internazionali. Il quinto pilastro è la cosiddetta “open innovation”, cioè una innovazione basata su standard aperti e interoperabilità e su un sistema che favorisca il Made in Italy sfruttando tutte le opportunità fornite dall’IoT.

La spinta innovatrice di Industria 4.0 influirà anche sui modelli di business: le aziende europee potranno competere sulla base della capacità di innovazione, di produrre oggetti personalizzati (attraverso fabbriche configurabili) e della qualità, invece che sulla base dei costi. È già stato sottolineato il ruolo strategico che la digitalizzazione dell’industria può avere in termini di sostenibilità ambientale e di “economia circolare”. Oltre che un fondamentale driver di innovazione di processo per tutti i settori industriali, l’approccio Industria 4.0 è per l’Italia un primario indirizzo per l’innovazione di alcuni dei prodotti più competitivi del nostro sistema quali  l’industria aeronautica e aerospaziale, la farmaceutica, il legno/arredo, la meccanica e l’automotive.       

Come esposto in precedenza, la quarta rivoluzione industriale non si riferisce a una singola e rivoluzionaria tecnologia, quanto piuttosto a un insieme di tecnologie che, grazie ad internet, possono aggregarsi in modo sistemico in nuovi paradigmi produttivi ai quali si connettono innovazioni di natura diversa a seconda del settore di processo, organizzative, di prodotto e di modello di business. La vera sfida per il Made in Italy - realizzato da un tessuto costituito principalmente da Pmi – riguarda, da un lato, la capacità imprenditoriale di condurre una “rivoluzione culturale” all’interno delle aziende e, dall’altro, un supporto attivo da parte del Governo finalizzato, attraverso azioni concrete e tangibili, ad accompagnare questa crescita e ad agganciare un treno che rischia di essere l’ultimo per l’industria manifatturiera italiana.


farneStefano Farnè 

ingegnere

dottore di ricerca in Metrologia e Sicurezza aziendale