雲端打造智慧工廠　帶動製造業轉型

以雲端為關鍵樞紐，緊密串聯大數據、物聯網、機器人、自動化、人工智慧等各項元素，可望加速實現智慧工廠願景。DFKI

近一年多來，製造業界最夯話題，無疑是「工業4.0」。儘管此為德國於2012年提出的製造業升級計畫，但深究計畫形成的背景，其餘國家亦感同身受，導致影響力擴及全球，所以各國製造業都亟欲發展智慧工廠、虛實整合系統(CPS)，孕育出許多屬於製造業的雲端應用。

知名分析機構IDC，近幾年來不斷倡議「第三平台」概念，也就是說，其認為目前已經脫離以PC與網路為主軸的第二平台時代，正式邁進第三平台新的段階。而引領第三平台的四個主要驅動力量，即包括了大數據(Big Data)、行動化、社群媒體外，以及扮演最吃重角色的雲端運算。
而在以雲端運算為軸心的四大驅動力量交織下，將接續繁衍出物聯網、混合雲、軟體定義一切、超融合平台、數據湖(Data Lakes)…等一系列新興發展趨勢，不僅帶動未來人類生活型態的轉變，亦將驅使產業轉型。
在此前提下，欲探討「雲端應用」這個大題目，似乎就不宜與垂直產業的應用發展議題脫鉤。而一向堪稱台灣經濟重要支柱的製造業，其雲端應用發展方向，無疑更是值得一探究竟的課題。
毫無疑問，放眼現今製造業領域，最炙手可熱的議題，便是工業4.0，雖然這個辭彙源自於德國，然而深究其初衷，無非就是促進製造業的資訊化、數位化，終至達到智慧工廠的願景，同樣是其他許多國家致力追求的目標；因此工業4.0浪潮能夠席捲全世界，並不讓人意外。
藉助雲端力量　營造工業4.0大局
台灣經濟部工業局官員曾多次利用研討會場言，詳加剖析工業4.0浪潮崛起之緣由。主要是因為，全球產業都共同面臨諸多課題，其一是市場快速變化，產品生命週期愈來愈短，少量多樣與客製化生產需求愈來愈高；其二是資源與環境課題，舉凡土地、人力與水電等全球生產要素資源，都相當有限；其三是勞動力不足，此乃肇因於少子化、高齡化等趨勢所致；其四是人均產值成長趨緩，特別是自從2008年金融海嘯以來，成長趨緩的現象更加顯著；最後則是製造版圖重新洗牌，開發中國家搶佔量產市場，工業國家搶佔客製化市場。
為了克服前述各大挑戰，促使世界各國催緊油門，積極推動產業升級轉型，陸續祭出諸多重大計畫，包括美國推出「AMP」，德國推出「工業4.0」，大陸推出「中國製造2025」，日本推出「日本產業重振計畫」，南韓提出「製造業創新3.0策略」，至於台灣，也並未置身事外，由行政院領軍啟動「生產力4.0」產業與技術發展策略。
當然，推動產業升級、邁向智慧工廠，絕非政府登高一呼即可成事，亦需民間企業的呼應，尤其是國際級指標大廠的配合；而截至目前，許多大廠皆已對智慧工廠相關解決方案多所著墨。
其中GE強調設備的智能與聯網功能，在設備中嵌入多種感應裝置，提供完整設備訊息，並藉由網路將設備資訊傳送至控制中心，且透過資料分析之後產生報告，並將分析後之資料或參數設定回傳至設備裝置，持續下一階段工作運轉，目前已運用於飛機引擎、外海鑽油平台等應用場域。
IBM則從大數據挖掘智慧工廠商機。該公司結合大型主機運算單元、企業級儲存部署單元、服務架構組成元件，匯聚成為智慧工廠巨量資料解決方案，訴諸多面向生產製造資料分析、整合式製程偵錯與產出分析，以及進階製程改善分析，藉此協助製造企業縮短製程除錯時程，且順勢實現「無時耗」(意即7x2)工廠生產營運，發揮快速回應產能提升需求、擴大營收之關鍵效益。
日本Fanuc打造機器人智慧工廠，結合物聯網架構與機器人系統，建構無人工廠，同時透過網路系統聯結，達到全球接單、日本生產的營運模式，為創造高生產力、高獲利之典範案例；值得一提的，該公司亦善用大數據系統，大量收集分析生產過程當中的各種數據，並搭配自動化品檢系統，分析各項最佳生產參數，有效控制生產品質及成本管理。
看到這裡，大家理應能夠清楚明白，不管是工業4.0、生產力4.0或者智慧工廠，都將是引領製造業升級轉型的重要議題；然而令人好奇的，包括工業4.0等題材，與雲端應用之間究竟有何等關聯性？事實上，關係可大了！
善用雲端智慧　助製造商拓展加值服務
簡言之，工業4.0的精髓，便是將雲端、大數據、物聯網、機器人、自動化、人工智慧…等元素通通加以串聯，藉由相互感測、溝通、決策、協作，使工業製造的優勢得以加值並延續；至於如何促使上述一干元素緊密串聯？關鍵就在於雲端。
更深入來看，只要對工業4.0內容有所研究的人，想必對於一些關鍵因素與特徵，都不會感到陌生，而這當中的每個項目，其實都不難見到雲端穿梭其間的身影。特別值得留意是虛實整合系統(Cyber-Physical System；CPS)，堪稱是工業4.0的核心技術，主要是藉由電腦、感測器，並透過新一代網路技術串聯各項設備、機器或數位系統，繼而經由它們之間的溝通協作，終至無縫整合虛擬及實體世界。
展望下一步，CPS將藉助雲端、行動裝置與大數據發揮協同合作力量，進一步串聯IT系統，使IT走出資料中心、跨進工廠，延展成為格局更大的CPPS(Cyber-Physical Production System)，據以形成即時控制的樞紐，可按產品特性與製程設備的感測元件進行互動，並能夠隨著製程變化，彈性變更機器作業程式，迅速調整生產製程，確使製程設備在幾近零停機的前提下，便能接續執行下一個生產任務。
至於現今有沒有攸關工業4.0或生產力4.0的具體應用實例？其實是有的。例如工具機業者，一方面藉由IPC訊號收集器，彙集來自實體機器、資料擷取(DAQ)的訊號資料，二方面從ERP、MES或QC等其他製造系統獲取機械資料，進而將這些數據通通上傳至資料庫予以收納，在資料庫之中，建立詳實的原始訊號？特徵等相關資訊
該工具機業者，並不以做到這一步為滿足，其接著將資料庫裡頭的數據，向上傳送到一個奠基於IMS雲端架構的虛實整合系統，也就是CPS，在這個CPS之中，不僅有雲端伺服器提供運算資源，也有蘊含了訊號處理、健康評估、故障診斷、壽命預測等機能的「IMS Watchdog」，另有健康機械知識庫，因此有能力經由關聯分析，讓底層上傳資訊當中的隱藏特徵，就此浮出水面。
接著CPS將分析結果回饋至資料庫，使資料庫能根據代號A、B、C…等各台網路機械的健康模式與關鍵組件等資訊，進一步預測健康狀態結果，再回饋至前端管理儀表板，化為可視化報表；如此一來，不管是負責遠距監視生產狀態、或在廠內監控整廠機台的管理者，都得以有效探知各個機台的狀態資訊，進而結合建構於雲端平台的技術支援服務系統，繁衍諸如工具機廠技術支援服務等等加值應用空間。
在此情況下，工具機廠可從過去銷售「機台」，轉變為銷售「產能」，一方面提供技術支援服務，包括接受異警機台回報？報修、異警機台資訊取得、機台設定資料自動比對、遠端參數設定？異警排除，以及接受報修？派工？結案記錄，二方面還能為客戶量身訂製專屬雲端服務，提供整廠機台資訊監測、NC加工程式管理、生產稼動率管理，乃至於機台異警訊息管理等各類型加值服務，幫助客戶實現生產不間斷、加工技術最佳化、生產效率最大化等製程優化目標，連帶凸顯自身不易被取代的價值，擴大收益基礎。