數位雙生持續發酵 翻轉製造工廠的未來樣貌

數位雙生為虛實系統的組合概念，有實體世界的本尊，也有虛擬世界的分身，每個分身皆有擬真的物理性。企業只要對分身進行模擬與測試，即可預測本尊在各種情境下的特性、狀態或效能。Reliable Plant

早在2002年，密西根大學教授Michael Grieves在一場關於產品生命週期管理(PLM)的演說中，提出數位雙生(Digital Twins)概念；時隔12年後的2014年，Michael Grieves發表一篇「Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication」白皮書，具體闡釋數位雙生的意涵。

所謂數位雙生，蘊含兩個系統的組合概念，一個是在實體世界的本尊，另一個是在虛擬世界的分身。在此前提下，若能完整收集本尊在真實世界的動態數據，同步映射給分身，就意謂我們只需要針對分身進行模擬與測試，不必像從前必須藉由實物不斷進行Try & Error，便能輕易預測本尊在各種情境下展現的特性、狀態或效能。

上述內容，理當讓人有似曾相識之感，係因數位雙生的概念，與近年火熱的元宇宙(Metaverse)非常相近。因此有不少人將數位雙生稱為「工業元宇宙」，意指企業可將整間工廠所有產線中的所有物件，一五一十搬上虛擬的元宇宙世界，為每個物件創造分身，接著只要移動任何物體、或更改任何配置，就能預先分析各種條件下對產能、品質、稼動率、可用性、安全性等等影響，藉此制定最佳生產決策。

數位雙生最引人入勝之處，在於模擬過程發生在虛擬世界，業主不必為了測試、先行砸下重本投資機台或工件等大量物品，也不必擔心可能因為測試條件設置失當，釀成產線停工、原料報廢、機台損毀、鍋爐爆炸、人員傷亡等等慘劇。單憑這點，就不難彰顯數位雙生的巨大效益。

預估數年內，數位雙生將成物聯網裝置的標配

Global Market Insights預估，隨著工業界機器與設備狀態監測、汽車業車輛性能表現分析的需求成長、歐洲科技業巨擘重金投資研發，乃至市場領導廠商策略等四大利多加持，2027年數位雙生市場規模上看500億美元。

另外MarketsandMarkets也曾對數位雙生市場進行預測，估計從2019的38億美元攀升到2025年的358億美元，年複合成長率(CAGR)高達37.8%。深究市場增長的主因，源自雲平台及工業物聯網(IIoT)的滲透率持續攀高，使企業的數位化基底趨於成熟穩固，更有能力將數位雙生技術整合至產品、製程與工作流程。

Research And Markets則預測， 2025年89%的物聯網設備皆將蘊含某些數位雙生的形式；到了2027年，數位雙生有望成為物聯網應用的標準配備，所有物聯網設備出貨時就已內建數位雙生技術。

綜上所述，數位雙生市場前景一片看好，係因它的潛在效益相當明確，更能驅使企業勇於投資。比方說在機器與設備狀態監測部份，近年在工業4.0浪潮席捲下，帶動許多製造工廠走向數位化，有了這個基礎後，便可援引數位雙生技術來監測生產機台的狀態，繼而發揮提升產品品質、降低工廠或產線停機時間、加速錯誤診斷等實質貢獻。

現代汽車元工廠，堪稱一大指標案例

大致上來說，數位雙生對製造業的發展，確實有著重大影響力，且影響的面向堪稱廣泛，除前面提及的虛擬工廠驗證設計、產品設計模擬外，對於促進供應鏈協作、遠端維修保養等情境，皆是數位雙生可以發揮的價值所在。

可以預見，未來每間實體工廠，都會有另外一個數位雙生虛擬工廠，舉凡產品開發工程師設計的新產品，製程工程師設計的新製程，都先行在虛擬工廠試運行，過程中若發現Bug、可立即修改，直到最終驗證無誤後，再下載到真實工廠執行操作，因而大幅縮短產品開發週期與成本，甚至可進一步結合5G、IoT、雲端運算、大數據分析、AI/ML等其他數位科技，產生更大綜效，大幅提升產品與企業價值。

今年初(2022)現代汽車和遊戲引擎公司Unity宣布合作，以協助位在新加坡的現代汽車全球創新中心打造「元工廠(Meta-Factory)」，將工廠裡的每一條產線、每一顆零組件通通虛擬化，進而為每個虛擬物件賦予仿真的物理性。如此現代汽車便可在設計階段，預先在「元工廠」內測試新車量產狀況，甚至提供概念原型車的試駕服務，藉此收集顧客的意見，作為優化調整新車設計的依據。

DTC頒布通用架構，期望打破互通性阻礙

看似所向無敵的數位雙生技術，有沒有實作上的挑戰？其實是有的。數位雙生內含四個關鍵要素，其中兩個是前面提到的本尊、虛擬分身，另外兩個，一是從實體世界到虛擬世界的資料傳輸，另一是從虛擬世界反映實體世界的資訊流程，例如在產品研發及生產階段，虛擬世界可產生原型樣品、製程工藝；在真正的營運階段，虛擬世界可反映及預測真實產品的運作狀態。

足見必須達到「把現場真實的物理條件完全模擬出來」，才算真正實踐數位雙生，這需要仰賴上述第四個要素「從虛擬世界反映實體世界的資訊流程」的完整到位，而這一步，就是最難的一步。此乃由於，企業需要彙集來自不同建模系統的資料，但這些系統橫跨電子、機械、汽車、能源等等領域，也涉及數學、物理、化學、電子資訊、機械工程等等知識，各自對應不同的技術、法規及業務規則，欲借助現有通訊協定讓它們順利互通，幾乎是不可能的任務。

欲排除這個障礙，有賴各個產業調整其資料模型、實體概念及術語，堪稱是緩不濟急的浩大工程。鑒於此，數位雙生聯盟(Digital Twin Consortium；DTC)於今年初發表數位雙生系統互通性架構，希冀藉由這個框架，在上位的抽象層次建立標準通用架構，好比網際網路的標準一般，打通不同數位環境的路徑，儘速達到大規模互通性，後續發展值得觀察。