Development of a maturity model for assessing the industry 4.0 maturity of industrial enterprises

Abstract

Nach der dampf- und wasserkraftbasierten Mechanisierung der Produktion, der Einführung der arbeitsteiligen Massenproduktion mithilfe elektrischer Energie, sowie der Digitalisierung der Industrie in den 1970ern, wird derzeit eine vierte industrielle Revolution ausgerufen - die sogenannte "Industrie 4.0". Basierend auf der Einführung von Cyber-Physikalischen Systemen (CPS) und mit Hilfe moderner Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) soll Industrie 4.0 völlig neue Wege der industriellen Produktion ermöglichen, und somit die europäische, und im Speziellen die deutsche Wirtschaft stärken (Acatech 2013). Trotz zahlreicher politischer Initiativen bestehen weitreichende Probleme bei der Realisierung der Industrie 4.0-Vision. Aktuelle Studien machen, neben den nötigen Investitionen für moderne Technologien, vor allem die hohe Themenkomplexität für die schleppende Umsetzung verantwortlich. Hohe Komplexität lässt Unternehmen bei der Einschätzung der eigenen Fähigkeit in der Industrie 4.0 - der sogenannten "Industrie 4.0-Reife" meist scheitern und lässt somit keine Entwicklungsmaßnahmen zu. Um die bestehende Unsicherheit bzgl. der Unternehmensreife in der Industrie 4.0 zu reduzieren und so die Entwicklung von zielgerichteten Road-Maps zu ermöglichen, schlagen wir in dieser diese Arbeit das sogenannte "Industrie 4.0 Reifgradmodell - I40MM" vor. Dieses erlaubt Unternehmen durch "self-assessment" die eigene Industrie 4.0-Reife zu bestimmen. Das Modell basiert auf Hevner's Design Science Approach (Hevner et al. 2004), sowie Becker's Leitfaden zur Entwicklung von Reifegradmodellen (Becker et al. 2009). Hevner's Entwicklungsrichtlinien folgend wurden in einem ersten Schritt Experteninterviews durchgeführt, um den eigentlichen Bedarf an einem Industrie 4.0-Reifegradmodell zu ermitteln, sowie die domänenspezifischen Anforderungen zu erheben. In einem zweiten Schritt wurde eine umfangreiche, systematische Literaturrecherche zum Thema "Reifegradmodelle" durchgeführt, welche in mehr als 3400 Resultaten und der Berücksichtigung von 72 Publikationen für die Entwicklung endete. Auch wurde während der Recherche kein existierendes Reifegradmodell zur Ermittlung der Industrie 4.0 Reife gefunden. Die praktische Relevanz der, aus der Literatur abgeleiteten Reife-Attribute, wurde mittels Experten-Ratings bzgl. der "Wichtigkeit des Attributes für die Realisierung von Industrie 4.0" validiert. 23 Experten bewerteten die Attribute in einem ausgesendeten Fragebogen mit einer durchschnittlichen "Wichtigkeit" von 3,2 (1 - unwichtig bis 4 - sehr wichtig). Diese Bewertung der Attribute dient folglich für die gewichtete Berechnung der Industrie 4.0-Reife in 9 Unternehmensdimensionen. Die Messung der Reife-Attribute im Unternehmen erfolgt mit einem eigens entwickelten Fragenbogen, bestehend aus 62 Fragen (Eine Frage pro Reife-Attribut). Die Überführung des Modells in ein praktisch nutzbares Tool erfolgt durch die Überführung der Modellinhalte und Ergebnisse in einen 11-seitigen Industrie 4.0 Reifebericht als PDF-Dokument. Das Industrie 4.0 Reifegradmodell wurde erfolgreich in zwei Unternehmen getestet, womit eine erste Validierung der praktischen Anwendbarkeit erfolgt ist. Des Weiteren, soll die streng methodenbasierte Vorgehensweise bei der Entwicklung die Akzeptanz des Modells auch im Bereich der Forschung sicherstellen.

After the water- and steam empowered mechanization of manufacturing, the introduction of mass production based on electrical energy, and the first digitalization of industrial productions in the 1970s, currently a 4th industrial revolution is propagated - commonly referred to as "Industry 4.0". Based on Cyber-Physical Systems (CPS) and enhanced by modern Information and Communication Technology (ICT), Industry 4.0 should enable an entirely new approach to industrial manufacturing and serves as a means to strengthen Europe's and especially Germany's production industry (Acatech 2013). Although highly supported by political initiatives and increasingly acknowledged by scholars, the implementation of Industry 4.0-s "smart factories", "smart products" and "smart networks" fails to keep up pace with its political popularity. Current surveys indicate that - beside high investment costs - the high topic-complexity resulting in uncertainty is one core issue decelerating the realization. Consequently to the company's uncertainty, they fail to assess their own capabilities and maturity within the field of Industry 4.0, which disables from taking any coordinated measures towards successful realization. Tackling the outlined problems, this work suggests the so called "Industry 4.0 Maturity Model (I40MM)" - a model that allows companies to self-asses their capabilities in Industry 4.0 and, consequently reduces uncertainty which results in target-aimed development of road-maps in Industry 4.0. The I40MM is developed using a multi methodological approach including a systematic literature research and qualitative and quantitative survey research. The model is scientifically based on Hevner's design science approach (Hevner et al. 2004) as well as Becker's procedure model for the development of maturity models (Becker at al. 2009). In a first step, interviews were carried out with Industry 4.0-experts to highlight the practical need of the maturity model, capture the state of Industry 4.0 in real life and to support the domain-specific population of the I40MM. Simultaneously, a systematic literature review on "maturity models" resulted in more than 3400 findings and the consideration of 72 publications for inclusion into the model-s development. Also, no published maturity model applicable to the domain of Industry 4.0 has been found during the literature research, which supports the model's academic relevance. Afterwards, the model's practical relevance was validated by expert-ratings of the maturing items- practical importance (attributes) - resulting in 23 responds with an average importance rating of 3,2 (1 - not important, 4 - very important). Their rating was used for the weighted calculation of the 9 company dimension's Industry 4.0-maturity. The attribute's maturity-measurement within the company is surveyed using a newly developed questionnaire consisting of 62 questions (one question per maturing attribute) in 9 company-dimensions. To ensure good practical usability, the I40MM is transformed to a Maturity Report consisting of 11 pages, whereby the 1st page (Maturity Dashboard) summarizes the companies Industry 4.0 maturity at-a-glance. Finally, the I40MM has been pilot tested in cooperation within two companies. Feedback regarding usability and representability is positive throughout, which validates the model for real-life application. On an academic level, the novelty of the I40MM, as well as its strong scientific bases should lead to the model's acceptance among scholars.