2015.09.10 范英明 – 「工業4.0」第四次工業革命

2015.09.10工業4.0第四次工業革命范英明

 

1次工業革命

18世紀末,主因是水力與蒸氣動力導入機械化生產。

 

2次的工業革命

20世紀初,則因電力的大規模應用,使得分工與大量生產得以實現。

 

3次工業革命

發生在1970年代初,起因是引入電子產品與IT,而使得生產制造業得以持續自動化。

 

4次工業革命

21世紀初,德國競爭力遠低於歐美其它先進國家,德國還因此被經濟學人嘲笑是「歐洲病夫」。 然而,過去的10年德國不僅安然度過全球金融風暴與歐債危機,甚至成為歐洲政經領頭羊,人均GDP逐年增加、失業率達到東西德統一以來的新低。究其原因,最重要就是德國採纳高度專業化的工業生產。

 

當美、英、法等過去的工業強國其工業比重均降至一成左右、且逐漸「去工業化」的同時,德國卻一貫地保有了原本的工業強項及創新生產科技,工業比重仍維持在兩成三的水準。事實證明,德國不僅快速地從危機中找到出路,也穩固地保有經濟成長與就業機會。這樣制造專業化也使得原本已只有擁抱金融服務業的「去工業化」美、英、法強國,掀起了一股重新找回工業價值的風潮。:

 

德國為了維持競爭力,聯邦政府早在2008年時便在其「工業的文藝復興與工業政策的角色」報告書中,強調製造業的經濟意義,並分析其成平均素及重申政府建設有利工業發展周邊條件的區位政策;2010年「工業德國」報告則明訂其戰略核心為「強化工業強項、克服弱點與確保未來」。

 

為強化德國工業競爭力,養分的來源便是: 「科技與創新」。德國聯邦政府更訂定了「2020高科技戰略」聚焦特定關鍵科技領域研創,且在2012年更通過落實戰略的10項未來計畫,其中一項便是「工業4.0」。

 

「工業4.0」為德國跨部會的整合計畫,由其聯邦教育研究部及經濟科技部共同主導、內政部協同參與,總計2012-2015年政府將投入的研發經費為2億歐元;此計畫目的在強化德國工業的智動化發展,希望將原本僵固的生產結構轉型至模組化 (Modular)且具高效率的系統;就像電腦上的USB插孔,可不須經過參數化或程式化的程序,直接將現場裝置、機械及設備結合成為一個共同運作的生產系統。

 

不同於30年前提出的電腦整合製造 (Computer-Integrated Manufacturing, CIM) 理論,無法提供不同生產製造商可通用的解決方案,「工業4.0」不僅達到水平整合、引導及優化跨企業間的價值創造網絡,亦可垂直整合,使得未來的生產系統兼具靈活性與可重組性,對於發展智慧監控與自動決定流程技術意義重大。

 

「工業4.0」的內涵

 

過去10年德國工業競爭力雖受到國際高度讚賞,並在相關排名中屢獲佳績,但在全球化競爭的時代,面對的不僅是中、印等國勞動力與能源低成本的競爭優勢,英、美等已「去工業化」的傳統工業強國興起「再工業化」重入戰局,歐盟在2010年時亦通過「全球化時代的整合工業政策」做為歐洲「2020戰略」的一部分,可預見德國未來面臨的將是劇烈的全球競爭挑戰。此外,即使德國擁有健全的工業發展周邊條件等眾多競爭優勢,但亦有高於國際水準(工資和工資附加成本) 的勞動力、電力與能源成本,以及專業人力短缺造成的嚴峻挑戰。

 

為長期確保並提升德國工業競爭力,德國聯邦政府的現代化工業政策採取三大原則,分別是:

  • l 建置企業公平競爭的環境、
  • l 創造有利創新與生產的條件以及
  • l 跨部工業政策。

 

為具體落實政策,協助產業克服現有和潛在弱項,及時擬定未來發展方向,聯邦政府2006年時發布了「德國高科技戰略」(Hightech-Strategie 2006 Deutschland),2010年則將之修訂為「2020高科技戰略 (Hightech-Strategie 2020 Deutschland)」,此為德國近年來少見的國家層級跨部會戰略。戰略除確立氣候及通訊等五大聚焦研發領域外,並以提升企業創新研發能力、簡化及縮短將學界創新成果轉化為業界創新產品及服務的途徑,達到經由知識驅動德國經濟發展的目標。此外,聯邦經濟科技部在2010年時,亦發表「聚焦:工業之國德國 (Im Fokus: Industrieland Deutschland)」報告書,指出未來全球工業生產的主要發展趨勢及面臨的挑戰,並提出相關政策的具體行動領域,「工業4.0」則是其中最重要的計畫之一。

 

「工業4.0」未來計畫的目的在強化德國工業智能化發展,達到引導及優化企業與整體價值創造網絡的目的,對於發展智慧型監控與自動決定過程意義重大。可預見的不久的將來,以德國為首,結合IT現代科技與傳統工業生產的「智慧整合感控系統」(Cyber-Physical Systems,CPS),將引領全球第4次工業革命,帶動劃時代性的技術變革。

 

 

為理解「工業4.0」計畫的重要內涵,可試著從下列3方面著手:

 

1 「智慧整合感控系統」(Cyber-Physical Systems/CPS)為計畫的核心技術

 

CPS (Cyber-Physical Systems)「智慧整合感控系統」這個名詞最早出現在2006年,由美國國家科學基金會(NSF)首次提出,CPS為整合計算、網絡與實體環境於一體的多維度複雜智慧系統。簡而言之,CPS是一個結合電腦運算領域及感測器和致動器裝置的整合控制系統,在互聯網基礎上、對物理實體(物件)進行實時(Real-Time)、動態的訊息控制與服務。

 

嵌入CPS的實體設備連結到互聯網絡,便可具有計算、通訊,精確控制、遠程協同合作及自主反應動作五C。

 

不同於過去單純嵌入式系統、只強調機器計算能力,CPS系統加上互聯網絡與傳感控制系統的複雜整合系統,可同時將計算與通訊加入到傳統實體系統中,導致被計算對象的動態、變化,整合計算、通訊與控制為一體化的新一代智慧系統。

 

CPS可直接、或經由所謂機器與機器交換資訊的網絡(Machine-to-Machine/M2M),獨立地進行交換訊息、觸發行動與相互控制的動作,因為CPS技術具有編程、記憶與儲存能力,並可結合感測器和通訊技術,而使得物件,乃至日常物品都可以更智慧化。

 

這樣的技術發展不僅大規模地改善了生產、工業用工程、材料使用的工業生產過程,以及供應鏈與生命周期管理的執行,並引發了一種新的工業化形式,也就是所謂的「工業4.0」。

 

2 「智慧工廠」(Smart Factory)為計畫精髓

 

CPS為「工業4.0」計畫的核心技術,而應用在製造生產過程的CPS則稱為「智慧整合感控生產系統」(Cyber-Physical Production Systems/CPPS),該專有名詞為德國提出,CPPS系統包含自動交換訊息、觸發動作、相互卻又自動化控制的智慧化機械、存儲系統和生產設備。這個系統可以大幅度加速生產、工程、材料使用、供應鏈管理與生命周期管理的工業過程,也就是「智慧工廠」是以全新生產流程進行運作。這個嵌入式的CPPS生產系統,可垂直與工廠及企業管理流程形成網絡化,且以水平與分散式的,完成即時控制整個價值創造網絡-從訂單到交貨-的連結;此系統同時實現,並要求整個產品及其生產系統生命周期工程的整合。

 

現在產品生命周期縮短,以及新的生産問題,例如超接訂單、庫存過多或少、以及不「定時」生產等。由於目前仍缺乏科技解決方案和標準化,因此跨企業的整體仍隱藏著不確定性。此外,跨公司網絡化生產、敏捷性、靈活性與生產改變的要求,由於缺少不同生產層級的數據與流程整合,因此僅能由耗時的人工修訂計畫提出,而通常會導致較長的停產時間及高轉換成本。從這些點來看,「工業4.0」的CPPS在解決這些問題上有豐厚的發展潛力。

 

因此由CPPS所創造出的「智慧工廠」被視為「工業4.0」未來計畫的精髓。由於「智慧工廠」可實現客製化產品,並掌握日益複雜的生產過程,使生產更具吸引力、環保與能源效益以及更經濟實惠,藉此可確保德國在全球的競爭優勢。

 

3            「人」為計畫關注焦點

 

「智慧工廠」裡的組成要素並不單只是機械設備與技術,「人」的角色並未被邊緣化;相反地,「工業4.0」關注焦點包括了從業人員、管理人員、供應商及顧客;尤其是從業人員被定義為升級的操作者(Augmented Operators)、並成為工廠互動的核心,他們可藉由技術支援提升本身的能力,做到能依據情境和前後相關的目標設定,去進行調節與規劃智慧網絡化的生產資源和生產步驟。因此在「智慧工廠」中,從業人員將成為「有創意的創造者」,且從單純的「操作者」升為控制者和管理者。

 

經由「工業4.0」計畫建置的「智慧工廠」與應用相關技術可能產生對德國、乃至於全球的產業與社會變革的影響,未來可能的影響包括:

 

  • (a) 達成跨產業的水平整合

 

CPPS為基礎的進貨物流、生產、營銷、出貨物流到服務,串連形成的網絡可實現即時性的優化價值創造網絡,提供完整的透明數據,靈活地回應掃除干擾,並使整個價值創造網絡達到全球性優化的可能。也就是整個價值創造網絡的客製化設計、配置、訂購、規劃和生產都能藉助ICT相結合,參與合作夥伴可從訂貨到交貨的整個生產過程中,進行多層面(品質、時間、風險、穩定性、價格、環境相容性等)的動態協商;這將促進個別生產設備、網絡化及物流都須具備高度的靈活性,才能即時完美地實現需求導向的生產。

 

  • (b) 垂直整合和網絡化生產系統

 

「智慧工廠」可以「自我組織」,因此面臨短期的需求變化、庫存、突發的干擾等高度變動條件時,便可以分散且改變的生產資源,進行具複雜要求的客製化個別生產。這裡所謂的「自我組織」是指,工廠的生產模組為即插即用 (plug & produce),也就是資源和產品可為特定目的形成一個網絡。透過生產系統操縱、並儲存所有操縱與處理步驟的流程,隨時可找出所需的材料和零件所在位置,行政庫存管理、會計和庫存管理的流程因此將消失。同時藉助整合智動化金字塔的各個層面,而使得工廠在一定程度上能夠自我監控。

 

這類工廠會為生產創造一個連續的虛擬圖像,辨識並預測突發事件。自我監測系統與從業人員可隨時干預的安全計畫合而為一,在遇到干擾和突然改變的訂單時,工廠便會自動重新規劃生產流程。

 

此外,「智慧工廠」具有的「自我組織」會自動識別機器故障、品質不穩定或產品規格改變的突發事件,並持續監測和預測材料的狀態和磨損。經由整個生產過程的這種自適應性作用 (Adaption),可避免機器突發性停止運轉。

 

(c )       總生命周期工程的通用性

 

「工業4.0」的目標是為產品及其附屬生產系統整個生命周期的工程建置可通用性。新技術產品必須適時地研發相對應的全新或調整後的生產系統,這才能使產品研發與生產系統產生一個整合性的程序,並協調其生命周期。

 

全面檢視生命周期的分析可以讓我們及早注意到修理和維修計畫(工程數據的再利用),並在使用這些全球製造產品時提高生產系統的可通用性,這些方法要求所有生命周期階段的全部參與者,皆必須獲得「正確」的數據和訊息。現在使用的工具與IT平台都擁有重新利用和繼續使用的價值,且可能使效益提高。

 

結論

 

藉由「工業4.0」德國希望可永續強化製造業的國際競爭力,而其計畫亦可能對中國製造業帶來發展商機,包括電子與通訊產業可直接受惠;未來導入智動化智慧生產的中國製造業亦可同享節省成本與優化品質等利益;因其動帶全球製造業的繁榮發展、中國企業亦可参與德國現有技術缺口例如CPS相關發展瓶頸;且CPS系統帶動應用服務與產業無限商機、特別有利於中國以OEM為主,具備靈活整合系統特性的中小企業與創業。

 

「工業4.0」的進展除可為中國產業帶來發展機會與挑戰問題外,其計畫從規劃、提出到往落實階段前進的機制與內容,皆有值得學習與仿效的地方,例如計畫內容兼顧技術推力與市場拉力,有專門之未來計畫積極替「工業4.0」找到新技術與產品的商業出海口、以期完全開發商業發展潛能,完整成熟創新生態體系中學研各界妥善角色和分配、各司其職,透過公平競賽方式選出最佳示範計畫未來廣範推廣,以及關心從業人員的未來發展、始終以「人」作為計畫中心的想法。

 

至於可能帶來的挑戰問題,則包括產業競爭加劇、衝擊中國原有之平價市場等。

 

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