德國(guó)工業(yè)4.0 成熟度標(biāo)準(zhǔn)最新研究

德國(guó)萊茵TUV□陳偉康 鄭 豪

2014 年， 德國(guó)正式發(fā)布 “工業(yè)4.0 戰(zhàn)略計(jì)劃”， 成為第四次工業(yè)革命的晨光。 作為老牌工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家， 德國(guó)又一次引領(lǐng)了全球工業(yè)發(fā)展的步伐， 引起了全球工業(yè)界的極大反響。 繼德國(guó)之后， 美國(guó) （IIC）、 日本 （4.1J）、 中國(guó) （2025）等世界主要工業(yè)國(guó)家均出臺(tái)了適應(yīng)各自工業(yè)基礎(chǔ)和發(fā)展環(huán)境的國(guó)家政策和戰(zhàn)略， 以應(yīng)對(duì)新一輪工業(yè)革命所帶來的挑戰(zhàn)。

1 德國(guó)工業(yè)4.0 的定義和背景

工業(yè)4.0 是未來工業(yè)生產(chǎn)全面數(shù)字化的代名詞， 是為未來更完美的生產(chǎn)系統(tǒng)做的準(zhǔn)備。 工業(yè)4.0 項(xiàng)目由德國(guó)聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部聯(lián)手資助， 在德國(guó)工程院、 弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)、 西門子公司等德國(guó)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的建議和推動(dòng)下形成， 并已上升為國(guó)家級(jí)高科技戰(zhàn)略， 它也可以看成是一個(gè)研究平臺(tái)。

完美的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)現(xiàn)代信息和通信技術(shù)相互關(guān)聯(lián)體。 這方面技術(shù)的基礎(chǔ)是智能和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 在它們的助力下， 組織的大規(guī)模定制生產(chǎn)成為可能： 在工業(yè)4.0 中， 人員、 機(jī)器、工廠、 物流和產(chǎn)品之間實(shí)現(xiàn)直接的交流與協(xié)作。通過物聯(lián)網(wǎng)， 不僅能夠優(yōu)化一個(gè)生產(chǎn)步驟， 同時(shí)可以優(yōu)化整個(gè)價(jià)值鏈。 它能貫穿整個(gè)產(chǎn)品生命周期的所有階段——從產(chǎn)品的概念到開發(fā)、 制造、使用、 維護(hù)， 再到回收利用。

2 德國(guó)工業(yè)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(guó)工業(yè)4.0 RAMI 理論模型

第一根軸關(guān)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(chǎn)層， 資產(chǎn)層是真實(shí)的東西， 包括所有的生產(chǎn)基地應(yīng)有的配置。 再向上， 有一個(gè)是集成層， 它是數(shù)字化的， 所有的資產(chǎn)信號(hào)都可以在這個(gè)數(shù)字世界里上升， 隨后另外四層分別是通信、 信息交流、 數(shù)據(jù)與功能和業(yè)務(wù)流程。

第二根軸是指產(chǎn)品生命周期， 產(chǎn)品生命周期是從設(shè)計(jì)開發(fā)（一個(gè)概念） 到生產(chǎn)銷售和后服務(wù)（第二個(gè)概念）， 所以需要集合所有的數(shù)據(jù)， 比如第四層（信息交流） 層， 這里是包含開發(fā)的第一個(gè)開發(fā)概念到所有后服務(wù)部門。 會(huì)將所有數(shù)據(jù)集合在一起， 通過該參考體系結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析和交流。

第三根軸是在工業(yè)3.0 的基礎(chǔ)上（自動(dòng)化控制）， 增加了兩個(gè)新的概念。 一個(gè)是產(chǎn)品本身，產(chǎn)品從下料、 加工工藝到機(jī)器上運(yùn)行， 都是自動(dòng)調(diào)配和自動(dòng)生成MES， 這是在RAMI 模型中引入的新概念。 另一個(gè)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)， 稱之為互聯(lián)世界。

RAMI 模型是工業(yè)4.0 的一個(gè)完整的解決方案基礎(chǔ)。 例如， 生產(chǎn)區(qū)域中的所有狀態(tài)數(shù)據(jù)（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(jià)值的數(shù)據(jù)通過UDP/IP 或TCP/IP 傳輸出去， 之后就可以在一個(gè)平臺(tái)上討論所有具體問題。

3 德國(guó)萊茵 工業(yè)4.0 成熟度模型

依據(jù)德國(guó)工業(yè)4.0 的基本三大要素： 體系、程序和產(chǎn)品， 結(jié)合德國(guó)萊茵的三大核心： 人文、 技術(shù)和環(huán)境， 建立了包含九個(gè)單元的德國(guó)萊茵工業(yè)4.0 成熟度模型， 其中每個(gè)單元涉及到了歐洲和國(guó)際上的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)， 很好地細(xì)化了德國(guó)工業(yè)4.0 對(duì)于企業(yè)發(fā)展的每個(gè)細(xì)節(jié)， 尤其適合于中國(guó)企業(yè)。 不但可以通過德國(guó)萊茵工業(yè)4.0 成熟度模型進(jìn)行評(píng)估， 還可以明確每一個(gè)微觀部分與現(xiàn)代企業(yè)的差距， 從而明確改善的方向。 下面對(duì)九個(gè)單元的內(nèi)容進(jìn)行一下解釋。

一是組織。 圍繞工業(yè)4.0 的組織設(shè)計(jì)和空間方面的背景信息； 有關(guān)法律、 市場(chǎng)和其他監(jiān)管要求的信息； 實(shí)踐中的最佳組織架構(gòu)信息。 涉及到的標(biāo)準(zhǔn)有ISO 9000 系列（ISO 9001， SA 8000，ISO 26000）， 內(nèi)容包含： 戰(zhàn)略和目標(biāo)； 總體規(guī)劃和設(shè)計(jì)； 精益管理； 工作組織設(shè)計(jì)、 角色和義務(wù)、技能和資質(zhì)、 報(bào)酬， 權(quán)利和津貼等方面。

二是結(jié)構(gòu)。 結(jié)構(gòu)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(tǒng)、 系統(tǒng)的可靠性、 網(wǎng)絡(luò)安全、 LoT 的隱私權(quán)、 IIoT 工業(yè)大數(shù)據(jù)、 云計(jì)算、 智能設(shè)計(jì)、 集成技術(shù)、 信息及嵌入式等技術(shù)和內(nèi)容。

三是生態(tài)系統(tǒng)。 生態(tài)系統(tǒng)涉及到供應(yīng)鏈的管理； 自動(dòng)系統(tǒng)集成； 智能化物流管理； 可持續(xù)性管理； 能耗管理等。 涉及到的標(biāo)準(zhǔn)： ISO 14001， RoHS， ISO 44001， ISO 50001 等。

四是勞動(dòng)者。 減少人為錯(cuò)誤， 提高生產(chǎn)力、安全性和舒適性、 特別關(guān)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(chǎn)力這兩大要素。 涉及到的標(biāo)準(zhǔn)：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(jī)器執(zhí)行， 因此程序的優(yōu)化和可靠成為一個(gè)重要環(huán)節(jié)。 其中需要重點(diǎn)考核的是MES/MOM、CAPP、 CAM、 智能物流車間、 虛擬生產(chǎn)、 傳感器和ID 技術(shù)。 同時(shí)遠(yuǎn)程操作與維護(hù)、 生產(chǎn)可視化、 程序控制及工業(yè)機(jī)器人也都是評(píng)估的對(duì)象。

六是價(jià)值鏈。 價(jià)值鏈包括產(chǎn)品生命周期管理和生命周期評(píng)估兩個(gè)方面。 前者是指從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造， 再到維修和退役， 對(duì)產(chǎn)品的整個(gè)生命周期進(jìn)行的管理過程； 后者是指評(píng)估從原料提取到材料加工、 制造、 分銷、 使用、 維修、 維護(hù)到處理或回收， 與產(chǎn)品生命的所有階段的影響。 涉及到的標(biāo)準(zhǔn)為： ISO 14040、 ISO 14044 等。

七是定制化設(shè)計(jì)。 定制化設(shè)計(jì)是先分析和設(shè)想用戶可能喜歡的產(chǎn)品的所有特點(diǎn)， 同時(shí)驗(yàn)證并修正他們?cè)趯?shí)際使用中對(duì)設(shè)計(jì)的反饋。 它包括兩個(gè)方面： 安全性及高品質(zhì)（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(zhì)（用戶滿意度） 是指達(dá)到用戶對(duì)產(chǎn)品滿意為目標(biāo)的所有因素和產(chǎn)品特性。

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

九是生態(tài)設(shè)計(jì)。 所有設(shè)計(jì)要求需要避免對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生負(fù)面的生態(tài)影響。 是否很好采用了歐洲的

3R 理論， 確保產(chǎn)品的可重復(fù)使用， 可回收及降解的可能性， 同時(shí)也具有使用耐久的特點(diǎn)。