张合伟 段国林

(河北工业大学机械工程学院，天津300130)

基于微笑曲线理论视角下的工业4.0*

张合伟 段国林

(河北工业大学机械工程学院，天津300130)

工业4.0时代，传感器无处不在，几组数据就可以定义一个人的性格特点。智能生产、智能产品、生产服务、云工厂、绿色制造工程以及人机交互等都是大数据时代的重要特征。通过引入微笑曲线理论，更加透彻分析4.0时代发展趋向，便于企业转型。建设智能化数字工厂势在必行，中国应该牢牢抓住这个时机，结合自身国情，积极调整国家战略，加速由制造大国向制造强国转型的进程。

工业4.0;传感器;微笑曲线;智能产品

2013年4月份德国政府提出“工业4.0”战略，2015年3月份中国提出“中国制造2025”，旨在加快中国从制造大国向制造强国的转变进程，2016年1月，汉德资本联合中国化工集团及国新国际投资有限公司以9.25亿欧元收购德国克劳斯玛菲集团，此项交易加速中国制造2025与工业4.0的对接。德国的工业4.0、美国的工业互联网以及中国制造2025，实质上一样，强调智能制造、智能生产，建设智能化的数字工厂。“工业4.0”就是以智能制造为主导的第四次工业革命，两个核心主题是智能工厂和智能生产，该战略旨在通过充分利用信息通讯技术和信息物理系统(cyber-physical system)相结合的手段，将制造向智能化转型[1]。要实现智能制造，就要以市场为导向，要以客户为核心，从客户端开始，再到客户端结束进行设计全新的管理运营模式。将物理设备与物联网连接，形成一个信息制造系统，将传感器、计算机终端。智能装配控制系统、无线传输装置组合起来，从而将机器设备、原材料、制造环境和客户紧密连在一起，实时交互与检测，实现智能生产与制造。

全球制造业成四级梯队局面：第一梯队以美国为代表核心科技制造大国[2]；第二梯队以欧盟、日本为代表的高端产品制造领域；第三梯队以中国为代表中低端产品制造领域；第四梯队以非洲为代表的资源输出国家。

目前工业4.0尚处于初级阶段,如何改革未来的发展模式,已成为亟待解决的重大问题。关于工业4.0的研究成果主要集中人工智能方面，而微笑曲线理论在IT产业、制造业方面的成功应用,为未来商业模式的深化改革提供了一个良好的思路。

1 工业4.0微笑曲线理论的基本内容

1.1 微笑曲线理论

台湾宏基集团创办人施振荣先生为再造宏基于1992年提出著名的微笑曲线理论，“微笑曲线”(见图1)又叫“附加值曲线”，是产业链上各价值环节附加值高低的客观表现，因此微笑曲线也可以看作是产业价值链[3]。

从图1上可以看出，制造业产业价值链上，附加值更多的体现在微笑曲线的两端，即产品设计环节和营销服务环节。随着研发投入和售后服务的加强，产品的附加价值会逐步上升，而处于微笑曲线底端的加工制造环节所带来的附加价值最低，并且随着市场竞争的日益激烈，中间制造环节的利润空间会越来越小，从产品整体价值角度来看，制造生产所创造的价值约占整体价值的 30%，而服务所创造的价值约占70%。

1.2 工业4.0微笑曲线定位

工业4.0时代，核心是数据，如同微笑曲线，加工制造环节所带来的附加价值微乎其微，而处于两端的数据和服务则会带来更大的附加价值，所以我们要积极采集各种数据，建立实时更新的数据仓库，并且加强服务管理。未来时代，谁掌握数据就将掌握主动权，同时商业模式也随之发生巨大改变，生产商不再是卖产品，而是卖服务。2012年9月19日，根据传感器传回的数据显示，一架春秋航空飞机的二号发动机风扇振动值突然升高，GE公司在上海的航空支援中心立即向春秋航空公司发出警示消息，经排查后发现，发动机的两片风扇扇叶被外物击伤，损坏风扇叶片很快被更换，成功避免了一场飞机意外事故。4.0时代，不再卖产品，而是卖服务，无处不在的传感器，源源不断地传送数据，我们可以知道产品的实时情况，进而可以更好地服务客户，如同微笑曲线，加工制造甚至销售产品所带来的附加价值也远远不及服务所带来的附加值。4.0时代，谁掌握数据，谁就可以更好地服务客户，从而赢得竞争，使利润更大化。

2 工业模块分析

工业4.0时代，强调人机交互、智能生产，不同功能的智能单元组成生产线，不同的智能生产线组成智能车间，不同的智能车间组成智能工厂，不同领域的智能工厂组成智能生产系统[4]。智能生产系统与互联网连接，互联网根据订单自动分配合适的工厂，自动组织生产设备进行生产，联系物流终端进行运输，并通过电子信息技术追踪产品去向，接收数据，提升服务度，实现智能生产、智能产品以及智能物流。工业4.0模块图如图2所示。

2.1 智能生产

在工业4.0时代，订单来自互联网平台，只需工厂的局域网与互联网平台相连，互联网收到订单后会自动选择合适的工厂生产，工厂局域网接到订单后，会自动与供应商沟通，准备急需的原材料，同时会自动组织生产设备进行生产，车间里的每个零件有一个特有的射频识别码，沿生产线会实现自动对话，到达某个工位时，屏幕上会显示该工位工作的内容，并可根据工作人员的情况不同自动调整，车间生产需要某种原料时，屏幕上会自动显示，机器手臂持扫描器扫描，对应的条形码信息传送到自动化仓库系统，ERP(管理信息系统)发出指令让智能物流系统去仓库搬运对应的原材料，通过升降机运送到生产线，生产线配有在线监测和误差补偿系统，依靠传感器收集数据，实现对产品的实时监测，保证产品质量。完成时，工厂局域网会自动联系物流公司，保证送货及时。生产期间，客户会通过互联网平台实时知道产品的生产情况，期间若对产品的生产要求所有改变，只要提前通知即可，每个完工后的产品都有一个电子编码，记录着产品的详细信息，发货后工厂通过互联网平台及时跟踪产品的去向以及售后问题，实现从智能信息管理到产品生产、制造，最后通过智能物流运送到客户手中，形成一套标准的“工业4.0”生产模式。

2.2 智能产品

智能产品也是工业4.0时代的一个重要特征。工厂完成的智能产品具有信息存储、自我检测以及无线传送等功能。每个产品都有一个电子编码，通过扫描电子编码即可查询该产品工艺参数及制造工艺流程等信息，同时产品还能实现自身的实时检测，当检查到故障信号时，会通过无线传输功能将产生故障的位置及原因发往智能控制终端[5]。

大数据时代的产品，都会有一个传感器，会实时将收集到客户的数据发往云端，比如，制鞋公司将每一双鞋安装传感器，传感器会将用户的数据源源不断地传送回来，通过分析这些数据，可以生产出更加舒适的运动鞋，同时可以根据这些数据为客户定制最合适的鞋。

2.3 生产服务化

大数据时代，传感器无所不在，几组数据就可以定义一个人的性格特点，同理无处不在的传感器会将客户使用的产品数据源源不断地发往云端，通过分析数据可以得知产品的使用情况，可以更好地为客户服务，提高满意度。以GE公司为例，GE公司最初是生产航空发动机，后来变为出租发动机，成功地完成了从制造业向服务业的转变。他们在每一台发动机上装有传感器，对发动机进行实时监控，通过分析数据，可以将有问题的发动机及时更换，杜绝事故发生，提高客户满意度。GE正是基于大数据技术才得以成功转型。

2.4 云工厂

工业4.0时代，所有工厂的局域网都与互联网相连，通过可以实现资源的合理利用，比如当生产某一批产品时，该工厂的生产线过于繁忙，互联网平台可以智能查找，别厂生产线是否空闲，将产品调往空闲生产线生产，实现资源的最大化利用。

2.5 数据建模

数据时代企业必须搜集所有必需信息，如(客户需求信息、供应商信息、产品设计信息等)，获取以上信息的最终目的是构建一个庞大的数据仓库，这个仓库将来成为这个企业的核心，也是最大核动力。将仓库中的数据模型根据采集点的不同，搭建起对应工厂模拟应用场景，让数据能在该模型下同样顺利流转，甚至输入新的数据后也能在该模型下正常流转。这个模型会在企业追寻工业4.0的道路上不断完善数据，在企业的日后发展中，源源不断地给企业产生由内到外和由外到内的价值流。

2.6 跨界公司

工业4.0时代，工业的跨界竞争将会变得愈加激烈，也将颠覆原有的商业框架。例如水杯生产商，会在每个保温杯上安装传感器，传感器会把客户的信息源源不断传往远端，通过分析这些数据，会对客户的身体健康情况了如指掌，倘若这家公司变成保险公司的话，相信肯定会有很好的效益。大数据时代，传感器无所不在，谁掌握大量数据，就可以先发制人。

2.7 人机交互

高度智能化的数字工厂，机械人取代工人的手工劳动，将人的不稳定性对产品质量的影响降到最小，但人依然是不可或缺的，机器人始终不能全权取代人的位置，工人更多的作用是对生产线提出改进意见，更好地实现人机交互。增强现实(augmented reality,AR)，是一种将真实世界与虚拟世界“无缝”集成的新型技术，这样蓬勃发展的AR恰好迎合了处于工业4.0变革时期的制造业的诸多期盼，同时为变革中的制造业带来新的契机。

工业4.0时代下的供应链组合及企业的模式转型，为工业化和信息化融合打破了以往的束缚；信息物理系统CPS，融合环境感知、实时通讯和后台计算决策，为智能工厂打下良好的基础[6]。

3 结语

大数据时代，强调虚拟世界与物理世界的融合，即CPS(信息物理系统)，这是一个智能系统，将CPS与制造业融合，实现智能生产。本文引入微笑曲线分析，更有利于理解工业4.0的发展模式，相对加工制造环节产生的附加价值，数据和服务将会带来更大的附加值。不能否认，我国的制造业，在以往的国际竞争中，始终处于劣势。而此次以信息化带动的新一轮的工业整体升级，也许正孕育着一次赶超的机会。工业4.0所提供的不仅仅是一个概念、产品或者解决方案，更是一个解决问题的思路和方法。如果我国企业能够从中有所领悟，这才是其对中国制造业的最大贡献。

[1] 姜巍.“工业4.0”时代的中国制造业升级[J].中国发展观察,2015(3):37-38.

[2]丁纯,李君扬.德国“工业4.0”：内容，动因与前景及其启示[J].德国研究，2014(4)：005.

[3]吕乃基，兰霞.微笑曲线的知识论释义[J].东南大学学报:哲学社会科学版,2010(5):18-19.

[4]常杉.工业4.0：智能化工厂与生产[J].化工原理，2013(11):21-25.

[5]罗文.德国工业4.0战略对我国推进工业转型升级的启示[J].可编程控制器与工厂自动化，2014(9):36-39.

[6]裴长洪,于燕.德国“工业 4.0”与中德制造业合作新发展[J].财经问题研究,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

*河北省自然基金项目(F2014202241)

F120.4

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.002

张合伟，男，1990年生，硕士研究生，主要从事制造信息化及智能CAD布局研究。

(编辑 谭弘颖)

2016-03-08)

160907