全解析工業(yè)4.0 從起源到未來(lái)

　　近幾年，國際上掀起了新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的熱潮，發(fā)達國家順應潮流，紛紛拋出刺激實(shí)體經(jīng)濟增長(cháng)的國家戰略和計劃，希望通過(guò)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)政策調整重獲在制造業(yè)上的競爭優(yōu)勢。本文將從工業(yè)4.0起源及定義開(kāi)始，以及闡述相關(guān)業(yè)者布局策略，期可為讀者帶來(lái)清晰的工業(yè)4.0發(fā)展藍圖。

　　工業(yè)4.0提升制造業(yè)生產(chǎn)效能

　　維基百科(Wikipedia)中定義的工業(yè)4.0為“工業(yè)4.0或稱(chēng)第四次工業(yè)革命(Fourth industrial revolution)、生產(chǎn)力4.0，是德國政府于2011年提出的高科技計劃，由德國聯(lián)邦教育及研究部和聯(lián)邦經(jīng)濟及科技部聯(lián)合資助，投資預計達2億歐元，用來(lái)提升制造業(yè)的電腦化、數位化與智慧化?！惫I(yè)4.0的目標不是創(chuàng )造新的工業(yè)技術(shù)，而是統合所有工業(yè)相關(guān)的技術(shù)、銷(xiāo)售與產(chǎn)品體驗，是建立具有適應性、資源效率及人因工程學(xué)的智慧工廠(chǎng)(Smart Factory)，并在商業(yè)流程及價(jià)值流程中整合客戶(hù)以及商業(yè)夥伴。

　　另外，工業(yè)4.0技術(shù)基礎是智慧虛實(shí)整合系統(Cyber-Physical System，CPS)、物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)以及智慧感測器網(wǎng)路，亦即透過(guò)感測器和致動(dòng)器(actuator)將真實(shí)世界與虛擬世界相連接。

　　西門(mén)子(Siemens)數位工廠(chǎng)事業(yè)部、制程工業(yè)暨驅動(dòng)科技事業(yè)部總經(jīng)理鄭智峰表示，工業(yè)4.0涵蓋九大技術(shù)，包括擴增實(shí)境(AR)/虛擬實(shí)境(VR)、模擬(Simulation)、巨量資料(Big Data)分析、自主性機器人(Autonomous Robot)、云端運算(Cloud Computing)、工業(yè)網(wǎng)際網(wǎng)路(Industrial Internet)、網(wǎng)路安全(Cyber Security)、水平垂直整合/3D列印(3D Printing)以及增進(jìn)系統智慧化。

　　若能在工廠(chǎng)中落實(shí)這九項技術(shù)，才能真正符合工業(yè)4.0定義需求。工業(yè)4.0能為制造業(yè)帶來(lái)提高生產(chǎn)靈活性、縮短產(chǎn)品上市時(shí)間及提升生產(chǎn)效率等優(yōu)勢。因此，除了德國之外，歐美各國與中國大陸都已啟動(dòng)工業(yè)4.0計畫(huà)，臺灣政府也推出“生產(chǎn)力4.0”計畫(huà)，以協(xié)助臺灣廠(chǎng)商加快進(jìn)入工業(yè)4.0領(lǐng)域。

　　工業(yè)4.0商機誘人

　　自德國政府提出工業(yè)4.0之后，全球也開(kāi)始發(fā)展，因而為制造商、半導體元件、系統整合廠(chǎng)商業(yè)者等帶來(lái)新的商機，其中機器人可謂是直接受惠的產(chǎn)業(yè)。

　　根據國際機器人聯(lián)合會(huì )(International Federation of Robotics，IFR)估計，2014年全球工業(yè)機器人市場(chǎng)銷(xiāo)量約22萬(wàn)5,000臺，創(chuàng )歷史新高，未來(lái)市場(chǎng)需求將持續成長(cháng)。而服務(wù)型機器人也深具發(fā)展潛力，大致分為專(zhuān)業(yè)用、個(gè)人或家庭用兩類(lèi)，IFR預測其2014~2017年市場(chǎng)總銷(xiāo)量，可望突破3,100萬(wàn)臺。

　　拓墣產(chǎn)業(yè)研究所(TRI)則表示，受到工業(yè)4.0浪潮驅動(dòng)，2015年全球工業(yè)機器人市場(chǎng)銷(xiāo)量有望達26萬(wàn)4,000臺，年成長(cháng)約15%;2016年有機會(huì )來(lái)到29萬(wàn)臺，年成長(cháng)約10%。

　　不僅機器人產(chǎn)業(yè)直接受惠，有鑒于工業(yè)4.0囊括的九項技術(shù)中，自主性機器人只是其中之一，包括網(wǎng)路技術(shù)、云端資料中心分析運算及儲存設備、軟體分析平臺，以及半導體元件如微控制器(MCU)、感測器、網(wǎng)路技術(shù)元件…等等，也都因工業(yè)4.0而取得搶進(jìn)新商機的門(mén)票。

　　相關(guān)業(yè)者忙搶進(jìn)

　　由于工業(yè)4.0新商機誘人，各家業(yè)者也都想與工業(yè)4.0“扯上關(guān)系”，以期可再擴大既有的營(yíng)收規模。

　　處理器業(yè)者英特爾(Intel)為搶攻工業(yè)4.0與物聯(lián)網(wǎng)商機，早已開(kāi)始布局，除購并資訊安全軟體公司邁克菲(McAfee)、平臺軟體供應商溫瑞爾 (Wind River)外，目前更已透過(guò)該公司的閘道器和其他工業(yè)電腦如研華(Advantech)、凌華(ADLINK)合作，提供完整的物聯(lián)網(wǎng)平臺予客戶(hù)，期可協(xié)助客戶(hù)快速建構物聯(lián)網(wǎng)應用平臺，創(chuàng )造物聯(lián)網(wǎng)商機價(jià)值。

　　英特爾亞太區技術(shù)開(kāi)發(fā)服務(wù)群物聯(lián)網(wǎng)架構師蔡嘉禾表示，工業(yè)4.0也就是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)，過(guò)去的概念與應用即為機器對機器(M2M)。惟與M2M較為不同的是，工業(yè)4.0不僅僅只是透過(guò)網(wǎng)路技術(shù)連接機器設備，更須利用閘道器將數據網(wǎng)云端或管理中心傳送，進(jìn)一步分析，因此在物聯(lián)網(wǎng)或工業(yè)4.0基礎建設中，閘道器與應用平臺的建置相當重要。

　　元件安全性/機器監測不可忽略：工業(yè)4.0欲實(shí)現的目標是——提升生產(chǎn)效率、制造為本、對應未來(lái)商機隨時(shí)改變生產(chǎn)線(xiàn)架構…等。臺灣瑞薩電子 (Renesas Electronics)行銷(xiāo)事業(yè)部經(jīng)理黎柏均指出，工業(yè)4.0是強調更有效率的工廠(chǎng)與機械管理，仰賴(lài)通訊架構串連所有，但相對地必須面臨資料傳輸安全性與網(wǎng)路的可靠性挑戰。

　　而為了強化工業(yè)4.0安全，做為工業(yè)4.0架構的控制中樞——微控制器本身也須強化其安全性。而瑞薩電子與合作夥伴攜手強化其RX、R-IN MCU系列產(chǎn)品安全性，以提供更佳的物聯(lián)網(wǎng)資料傳輸安全。

　　發(fā)展工業(yè)4.0時(shí)，除了關(guān)注如何透過(guò)網(wǎng)路技術(shù)與后端管理平臺架起工業(yè)4.0架構外，也必須注意第一線(xiàn)的機器監測。國家儀器(NI)技術(shù)行銷(xiāo)工程師吳維翰表示，工業(yè)4.0其中相當重要的一環(huán)即是機器狀況的監控，若這部份未能確實(shí)做好，將無(wú)法達到工業(yè)4.0提升生產(chǎn)效率的精神。

　　因此透過(guò)量測儀器中的資料擷取與振動(dòng)感設器等裝置，再搭配統一的資料傳送閘道器，將可做到主動(dòng)式防護，亦即可先一步知道機器是否即將損壞，也能提升機器檢測的效率，更可維護作業(yè)員的工作安全。

　　通訊技術(shù)不可或缺：在連網(wǎng)技術(shù)方面，除了傳輸到云端的有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)外，工廠(chǎng)內部機器間的通訊也不可或缺。因此在工業(yè)4.0架構中，各種無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)將與工業(yè)乙太網(wǎng)路相輔相成，其中，可建構網(wǎng)狀網(wǎng)路的ZigBee已開(kāi)始獲得廠(chǎng)商的重視。

　　芯科實(shí)驗室(Silicon Labs)臺灣區總經(jīng)理寶陸格說(shuō)明，在工業(yè)4.0網(wǎng)路中，各種無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)都將有各自的定位，不會(huì )有所謂的取代效應發(fā)生。而ZigBee是由于具備網(wǎng)狀網(wǎng)路及自我修復的特性，因此在數量較多的機臺或是公共設施應用上較為合適。另外，為了讓ZigBee透過(guò)IP的方式傳送資料，因此去年幾家業(yè)者也成立 Thread聯(lián)盟，致力于將IP加入ZigBee技術(shù)中。

　　更重要的是，工業(yè)4.0中需要布建許多感測器，這些感測器和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路節點(diǎn)元件相同，需要工作相當長(cháng)的時(shí)間，也無(wú)法時(shí)時(shí)進(jìn)行換電池或充電，因此元件本身需要相當省電，與節電、低功耗相關(guān)的電源管理IC(PMIC)也將在工業(yè)4.0設備中扮演重要角色。

　　完整垂直與平行整合才能緊握商機：由于德國許多業(yè)者已著(zhù)手進(jìn)行工業(yè)4.0的布局，西門(mén)子也因而更加了解工業(yè)4.0的精隨，因此為提供最完整的解決方案，西門(mén)子早已透過(guò)購并的方式，將該公司所有產(chǎn)品進(jìn)行垂直與水平整合。鄭智峰強調，西門(mén)子產(chǎn)品可涵蓋企業(yè)、管理、操作、控制、現場(chǎng)五大層面，而這五大層面也就是完整的工業(yè)4.0架構。

　　不僅提供完整的工業(yè)4.0解決方案予客戶(hù)，西門(mén)子自家的安貝格(Amberg)工廠(chǎng)已符合工業(yè)4.0的需求。鄭智峰指出，透過(guò)建構工業(yè)4.0工廠(chǎng)的經(jīng)驗，西門(mén)子除了強化自身產(chǎn)品完整度，也具備協(xié)助業(yè)者建置其所需的工業(yè)4.0工廠(chǎng)的能力。此外，西門(mén)子也積極與臺灣各界合作，以推升臺灣工業(yè)4.0的發(fā)展。

　　工業(yè)4.0其中一項目標是透過(guò)自動(dòng)控制、元件間最佳化或疊加系統協(xié)調執行一項完整的生產(chǎn)任務(wù)，需要為硬體、軟體和系統設計提供新的解決方案。尤其是對現場(chǎng)處理分散任務(wù)的緊湊、堅固的解決方案，對獲取感測器資料、精心設計PLC系統與中央IT系統和云端的通訊需求不斷增強。

　　臺灣浩亭(HARTING)總監林筆章認為，上述關(guān)鍵是從已建立的自動(dòng)化技術(shù)轉向整合產(chǎn)業(yè)(Integrated Industry)，即工業(yè)結合自動(dòng)化和資訊技術(shù)，啟用新型商業(yè)模式、新的產(chǎn)品和服務(wù)，提高可靠性和生產(chǎn)率。為此，浩亭已在自家智慧工廠(chǎng)中實(shí)施廣泛的“浩亭為您提供整合產(chǎn)業(yè)解決方案”(HARTING Integrated Industry 4You，HAII4YOU)。

　　元件代理商搶分杯羹：最后，半導體元件代理商也在這波工業(yè)4.0浪潮中獲得新商機。若是欲進(jìn)入工業(yè)4.0市場(chǎng)的業(yè)者，在沒(méi)有明確概念的狀況下，不知該采用哪些關(guān)鍵元件，或是想節省時(shí)間一次購足所需，那么除原廠(chǎng)之外，代理商將是較佳的選擇。貿澤電子(Mouser)亞洲區技術(shù)支援主管蘇志倫提到，代理商不僅代理許多原廠(chǎng)的優(yōu)質(zhì)零組件以及被動(dòng)元件，還建立應用與技術(shù)相關(guān)子網(wǎng)站，讓客戶(hù)可以最便利與快速的方式，構筑工業(yè)4.0的應用技術(shù)藍圖。

　　安富利(AVNET)則與其合作夥伴提供完整的產(chǎn)品線(xiàn)，如多樣化開(kāi)發(fā)平臺、各類(lèi)傳輸協(xié)定、無(wú)線(xiàn)感測網(wǎng)路(WSN)解決方案、微機電系統(MEMS)等，協(xié)助業(yè)者最佳化工業(yè)設備，提高生產(chǎn)效率，并進(jìn)一步節省人力資源成本。未來(lái)安富利也將進(jìn)一步加入系統整合的部份，期可幫助客戶(hù)選擇完整的元件產(chǎn)品，還可滿(mǎn)足客戶(hù)高度客制化需求。

　　網(wǎng)路+感測器≠工業(yè)4.0

　　由于目前工業(yè)4.0是片狀的發(fā)展，各家業(yè)者各自努力，未能串聯(lián)成全面的發(fā)展;也未有任何“標準規范”讓業(yè)者有所依循。因此工業(yè)4.0對多數業(yè)者而言，像一種“如陷五里迷霧”的技術(shù)與市場(chǎng)，但工業(yè)4.0絕非只是在生產(chǎn)機器上加上網(wǎng)路與感測器那么簡(jiǎn)單。 鄭智峰指出，許多廠(chǎng)商對工業(yè)4.0真正的意涵并不相當清楚，認為在機器上加上網(wǎng)路與感測器就是工業(yè)4.0，事實(shí)上，業(yè)者忽略了感測器收集到的資料分析、更智慧且具自主性的機器人如何實(shí)現…等等技術(shù)問(wèn)題。

　　回歸先前提到工業(yè)4.0涵蓋的九項核心技術(shù)，要實(shí)現這些技術(shù)對相關(guān)業(yè)者而言，不是件簡(jiǎn)單的事。德國累積了10多年相關(guān)技術(shù)能力，才能在2011年進(jìn)一步提出工業(yè)4.0的計畫(huà)，并于2012年推動(dòng)，因此業(yè)者若是只看到工業(yè)4.0市場(chǎng)的美好，而忘卻背后需要龐大的技術(shù)實(shí)力“加持”，不但無(wú)法真正了解工業(yè)4.0 究竟要做什么，還會(huì )陷入不知該從何下手發(fā)展工業(yè)4.0的窘境。

　　大一統標準規范路遙迢：除了技術(shù)問(wèn)題外，統一標準遙遙無(wú)期亦成為業(yè)者發(fā)展工業(yè)4.0的絆腳石。安富利臺灣總經(jīng)理蔡守禮表示，目前工業(yè)4.0網(wǎng)路協(xié)定相當混亂，Google、Apple與一些IC供應商都各自有其解決方案，目前也尚未有任何跡象顯示會(huì )出現大一統的標準規范。黎柏均則認為，在有線(xiàn)傳輸技術(shù)部份，工業(yè)乙太網(wǎng)路可望成為工業(yè)4.0通訊標準技術(shù)之一。

　　值得注意的是，發(fā)展工業(yè)4.0時(shí)，業(yè)者勢必會(huì )面臨介面——也就是互通性——的問(wèn)題。鄭智峰認為，工業(yè)4.0或許不需要統包方案(Total Solution)，不過(guò)標準化相當重要，問(wèn)題是目前標準尚未并定義，且標準化發(fā)展暫時(shí)不會(huì )出現，以至于目前工業(yè)4.0呈現廠(chǎng)商各自努力的現象。再者，許多廠(chǎng)商可能無(wú)力建構完整垂直與/水平整合的產(chǎn)品，而選擇跨業(yè)合作，但勢必會(huì )遭遇各家產(chǎn)品介面互通性問(wèn)題，造成其客戶(hù)遭遇問(wèn)題時(shí)，無(wú)法有效解決。

　　鄭智峰表示，國際大廠(chǎng)的確有主導工業(yè)4.0標準建立的優(yōu)勢，不過(guò)小廠(chǎng)間的異業(yè)合作是否也能夠建立大一統的標準，仍需時(shí)間觀(guān)察。但大一統標準何時(shí)出現，實(shí)無(wú)法進(jìn)一步由現階段市場(chǎng)發(fā)展現況來(lái)預測，而介面問(wèn)題也將成為工業(yè)4.0發(fā)展的一大隱憂(yōu)。

　　發(fā)展工業(yè)4.0 臺灣產(chǎn)業(yè)危機或轉機?

　　在全球“瘋”工業(yè)4.0的同時(shí)，臺灣業(yè)者與政府也相當關(guān)注工業(yè)4.0。不過(guò)，臺灣發(fā)展工業(yè)4.0時(shí)將遭遇何種挑戰，將是臺灣廠(chǎng)商須留意的部份。鄭智峰分析，事實(shí)上，臺灣與德國制造業(yè)有相當相似之處，如依賴(lài)外銷(xiāo)、制造能力強、注重機械制造發(fā)展，且皆遭遇人口老化問(wèn)題，因此臺灣業(yè)者借鏡德國廠(chǎng)商的發(fā)展歷程最適合不過(guò)。

　　唯臺灣與德國廠(chǎng)商仍有不同之處，即是德國擁有許多自有品牌，但臺灣多為代工，因此德國廠(chǎng)商能根據其產(chǎn)品所需與特性，清楚了解其該發(fā)展工業(yè)4.0九大技術(shù)中的那幾項;而臺灣廠(chǎng)商則由于都是依循母廠(chǎng)要求進(jìn)行產(chǎn)品設計制造，因此尚未能掌握工業(yè)4.0的重點(diǎn)技術(shù)。

　　鄭智峰強調，未來(lái)臺灣制造業(yè)若仍是想以低成本、品質(zhì)策略競爭，將可能連已積極發(fā)展工業(yè)4.0的中國大陸都無(wú)法匹敵。因此臺灣廠(chǎng)商在調整心態(tài)后，逐步發(fā)展工業(yè)4.0要求的九大項技術(shù)，再加上官方政府的推展及協(xié)助，進(jìn)一步強化工業(yè)自動(dòng)化程度。

　　另外，臺灣業(yè)者除了最佳化硬體制程、建立制程模組化外，還須全面整合自動(dòng)化設計;而軟體平臺的建構則須從基礎環(huán)境整合開(kāi)始，并建立工廠(chǎng)數位平臺、結合自動(dòng)化設計，最后還需重視網(wǎng)路安全、工業(yè)4.0應用方式等，進(jìn)而達成臺灣工業(yè)4.0計劃——“生產(chǎn)力4.0”目標。