工业4.0应用的成本效益分析

RFID的全球市场（2009年为39亿欧元）每年增长6%左右。这一增速要低于最初的预期。其技术挑战主要是根据不同频段RFID技术的特性选择合适的频率。我们在5.2.1小节中已经通过对硬件选择的阐述讨论了该问题。

一直以来，应用由RFID支持的工业4.0最核心的障碍就是难以证明其经济效率。在进行成本效益分析时，要考虑的不但有RFID带来的益处，即产品跟踪和协同合作效率的优化，以及由此降低的成本，还有通过全新的商业模式生成的价值。如此一来，我们便能在战略型网络中为协同生产计划和生产控制（PPS）系统的实施找到一个技术上可行、效益上经济的解决方案，利用优化协作来使效率得到提高。RFID不仅具备跟踪功能，它还能提供客户价值，从而为新型的商业模式做出贡献。

难以明确计算RFID经济效率的原因主要在于它在价值创造链上的成本收益分布不对称。RFID的成本通常产生于价值创造链的初始阶段（如传输器的原料成本和研发新电路板布局的费用）。而在价值创造链尾端，得益于RFID而减少的费用远远大于初始阶段。因此，在进行成本收益分析时，我们会尽量从整个使用传输器的价值创造链的角度，分析额外费用、成本的缩减、错误的减少和收益（见表5.8）。

表5.8 RFID产品跟踪的成本收益分布

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来源：作者。

对于易福门有限责任公司而言，使用RFID跟踪产品与目前的识别技术相比，在额外费用、成本缩减、错误避免以及提高客户价值方面具有表5.8所示的诸多优越性（详见5.2.1小节）。即使通过以上办法将整个价值创造链纳入考虑之中，RFID带来的可计成本缩减量大概也小于其难以计算的收益，比如通过智能产品和服务实现的销售额上升。约50%的RFID用户认为，他们无法计算这种收益，虽然这一收益不但可与一场革新相匹敌，而且让RFID成了一种对未来的投资。仅在纺织工业领域，就已有因引入RFID而提升4%～21%的销售额的实例，其原因在于货物支配效率提高、客户通过智能手机有了更好的购物体验、咨询质量提升等。

正如表5.8总结的成本收益潜能所示，易于计算的潜力主要在于进程自动化和错误率降低两方面。以下将借助应用实例中的数字来量化这一收益。

（1）相较于直接成本的直接收效（直接节省的成本）的量化 将易福门有限责任公司目前进行识别的成本与使用RFID实现产品跟踪的成本进行比较。直接成本产生于硬件、软件、网络和数据收集，而直接收效则源于交易成本的缩减（数据冗余、文档处理以及数据储量的减少）。

（2）间接收效评估（经过一段时间后节省的成本） 通过提高过程透明度可能节省的成本和通过PPS跨网协作降低的错误率十分被看好，而执行和操控数据管理以及判定目标数值产生的间接成本则并不被重视，因为人们认为，这些过程在独立系统中也会产生相近的成本。

（3）对于没有市场调查就难以定量的客户收益的定性分析（投资产生的价值） 以下只会从质量提升角度探讨通过RFID可能为客户带来的益处。在纺织业中实现的4%～21%的销售额增长潜力只能作为比较基准。

除了通过使用RFID接口而减少的识别成本（即直接收效）以外，在初始阶段能确定的只有通过减少错误得到的间接收效，而非客户个性化设备预设带来的收益。量化能为客户带来的利益，必须以一次示范性安装或者一次大规模的市场调研为前提。

在探讨RFID解决方案的直接收效时，将不会对以下内容进行比较：在识读或称重设备上的不同投入、计划和项目成本，以及维护、支持、培训和运转产生的费用。我们认为，目前的产品跟踪方法和利用RFID进行产品跟踪在以上这些方面没有太大区别。我们假设应用实例中已经引入了SAP，如此一来，就无须额外计算与此相关的信息技术设备的成本了。MES解决方案，即线路记录仪是一款由易福门有限责任公司自己开发的软件，所以其使用将被视为不会额外增加成本。

根据意法半导体公司的数据，用于制造NFC组件的传输器的成本为0.1欧元/片。但是，这一价格只适用于采购数量较大的情况，而在安全技术领域，高额的运输成本使得项目可能只适合小规模试点，所以相应的传输器成本预计为0.2欧元/片。不过，如果在成本计算时剔除已经存在的EEPROM以及与电路板相连的机械接口，因为传输器而增加的原料成本还可以更低，但计算实例中未能顾及这一点。如今，易福门有限责任公司每年生产的1000多万台设备中，60%以上都由一个微控制器操控，且这一比例仍在不断上升。该微控制器需要安装长效保存了程序和数据的存储芯片（EEPROM）。

如果传输器能够部分取代设备中的微控制器，那么传输器的成本还可以得到进一步缩减。RFID芯片目前已经能控制温度、压强和振动的测量。以上三种测量原理均属于ifm electronic gmbh的产品系列。

下载程序和数据需要一个接口，该接口通过诸如IO-Link、USB、TCP/IP或多种专有的协议驱动程序来实现信息交互。目前，这一接口以电路板特殊接口或者设备插头及夹具的形式呈现，如图5.6中展示的“寻址插口”（或“插孔”），其单个成本按照易福门有限责任公司的采购量约为0.25欧元，比本文所述的传输器贵一倍以上。下文会在成本计算时考虑因取消该接口而可能降低的原料成本。

图5.6中的寻址插口所占的面积约为12mm×12mm。在进行成本收益分析时，我们假定RFID解决方案总能替代一个相似的接口，所以电路板上有足够的位置容纳它。因此，电路板上被占用的面积不会被计入成本。

此外，寻址插口这类部件由于其特殊的高度需要购置专门的自动设备，并会因其较长的装配时间使得生产过程变得困难。虽然对于寻址插口的投资巨大，但是由于投资已经发生，我们不会再考虑这种情况。相比之下，识别装备上的传输器则毫不困难，而且耗时不足1s。目前识读二维码所需的时间至少为4s。

图5.6 易福门公司AS-i-设备AC5225中的寻址插口

来源：易福门有限责任公司，2006，公司图片。

识读过程本身对于RFID的直接收效具有决定性作用。在当今产品生产和物流过程中，借助手动扫描仪进行的五个手动识读过程（明码文本、产品标识、一维码等）平均耗时为4s，它还包括了搜索时间，也就是原本的识读过程和文件汇编过程。又由于通过安全装置进行文件汇编的耗时明显增加，识读生产信息、运输信息和安置信息的过程预计持续2min。这种安全技术被应用于所有201164538台（与前一年相比涨幅约为30%）成品设备中，且这些设备不都是由易福门有限责任公司生产的。从一开始，RFID系统就自动进行了产品跟踪。从这些产品跟踪的结果看来，识读过程在两个方面分别缩短了0.5s的耗时，它们分别是：安全技术上的耗时和对易福门有限责任公司产品识读的耗时。

RFID在物流系统中的使用可能产生昂贵的计件控制成本（见表5.9）。如果能够通过扫描拣货清单上的条形码得知一些重要的产品特征信息，将可以节约50%的拣货时间。例如扫描一件货品上的条形码，并通过一台显示器，将一件货物准确对应到它所存放的货架，这样一套设备目前可能需要约70万欧元。因为RFID系统将信息的分散支配可行化，同时还不需要捆绑于一个中心信息系统，此举很可能大有益处。每一个拣货站都能扫描纸箱上的条形码并对所指定的产品发出闪光信号，以达到拣货员手中无需拣货清单就能进行工作的目的，也就是通过闪光信号来提示拣货。这套设备的应用预计每年能够节约大约25万欧元的费用。但是由于分散性可得信息的投资额度具有不确定性，此处预计能够节约的费用并未被严格纳入研究范围，最终盘货花销将至少下降约75%。

表5.9 RFID货物追踪系统的直接使用

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来源：作者。

根据表5.9，对于易福门有限责任公司来说，投入使用整套RFID跟踪系统设备的预计年支出约为50万欧元。仅跨企业安全技术这一项目，就可能由于每个进程中昂贵的人工识别成本和数据汇编（同时也在非欧盟国家）达到将近40万欧元的耗费。然而这种高额投资在水平布局的更新中并不代表其正确性，尤其是在NFC解决方案中对所有易福门有限责任公司设备更具安全性的投用（见表5.10）。

表5.10 NFC水平布局更新中的必要投资

来源：作者。

安全装置的研发时间预计为两周，研发支出预计为每个研发工时100欧元。这里所说的预计支出须以高价进行预估，尤其是安全装置的测试过程。相比之下，这个预测时长比易福门有限责任公司的研发预测时长要多出一周。例如像安全光栅这样的产品，通过一个RFID标签的制作就可以达到最佳成果。易福门有限责任公司预测，整套设备中每一个商品代码的研发时间少于一周，因为他们考虑到了研发过程中的连带影响和研发经验的影响。然而这首先会通过间接观察以及客户对RFID产品跟踪系统的使用情况得以证明。

产品跟踪的间接使用是指更高的进程运行透明度和错误率的降低。错误率降低和进程效率虽然要以货币来衡量，或者说至少在将来会以货币来进行衡量，但是由此带来的企业形象的提升，机械操作能力的提升，或是流程专业能力的保持则是通过其本身质量体现出来的。在此文中，这些方面将不被纳入研究范围，而是专注于研究降低错误率。

如果没有识别鉴定和RFID系统，许多商家会对成本昂贵的手动调研产生畏惧，因为这意味着更大的开支。通过RFID可引入一个自动的产品跟踪系统，这个系统使得对于降低产品出错率的调研随着进程的关闭而自动化。同时，这也依托于产品合作者的反馈职责。

通过更好的产品跟踪来降低错误率这个过程，是通过四个方面的间接使用进行的，并且这些方面可以计算（见表5.11）。

• 通过RFID端口取得由客户得到的预测，每年的召回成本最少能够降低3万欧元，并且这些设备不需要进行拆卸。此外，由于产品序列号受到保护，也能够降低由于盗版商品数量增加而造成的召回成本。每一个序列号所对应的客户信息只有易福门有限责任公司可知。这种方式对于特殊产品的版权保护已经足够。

• 直到商品到达客户手中的外部可追踪性保证了大量的错误运输不再出现。这种错误运输每年会造成2.5万欧元的损失。外部可追踪性也将召回设备错误运输的原因查明率由先前的62%提升到了100%。这样就能够节约超过10万欧元的替代成本。同时，这也使得错误运输的成因可以在今天被查明。此外，前文中述及的NFC近距离无线通信方案可以被看作“黑匣子”（Black Box），用来记录客户对设备的使用和处理过程。它能够当场记录实测数值，如记录异常情况下的温度。

• 通过内部追踪能力将会使错误产品部件的生产变得几乎不可能。内部追踪是指通过由序列号准确记录下来的生产过程数据，人们已经可以在很大程度上在早期就得知错误的产生。由此可以预测，正如组件管理的作用一样，相比只在五个进程当中进行产品鉴定，在每一个产品生产过程当中进行产品鉴定显著提高了产品的一次通过率（FPY）。产品一次通过率由此从88%提升到了98%。这里的产品鉴定数据包括了过程数据，也就是可能的FMEA（出错可能性分析及出错影响分析），以及进程关闭的应用。产品中所隐藏的次品的平均价值在所估计的普通错误产品中占有大约一半的成品价值。通过提高产品一次通过率所实现的成本降低是易福门有限责任公司在产品跟踪上的最强措施。

• 内部追踪能力也促成了实现对缺货状态快速做出反应的可能性，这样产品缺货所造成的损失就能被减少60%。

表5.11 通过优化产品跟踪进行的间接使用 （单位：欧元）

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来源：作者。

尽管软件和硬件的重要性和意义不断提升，硬件管理和与之相关的生产成本和出错成本在自动化产业中受到的关注还是太少。尤其是相对简单的易福门有限责任公司的设备被看作是对RFID产品跟踪系统的间接使用，且被看作是RFID系统简化的生产过程。对于简单设备来说，设备测试的能源消耗和大型硬件的测试使用并没有必要。通过一个标准的RFID接口，可以实现无需特殊下载器的硬件下载，这也可用于浇注设备上。

与此同时，在一些需要更高电压的易福门有限责任公司的设备上，正确的硬件可在鉴定过程中被自动查明，且不需要启用额外的编程接口。这所带来的结果就是：通过标准的RFID接口实现更简易的硬件操作，无论何时都可以进行系统更新和贴近用户的改变，同时也可以控制产品包装和产品直接交付前的过程。由于软件引导程序并非必须，也可以由此节约一定的研发经费。但是这种巨大的优点并不会在外形和实施过程中得到关注和证明，因此这些也不会被列入降低成本的研究中。只有与客户相关的使用情况以及可能由此产生的销售额上升会被列入研究范围。

由于部分实测值并不可得，所以通过提升进程透明度所带来的其他降低成本的可能性在这里也不应该被包括在内。另外，这里提到的部分实测值也包括了整体设备效率的提升，因为产品已经得到优化，并且由产品质量决定的停机时间也被缩短了。总体来说，这里能够出现10%～20%的资金节省，这个数值在设备的维修保养方面甚至可以达到20%～30%，且在设备使用的持久性方面更是可以达到30%～40%。通过RFID系统来提升生产过程透明度的必要性可以从以下方面显示出来：上文所提及的这部分未知实测值在产品的使用场合中非常重要，且这些实测值只能通过非常费事的人工方式测得。当工作人员对自动获取的数据越来越信赖，且对于生产过程的个人化的想法越来越少的时候，通过RFID系统就几乎不会出现可计算的消极影响。通过一个错误造成的潜在消极影响会趋向过量。

通过RFID产品跟踪系统的简单统计所得到的实测值显著降低了复杂性成本（60%～70%），这正属于工业4.0的范畴。人们期待在产品的缺陷探测（Trouble-Shooting）过程中以更少的开支进行探测线路的扩展。此外，以流程成本作为核算基础的计算方式也将从根本上得到简化。通过这种方式可以达到更好的销售控制和获得更低的保险费用。这两者在成本效益清单中也同样不被计入考虑范围。

由配套设备所执行的算法也具有关键意义。易福门有限责任公司期望这种算法在长达4天的物流交货期中达到98%的产品递送目标。一旦根据这种算法开始对当今透明的生产过程进行优化，就能在相同时长下达到缩减组成成分和提高负荷率的目的。如果不执行以上算法，就无法实现本文所述的优化。然而若在此处不执行这种算法，则会有助于对成本节约的保守描述。

诚然，最大的潜力还是在于达成生成价值和借此通过RFID接口预估的销售额的上升，以及形成一个全新的商业模式。本书之后将对此进行研究分析。一台设备需要有贴近客户的访问地址和给定参数。要达到这个目的，不仅需要客户使用智能手机，还要求设备能够通过调出产品序列号自动获得数据。为了提高客户使用的便利性，可以由两个方面入手：一方面通过易福门有限责任公司提供给客户与产品序列号所对应的给定参数，另一方面通过因特网调出所需的给定参数。设备的更新和配置可以通过物流当中的近距离无线通信来完成，也可以在经销处或在客户所在地由一台商用智能手机来完成。设备中的数据汇编和菜单导航都能以本国语言或客户所熟悉的语言进行显示。易福门有限责任公司和客户都可以在有需要的时候通过产品标签上相应的简易说明来进行设备鉴定。剩余的信息则可以通过RFID程序设计来保存。

通过已经提到的定址插口来实现这个目标的可能性有限。同时，这种定址插口也是设备上的一个长期薄弱环节。不仅如此，它还需要一个有电缆接头的特殊布线定址设备和相应的软件。像定址设备这样的特殊辅助工具售价超过200欧元。但是对于客户来说，不论在设备更换还是新购设备时，它都是必不可少的。定址设备的操作并不简单，如果没有充分的经验，几乎不可能在没有操作指南的情况下完成组装。

NFC接口扩大了客户利益，它简化了数据使用和数据生产。如果没有进行市场调查，几乎无法得到这样的结论。然而在本文中这是通过一个完整的商业案例提出的设想。在这个案例中客户首先会得到设备辅助功能的详细解说。因为设备微控器与RFID接口相连，所以以下数据会随时被识读及发生变化：

• 序列号（仅识读，通过微控器的序列号来确定）

• 产品信息（产品数据和版本号）

• 校准数据

• 参数（开关点、位置）

• 硬件（合适的大小）

一旦标准化移动终端设备成功投入使用，近距离无线通信方案（NFC）产生的优点对于客户来说显而易见：

• 客户通过NFC智能手机应用的标准化接口进行参数处理、定址处理和硬件处理。

• 随时进行贴近客户的硬件变化。

• 通信参数和设备参数的变化，以标准接口定位，取消机械接口。

• 现场调校无需供电或供电分离。

• 在更高防护级别下的调校和测试。

• 在已经完成的设备终端上可以在无特殊接口的情况下进行校准。

• 可以当场识读硬件版本并进行硬件更新。

• 客户可以通过智能手机的NFC智能手机应用连接标准接口进行设备诊断。

• 即使在没有印刷信息或印刷信息不清楚的时候，仍然可以识读设备信息。

• 故障设备的数据汇编可以根据装配件分类和功能通过客户来自动完成。

• 只要内存芯片未被损坏，仍可以对具有更高防护级别的设备或损坏设备进行诊断。

• 设备情况可以通过远程诊断被生产者阅读和分析。

• 对远程诊断的失败及特定产品的召回进行研究。

所有以上措施可以使易福门有限责任公司从中获益。贴近客户的设备生产比例将会翻倍，这套设备和此前已经生产的设备的边际收益也将得到10%的提升。这就意味着，易福门有限责任公司的销售额将提高2个百分点。此外，与之相关的创造新价值的潜力预计到2025年会提升23%，也就是每年约提升2%。在工业4.0的范畴中，这属于电子技术设备的新价值创造潜力。以纺织工业来打个比方，情况相似：若在此行业中的生产者能够有效使用NFC近距离无线通信接口设备，销售额将最少提高4%。如果RFID系统在纺织工业体系中被全面引入和使用，销售额的涨幅预计最高将达到21%。若这套设备能全面投入使用，易福门有限责任公司所期待的销售额增长将接近每年2000万欧元。由于这些数据和潜力的波动幅度大，在接下来的论述中将使用其最小值。因此预计通过NFC进行微控连接技术所带来的销售额上升预计仅为将近200万欧元（见表5.12）。即使是这样的保守估计，NFC仍为设备配置之佳选。

如果不把PPS的完善所提高的效率纳入考虑范围，这套蕴含巨大潜力的设备开发意味着前文所提及的高额研发支出。如使用蓝牙技术作为接口已经开始被ifm集团列入考虑范围。

表5.12 RFID产品跟踪系统所带来的价值提升

来源：作者。

表5.13综合显示了当今生产物流过程中用于设备识别的开支与RFID系统组件的使用开支的比较。每年使用RFID系统进行设备识别的开支相对要少得多。此外，使用跨网合作设备的影响由于缺少实践经验无法证明。若将设备的直接使用成本与必要的研发成本进行利弊权衡，安全设备的投资回收期将近一年。如果把预计的错误减少过程计算在内，这个过程甚至只需7个月。在我们对所有电子商务设备进行成本收益比较时，设备重置是一个需要纳入考虑范围的重要因素。为了达到预计的成本降低，不仅是电子商务设备，所有在RFID系统中使用的易福门有限责任公司的设备都需要重置，而将近20年的投资回收期并不适当。当然，RFID系统所带来的错误减少以及预期外的客户可以对易福门有限责任公司的这种情况起到缓和作用。

表5.13 完整的成本收益比较

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来源：作者。

单一的预期外客户或者配套设备系统性的投入使用会大量增加研发经费，这种开支达到了近1000万欧元。一个RFID内存芯片拟订了一套近距离通信解决方案，而这个芯片对于易福门有限责任公司意味着最大的客户利益。这是因为产品跟踪带来了额外的产品革新的可能性。这种额外使用通过市场调查生效，它也使一年的投资回收缓和期得到保障。由于安全技术直接、高效的使用已经证明其投资回收期可以被普遍接受，因此其投入使用几乎不会造成任何风险。现有客户对拟订方案的大量使用意味着易福门有限责任公司现有商业模式的改变，即价值取向、增值链以及收益机制的改变：

“收益来自于市场，并存在于自身商业模式当中，因此其研究应着重于产品市场和使用潜力。”