張合偉 段國(guó)林

(河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300130)

基于微笑曲線理論視角下的工業(yè)4.0*

張合偉 段國(guó)林

(河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300130)

工業(yè)4.0時(shí)代，傳感器無(wú)處不在，幾組數(shù)據(jù)就可以定義一個(gè)人的性格特點(diǎn)。智能生產(chǎn)、智能產(chǎn)品、生產(chǎn)服務(wù)、云工廠、綠色制造工程以及人機(jī)交互等都是大數(shù)據(jù)時(shí)代的重要特征。通過(guò)引入微笑曲線理論，更加透徹分析4.0時(shí)代發(fā)展趨向，便于企業(yè)轉(zhuǎn)型。建設(shè)智能化數(shù)字工廠勢(shì)在必行，中國(guó)應(yīng)該牢牢抓住這個(gè)時(shí)機(jī)，結(jié)合自身國(guó)情，積極調(diào)整國(guó)家戰(zhàn)略，加速由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)型的進(jìn)程。

工業(yè)4.0;傳感器;微笑曲線;智能產(chǎn)品

2013年4月份德國(guó)政府提出“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，2015年3月份中國(guó)提出“中國(guó)制造2025”，旨在加快中國(guó)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變進(jìn)程，2016年1月，漢德資本聯(lián)合中國(guó)化工集團(tuán)及國(guó)新國(guó)際投資有限公司以9.25億歐元收購(gòu)德國(guó)克勞斯瑪菲集團(tuán)，此項(xiàng)交易加速中國(guó)制造2025與工業(yè)4.0的對(duì)接。德國(guó)的工業(yè)4.0、美國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以及中國(guó)制造2025，實(shí)質(zhì)上一樣，強(qiáng)調(diào)智能制造、智能生產(chǎn)，建設(shè)智能化的數(shù)字工廠。“工業(yè)4.0”就是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，兩個(gè)核心主題是智能工廠和智能生產(chǎn)，該戰(zhàn)略旨在通過(guò)充分利用信息通訊技術(shù)和信息物理系統(tǒng)(cyber-physical system)相結(jié)合的手段，將制造向智能化轉(zhuǎn)型[1]。要實(shí)現(xiàn)智能制造，就要以市場(chǎng)為導(dǎo)向，要以客戶為核心，從客戶端開(kāi)始，再到客戶端結(jié)束進(jìn)行設(shè)計(jì)全新的管理運(yùn)營(yíng)模式。將物理設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)連接，形成一個(gè)信息制造系統(tǒng)，將傳感器、計(jì)算機(jī)終端。智能裝配控制系統(tǒng)、無(wú)線傳輸裝置組合起來(lái)，從而將機(jī)器設(shè)備、原材料、制造環(huán)境和客戶緊密連在一起，實(shí)時(shí)交互與檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)與制造。

全球制造業(yè)成四級(jí)梯隊(duì)局面：第一梯隊(duì)以美國(guó)為代表核心科技制造大國(guó)[2]；第二梯隊(duì)以歐盟、日本為代表的高端產(chǎn)品制造領(lǐng)域；第三梯隊(duì)以中國(guó)為代表中低端產(chǎn)品制造領(lǐng)域；第四梯隊(duì)以非洲為代表的資源輸出國(guó)家。

目前工業(yè)4.0尚處于初級(jí)階段,如何改革未來(lái)的發(fā)展模式,已成為亟待解決的重大問(wèn)題。關(guān)于工業(yè)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(chǎn)業(yè)、制造業(yè)方面的成功應(yīng)用,為未來(lái)商業(yè)模式的深化改革提供了一個(gè)良好的思路。

1 工業(yè)4.0微笑曲線理論的基本內(nèi)容

1.1 微笑曲線理論

臺(tái)灣宏基集團(tuán)創(chuàng)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(jiàn)圖1)又叫“附加值曲線”，是產(chǎn)業(yè)鏈上各價(jià)值環(huán)節(jié)附加值高低的客觀表現(xiàn)，因此微笑曲線也可以看作是產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈[3]。

從圖1上可以看出，制造業(yè)產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈上，附加值更多的體現(xiàn)在微笑曲線的兩端，即產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和營(yíng)銷(xiāo)服務(wù)環(huán)節(jié)。隨著研發(fā)投入和售后服務(wù)的加強(qiáng)，產(chǎn)品的附加價(jià)值會(huì)逐步上升，而處于微笑曲線底端的加工制造環(huán)節(jié)所帶來(lái)的附加價(jià)值最低，并且隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，中間制造環(huán)節(jié)的利潤(rùn)空間會(huì)越來(lái)越小，從產(chǎn)品整體價(jià)值角度來(lái)看，制造生產(chǎn)所創(chuàng)造的價(jià)值約占整體價(jià)值的 30%，而服務(wù)所創(chuàng)造的價(jià)值約占70%。

1.2 工業(yè)4.0微笑曲線定位

工業(yè)4.0時(shí)代，核心是數(shù)據(jù)，如同微笑曲線，加工制造環(huán)節(jié)所帶來(lái)的附加價(jià)值微乎其微，而處于兩端的數(shù)據(jù)和服務(wù)則會(huì)帶來(lái)更大的附加價(jià)值，所以我們要積極采集各種數(shù)據(jù)，建立實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，并且加強(qiáng)服務(wù)管理。未來(lái)時(shí)代，誰(shuí)掌握數(shù)據(jù)就將掌握主動(dòng)權(quán)，同時(shí)商業(yè)模式也隨之發(fā)生巨大改變，生產(chǎn)商不再是賣(mài)產(chǎn)品，而是賣(mài)服務(wù)。2012年9月19日，根據(jù)傳感器傳回的數(shù)據(jù)顯示，一架春秋航空飛機(jī)的二號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇振動(dòng)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(fā)出警示消息，經(jīng)排查后發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的兩片風(fēng)扇扇葉被外物擊傷，損壞風(fēng)扇葉片很快被更換，成功避免了一場(chǎng)飛機(jī)意外事故。4.0時(shí)代，不再賣(mài)產(chǎn)品，而是賣(mài)服務(wù)，無(wú)處不在的傳感器，源源不斷地傳送數(shù)據(jù)，我們可以知道產(chǎn)品的實(shí)時(shí)情況，進(jìn)而可以更好地服務(wù)客戶，如同微笑曲線，加工制造甚至銷(xiāo)售產(chǎn)品所帶來(lái)的附加價(jià)值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及服務(wù)所帶來(lái)的附加值。4.0時(shí)代，誰(shuí)掌握數(shù)據(jù)，誰(shuí)就可以更好地服務(wù)客戶，從而贏得競(jìng)爭(zhēng)，使利潤(rùn)更大化。

2 工業(yè)模塊分析

工業(yè)4.0時(shí)代，強(qiáng)調(diào)人機(jī)交互、智能生產(chǎn)，不同功能的智能單元組成生產(chǎn)線，不同的智能生產(chǎn)線組成智能車(chē)間，不同的智能車(chē)間組成智能工廠，不同領(lǐng)域的智能工廠組成智能生產(chǎn)系統(tǒng)[4]。智能生產(chǎn)系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)連接，互聯(lián)網(wǎng)根據(jù)訂單自動(dòng)分配合適的工廠，自動(dòng)組織生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，聯(lián)系物流終端進(jìn)行運(yùn)輸，并通過(guò)電子信息技術(shù)追蹤產(chǎn)品去向，接收數(shù)據(jù)，提升服務(wù)度，實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)、智能產(chǎn)品以及智能物流。工業(yè)4.0模塊圖如圖2所示。

2.1 智能生產(chǎn)

在工業(yè)4.0時(shí)代，訂單來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，只需工廠的局域網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)相連，互聯(lián)網(wǎng)收到訂單后會(huì)自動(dòng)選擇合適的工廠生產(chǎn)，工廠局域網(wǎng)接到訂單后，會(huì)自動(dòng)與供應(yīng)商溝通，準(zhǔn)備急需的原材料，同時(shí)會(huì)自動(dòng)組織生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，車(chē)間里的每個(gè)零件有一個(gè)特有的射頻識(shí)別碼，沿生產(chǎn)線會(huì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)話，到達(dá)某個(gè)工位時(shí)，屏幕上會(huì)顯示該工位工作的內(nèi)容，并可根據(jù)工作人員的情況不同自動(dòng)調(diào)整，車(chē)間生產(chǎn)需要某種原料時(shí)，屏幕上會(huì)自動(dòng)顯示，機(jī)器手臂持掃描器掃描，對(duì)應(yīng)的條形碼信息傳送到自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)，ERP(管理信息系統(tǒng))發(fā)出指令讓智能物流系統(tǒng)去倉(cāng)庫(kù)搬運(yùn)對(duì)應(yīng)的原材料，通過(guò)升降機(jī)運(yùn)送到生產(chǎn)線，生產(chǎn)線配有在線監(jiān)測(cè)和誤差補(bǔ)償系統(tǒng)，依靠傳感器收集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證產(chǎn)品質(zhì)量。完成時(shí)，工廠局域網(wǎng)會(huì)自動(dòng)聯(lián)系物流公司，保證送貨及時(shí)。生產(chǎn)期間，客戶會(huì)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)時(shí)知道產(chǎn)品的生產(chǎn)情況，期間若對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)要求所有改變，只要提前通知即可，每個(gè)完工后的產(chǎn)品都有一個(gè)電子編碼，記錄著產(chǎn)品的詳細(xì)信息，發(fā)貨后工廠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)及時(shí)跟蹤產(chǎn)品的去向以及售后問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)從智能信息管理到產(chǎn)品生產(chǎn)、制造，最后通過(guò)智能物流運(yùn)送到客戶手中，形成一套標(biāo)準(zhǔn)的“工業(yè)4.0”生產(chǎn)模式。

2.2 智能產(chǎn)品

智能產(chǎn)品也是工業(yè)4.0時(shí)代的一個(gè)重要特征。工廠完成的智能產(chǎn)品具有信息存儲(chǔ)、自我檢測(cè)以及無(wú)線傳送等功能。每個(gè)產(chǎn)品都有一個(gè)電子編碼，通過(guò)掃描電子編碼即可查詢?cè)摦a(chǎn)品工藝參數(shù)及制造工藝流程等信息，同時(shí)產(chǎn)品還能實(shí)現(xiàn)自身的實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)檢查到故障信號(hào)時(shí)，會(huì)通過(guò)無(wú)線傳輸功能將產(chǎn)生故障的位置及原因發(fā)往智能控制終端[5]。

大數(shù)據(jù)時(shí)代的產(chǎn)品，都會(huì)有一個(gè)傳感器，會(huì)實(shí)時(shí)將收集到客戶的數(shù)據(jù)發(fā)往云端，比如，制鞋公司將每一雙鞋安裝傳感器，傳感器會(huì)將用戶的數(shù)據(jù)源源不斷地傳送回來(lái)，通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)，可以生產(chǎn)出更加舒適的運(yùn)動(dòng)鞋，同時(shí)可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)為客戶定制最合適的鞋。

2.3 生產(chǎn)服務(wù)化

大數(shù)據(jù)時(shí)代，傳感器無(wú)所不在，幾組數(shù)據(jù)就可以定義一個(gè)人的性格特點(diǎn)，同理無(wú)處不在的傳感器會(huì)將客戶使用的產(chǎn)品數(shù)據(jù)源源不斷地發(fā)往云端，通過(guò)分析數(shù)據(jù)可以得知產(chǎn)品的使用情況，可以更好地為客戶服務(wù)，提高滿意度。以GE公司為例，GE公司最初是生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)，后來(lái)變?yōu)槌鲎獍l(fā)動(dòng)機(jī)，成功地完成了從制造業(yè)向服務(wù)業(yè)的轉(zhuǎn)變。他們?cè)诿恳慌_(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上裝有傳感器，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)分析數(shù)據(jù)，可以將有問(wèn)題的發(fā)動(dòng)機(jī)及時(shí)更換，杜絕事故發(fā)生，提高客戶滿意度。GE正是基于大數(shù)據(jù)技術(shù)才得以成功轉(zhuǎn)型。

2.4 云工廠

工業(yè)4.0時(shí)代，所有工廠的局域網(wǎng)都與互聯(lián)網(wǎng)相連，通過(guò)可以實(shí)現(xiàn)資源的合理利用，比如當(dāng)生產(chǎn)某一批產(chǎn)品時(shí)，該工廠的生產(chǎn)線過(guò)于繁忙，互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可以智能查找，別廠生產(chǎn)線是否空閑，將產(chǎn)品調(diào)往空閑生產(chǎn)線生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用。

2.5 數(shù)據(jù)建模

數(shù)據(jù)時(shí)代企業(yè)必須搜集所有必需信息，如(客戶需求信息、供應(yīng)商信息、產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息等)，獲取以上信息的最終目的是構(gòu)建一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，這個(gè)倉(cāng)庫(kù)將來(lái)成為這個(gè)企業(yè)的核心，也是最大核動(dòng)力。將倉(cāng)庫(kù)中的數(shù)據(jù)模型根據(jù)采集點(diǎn)的不同，搭建起對(duì)應(yīng)工廠模擬應(yīng)用場(chǎng)景，讓數(shù)據(jù)能在該模型下同樣順利流轉(zhuǎn)，甚至輸入新的數(shù)據(jù)后也能在該模型下正常流轉(zhuǎn)。這個(gè)模型會(huì)在企業(yè)追尋工業(yè)4.0的道路上不斷完善數(shù)據(jù)，在企業(yè)的日后發(fā)展中，源源不斷地給企業(yè)產(chǎn)生由內(nèi)到外和由外到內(nèi)的價(jià)值流。

2.6 跨界公司

工業(yè)4.0時(shí)代，工業(yè)的跨界競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)變得愈加激烈，也將顛覆原有的商業(yè)框架。例如水杯生產(chǎn)商，會(huì)在每個(gè)保溫杯上安裝傳感器，傳感器會(huì)把客戶的信息源源不斷傳往遠(yuǎn)端，通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)，會(huì)對(duì)客戶的身體健康情況了如指掌，倘若這家公司變成保險(xiǎn)公司的話，相信肯定會(huì)有很好的效益。大數(shù)據(jù)時(shí)代，傳感器無(wú)所不在，誰(shuí)掌握大量數(shù)據(jù)，就可以先發(fā)制人。

2.7 人機(jī)交互

高度智能化的數(shù)字工廠，機(jī)械人取代工人的手工勞動(dòng)，將人的不穩(wěn)定性對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響降到最小，但人依然是不可或缺的，機(jī)器人始終不能全權(quán)取代人的位置，工人更多的作用是對(duì)生產(chǎn)線提出改進(jìn)意見(jiàn)，更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality,AR)，是一種將真實(shí)世界與虛擬世界“無(wú)縫”集成的新型技術(shù)，這樣蓬勃發(fā)展的AR恰好迎合了處于工業(yè)4.0變革時(shí)期的制造業(yè)的諸多期盼，同時(shí)為變革中的制造業(yè)帶來(lái)新的契機(jī)。

工業(yè)4.0時(shí)代下的供應(yīng)鏈組合及企業(yè)的模式轉(zhuǎn)型，為工業(yè)化和信息化融合打破了以往的束縛；信息物理系統(tǒng)CPS，融合環(huán)境感知、實(shí)時(shí)通訊和后臺(tái)計(jì)算決策，為智能工廠打下良好的基礎(chǔ)[6]。

3 結(jié)語(yǔ)

大數(shù)據(jù)時(shí)代，強(qiáng)調(diào)虛擬世界與物理世界的融合，即CPS(信息物理系統(tǒng))，這是一個(gè)智能系統(tǒng)，將CPS與制造業(yè)融合，實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)。本文引入微笑曲線分析，更有利于理解工業(yè)4.0的發(fā)展模式，相對(duì)加工制造環(huán)節(jié)產(chǎn)生的附加價(jià)值，數(shù)據(jù)和服務(wù)將會(huì)帶來(lái)更大的附加值。不能否認(rèn)，我國(guó)的制造業(yè)，在以往的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，始終處于劣勢(shì)。而此次以信息化帶動(dòng)的新一輪的工業(yè)整體升級(jí)，也許正孕育著一次趕超的機(jī)會(huì)。工業(yè)4.0所提供的不僅僅是一個(gè)概念、產(chǎn)品或者解決方案，更是一個(gè)解決問(wèn)題的思路和方法。如果我國(guó)企業(yè)能夠從中有所領(lǐng)悟，這才是其對(duì)中國(guó)制造業(yè)的最大貢獻(xiàn)。

[1] 姜巍.“工業(yè)4.0”時(shí)代的中國(guó)制造業(yè)升級(jí)[J].中國(guó)發(fā)展觀察,2015(3):37-38.

[2]丁純,李君揚(yáng).德國(guó)“工業(yè)4.0”：內(nèi)容，動(dòng)因與前景及其啟示[J].德國(guó)研究，2014(4)：005.

[3]呂乃基，蘭霞.微笑曲線的知識(shí)論釋義[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版,2010(5):18-19.

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

[5]羅文.德國(guó)工業(yè)4.0戰(zhàn)略對(duì)我國(guó)推進(jìn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的啟示[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2014(9):36-39.

[6]裴長(zhǎng)洪,于燕.德國(guó)“工業(yè) 4.0”與中德制造業(yè)合作新發(fā)展[J].財(cái)經(jīng)問(wèn)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(xiàng)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