基于微笑曲線理論視角下的工業4.0*

張合偉 段國林

(河北工業大學機械工程學院，天津300130)

基于微笑曲線理論視角下的工業4.0*

張合偉 段國林

(河北工業大學機械工程學院，天津300130)

工業4.0時代，傳感器無處不在，幾組數據就可以定義一個人的性格特點。智能生產、智能產品、生產服務、云工廠、綠色制造工程以及人機交互等都是大數據時代的重要特征。通過引入微笑曲線理論，更加透徹分析4.0時代發展趨向，便于企業轉型。建設智能化數字工廠勢在必行，中國應該牢牢抓住這個時機，結合自身國情，積極調整國家戰略，加速由制造大國向制造強國轉型的進程。

工業4.0;傳感器;微笑曲線;智能產品

2013年4月份德國政府提出“工業4.0”戰略，2015年3月份中國提出“中國制造2025”，旨在加快中國從制造大國向制造強國的轉變進程，2016年1月，漢德資本聯合中國化工集團及國新國際投資有限公司以9.25億歐元收購德國克勞斯瑪菲集團，此項交易加速中國制造2025與工業4.0的對接。德國的工業4.0、美國的工業互聯網以及中國制造2025，實質上一樣，強調智能制造、智能生產，建設智能化的數字工廠。“工業4.0”就是以智能制造為主導的第四次工業革命，兩個核心主題是智能工廠和智能生產，該戰略旨在通過充分利用信息通訊技術和信息物理系統(cyber-physical system)相結合的手段，將制造向智能化轉型[1]。要實現智能制造，就要以市場為導向，要以客戶為核心，從客戶端開始，再到客戶端結束進行設計全新的管理運營模式。將物理設備與物聯網連接，形成一個信息制造系統，將傳感器、計算機終端。智能裝配控制系統、無線傳輸裝置組合起來，從而將機器設備、原材料、制造環境和客戶緊密連在一起，實時交互與檢測，實現智能生產與制造。

全球制造業成四級梯隊局面：第一梯隊以美國為代表核心科技制造大國[2]；第二梯隊以歐盟、日本為代表的高端產品制造領域；第三梯隊以中國為代表中低端產品制造領域；第四梯隊以非洲為代表的資源輸出國家。

目前工業4.0尚處于初級階段,如何改革未來的發展模式,已成為亟待解決的重大問題。關于工業4.0的研究成果主要集中人工智能方面，而微笑曲線理論在IT產業、制造業方面的成功應用,為未來商業模式的深化改革提供了一個良好的思路。

1 工業4.0微笑曲線理論的基本內容

1.1 微笑曲線理論

臺灣宏基集團創辦人施振榮先生為再造宏基于1992年提出著名的微笑曲線理論，“微笑曲線”(見圖1)又叫“附加值曲線”，是產業鏈上各價值環節附加值高低的客觀表現，因此微笑曲線也可以看作是產業價值鏈[3]。

從圖1上可以看出，制造業產業價值鏈上，附加值更多的體現在微笑曲線的兩端，即產品設計環節和營銷服務環節。隨著研發投入和售后服務的加強，產品的附加價值會逐步上升，而處于微笑曲線底端的加工制造環節所帶來的附加價值最低，并且隨著市場競爭的日益激烈，中間制造環節的利潤空間會越來越小，從產品整體價值角度來看，制造生產所創造的價值約占整體價值的 30%，而服務所創造的價值約占70%。

1.2 工業4.0微笑曲線定位

工業4.0時代，核心是數據，如同微笑曲線，加工制造環節所帶來的附加價值微乎其微，而處于兩端的數據和服務則會帶來更大的附加價值，所以我們要積極采集各種數據，建立實時更新的數據倉庫，并且加強服務管理。未來時代，誰掌握數據就將掌握主動權，同時商業模式也隨之發生巨大改變，生產商不再是賣產品，而是賣服務。2012年9月19日，根據傳感器傳回的數據顯示，一架春秋航空飛機的二號發動機風扇振動值突然升高，GE公司在上海的航空支援中心立即向春秋航空公司發出警示消息，經排查后發現，發動機的兩片風扇扇葉被外物擊傷，損壞風扇葉片很快被更換，成功避免了一場飛機意外事故。4.0時代，不再賣產品，而是賣服務，無處不在的傳感器，源源不斷地傳送數據，我們可以知道產品的實時情況，進而可以更好地服務客戶，如同微笑曲線，加工制造甚至銷售產品所帶來的附加價值也遠遠不及服務所帶來的附加值。4.0時代，誰掌握數據，誰就可以更好地服務客戶，從而贏得競爭，使利潤更大化。

2 工業模塊分析

工業4.0時代，強調人機交互、智能生產，不同功能的智能單元組成生產線，不同的智能生產線組成智能車間，不同的智能車間組成智能工廠，不同領域的智能工廠組成智能生產系統[4]。智能生產系統與互聯網連接，互聯網根據訂單自動分配合適的工廠，自動組織生產設備進行生產，聯系物流終端進行運輸，并通過電子信息技術追蹤產品去向，接收數據，提升服務度，實現智能生產、智能產品以及智能物流。工業4.0模塊圖如圖2所示。

2.1 智能生產

在工業4.0時代，訂單來自互聯網平臺，只需工廠的局域網與互聯網平臺相連，互聯網收到訂單后會自動選擇合適的工廠生產，工廠局域網接到訂單后，會自動與供應商溝通，準備急需的原材料，同時會自動組織生產設備進行生產，車間里的每個零件有一個特有的射頻識別碼，沿生產線會實現自動對話，到達某個工位時，屏幕上會顯示該工位工作的內容，并可根據工作人員的情況不同自動調整，車間生產需要某種原料時，屏幕上會自動顯示，機器手臂持掃描器掃描，對應的條形碼信息傳送到自動化倉庫系統，ERP(管理信息系統)發出指令讓智能物流系統去倉庫搬運對應的原材料，通過升降機運送到生產線，生產線配有在線監測和誤差補償系統，依靠傳感器收集數據，實現對產品的實時監測，保證產品質量。完成時，工廠局域網會自動聯系物流公司，保證送貨及時。生產期間，客戶會通過互聯網平臺實時知道產品的生產情況，期間若對產品的生產要求所有改變，只要提前通知即可，每個完工后的產品都有一個電子編碼，記錄著產品的詳細信息，發貨后工廠通過互聯網平臺及時跟蹤產品的去向以及售后問題，實現從智能信息管理到產品生產、制造，最后通過智能物流運送到客戶手中，形成一套標準的“工業4.0”生產模式。

2.2 智能產品

智能產品也是工業4.0時代的一個重要特征。工廠完成的智能產品具有信息存儲、自我檢測以及無線傳送等功能。每個產品都有一個電子編碼，通過掃描電子編碼即可查詢該產品工藝參數及制造工藝流程等信息，同時產品還能實現自身的實時檢測，當檢查到故障信號時，會通過無線傳輸功能將產生故障的位置及原因發往智能控制終端[5]。

大數據時代的產品，都會有一個傳感器，會實時將收集到客戶的數據發往云端，比如，制鞋公司將每一雙鞋安裝傳感器，傳感器會將用戶的數據源源不斷地傳送回來，通過分析這些數據，可以生產出更加舒適的運動鞋，同時可以根據這些數據為客戶定制最合適的鞋。

2.3 生產服務化

大數據時代，傳感器無所不在，幾組數據就可以定義一個人的性格特點，同理無處不在的傳感器會將客戶使用的產品數據源源不斷地發往云端，通過分析數據可以得知產品的使用情況，可以更好地為客戶服務，提高滿意度。以GE公司為例，GE公司最初是生產航空發動機，后來變為出租發動機，成功地完成了從制造業向服務業的轉變。他們在每一臺發動機上裝有傳感器，對發動機進行實時監控，通過分析數據，可以將有問題的發動機及時更換，杜絕事故發生，提高客戶滿意度。GE正是基于大數據技術才得以成功轉型。

2.4 云工廠

工業4.0時代，所有工廠的局域網都與互聯網相連，通過可以實現資源的合理利用，比如當生產某一批產品時，該工廠的生產線過于繁忙，互聯網平臺可以智能查找，別廠生產線是否空閑，將產品調往空閑生產線生產，實現資源的最大化利用。

2.5 數據建模

數據時代企業必須搜集所有必需信息，如(客戶需求信息、供應商信息、產品設計信息等)，獲取以上信息的最終目的是構建一個龐大的數據倉庫，這個倉庫將來成為這個企業的核心，也是最大核動力。將倉庫中的數據模型根據采集點的不同，搭建起對應工廠模擬應用場景，讓數據能在該模型下同樣順利流轉，甚至輸入新的數據后也能在該模型下正常流轉。這個模型會在企業追尋工業4.0的道路上不斷完善數據，在企業的日后發展中，源源不斷地給企業產生由內到外和由外到內的價值流。

2.6 跨界公司

工業4.0時代，工業的跨界競爭將會變得愈加激烈，也將顛覆原有的商業框架。例如水杯生產商，會在每個保溫杯上安裝傳感器，傳感器會把客戶的信息源源不斷傳往遠端，通過分析這些數據，會對客戶的身體健康情況了如指掌，倘若這家公司變成保險公司的話，相信肯定會有很好的效益。大數據時代，傳感器無所不在，誰掌握大量數據，就可以先發制人。

2.7 人機交互

高度智能化的數字工廠，機械人取代工人的手工勞動，將人的不穩定性對產品質量的影響降到最小，但人依然是不可或缺的，機器人始終不能全權取代人的位置，工人更多的作用是對生產線提出改進意見，更好地實現人機交互。增強現實(augmented reality,AR)，是一種將真實世界與虛擬世界“無縫”集成的新型技術，這樣蓬勃發展的AR恰好迎合了處于工業4.0變革時期的制造業的諸多期盼，同時為變革中的制造業帶來新的契機。

工業4.0時代下的供應鏈組合及企業的模式轉型，為工業化和信息化融合打破了以往的束縛；信息物理系統CPS，融合環境感知、實時通訊和后臺計算決策，為智能工廠打下良好的基礎[6]。

3 結語

大數據時代，強調虛擬世界與物理世界的融合，即CPS(信息物理系統)，這是一個智能系統，將CPS與制造業融合，實現智能生產。本文引入微笑曲線分析，更有利于理解工業4.0的發展模式，相對加工制造環節產生的附加價值，數據和服務將會帶來更大的附加值。不能否認，我國的制造業，在以往的國際競爭中，始終處于劣勢。而此次以信息化帶動的新一輪的工業整體升級，也許正孕育著一次趕超的機會。工業4.0所提供的不僅僅是一個概念、產品或者解決方案，更是一個解決問題的思路和方法。如果我國企業能夠從中有所領悟，這才是其對中國制造業的最大貢獻。

[1] 姜巍.“工業4.0”時代的中國制造業升級[J].中國發展觀察,2015(3):37-38.

[2]丁純,李君揚.德國“工業4.0”：內容，動因與前景及其啟示[J].德國研究，2014(4)：005.

[3]呂乃基，蘭霞.微笑曲線的知識論釋義[J].東南大學學報:哲學社會科學版,2010(5):18-19.

[4]常杉.工業4.0：智能化工廠與生產[J].化工原理，2013(11):21-25.

[5]羅文.德國工業4.0戰略對我國推進工業轉型升級的啟示[J].可編程控制器與工廠自動化，2014(9):36-39.

[6]裴長洪,于燕.德國“工業 4.0”與中德制造業合作新發展[J].財經問題研究,2014(10):27-33.

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Industry 4.0 based on the perspective of the smile curve theory

ZHANG Hewei， DUAN Guolin

(School of Mechanical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130,CHN)

Industry 4.0 era, sensors everywhere, several sets of data can define a person's character. Important features are the big data era of intelligent production, intelligent products, production services, cloud factory, green manufacturing engineering and human-computer interaction. By introducing the smile curve theory, business development model, to facilitate business transformation. Building intelligent digital factory is imperative that China should firmly seize this opportunity, with its own national conditions, and actively adjust the national strategy to accelerate the process by the manufacturing power to create powerful transformation.

Industry 4.0;sensor;smiling curve;intelligent production

*河北省自然基金項目(F2014202241)

F120.4

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.002

張合偉，男，1990年生，碩士研究生，主要從事制造信息化及智能CAD布局研究。

(編輯 譚弘穎)

2016-03-08)

160907