Industry 4.0: Eight Stage Technology Adoption Framework
工業 4.0：八階段技術採用框架
一、數位化不是工業4.0
工業 4.0 能不能被評測？如果能，它如何被實施。這個問題在行業內一直被廣泛關注。在德國國家工程院 acatech 的推動下，亞琛 RWTH 工業大學、德國人工智慧研究中心 DFKI 和弗朗恩霍夫研究院等幾家機構，歷經一年，聯合推出了《工業 4.0 成熟度指數》報告（Industrie4.0 Maturity Index）。
1、錯了，工業 4.0 不是技術規範
工業 4.0 一詞自 2011 年以來，一直被廣泛用於，描述製造業的未來。然而，現在即使德國也意識到，僅從技術角度闡釋第四次工業革命的相關發展，顯然是不足的，企業還需要組織和文化層面的改革。作為對這一點越來越明顯的趨勢，該指數的副標題甘脆就是「企業數位化轉型管理」。
圖1：工業成熟度指數報告，2017 年
德國工程院《工業 4.0 成熟度指數》（以下簡稱工業 4.0 指數）認為，先進技術可以獲得更廣泛的數據，但對數據潛在利用能力，完全取決於企業的組織結構和文化。
一個組織的最終目的，是成為學習型靈活的企業，對不斷變化的環境，具備持續的靈活性和適應力。
《工業 4.0 指數》為企業實施變革提供指導，包括六個階段的成熟度模式，每個發展階段的實現，都將獲得額外利益。《工業 4.0 指數》著重於四個關鍵領域，而這四個領域，都包含與其相關的兩個基本原則。
2、工業 4.0 下的企業目標
企業目前並未在其策略思考中，對這些原則的充分影響予以足夠重視。許多組織仍缺乏對工業 4.0 關鍵環節的基本理解，例如，企業經常錯誤地，以為工業 4.0 僅限於數位化或全自動化領域。
除此之外，各企業沒有建立共同目標，許多已經實施的行動，均是各自為政的孤立措施。德國工程院的《工業 4.0 指數》，可以依據各企業的需求，精確訂制數位化路線圖， 從而幫助企業實現工業 4.0 的最大化利用，並轉型成為學習型靈活組織。
多數公司實施的措施，僅限於偶爾的試點項目，事實上更類似於技術可行性研究。但此類項目卻難以將工業 4.0 的全部潛力展示出來，因為它們忽視了包括公司組織結構，和企業文化在內的工業 4.0 實施的關鍵方面，結果就是僅僅改變，是順應自然的發展進化。
圖2：常見的企業適應過程
正如精益生產不等同於簡單的防止浪費，工業 4.0 也不只是透過網路，連接機器和產品。《工業4.0指數》強調的，是需要進行典範式的轉變。
令人惋惜的是，這些變化往往無法反映組織的實際流程，或滿足製造型企業的真正需求。因此，無論是獨立企業內部，還是整個經濟層面上的轉型變革的實例，都只是鳳毛麟角。
這說明，必須要合適的技術要素相結合，來壓縮企業的適應過程。
圖3：工業 4.0 可以壓縮時間進程
對於各企業來說，實現工業 4.0 的道路各有不同，因此必須以分析企業現狀和目標為起點。企業現狀的相關問題，包括企業未來幾年的策略目標，企業已經實施的技術和系統，以及這些技術和系統，在企業內部的運行情況。這些問題的答案，可以幫助企業確定成功引進工業 4.0 所需的能力。
3、工業 4.0 的六步法
工業 4.0 的引入，涉及製造型企業，數位化能力素質的顯著提升，並需要企業組織的大規模改變。作為一項高度複雜的任務，這種轉型通常需要花費數年。而且轉型的計劃和實施，需要確保在整個轉型過程中，不同階段都可以實現積極盈利（如成長和效率）。
在工業 4.0 轉型過程中，任何階段都應實現可見的收益，這才可以支持轉型的整體成功。
該路徑包括六步法，也可以看成是工業 4.0 的六個階段，可分為電腦化、連通性、可見性、透明性、預測性、適應性。每一步都建立在前一階段之上，並且說明了達到每一階段所需要的能力，和實現的企業效益。
圖4：工業 4.0 的六步法
該策略要求企業發展，必須按部就班。以工業 4.0 的基本需求為起點，為企業向學習型靈活組織轉型的整個過程中，提供支持。
圖5：工業 4.0 進階六步法
非常重要的一點是，這種能力是一步一步建構的，也就是說第一階段的效益，可以透過低於第二階段的能力實現。因此，轉型過程是步步遞進、持之以恆的旅程，可能無法實現企業、工廠、生產線，以及各個部門之間的完全同步。
各個企業應該自行判斷，哪個發展階段可以代表自身特定情況下，成本和效益的最佳平衡，從而將該階段，作為轉型過程計劃結尾的目標階段。
直至今日，許多企業仍面臨的挑戰，是創造工業 4.0 的基本條件。
數位化本身並非工業 4.0 的組成部分。
該報告的這一個判斷，應該還是出乎很多人的意料。但報告強調，工業 4.0 的發展路徑以數位化為開端，而電腦化和連通性，是實現數位化的基本要求。這兩個初始階段之後的四個更高階段，才是工業 4.0 發展所需的進一步能力。
1)電腦化
發展路徑的第一階段是電腦化，因其提供了數位化的基礎。在這一階段，不同的資訊技術在企業內部獨立運作。大多數企業的電腦化已經相當成熟，主要用於更加高效地處理重複性工作。透過電腦化，企業可以實現高標準、低成本製造，而且許多現代產品可以達到以前不可能達到的精密程度，從而實現獲得利益。
但實際上，很多機器並不具備數位介面，特別是對於長周期機械，或人工操作的機器來說。在這些情況下，終端經常用於填補商業應用和機器之間的缺失環節。
電腦化的例證之一，就是 CNC 銑床。透過採用電腦化數控，CNC 銑床可以加工高精度零件，但是有關執行行動的細節，所需要的 NC 加工數據，通常仍需要手動傳輸給銑床，也就是說，銑床並未實現連接。
另一實例則涉及，未與企業 EPR 系統連接的商業應用系統，這可能導致半自動質保，儘管在試驗站實施，但記錄數據卻並未與相應的工作環節關聯。這將導致一旦發生品質問題，回溯環節會變得異常困難。
2)連通性
在連通性階段中，相互關聯的環節，取代了各自為政的資訊技術。廣泛使用的商業應用，彼此連接並反映企業核心業務過程。操作技術（OT）系統的各部分，實現了連通性和互操作性，但是依舊未能達到，IT 層面和 OT 層面的完全整合。
3)可見性
感測器能夠獲得大量數據節點，從而捕獲整個過程。感測器、微晶片以及網路技術價格的下降，意味著現在可以即時記錄整個企業的事件和狀態，而不是像之前一樣，僅僅記錄單獨的領域，如製造領域。
所以現在可以始終保持工廠的最新數位模式。我們將這種數位模式稱為企業的「數位孿生」。「數位孿生」能夠顯示企業，在任何特定時刻發生的情況，並根據這些即時數據作出管理決策。因此，我們可以將「數位孿生」視為下一階段的核心構成元素。
4)透明性
第三階段涉及企業當前形勢數位孿生的建構，而第四階段是關於，企業了解事件發生原因，並透過根本原因分析生成認識。為了辨別和解釋數位孿生的交互，必須使用工程知識對採集的數據進行分析。語義連結和數據匯集，能夠產生資訊和相應的語境，為複雜和快速決策提供過程認識。
5)預測性
達到預測能力階段後，企業可以模擬不同的未來情景，並確定最具可能性的情景。這包括將數位孿生投射到未來，以描繪多種情景，並評估它們發生的可能性。由此，企業可以對未來發展進行預測，並適時作出決策和採取適當措施。
然而具體措施還是需要人工執行，因此較長的前置時間，有助於限制消極影響。減少突發狀況或計劃變動等，引起的意外事件，可以實現更為有效的經驗。例如，透過預測能力，可以在承運人失職等，反覆出現的物流問題發生之前，對其進行標記，並透過更換承運人防止此類問題發生。
6)適應性
預測能力只是自動化行為，和自動化決策的根本要求，而持續的適應性，則使企業能夠向 IT 系統下放適當決策，以便 IT 系統儘快適應變化多端的經營環境。
適應程度取決於決策的複雜性，和成本收益比，通常最佳方式，是實現單獨過程的自動化，因此應調查自主重複性操作，基本的可行性。
二、工業 4.0 的組織
1、工業 4.0 評測模式
《工業 4.0 指數》的基本模式，源自與一線實踐的結合。為了確保該模式能夠完全代表製造型企業，《工業 4.0 指數》是以「生產和管理框架」為基礎。該框架將企業的內在方面分為三大板塊：
企業結構是指，對企業的商品生產和服務必不可少的方面；企業流程是指企業各個環節的過程鏈；而企業發展是指企業的策略和運作發展。
圖6：生產管理框架
《工業 4.0指數》將企業結構分解為資源、資訊系統、文化和組織結構四個結構領域。每一結構領域都包含兩個指導原則和必要能力。這些能力用於實現各個發展等級，並為製造型企業向靈活型組織的轉型提供基礎。
圖7：企業結構四大件
企業流程則是《工業 4.0 指數》所考察的五個功能領域，包括了研發、生產、物流、服務和銷售五個功能領域，每一個功能領域的願景，都描繪了學習型靈活企業的特徵。
圖8：企業結構與企業流程的展開圖
在上述模式的基礎上，最後描述了《工業 4.0 指數》的應用。在使用過程中，結構領域、功能領域和成熟度等級思，被結合起來，以確定製造型企業的總體成熟度，和各個功能領域的成熟度。
一旦企業建立了當前的成熟度等級，就可以制訂數位化路線圖，其中包含功能領域和結構領域，所需的具有特定順序的具體措施。
2、企業結構的四大件的成熟度評估
企業結構，主要有四個組成部分。
圖9：企業結構的四分象限與生產管理框架的對應關係
1）資源結構的成熟度等級
《工業 4.0 指數》中，「資源」指有形的物質資源，包括企業的勞動力（人力資源）、機械設備、工具、材料以及成品。企業勞動力必須具備一定的職業能力，從而充分利用獲取的資訊。
相互補充且正確配置的技術資源，有助於緩解數據和行動的延遲。企業除了完成他們的特殊功能外，還需要盡力保證資源，與實體和數位世界之間的連接，由此建立數位世界（數位孿生）的資訊視角，推進增強企業靈活性所需的學習過程。兩個原則遵循以下兩點。
第一，資源必須具備以資訊化方式作用的必要能力。
第二，只有將不同的資訊碎片拼湊完整，才能展現清晰的總體局勢。為了確保資訊的品質，應該儘可能的實現數據的交互和結構化，這就要求適當的數據連接，以及通信目的的統一。
圖10：「資源」結構區的能力
2）資訊系統的成熟度等級
資訊系統是社會技術系統，在該系統中，人們基於經濟準則，透過資訊和通信技術提供資訊。這些系統製備、處理、儲存和傳輸資訊和數據。企業資訊系統的配置，是確保有效數據和資訊能夠被用於決策的關鍵。
企業數位化的進展意味著藉助數位影子，製造型企業越來越容易實現，基於數據的即時決策。但是，出於以下兩個原因，仍然有許多企業未能實現，這些數據和資訊對決策者的支持。
首先，採集的數據沒有被處理成資訊，因為沒有適當的形式傳輸，所以員工不能在工作中使用這些數據。
其次，相同、集中化的數據使用，並未貫穿企業的不同環節。
圖11：「資訊系統」結構區的能力
3）組織結構與評測等級分析
企業透過上述技術，實現向學習型靈活企業轉型的同時，還需要實施適當的組織結構。在我們的模式中，組織結構指的是企業的內部結構（結構和作業流程）及其在價值網路中的地位。與「文化」結構領域（參加下文）相比，「組織結構」建立的是組織企業內外協作的強制性規則，而「文化」涵蓋的是企業內部的價值體系，因此說明的是協作的軟性因素。但是，這兩個結構領域相互依賴，且必須保持一致。
有機的內部組織，和價值網路內的動態協作，這兩個原則貫穿結構領域「組織結構」，因此，「組織結構」是對組織從內部和外部兩個角度的描述。
圖12：「組織結構」結構區的能力
一個是有機組織。這是機械組織的對立面。在有機組織中，員工的限制較少，承擔的個人責任更大。因此，這種組織形式特別適合於具備動態環境中，高技術勞動力的組織。
第二個是價值網路內的動態協作。這是指不同企業之間的自動化無縫資訊交互，可以實現更加動態的企業合作，並提供日益增強的市場透明度，同時還有利於減少實現更高靈活性的部分阻礙，例如，詢問、訂購和訂單處理等手動流程。憑藉如今的 IoT 技術，操作可視化，可以擴展至包括供應商的生產狀態和品質性能，從而實現更為高效的資訊、產品和服務交流。
顯然，企業首先透過當前網路，內部更加高效的全面合作，更加接近實現靈活、開放市場的目標。同時，橫向訂單數據整合和一般數據交換平台（如聯合開發項目）可以作為合作的催化劑。
4）文化與評測等級分析
企業的靈活性，高度依賴於員工行為。20 世紀 90 年代至 21 世紀間，有關精益管理的經驗告訴我們，成功實現整個企業的精益管理的關鍵，是改變企業文化，也就是改變員工心態。這一點同樣適用於工業 4.0 中，學習型靈活企業的數位化轉型。
如果企業只是簡單的引進數位技術，而未進行企業文化的相應改變，則無法實現期望的敏捷性目標。因此，企業必須首先確定企業未來的行事方式，及其員工所需的技能，只有這樣，企業才能夠辨識和引進，支持企業預期工作方式所需的技術。
數位輔助系統，就是一個恰當的例子。就其本身而言，此類系統的引進並不能實現企業增值。在數位輔助系統開始增加價值之前，企業必須具備一種文化，即員工信任系統，並且準備好接受系統的建議。
必要的企業文化轉型，包括兩個關鍵問題。第一，員工在多大程度上願意不斷審視自我行為，並使行為適應變化的環境？
第二，員工在多大程度上認為其行動應該接受基於數據和事實認知的引導？顯然，文化的第二原則 —— 社會協作，有助於加快企業內部的認識分享。
圖13：「文化」結構區的能力
3、贏得信任：流程和資訊系統
20 世紀 70 年代以來對資訊技術的引入提醒我們，僅重視功能需求是遠遠不夠的。
只有相關人員從一開始，就參與資訊系統的建設，並積極發揮作用，才能確保對 IT 和系統的認可和系統應用。
同樣的，如果員工參與到相關資訊系統的設計中，全體員工必須認識到，只有系統化地應用，才能從這些資訊系統中受益。只有當學習型靈活企業的員工，信任選擇的流程和資訊系統時，才可能實現記錄的，認識在不同角色之間，情境化快速的分享。這種信任源於，員工對資訊系統決策方式，和建議的具體效益的了解。
圖14 展示了到達「適應性」成熟度階段的製造型企業需要具備的特徵。社會協作存在於員工之間、員工和客戶，以及與合作夥伴之間。對系統和流程的信任，可以保證流程的高穩定性。人們願意將所獲得的認識，加以記錄並與他人分享。
民主領導方式重視人們所作的貢獻，還有開放式交流的企業文化。另外，企業員工具備包容性和改變的意願。他們透過採集的數據進行系統性學習，隨時接受創新方法，並且參與塑造改變的過程。員工能夠深刻意識到，不斷提升自我技能和能力的需要。雖然依舊會犯錯，但員工能夠認識到自我價值，即推動發展的潛力。
圖14：「文化」結構區所需的能力
三、三大戰役來評測
1、業務流程的分解評測
《工業 4.0 指數》中，針對企業的各個功能領域，分別對上文中敘述的能力，進行了調查。在不同的功能領域，及其包含的業務流程中，各能力的具體成熟度階段，也有所不同。一個企業一般在五個功能領域，進行展開。而每個領域的關鍵能力，則被分解為上述的四個結構領域。為了使這一模式易於使用，功能領域的研究，將在業務構成流程級別的展開。
圖15：五大功能的業務流程
《工業 4.0 指數》建立了一個五大功能和四大結構的矩陣體系。
表1：業務流程的結構化評估表
以研發為例，隨著工業 4.0 的科技、文化和組織因素，不斷深入企業流程，製造型企業的研發功能，發生了根本變化。傳統的機電系統設計方式，並不能了解客戶的全部需求，也不太可能在研發之初就恰好滿足客戶的全部需求。
越來越普遍的做法，就是勾勒產品前景，將後期階段，引入到前期設計中來。隨著整個研發階段的新要求，和請求的自動變化，而不斷進化，直至產品投入使用。
案例分析：洛克希德馬丁 LockheedMartin
透過「數位織錦」（Digital Tapestry），洛馬實現了企業整體（工程、IT、供應商、製造等）得益於完整的數位化產品定義。「數位織錦」指將產品研發過程的全部要素融入無縫數位環境。這種全面整合有助於刺激創新和協作。
透過這一項目，LockheedMartin 可以在概念設計階段，完成問題辨識並完善解決方案，從而大量節省了時間和成本。
洛馬將數位織錦，運用於其「空間系統」組織的多個程序，包括「獵戶座飛船」。「獵戶座飛船」開創了下一代人類太空探索，承載四名太空人探索太空，並安全返回地球。在美國太空總署進行的載人試驗中，洛馬可採集的數據量超過 200GB，包括來自原型的座艙壓力和溫度等數據，並且可以將這些數據回饋給設計環節，從而提升未來任務的設計。
企業可以使用《工業 4.0 指數》規劃自己的工業 4.0 發展路徑，並為向靈活企業的逐步轉型做好準備。
《工業 4.0 指數》應用包括三個連續階段。第一階段是辨識不同功能領域的當前成熟度階段。第二階段涉及基於企業策略，企業確認在轉型結束時，期望達到的目標發展階段。這一階段包括透過功能領域和結構領域，分析企業現有工業 4.0 能力，以及採用差距分析，確認企業仍需開發的缺失能力。
這些依賴於第一階段確定的當前發展階段，以及企業在轉型結束時，期望達到的目標發展狀態。最後，第三階段涉及行動制定和將行動融入路線圖，從而開發第二階段辨識能力。
圖16：三個階段的戰役
2、第一戰：當前工業 4.0 階段的確定
當前工業 4.0 成熟度階段的確定，是以工業 4.0 能力為基礎。
這些能力依據功能領域的業務流程，進行決定，並採用對各個環節能力評級的調查問卷進行評估。每個問題都包括，與六個發展階段關聯的多選答案。
企業現場評估隨處可見。現場參觀形成人們對流程工作方式的最初印象，然後根據訂單管理流程分析現狀，在生產場所評估流程，最後將從屬於相關原則的能力評分，進行整合，並向各個流程環節展示。《工業 4.0 指數》用同心圓代表四個功能領域的成熟度階段，圓圈的半徑越大，製造型企業的成熟度等級就越高。
圖17：工業 4.0 成熟度的雷達圖
以圖 18 為例，該部分問卷與「生產」功能領域的流程相關，評估「文化」結構領域內錯誤價值辨識的程度。透過多項選擇，可以對相關能力進行明確的等級劃分。
圖18：部分問卷示意圖
3、第二戰：待開發能力的辨識
可以透過各個流程的得分匯總，得出各個功能區以及企業整體的總分。這些分數的視覺說明，可以快速確定平均成熟度等級，並標記四個功能區發展階段的不同。理解不同結構區對比方式的主要目的是確保他們以相同速度發展。如下案例，如果「資源」和「文化」結構區的得分，遠遠高於其他兩個結構區，就意味著「資訊系統」和「組織結構」結構區缺乏相關能力，所以相應的能力也不能加以利用。
圖19：組織能力出現不匹配
作為一般規則，建議企業優先達到的應該是所需行動，能夠保證全部四個結構區，達到同一成熟度等級的結構區，從而實現這些成熟度等級的全部效益（成熟度等級一致性）。
在某些操作區或功能區中，大部分效益的實現，可能無需四個結構區成熟度等級的平衡平等，其中可能包括複雜的物流操作。這種物流操作的成功，絕大部分取決於組織有效性或者有效信息系統，承擔關鍵角色的預見性維護改進。一旦達到要求的成熟度等級和一致性，企業可以進一步執行實現目標狀態（達到更高的成熟度等級）所需的其他行動 。
圖20 對這兩個階段進行了說明。
圖20：先實現成熟度的匹配
4、第三戰：確定具體措施
從四個結構領域缺失的能力，可以得出必要措施，而對各個流程的評估，可以對這些措施進行精確定位。之後，企業開始制訂路線圖，並儘快執行措施。這些措施採用上述兩步法進行制定，第一步是實現成熟度階段的一致性，第二步是引入達到更高成熟度等級的措施。
圖21：企業制定線路圖執行措施
為了實現成熟度階段一致性，和達到更高的成熟度階段目標狀態，必需完成以上兩個階段的措施，首先就是沿時間軸制訂措施，從而確定措施的優先順序，彼此配合併按照物流順序執行。
還可以採用成本效益矩陣評估措施，運用指標體系進行效益評估，其中每項能力分配一個指標。透過指標得分的增加，反映相關能力的發展，從而對特定措施的效益進行評價。成本評估則由各個企業自行展開。
5、量化效益
通過指標量化企業工業 4.0 應用的效益，基本理念是將完善的指標，和工業 4.0的影響相關聯。透過指標和《工業 4.0 指數》的結合，用具體數位代表評估結果。據此，企業可以了解成熟度階段的提高，如何影響相應指標。
圖22：關鍵值-分類方案與《工業 4.0 指數》的聯繫
為了評估工業 4.0 應用的效益，指標分類系統必不可少。自優化生產流程效益等複雜關係，應採用易理解的方式加以解釋。自優化生產流程，可以提高機器的整體功效，並透過降低意外故障率，更為嚴格地遵守交貨期限，這可以對企業產出，和整體生產產生積極影響。
這個簡短的例子，清楚地表明指標分類系統需要說明指標之間的關係，確定的指標需要進行檢查並轉型為等級結構。企業的成熟度等級為最高層，創新能力、生產力等在下一層。生產力是企業的產出和投入比。機器性能要素等而，可測量數據則位於最底層。
6、應用案例
2016 年 8 月初，以連接器而知名的德國浩亭 Harting AG 在工廠總部驗證了《工業 4.0 指數》。Harting 製造的產品包括工業連接器、裝置連接技術和網路部件。2016 年，該企業僱傭了近 4,300 名員工，遍及 43 家銷售企業和 13 家製造工廠。
「生產」功能區的措施之一，涉及現有試點項目與整個製造過程的集合。這些在單獨生產線上進行的試點項目，目前只能引起部分進程改進，而且由於並未在整個生產線上發揮試點項目的潛力，這些改進是孤立分散的。
圖23：分散實施的弊端
在工業 4.0 成熟度指數的體系下，浩亭重新透過這些評估，憑藉價值鏈中工業 4.0 試點項目實現所述數位化模式，達到了「可見性」成熟度等級（第三等級）。在這一現狀下，該公司制訂措施，確保這一成熟度等級的全部方面保持一致，然後採取行動，邁向下一等級。
24：浩亭評估
Harting 制訂了所有相關功能區內，流程的詳細清單。不但對各個功能區內， 專家進行訪問，還在標準產品製造過程，展示期間進行實地考察，從而評估不同部門間的交流，以及生產場所的資訊實用性。
圖25：浩亭的評估體系
原有分散實施的流程被打破，開始將個別試點項目融入端到端流程，從而充分發揮工業 4.0 潛力，這涉及具體產品或產品組的綜合方法選擇，以及試點項目在整個價值創造過程中的延伸。除了布置額外感測器，還包括加量操作過程和決策過程的整合，從而實現基於數據的決策。
Harting 已經在工業 4.0 領域，完成了許多工作，特別是針對製造設施。過去幾年對 IT 基礎設施的升級，以及來自生產場所的系統性回饋，使得該公司能夠創建資訊系統內，生產環境的數位模式。透過不同生產環節的個別試點項目，實現對相關技術的深入了解。該公司從試點項目和現存操作流程的集成中受益良多。
小結
工業 4.0 在 2011年的出版物中首次出現，自此用於指代工業生產過程中思，資訊通信技術的廣泛整合。但是人們有時也會對其產生誤解，僅僅關注其中的技術角度。其實，企業還需要實現組織結構和文化轉型。最終目標是成為能夠持續靈活適應，環境變化的學習型靈活企業。
《工業 4.0成熟度指數》，可以指導企業實現思，學習型靈活企業轉型，共有六個連續發展階段和四個關鍵領域。在各階段，都應該可以實現企業的額外效益。各個企業的需求，其實都是個性化的，藉助於《工業 4.0 成熟度指數》，可以協助企業精確制訂數位化路線圖，從整體上把握相關業務部門的全面數位化轉型。
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