德國工業4.0 成熟度標準最新研究

德國萊茵TUV□陳偉康 鄭 豪

2014 年， 德國正式發布 “工業4.0 戰略計劃”， 成為第四次工業革命的晨光。 作為老牌工業發達國家， 德國又一次引領了全球工業發展的步伐， 引起了全球工業界的極大反響。 繼德國之后， 美國 （IIC）、 日本 （4.1J）、 中國 （2025）等世界主要工業國家均出臺了適應各自工業基礎和發展環境的國家政策和戰略， 以應對新一輪工業革命所帶來的挑戰。

1 德國工業4.0 的定義和背景

工業4.0 是未來工業生產全面數字化的代名詞， 是為未來更完美的生產系統做的準備。 工業4.0 項目由德國聯邦教研部與聯邦經濟技術部聯手資助， 在德國工程院、 弗勞恩霍夫協會、 西門子公司等德國學術界和產業界的建議和推動下形成， 并已上升為國家級高科技戰略， 它也可以看成是一個研究平臺。

完美的工業生產系統是一個現代信息和通信技術相互關聯體。 這方面技術的基礎是智能和數字網絡系統。 在它們的助力下， 組織的大規模定制生產成為可能： 在工業4.0 中， 人員、 機器、工廠、 物流和產品之間實現直接的交流與協作。通過物聯網， 不僅能夠優化一個生產步驟， 同時可以優化整個價值鏈。 它能貫穿整個產品生命周期的所有階段——從產品的概念到開發、 制造、使用、 維護， 再到回收利用。

2 德國工業4.0 RAMI 模型

參考建筑模型Industry 4.0， 可看到三根軸，見圖1。

圖1 德國工業4.0 RAMI 理論模型

第一根軸關于建筑模型分層， 它很短， 總共有六層。 在底部有最基本的資產層， 資產層是真實的東西， 包括所有的生產基地應有的配置。 再向上， 有一個是集成層， 它是數字化的， 所有的資產信號都可以在這個數字世界里上升， 隨后另外四層分別是通信、 信息交流、 數據與功能和業務流程。

第二根軸是指產品生命周期， 產品生命周期是從設計開發（一個概念） 到生產銷售和后服務（第二個概念）， 所以需要集合所有的數據， 比如第四層（信息交流） 層， 這里是包含開發的第一個開發概念到所有后服務部門。 會將所有數據集合在一起， 通過該參考體系結構模型進行分析和交流。

第三根軸是在工業3.0 的基礎上（自動化控制）， 增加了兩個新的概念。 一個是產品本身，產品從下料、 加工工藝到機器上運行， 都是自動調配和自動生成MES， 這是在RAMI 模型中引入的新概念。 另一個是工業互聯網， 稱之為互聯世界。

RAMI 模型是工業4.0 的一個完整的解決方案基礎。 例如， 生產區域中的所有狀態數據（Asset 層） 通過各種傳感器采集并傳輸予以集中， 然后將有討論價值的數據通過UDP/IP 或TCP/IP 傳輸出去， 之后就可以在一個平臺上討論所有具體問題。

3 德國萊茵 工業4.0 成熟度模型

依據德國工業4.0 的基本三大要素： 體系、程序和產品， 結合德國萊茵的三大核心： 人文、 技術和環境， 建立了包含九個單元的德國萊茵工業4.0 成熟度模型， 其中每個單元涉及到了歐洲和國際上的相關標準和法規， 很好地細化了德國工業4.0 對于企業發展的每個細節， 尤其適合于中國企業。 不但可以通過德國萊茵工業4.0 成熟度模型進行評估， 還可以明確每一個微觀部分與現代企業的差距， 從而明確改善的方向。 下面對九個單元的內容進行一下解釋。

一是組織。 圍繞工業4.0 的組織設計和空間方面的背景信息； 有關法律、 市場和其他監管要求的信息； 實踐中的最佳組織架構信息。 涉及到的標準有ISO 9000 系列（ISO 9001， SA 8000，ISO 26000）， 內容包含： 戰略和目標； 總體規劃和設計； 精益管理； 工作組織設計、 角色和義務、技能和資質、 報酬， 權利和津貼等方面。

二是結構。 結構包括ITIL， CMMI， COBIT， PMBOK， PRINCE2， ISO/IEC 20000，ISO 21500， ISO/IEC 38500， TOGAF， ISO 27001， ISO 27002。 涉及到： IT 管理系統、 系統的可靠性、 網絡安全、 LoT 的隱私權、 IIoT 工業大數據、 云計算、 智能設計、 集成技術、 信息及嵌入式等技術和內容。

三是生態系統。 生態系統涉及到供應鏈的管理； 自動系統集成； 智能化物流管理； 可持續性管理； 能耗管理等。 涉及到的標準： ISO 14001， RoHS， ISO 44001， ISO 50001 等。

四是勞動者。 減少人為錯誤， 提高生產力、安全性和舒適性、 特別關注人與感興趣的事物之間的相互作用。 在這單元中特別考慮健康與安全和生產力這兩大要素。 涉及到的標準：ISO 45001， EN ISO 26800， EN ISO 6385，EN 614， EN 9241-5 等。

五是程序研究。 所有的制造程序主要都是由機器執行， 因此程序的優化和可靠成為一個重要環節。 其中需要重點考核的是MES/MOM、CAPP、 CAM、 智能物流車間、 虛擬生產、 傳感器和ID 技術。 同時遠程操作與維護、 生產可視化、 程序控制及工業機器人也都是評估的對象。

六是價值鏈。 價值鏈包括產品生命周期管理和生命周期評估兩個方面。 前者是指從產品設計到制造， 再到維修和退役， 對產品的整個生命周期進行的管理過程； 后者是指評估從原料提取到材料加工、 制造、 分銷、 使用、 維修、 維護到處理或回收， 與產品生命的所有階段的影響。 涉及到的標準為： ISO 14040、 ISO 14044 等。

七是定制化設計。 定制化設計是先分析和設想用戶可能喜歡的產品的所有特點， 同時驗證并修正他們在實際使用中對設計的反饋。 它包括兩個方面： 安全性及高品質（用戶滿意度）。 所謂安全性旨在確保用戶安全的所有因素和特性； 高品質（用戶滿意度） 是指達到用戶對產品滿意為目標的所有因素和產品特性。

八是技術要求。 這一單元是指保證產品技術性能和市場監管要求的所有技術要求。 它包括兼容性和性能兩個方面。 所謂兼容性是在市場上使用的所有規格產品都可以找到配件和便于安裝的特性； 性能是指與同類產品相比， 它有更好的質量的特性。 目前考核的是CAD 和CAE 技術。

九是生態設計。 所有設計要求需要避免對產品產生負面的生態影響。 是否很好采用了歐洲的

3R 理論， 確保產品的可重復使用， 可回收及降解的可能性， 同時也具有使用耐久的特點。