德国工业4.0 成熟度标准最新研究

德国莱茵TUV□陈伟康 郑 豪

2014 年， 德国正式发布 “工业4.0 战略计划”， 成为第四次工业革命的晨光。 作为老牌工业发达国家， 德国又一次引领了全球工业发展的步伐， 引起了全球工业界的极大反响。 继德国之后， 美国 （IIC）、 日本 （4.1J）、 中国 （2025）等世界主要工业国家均出台了适应各自工业基础和发展环境的国家政策和战略， 以应对新一轮工业革命所带来的挑战。

1 德国工业4.0 的定义和背景

工业4.0 是未来工业生产全面数字化的代名词， 是为未来更完美的生产系统做的准备。 工业4.0 项目由德国联邦教研部与联邦经济技术部联手资助， 在德国工程院、 弗劳恩霍夫协会、 西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下形成， 并已上升为国家级高科技战略， 它也可以看成是一个研究平台。

完美的工业生产系统是一个现代信息和通信技术相互关联体。 这方面技术的基础是智能和数字网络系统。 在它们的助力下， 组织的大规模定制生产成为可能： 在工业4.0 中， 人员、 机器、工厂、 物流和产品之间实现直接的交流与协作。通过物联网， 不仅能够优化一个生产步骤， 同时可以优化整个价值链。 它能贯穿整个产品生命周期的所有阶段——从产品的概念到开发、 制造、使用、 维护， 再到回收利用。

2 德国工业4.0 RAMI 模型

参考建筑模型Industry 4.0， 可看到三根轴，见图1。

图1 德国工业4.0 RAMI 理论模型

第一根轴关于建筑模型分层， 它很短， 总共有六层。 在底部有最基本的资产层， 资产层是真实的东西， 包括所有的生产基地应有的配置。 再向上， 有一个是集成层， 它是数字化的， 所有的资产信号都可以在这个数字世界里上升， 随后另外四层分别是通信、 信息交流、 数据与功能和业务流程。

第二根轴是指产品生命周期， 产品生命周期是从设计开发（一个概念） 到生产销售和后服务（第二个概念）， 所以需要集合所有的数据， 比如第四层（信息交流） 层， 这里是包含开发的第一个开发概念到所有后服务部门。 会将所有数据集合在一起， 通过该参考体系结构模型进行分析和交流。

第三根轴是在工业3.0 的基础上（自动化控制）， 增加了两个新的概念。 一个是产品本身，产品从下料、 加工工艺到机器上运行， 都是自动调配和自动生成MES， 这是在RAMI 模型中引入的新概念。 另一个是工业互联网， 称之为互联世界。

RAMI 模型是工业4.0 的一个完整的解决方案基础。 例如， 生产区域中的所有状态数据（Asset 层） 通过各种传感器采集并传输予以集中， 然后将有讨论价值的数据通过UDP/IP 或TCP/IP 传输出去， 之后就可以在一个平台上讨论所有具体问题。

3 德国莱茵 工业4.0 成熟度模型

依据德国工业4.0 的基本三大要素： 体系、程序和产品， 结合德国莱茵的三大核心： 人文、 技术和环境， 建立了包含九个单元的德国莱茵工业4.0 成熟度模型， 其中每个单元涉及到了欧洲和国际上的相关标准和法规， 很好地细化了德国工业4.0 对于企业发展的每个细节， 尤其适合于中国企业。 不但可以通过德国莱茵工业4.0 成熟度模型进行评估， 还可以明确每一个微观部分与现代企业的差距， 从而明确改善的方向。 下面对九个单元的内容进行一下解释。

一是组织。 围绕工业4.0 的组织设计和空间方面的背景信息； 有关法律、 市场和其他监管要求的信息； 实践中的最佳组织架构信息。 涉及到的标准有ISO 9000 系列（ISO 9001， SA 8000，ISO 26000）， 内容包含： 战略和目标； 总体规划和设计； 精益管理； 工作组织设计、 角色和义务、技能和资质、 报酬， 权利和津贴等方面。

二是结构。 结构包括ITIL， CMMI， COBIT， PMBOK， PRINCE2， ISO/IEC 20000，ISO 21500， ISO/IEC 38500， TOGAF， ISO 27001， ISO 27002。 涉及到： IT 管理系统、 系统的可靠性、 网络安全、 LoT 的隐私权、 IIoT 工业大数据、 云计算、 智能设计、 集成技术、 信息及嵌入式等技术和内容。

三是生态系统。 生态系统涉及到供应链的管理； 自动系统集成； 智能化物流管理； 可持续性管理； 能耗管理等。 涉及到的标准： ISO 14001， RoHS， ISO 44001， ISO 50001 等。

四是劳动者。 减少人为错误， 提高生产力、安全性和舒适性、 特别关注人与感兴趣的事物之间的相互作用。 在这单元中特别考虑健康与安全和生产力这两大要素。 涉及到的标准：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机器执行， 因此程序的优化和可靠成为一个重要环节。 其中需要重点考核的是MES/MOM、CAPP、 CAM、 智能物流车间、 虚拟生产、 传感器和ID 技术。 同时远程操作与维护、 生产可视化、 程序控制及工业机器人也都是评估的对象。

六是价值链。 价值链包括产品生命周期管理和生命周期评估两个方面。 前者是指从产品设计到制造， 再到维修和退役， 对产品的整个生命周期进行的管理过程； 后者是指评估从原料提取到材料加工、 制造、 分销、 使用、 维修、 维护到处理或回收， 与产品生命的所有阶段的影响。 涉及到的标准为： ISO 14040、 ISO 14044 等。

七是定制化设计。 定制化设计是先分析和设想用户可能喜欢的产品的所有特点， 同时验证并修正他们在实际使用中对设计的反馈。 它包括两个方面： 安全性及高品质（用户满意度）。 所谓安全性旨在确保用户安全的所有因素和特性； 高品质（用户满意度） 是指达到用户对产品满意为目标的所有因素和产品特性。

八是技术要求。 这一单元是指保证产品技术性能和市场监管要求的所有技术要求。 它包括兼容性和性能两个方面。 所谓兼容性是在市场上使用的所有规格产品都可以找到配件和便于安装的特性； 性能是指与同类产品相比， 它有更好的质量的特性。 目前考核的是CAD 和CAE 技术。

九是生态设计。 所有设计要求需要避免对产品产生负面的生态影响。 是否很好采用了欧洲的

3R 理论， 确保产品的可重复使用， 可回收及降解的可能性， 同时也具有使用耐久的特点。