Thuật ngữ “Công nghiệp 4.0” (Industrie 4.0 hoặc Industry 4.0) bắt nguồn từ dự án chiến lược công nghệ cao (High-tech) của chính phủ Đức, nhằm tin học hóa quy trình sản xuất trên toàn bộ vòng đời của sản phẩm, từ ý tưởng, nhu cầu cá biệt của khách hàng, phát triển sản phẩm, sản xuất, phân phối sản phẩm đến tái chế và các dịch vụ liên quan.

Nếu như cuộc cách mạng Công nghiệp 3.0 dựa trên tự động hóa bằng điện tử và công nghệ thông tin (CNTT), bởi các bộ vi điều khiển thì Công nghiệp 4.0 dựa trên việc liên kết các dây chuyền sản xuất tự động, công nghệ sản xuất, vật liệu mới, tự động hóa và số hóa toàn diện. Với Công nghiệp 4.0, các nền kinh tế sẽ chuyển đổi từ mô hình tăng trưởng chủ yếu dựa vào những yếu tố truyền thống như lao động giá rẻ, đất đai, tài nguyên... sang mô hình tăng trưởng dựa vào công nghệ, kinh tế số.

Bên cạnh đó, công nghệ thông tin và truyền thông (ICT) có tầm ảnh hưởng lớn và sâu rộng trong mọi ngành nghề kinh tế - xã hội. Hơn 90% quy trình sản xuất công nghiệp hiện nay đã ứng dụng ICT.

Sự phát triển của máy tính cá nhân, thiết bị di động thông minh kết nối với nhau bởi hạ tầng và dịch vụ CNTT thông minh (tính toán đám mây - cloud computing). Bên cạnh đó, các hệ nhúng (embedded systems) có năng lực xử lý mạnh được kết nối vô tuyến với nhau và với Internet hình thành sự hội tụ giữa thế giới thực (vật lý) và thế giới ảo (mạng). Lần đầu tiên, tài nguyên mạng, thông tin, đối tượng và con người được kết nối để tạo thành Internet vạn vật (Internet of things - IoT).

Ngày nay, Công nghiệp 4.0 đang nhận được sự quan tâm sâu sắc, đặc biệt ở các nước đang phát triển, vì nó được xem là chiến lược bản lề để theo kịp với xu hướng thế giới. Đây là yếu tố thúc đẩy các quốc gia xác định những con đường tốt nhất để đối phó hiệu quả với những thách thức đặt ra. Tại Đức, tỉ trọng công nghiệp trong GDP năm 2014 là 30,7%, tại Thái Lan là 42% còn tại Việt Nam là 38,5% (nguồn World Bank, 2015). Công nghiệp 4.0 là sự cân bằng giữa cung và cầu, cân bằng giữa độ phức tạp bên trong - bên ngoài, giữa sản xuất và tiêu dùng, giữa các vùng miền và khoảng cách địa lý khác nhau trên cơ sở tiến bộ của ICT. Công nghiệp 4.0 sẽ tạo ra sản phẩm “chính xác như khách hàng yêu cầu”. Đây là cơ hội cho Việt Nam trong quá trình hội nhập quốc tế, nhưng cũng là thách thức lớn nếu như không bắt kịp các tiến bộ khoa học kỹ thuật trong cuộc cách mạng này.

Nội dung bài báo trình bày về hạ tầng Công nghiệp 4.0, an toàn thông tin trong Công nghiệp 4.0 và một số vấn đề định hướng phát triển Công nghiệp 4.0.

Hạ tầng công nghiệp 4.0

Hạ tầng của Công nghiệp 4.0 bao gồm: Hệ thống mạng - vật lý (Cyber-Physical Systems - CPS), Internet vạn vật và điện toán đám mây. Công nghiệp 4.0 sẽ tạo ra sản phẩm là nhà máy thông minh, dùng hệ thống mạng - vật lý để giám sát quá trình sản xuất vật lý, tạo bản sao dữ liệu và ra các quyết định tập trung, dùng IoT để thực hiện trao đổi máy - máy (Machine to machine - M2M), người - máy (Human to machine - H2M) trong thời gian thực, tạo ra chuỗi giá trị.

Điện toán đám mây 

Công nghệ điện toán đám mây cho phép lưu trữ, xử lý các dữ liệu và chương trình thông qua môi trường mạng thay vì môi trường máy tính vật lý. Thuật ngữ “đám mây” là một ẩn dụ về môi trường mạng, tạo thành từ mạng lưới máy chủ khổng lồ trong một hạ tầng mạng nhằm ảo hóa quá trình xử lý, tạo nên truy xuất kết nối và truyền thông tin. Dưới góc độ thương mại, điện toán đám mây được hiểu gồm ba khía cạnh sau:

- Phần mềm ứng dụng cung cấp dịch vụ cho các doanh nghiệp thông qua môi trường internet (Software-as-a-Service: SaaS);

- Cung cấp dịch vụ cho tất cả nền tảng ứng dụng trong doanh nghiệp thông qua môi trường Internet để doanh nghiệp tự khởi tạo các ứng dụng phục vụ kinh doanh hoặc vận hành doanh nghiệp (Platform-as-a-Service: PaaS);

- Cung cấp hạ tầng lõi cho các doanh nghiệp, thông qua đó doanh nghiệp cung cấp dịch vụ cho các khách hàng của chính doanh nghiệp (Infrastructure-as-a-Service: IaaS).

Như vậy, thay vì việc mua sắm các máy chủ thì các doanh nghiệp hoàn toàn có thể sử dụng các dịch vụ của điện toán đám mây để phục vụ các hoạt động của mình.

Dữ liệu lớn (Big data)

Công nghệ Dữ liệu lớn có thể được áp dụng để khai phá thông tin liên quan đến truy nhập mạng của người sử dụng.

Trong Công nghiệp 4.0, công nghệ Big data được sử dụng để nắm bắt thị trường và cá biệt hóa sản phẩm. Khách hàng có thể can thiệp sâu vào quá trình sản xuất sản phẩm cho riêng mình. Công nghệ Big data có thể ứng dụng để nắm bắt nhu cầu của người dùng, dự báo thị trường và tối ưu hóa quá trình sản xuất. Thời gian sản phẩm thâm nhập thị trường sẽ được rút ngắn, sản phẩm sẽ phức tạp hơn, số lượng sẽ lớn hơn, hiệu quả năng lượng cao hơn và bảo vệ môi trường.

Các ứng dụng trên điện thoại thông minh cũng phát triển rất mạnh, như ứng dụng Uber, Grab Taxi... sẽ thay đổi cách con người tương tác với thiết bị. Đối với nền kinh tế số, người chiến thắng có tất cả “the winner takes all” sẽ là quy luật.

Internet vạn vật (Internet of Things)

IoT là sự phát triển của các dịch vụ Internet, không chỉ bao gồm các máy tính mà còn bao gồm các hệ thống nhúng kết nối đến các đối tượng vật lý, tất cả được nối vào mạng Internet, cho phép các thiết bị có thể tạo, trao đổi, phân tích dữ liệu và đưa ra các quyết định với sự can thiệp của con người là tối thiểu. IoT có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như chăm sóc sức khỏe thông minh, nông nghiệp thông minh, giao thông thông minh,….

Công nghệ IoT có thể cho phép các cảm biến di động, kết nối với điện toán đám mây, tích hợp với công nghệ nhúng, công nghệ di động thông minh, công nghệ dữ liệu lớn. Công nghệ IoT được xác định là nền tảng công nghệ của Công nghiệp 4.0 liên kết các dây chuyền sản xuất tự động. Mạng lưới IoT có độ phủ và quy mô rất lớn, thúc đẩy sản xuất từ quy mô nhỏ sang quy mô diện rộng, song vẫn duy trì được các tiêu chuẩn chung giữa trong nước và quốc tế.

IoT là một hệ thống phức tạp, nhưng nó bao gồm ba thành phần công nghệ chủ yếu: Các đối tượng vạn vật với cảm biến nhúng, hạ tầng kết nối và quan trọng nhất là phân tích và ứng dụng.

IoT được phân lớp chức năng thành 5 tầng, bao gồm: Tầng 5: Phân tích; Tầng 4: Ứng dụng và dịch vụ; Tầng 3: Tính toán và lưu trữ; Tầng 2: Truyền thông và mạng; Tầng 1: Vạn vật: Phần cứng, quản lý nguồn và giao thức.

An toàn thông tin trong công nghiệp 4.0

Như ở hình 1 cho thấy vai trò và mối liên kết giữa các công nghệ lõi của Công nghiệp 4.0. Trụ cột quan trọng được chú ý ngay từ khi xây dựng hạ tầng công nghiệp 4.0 là an toàn thông tin.

Công nghiệp 4.0 đặt ra yêu cầu về bảo mật và an toàn thông tin một cách đặc biệt, vì Công nghiệp 4.0 dựa chủ yếu trên kết nối hệ thống mạng - vật lý và khả năng điều khiển các đối tượng vật lý cũng như gia tăng số lượng tin tặc, hoạt động tình báo và gián điệp công nghiệp. Bảo mật và an toàn thông tin trong Công nghiệp 4.0 nhằm bảo vệ các giá trị cốt lõi của doanh nghiệp. Bảo mật trong Công nghiệp 4.0 đồng nghĩa với bảo mật trong IoT, Cloud, hệ thống mạng - vật lý, hệ điều khiển (an toàn công nghiệp), dữ liệu lớn,.... Các tấn công lên các chức năng an toàn thông tin bao gồm:

Mất tính toàn vẹn (Loss of Integrity): Tính toàn vẹn của dữ liệu sản xuất cũng như dữ liệu lưu trữ là hết sức quan trọng. Tấn công lên dữ liệu sản xuất ảnh hưởng đến chất lượng sản xuất. Trong trường hợp nghiêm trọng, các tính chất liên quan đến an toàn của sản phẩm có thể bị thay đổi làm tổn hại đến khách hàng. Tấn công phá hoại quá trình sản xuất, thay đổi dữ liệu để giả mạo chất lượng sản phẩm, gia tăng sản lượng tiêu thụ hoặc tiến hành các dịch vụ lừa đảo nhân danh nhà sản xuất, làm giảm uy tín của nhà sản xuất.

Mất tính sẵn sàng (Loss of Availability): Tấn công làm mất sản lượng, dẫn đến hoạt động của nhà sản xuất có thể bị gián đoạn hoặc xấu nhất có thể dẫn đến ngừng sản xuất. Tấn công đánh cắp nhận dạng (Identity theft) xảy ra với kẻ tấn công có được quyền truy cập hợp pháp của một cá nhân trong tổ chức. Việc xác thực trong các giao thức truy cập không thể phân biệt kẻ tấn công với người dùng thực, hợp pháp, đồng thời nảy sinh nhiều tấn công nhận dạng. Bên cạnh đó, máy móc tự động khó có thể đưa ra các quyết định mềm dẻo. Nhiều giao tiếp máy - máy sẽ gia tăng nguy cơ khi kẻ tấn công tuyên bố mình là một máy.

Mất tính tin cậy (Loss of Confidentiality): Các thông tin là tài sản của nhà sản xuất, trong nhiều trường hợp bị giới hạn thời gian yêu cầu tính tin cậy, ví dụ, các bản thiết kế hoặc các chương trình điều khiển. Dữ liệu này có thể bị đánh cắp hoặc bị sao chép bởi các hoạt động gián điệp mạng. Các hoạt động này là tinh vi và khó nhận biết; vi phạm bản quyền sản xuất; vi phạm riêng tư khách hàng.

Số lượng các điểm truy cập càng nhiều sẽ làm tăng nguy cơ truy cập trái phép. Các điểm truy cập có nguy cơ bao gồm các điểm truy nhập tự động, truy cập mở và các điểm kết nối tới các công ty khác (ví dụ để bảo trì hoặc xử lý các đơn đặt hàng). Các tin tặc còn có xu hướng tấn công vào đối tác hợp đồng tương tự, chẳng hạn tấn công từ các công ty thành viên.

Công nghiệp 4.0 cần các thuật toán mật mã mạnh. Các thách thức bao gồm: Bảo vệ các khóa trong suốt vòng đời sản xuất, tiêu thụ sản phẩm, yêu cầu công nghệ phù hợp với số lượng lớn và đa dạng các sản phẩm và hiệu quả về giá thành. Bảo mật trong Công nghiệp 4.0 được xây dựng trên các nguyên tắc giả định bao gồm: Cơ sở dữ liệu phân tán; Các chức năng bảo mật và an toàn thông tin có khả năng bị tấn công; Phát hiện tấn công và đối phó với tấn công là chức năng cơ sở; Phát hiện và phòng thủ tấn công có thể thực hiện được ở khu vực sản xuất sản phẩm.

Chiến lược phát triển công nghiệp 4.0

Công nghiệp 4.0 lấy IoT làm nền tảng liên kết các dây chuyền sản xuất tự động thông qua công nghệ robot, công nghệ vật liệu tiên tiến và công nghệ in 3D. Tại Đức đã ban hành bộ chiến lược kép (dual strategy) nhằm đưa nước Đức dẫn đầu trong Công nghiệp 4.0. Bộ chiến lược này gồm hai vành đai chiến lược xây dựng trên nền tảng IoT: (1) Chiến lược cung ứng (supplier): Triển khai CPS trong sản xuất, (2) Chiến lược thị trường (market): Tiếp thị công nghệ và các sản phẩm CPS.  Bộ chiến lược kép này có ba đặc điểm: 

- Phát triển các chuỗi giá trị giữa các công ty và các mạng lưới thông qua hội nhập theo chiều rộng.

- Số hóa từ đầu đến cuối trên toàn bộ chuỗi giá trị của cả sản phẩm và hệ thống sản xuất liên quan.

- Phát triển, triển khai và tích hợp theo chiều sâu các hệ thống sản xuất linh hoạt và có thể tái cấu hình trong các doanh nghiệp.

Đối với chiến lược cung ứng mục tiêu cần đáp ứng trang thiết bị, kỹ thuật, công nghệ phục vụ Công nghiệp 4.0 bao gồm phát triển công nghệ robot; công nghệ vật liệu tiên tiến và công nghệ in 3D; Đào tạo chuyên gia và đội ngũ nhân lực công nghệ cao phục vụ Công nghiệp 4.0.

Đối với chiến lược thị trường cần tiến hành các hoạt động tiêu chuẩn hóa công nghiệp (Standardisation) bao gồm: thành lập các trung tâm kiểm định và ban hành các tiêu chuẩn Công nghiệp 4.0, áp dụng Công nghiệp 4.0 cho các ngành nghề mũi nhọn trong nước.

Tại Việt Nam, chuyên đề về Công nghiệp 4.0 đang được Bộ Khoa học và Công nghệ xây dựng để trình Chính phủ. Do công nghệ IoT ở nước ta chưa thực sự phát triển, nên trên cơ sở bộ chiến lược kép của Đức, chúng ta cần bổ sung thêm nhóm chính sách hỗ trợ xây dựng IoT nhằm đảm bảo hạ tầng IoT cần thiết cho phát triển Công nghiệp 4.0. Chính sách phát triển IoT bao gồm xây dựng hệ sinh thái công nghiệp IoT hấp dẫn; Tăng cường năng lực kỹ thuật viên trong lớp ứng dụng và dịch vụ; Hoàn thiện hạ tầng IoT; Tự động hóa IoT.

Kết luận

Công nghiệp 4.0 đang phát triển mạnh mẽ, tạo ra cơ hội cho tất cả các nước trên thế giới, đồng thời đặt ra không ít thách thức cho mỗi quốc gia, đặc biệt là vấn đề ATTT.

Với Công nghiệp 4.0, xu hướng hội nhập toàn cầu sẽ xóa nhòa biên giới trong lĩnh vực điện tử - viễn thông và CNTT. Các sản phẩm  trên thị trường cần tuân thủ chặt chẽ các hệ thống quy chuẩn trên thế giới.

Việt Nam có nguồn nhân lực trẻ dồi dào, có đam mê và khát vọng phát triển, khả năng thích ứng và hội nhập tốt. Việt Nam là môi trường phát triển ICT thuận lợi. Trong những năm qua, ICT đã đạt được nhiều thành tựu lớn; hành lang pháp lý về ICT tiếp tục được mở rộng. Công tác đảm bảo an toàn thông tin tại các cơ quan nhà nước luôn được chú trọng. Tổng số dịch vụ công trực tuyến tăng quân bình 0,5% năm. Hạ tầng mạng viễn thông và Internet phát triển bền vững. Đây là các yếu tố nền tảng bền vững để phát triển Công nghiệp 4.0 tại Việt Nam.

Tài liệu tham khảo 1. National Internet of Things (IoT) Strategic Roadmap: A Summary (Published by: MIMOS BERHAD Technology Park Malaysia). 2. Internet of things Privacy & Security in a Connected World. 3. Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE 4.0. 4. Implementation Strategy Industrie 4.0 (Report on the results of the Industrie 4.0 Platform).