تمثل الثورة الصناعية الرابعة في ألمانيا مبادرة استراتيجية تهدف إلى إدخال تقنيات إنترنت الأشياء في قطاعي التصنيع والإنتاج. ويتمثل الهدف من ذلك في تمكين ألمانيا من الحفاظ على دور قيادي في التصنيع لتحقيق إنتاج فعال ومنخفض التكلفة مع تدفقات عمل مرنة. تتمثل الوسائل لتحقيق هذا الهدف في إدراج الأنظمة المادية السيبرانية على نطاق واسع في عمليات التصنيع والإنتاج، من أجل إدراج الذكاء في النظم والعمليات، لتمكينها من الاتصال والتواصل بشكل كبير، وتحقيق التنسيق بينهما في عمليات أكثر تعقيدًا ولكنها مرنة تؤدي إلى منتجات عالية الجودة ومنخفضة التكلفة.

تستمد الثورة الصناعية الرابعة اسمها من تحديد الصناعة الناشئة الجديدة باعتبارها الثورة الرابعة للإنتاج الصناعي. من المقبول جداً أن الإنتاج الصناعي قد مر بثلاث (3) ثورات حتى الآن. لقد كانت الثورة الصناعية الأولى بين القرن الثامن عشر الميلادي والقرن التاسع عشر الميلادي، وفيها تم إدخال مرافق الإنتاج الآلية في إنتاج السلع والخدمات، حيث تم توفير الطاقة المطلوبة بالماء والبخار. لقد تم تقديم الطاقة الكهربائية خلال الثورة الصناعية الثانية، والتي أدت إلى الإنتاج الضخم، حيث عززت الطاقة الإنتاجية. في فترة ما بعد الحرب العالمية الثانية، أدى إدراج الإلكترونيات والبرمجيات، أي تقنية المعلومات الصناعية، في المكونات الميكانيكية والكهربائية إلى الثورة الثالثة التي مكّنت الأتمتة على مستويات عالية. في الوقت الحالي، يعتقد العديد من أصحاب المصلحة في مجال الصناعة أننا على مشارف الثورة الصناعية الرابعة، من خلال اعتماد واستخدام النظم المادية السيبرانية على نطاق واسع، والتي لا تؤدي فقط إلى مستويات أعلى من الأتمتة، ولكنها تتيح أيضًا تصنيع وإنتاج كميات كبيرة من السلع والخدمات، نظرًا للمرونة التي توفرها خطوط التصنيع القابلة للبرمجة والإعداد والتحكم بسهولة.

يعتمد جهد الثورة الصناعية الرابعة على النشر والاستخدام الواسع للموارد الحاسوبية وموارد الاتصالات. لقد اتسم العقدين الأخيرين بالتقدم الكبير في الأداء العالي والمعالجات منخفضة الطاقة والذاكرات ومكونات الاتصالات التي تمكن من المعالجة والربط الشبكي بكفاءة. جلبت هذه التطورات قدرات معالجة كبيرة لعدد كبير من الأجهزة التي تم تطويرها للمستهلكين أو للمجال الصناعي. أصبحت الأجهزة الاستهلاكية الذكية تمثل القاعدة في الاستخدام. توفر الهواتف الذكية مئات التطبيقات وتمكن من خدمات تتراوح بين تحديد طرق السفر والنقل إلى الخدمات المصرفية عبر الهاتف المحمول والمراقبة الصحية. توفر أجهزة التلفزيون الذكية أنواعًا مختلفة من خدمات الترفيه والشبكات، بدءًا من التحكم في قناة التلفزيون المخصصة وإدارتها إلى ألعاب الإنترنت وإدارة الأجهزة المنزلية. تراقب الأجهزة المنزلية الذكية المعلمات، من درجات الحرارة البيئية إلى استهلاك المياه والطاقة، وتمكّن الأفراد من إدارة منازلهم بكفاءة وفعالية مما يؤدي إلى جودة المعيشة المطلوبة مع تقليل التكلفة التشغيلية على مختلف الوجهات.

أصبح الأساس الكبير للموارد الحاسوبية والاتصال واضحًا من خلال الأرقام المنشورة من المعالجات المضمنة والمكونات التي يتم إنتاجها حاليًا. وفقًا لتقرير وزارة التجارة والاستثمار الألمانية، يتم نشر الغالبية العظمى من المعالجات المنتجة، حوالي 98٪، في الأنظمة المضمنة. تنمو ذاكرة أشباه الموصلات المنتشرة أيضًا ومن المتوقع أن تنمو بمعدل 40٪ سنويًا في عام 2017. علاوة على ذلك، أدى التقدم الكبير الذي أحرزته الشبكات السلكية واللاسلكية في العقدين الأخيرين إلى توفر إمكانية الاتصال في كل مكان، وتقترب نسبة التوفر من 100 ٪ في المدن والبلدات، من خلال تقنيات مختلفة.

أدت قدرات المعالجة والاتصال المتاحة في الوقت الحالي إلى تسلسل هرمي متطور للأنظمة والخدمات المضمنة تصل إلى مستوى إنترنت الأشياء والبيانات والخدمات. يمكن التعرف على أمثلة لهذا التطور في العديد من مجالات التطبيق. في مجال النقل، على سبيل المثال، تمثل الأنظمة المضمنة وظائف تحكم واسعة النطاق بدءاً من أنظمة الترفيه في السيارة إلى التحكم في مقعد السيارة. في هذا المستوى، تتم برمجة المعالجات المضمنة للتحكم في معلمات معينة، مثل الارتفاع والحركة في مقاعد السيارة، بناءً على أوامر المستخدم. ومع ذلك، فإن الأنظمة المضمنة في السيارات تكون أيضًا متصلة بالشبكة، إما داخل نظام السيارة أو مع البيئة المحيطة، مما يوفر خدمات مضمنة في الشبكة ؛ يمثل الدفع التلقائي للرسوم أحد هذه الأنظمة حيث تتواصل الأنظمة المضمنة في السيارة وأكشاك الرسوم مع بعضها البعض، من أجل إتمام معاملة الدفع الإلكتروني الخاصة برسوم المرور على الطرق. على سبيل المثال، يمكن دمج أنظمة الدفع هذه من عدة رسوم في نظام موزع يتيح إدارة حركة المرور والتحصيل على نطاق أوسع، مما يؤدي إلى بنية تحتية أكثر فاعلية للنقل تحقق أوقات انتظار وتكاليف وقود أقل للمسافرين فضلاً عن انخفاض تكلفة التشغيل، وبالتالي، تحقق دخل أعلى لسلطات إدارة النقل. يمكن للمرء حتى تصور مستوى أعلى من الاتصال بين أنظمة النقل المعقدة بالمدن الذكية التي تجمع بين إدارة النقل والخدمات الإضافية، مثل توزيع الطاقة، والخدمات المدنية، وخدمات الطوارئ، وما إلى ذلك، كما هو مطلوب في أوقات ومواقع مختلفة وأثناء أحداث خاصة.

تُقدم تقنيات الاستشعار، بالإضافة إلى تطور الأنظمة وشبكات الاتصال المضمنة، ما يجعل كل هذه السيناريوهات واقعية. الأهم من ذلك، تقوم أجهزة الاستشعار بسد الفجوة بين العالم المادي والعالم الرقمي، وتوفر المعلومات الغنية على نحو متزايد للأنظمة الرقمية وتمكّن التحكم الذكي في النظم والعمليات. في هذا الصدد، قامت الصناعات التحويلية والأتمتة الصناعية باستخدام تقنية المعلومات مع أجهزة الاستشعار والأنظمة الكهروميكانيكية، مما أدى إلى تطوير ونشر التقنيات والمفاهيم من أجل التحكم الذكي والأنظمة والخدمات. وبالتالي، يأتي تطوير استراتيجية الثورة الصناعية الرابعة والمبادرات ذات الصلة كخطوة تطور طبيعي للتقنيات الصناعية التي تؤثر على تقدم تقنيات المستهلك لإنترنت الأشياء وتتأثر بها.

يجسد مفهوم المصنع الذكي أهداف الثورة الصناعية الرابعة بدرجة كبيرة. يعتمد هذا المفهوم على التسلسل الهرمي للأنظمة المادية الإلكترونية المذكورة أعلاه، حيث ترتبط أنظمة الإنتاج الذكية في تسلسل هرمي متعدد المستويات لتحقيق درجة عالية من الأتمتة، واستهداف المرونة، والكفاءة، والاستقلالية، وسهولة التكيف، والسلامة، والتكلفة المنخفضة. سيتم ربط الأجهزة الذكية لإنشاء وحدات صناعية ذكية، والتي بدورها سيتم دمجها لتوفير المصانع الذكية. بالنظر إلى المكونات النمطية لعملية التصنيع، فإن المصانع الذكية تهدف إلى أتمتة جميع المكونات والمراحل بكفاءة. سيتم إدارة المواد والموارد وإدخالها في العملية بكفاءة ؛ ستتم إدارة معالجة الإنتاج في الوقت الحقيقي لتقليل الموارد المستخدمة للمنتجات والعمليات إلى الحد الأدنى، في حين أن إعادة إعداد وتنظيم عمليات الإنتاج وتخصيص المنتجات ستكون ممكنة في الوقت الحقيقي مع ضمان الأمن للبنية التحتية والمشغلين، مما يقلل من التأثير البيئي. سيكون العملاء قادرين على مراقبة التقدم الذي يتم احرازه في تطوير المنتجات المطلوبة، في حين أن الشركات المصنعة ستعمل على تحسين سلاسل الخدمات اللوجستية الخاصة بها.