工業(yè)4.0全解 從起源到未來

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(dá)國家順應(yīng)潮流，紛紛拋出刺激實(shí)體經(jīng)濟(jì)增長的國家戰(zhàn)略和計(jì)劃，希望通過技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整重獲在制造業(yè)上的競爭優(yōu)勢。其中，由德國發(fā)起的“工業(yè)4.0”(Industry 4.0)概念，在全球逐漸發(fā)燒。不過，制造相關(guān)業(yè)者、半導(dǎo)體元件或是系統(tǒng)整合商，雖然明瞭工業(yè)4.0將為其帶來新的龐大商機(jī)，但普遍卻不很清楚該怎么跨入市場，甚至如何在自家工廠導(dǎo)入工業(yè)4.0概念。

本文將從工業(yè)4.0起源及定義開始，以及闡述相關(guān)業(yè)者布局策略，期可為讀者帶來清晰的工業(yè)4.0發(fā)展藍(lán)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(jì)劃，由德國聯(lián)邦教育及研究部和聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)及科技部聯(lián)合資助，投資預(yù)計(jì)達(dá)2億歐元，用來提升制造業(yè)的電腦化、數(shù)位化與智慧化。”工業(yè)4.0的目標(biāo)不是創(chuàng)造新的工業(yè)技術(shù)，而是統(tǒng)合所有工業(yè)相關(guān)的技術(shù)、銷售與產(chǎn)品體驗(yàn)，是建立具有適應(yīng)性、資源效率及人因工程學(xué)的智慧工廠(Smart Factory)，并在商業(yè)流程及價(jià)值流程中整合客戶以及商業(yè)夥伴。

另外，工業(yè)4.0技術(shù)基礎(chǔ)是智慧虛實(shí)整合系統(tǒng)(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。

西門子(Siemens)數(shù)位工廠事業(yè)部、制程工業(yè)暨驅(qū)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(kuò)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(jī)器人(Autonomous Robot)、云端運(yùn)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(tǒng)智慧化。

工業(yè)4.0的九大關(guān)鍵技術(shù)

若能在工廠中落實(shí)這九項(xiàng)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(jì)畫，臺(tái)灣政府也推出“生產(chǎn)力4.0”計(jì)畫，以協(xié)助臺(tái)灣廠商加快進(jìn)入工業(yè)4.0領(lǐng)域。

工業(yè)4.0商機(jī)誘人

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

根據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(International Federation of Robotics，IFR)估計(jì)，2014年全球工業(yè)機(jī)器人市場銷量約22萬5,000臺(tái)，創(chuàng)歷史新高，未來市場需求將持續(xù)成長。而服務(wù)型機(jī)器人也深具發(fā)展?jié)摿?，大致分為專業(yè)用、個(gè)人或家庭用兩類，IFR預(yù)測其2014~2017年市場總銷量，可望突破3,100萬臺(tái)。

拓墣產(chǎn)業(yè)研究所(TRI)則表示，受到工業(yè)4.0浪潮驅(qū)動(dòng)，2015年全球工業(yè)機(jī)器人市場銷量有望達(dá)26萬4,000臺(tái)，年成長約15%;2016年有機(jī)會(huì)來到29萬臺(tái)，年成長約10%。

不僅機(jī)器人產(chǎn)業(yè)直接受惠，有鑒于工業(yè)4.0囊括的九項(xiàng)技術(shù)中，自主性機(jī)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(yùn)算及儲(chǔ)存設(shè)備、軟體分析平臺(tái)，以及半導(dǎo)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(jī)的門票。

相關(guān)業(yè)者忙搶進(jìn)

由于工業(yè)4.0新商機(jī)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(kuò)大既有的營收規(guī)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(jī)，早已開始布局，除購并資訊安全軟體公司邁克菲(McAfee)、平臺(tái)軟體供應(yīng)商溫瑞爾 (Wind River)外，目前更已透過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(tái)予客戶，期可協(xié)助客戶快速建構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)，創(chuàng)造物聯(lián)網(wǎng)商機(jī)價(jià)值。

英特爾亞太區(qū)技術(shù)開發(fā)服務(wù)群物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)師蔡嘉禾表示，工業(yè)4.0也就是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)，過去的概念與應(yīng)用即為機(jī)器對機(jī)器(M2M)。惟與M2M較為不同的是，工業(yè)4.0不僅僅只是透過網(wǎng)路技術(shù)連接機(jī)器設(shè)備，更須利用閘道器將數(shù)據(jù)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(chǔ)建設(shè)中，閘道器與應(yīng)用平臺(tái)的建置相當(dāng)重要。

元件安全性/機(jī)器監(jiān)測不可忽略：工業(yè)4.0欲實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是——提升生產(chǎn)效率、制造為本、對應(yīng)未來商機(jī)隨時(shí)改變生產(chǎn)線架構(gòu)…等。臺(tái)灣瑞薩電子 (Renesas Electronics)行銷事業(yè)部經(jīng)理黎柏均指出，工業(yè)4.0是強(qiáng)調(diào)更有效率的工廠與機(jī)械管理，仰賴通訊架構(gòu)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(zhàn)。

而為了強(qiáng)化工業(yè)4.0安全，做為工業(yè)4.0架構(gòu)的控制中樞——微控制器本身也須強(qiáng)化其安全性。而瑞薩電子與合作夥伴攜手強(qiáng)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)注如何透過網(wǎng)路技術(shù)與后端管理平臺(tái)架起工業(yè)4.0架構(gòu)外，也必須注意第一線的機(jī)器監(jiān)測。國家儀器(NI)技術(shù)行銷工程師吳維翰表示，工業(yè)4.0其中相當(dāng)重要的一環(huán)即是機(jī)器狀況的監(jiān)控，若這部份未能確實(shí)做好，將無法達(dá)到工業(yè)4.0提升生產(chǎn)效率的精神。

因此透過量測儀器中的資料擷取與振動(dòng)感設(shè)器等裝置，再搭配統(tǒng)一的資料傳送閘道器，將可做到主動(dòng)式防護(hù)，亦即可先一步知道機(jī)器是否即將損壞，也能提升機(jī)器檢測的效率，更可維護(hù)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?shù)皆贫说挠芯€與無線通訊技術(shù)外，工廠內(nèi)部機(jī)器間的通訊也不可或缺。因此在工業(yè)4.0架構(gòu)中，各種無線通訊技術(shù)將與工業(yè)乙太網(wǎng)路相輔相成，其中，可建構(gòu)網(wǎng)狀網(wǎng)路的ZigBee已開始獲得廠商的重視。

芯科實(shí)驗(yàn)室(Silicon Labs)臺(tái)灣區(qū)總經(jīng)理寶陸格說明，在工業(yè)4.0網(wǎng)路中，各種無線通訊技術(shù)都將有各自的定位，不會(huì)有所謂的取代效應(yīng)發(fā)生。而ZigBee是由于具備網(wǎng)狀網(wǎng)路及自我修復(fù)的特性，因此在數(shù)量較多的機(jī)臺(tái)或是公共設(shè)施應(yīng)用上較為合適。另外，為了讓ZigBee透過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，這些感測器和無線網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)元件相同，需要工作相當(dāng)長的時(shí)間，也無法時(shí)時(shí)進(jìn)行換電池或充電，因此元件本身需要相當(dāng)省電，與節(jié)電、低功耗相關(guān)的電源管理IC(PMIC)也將在工業(yè)4.0設(shè)備中扮演重要角色。

完整垂直與平行整合才能緊握商機(jī)：由于德國許多業(yè)者已著手進(jìn)行工業(yè)4.0的布局，西門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，西門子早已透過購并的方式，將該公司所有產(chǎn)品進(jìn)行垂直與水平整合。鄭智峰強(qiáng)調(diào)，西門子產(chǎn)品可涵蓋企業(yè)、管理、操作、控制、現(xiàn)場五大層面，而這五大層面也就是完整的工業(yè)4.0架構(gòu)。

不僅提供完整的工業(yè)4.0解決方案予客戶，西門子自家的安貝格(Amberg)工廠已符合工業(yè)4.0的需求。鄭智峰指出，透過建構(gòu)工業(yè)4.0工廠的經(jīng)驗(yàn)，西門子除了強(qiáng)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工廠的能力。此外，西門子也積極與臺(tái)灣各界合作，以推升臺(tái)灣工業(yè)4.0的發(fā)展。

工業(yè)4.0其中一項(xiàng)目標(biāo)是透過自動(dòng)控制、元件間最佳化或疊加系統(tǒng)協(xié)調(diào)執(zhí)行一項(xiàng)完整的生產(chǎn)任務(wù)，需要為硬體、軟體和系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供新的解決方案。尤其是對現(xiàn)場處理分散任務(wù)的緊湊、堅(jiān)固的解決方案，對獲取感測器資料、精心設(shè)計(jì)PLC系統(tǒng)與中央IT系統(tǒng)和云端的通訊需求不斷增強(qiáng)。

臺(tái)灣浩亭(HARTING)總監(jiān)林筆章認(rèn)為，上述關(guān)鍵是從已建立的自動(dòng)化技術(shù)轉(zhuǎn)向整合產(chǎn)業(yè)(Integrated Industry)，即工業(yè)結(jié)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(dǎo)體元件代理商也在這波工業(yè)4.0浪潮中獲得新商機(jī)。若是欲進(jìn)入工業(yè)4.0市場的業(yè)者，在沒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(jié)省時(shí)間一次購足所需，那么除原廠之外，代理商將是較佳的選擇。貿(mào)澤電子(Mouser)亞洲區(qū)技術(shù)支援主管蘇志倫提到，代理商不僅代理許多原廠的優(yōu)質(zhì)零組件以及被動(dòng)元件，還建立應(yīng)用與技術(shù)相關(guān)子網(wǎng)站，讓客戶可以最便利與快速的方式，構(gòu)筑工業(yè)4.0的應(yīng)用技術(shù)藍(lán)圖。

安富利(AVNET)則與其合作夥伴提供完整的產(chǎn)品線，如多樣化開發(fā)平臺(tái)、各類傳輸協(xié)定、無線感測網(wǎng)路(WSN)解決方案、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)等，協(xié)助業(yè)者最佳化工業(yè)設(shè)備，提高生產(chǎn)效率，并進(jìn)一步節(jié)省人力資源成本。未來安富利也將進(jìn)一步加入系統(tǒng)整合的部份，期可幫助客戶選擇完整的元件產(chǎn)品，還可滿足客戶高度客制化需求。

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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范”讓業(yè)者有所依循。因此工業(yè)4.0對多數(shù)業(yè)者而言，像一種“如陷五里迷霧”的技術(shù)與市場，但工業(yè)4.0絕非只是在生產(chǎn)機(jī)器上加上網(wǎng)路與感測器那么簡單。

鄭智峰指出，許多廠商對工業(yè)4.0真正的意涵并不相當(dāng)清楚，認(rèn)為在機(jī)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(jī)器人如何實(shí)現(xiàn)…等等技術(shù)問題。

回歸先前提到工業(yè)4.0涵蓋的九項(xiàng)核心技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)對相關(guān)業(yè)者而言，不是件簡單的事。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(jì)畫，并于2012年推動(dòng)，因此業(yè)者若是只看到工業(yè)4.0市場的美好，而忘卻背后需要龐大的技術(shù)實(shí)力“加持”，不但無法真正了解工業(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(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范路遙迢：除了技術(shù)問題外，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)遙遙無期亦成為業(yè)者發(fā)展工業(yè)4.0的絆腳石。安富利臺(tái)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(dāng)混亂，Google、Apple與一些IC供應(yīng)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(xiàn)大一統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。黎柏均則認(rèn)為，在有線傳輸技術(shù)部份，工業(yè)乙太網(wǎng)路可望成為工業(yè)4.0通訊標(biāo)準(zhǔn)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——的問題。鄭智峰認(rèn)為，工業(yè)4.0或許不需要統(tǒng)包方案(Total Solution)，不過標(biāo)準(zhǔn)化相當(dāng)重要，問題是目前標(biāo)準(zhǔn)尚未并定義，且標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展暫時(shí)不會(huì)出現(xiàn)，以至于目前工業(yè)4.0呈現(xiàn)廠商各自努力的現(xiàn)象。再者，許多廠商可能無力建構(gòu)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)品介面互通性問題，造成其客戶遭遇問題時(shí)，無法有效解決。

鄭智峰表示，國際大廠的確有主導(dǎo)工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)建立的優(yōu)勢，不過小廠間的異業(yè)合作是否也能夠建立大一統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，仍需時(shí)間觀察。但大一統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)何時(shí)出現(xiàn)，實(shí)無法進(jìn)一步由現(xiàn)階段市場發(fā)展現(xiàn)況來預(yù)測，而介面問題也將成為工業(yè)4.0發(fā)展的一大隱憂。

發(fā)展工業(yè)4.0 臺(tái)灣產(chǎn)業(yè)危機(jī)或轉(zhuǎn)機(jī)?

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

唯臺(tái)灣與德國廠商仍有不同之處，即是德國擁有許多自有品牌，但臺(tái)灣多為代工，因此德國廠商能根據(jù)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(xiàng);而臺(tái)灣廠商則由于都是依循母廠要求進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(qiáng)調(diào)，未來臺(tái)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的中國大陸都無法匹敵。因此臺(tái)灣廠商在調(diào)整心態(tài)后，逐步發(fā)展工業(yè)4.0要求的九大項(xiàng)技術(shù)，再加上官方政府的推展及協(xié)助，進(jìn)一步強(qiáng)化工業(yè)自動(dòng)化程度。

另外，臺(tái)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(shè)計(jì);而軟體平臺(tái)的建構(gòu)則須從基礎(chǔ)環(huán)境整合開始，并建立工廠數(shù)位平臺(tái)、結(jié)合自動(dòng)化設(shè)計(jì)，最后還需重視網(wǎng)路安全、工業(yè)4.0應(yīng)用方式等，進(jìn)而達(dá)成臺(tái)灣工業(yè)4.0計(jì)畫——“生產(chǎn)力4.0”目標(biāo)。