工業 4.0 的技術內涵

一、工業 4.0 技術簡介

德國認為工業 4.0 是將 IT 技術及物聯網與電子設備，整合發展智慧工 廠、智慧電網與虛實融合系統(Cyber-Physical system) 等，最後呈現智慧數 位城市的整體面貌。也就是說，工業 4.0 是因電腦硬體計算能力進步，經 由現在的電子裝置及資訊技術，與革命性的網路巨量資料傳輸技術，再加 上經過建模分析等程序，使得大數據資料可以整理歸類運用，進而在各種 不同的工業領域裡具有計算判斷能力，實現智慧工廠的可能性之技術 (Wahlster，2012)。

從文獻與專家學者的報告中可以發現，工業 4.0 的概念裡，虛實整合系 統、物聯網與大數據是十分重要的技術要素，以下整理敘述:

(一) 虛實整合系統 CPS (Cyber-Physical System)

Cyber-Physical System 的想法是 2006 年由美國國家科學基金會(NSF) 報告提出，也就是實體的環境、物件、活動中大數據的取得、儲存、模型 建立、分析、評估、預測、優化、協同，並與物件的研發、測試和實作功 能相結合，產生和實體空間的融合，包括群體空間、學理空間和環境空間 的結合，進而透過自我認知、自我記憶、自我重購、自我決策，以改進工 業資產的智慧化(李傑，2014)。簡單來說，CPS 為利用計算機設備和網絡 還有人彼此連接起來，得到物理控制過程與環路回饋，並將其中物理過程 的數據加以計算，達到即時回應的效果。所以 CPS 是為計算、網絡和物 理過程的結合。

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(二) 物聯網 IoT (Internet of Thing)

物聯網英文為 Internet of Things，將原本無法連上網路的物品，透過 現代技術結合電子訊號，就能夠從網路找到物品的位置，與物品傳送回的 訊息，是一種萬物皆連網的概念，透過電腦與網路集中管理機器、設備、

甚至是在外面時，即可對家裡的設備、汽車進行定位、控制、搜尋，並防 止物品遭竊。1995 年，微軟創辦人比爾蓋茲在「擁抱未來」一書中，提 到「智慧家庭」、「物物互聯」的概念，而「物聯網」（Internet of Things）

這個名詞第一次被提出則是 1999 年，由美國麻省理工學院的 Kevin Ashton 提出，他用這個概念來描述，當物品連接上網路會怎麼樣改變我們 的生活。

歐 洲 電 信 標 準 協 會 (European Telecommunications Standards Institute,ETSI)發布的物聯網定義標準，物聯網可分成三大層面，網路層、

感知層與應用層，如表 2-4。工業 4.0 的革命裡，物聯網技術的發展，可說 是最後一塊拼圖，極為重要的驅動力之一。

表 2-4 物聯網三大層面

層面架構 應用內容

感知層 物體透過感應技術與辨識系統，偵測周遭環境的變化，

接收各種訊息，類似人體的五官接受外界各種刺激訊息。

網路層 將訊息透過有線和無線的網路技術傳遞到雲端電腦，網 路就等於人體的神經網路。

應用層

雲端電腦主機接收到各類的數位訊息，經過大數據計算 分析後，做出反應並回饋裝置相對指令，就像是人類的 大腦中樞。

資料來源：本研究整理。

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二、工業 4.0 系統組成構面

工業 4.0 的定義是一件重要關鍵的工作。工業 4.0 還在起步發展階段，

找尋工業 4.0 的初步共識是必要的，研究中認知到，其實工業 4.0 不是只 有工廠內的問題，工業 4.0 是一個系統體系（System of Systems, SoS），是 一個產業鏈結構體系，並且和過去產業鏈不同，是一個整合後的產業生態 體系，一個大系統中涵蓋了許多的子系統，並且每一個子系統間互相交叉 運作，這個運作模式組成了一個大系統。

整體而言，工業 4.0 將大數據(Big Data)之巨量資料擷取分析技術、智 慧機器人(IR)的智慧製造技術和物聯網(IoT)的全線偵測監控技術，作為工 業 4.0 三大技術來推動先進製造與服務。使製造業由過去資本密集、技術 密集、創新密集的階段轉換為以系統虛實化、設備自動化和工廠智慧化的 智慧自動化為主，即運用機器人作業與智慧決策系統來達成以客製化的服 務導向體系，為台灣的先進製造產業技術扎根(劉韋琪，2016)。

工業 4.0 的應用整合會隨著不同的產業市場有差異化，其中在智慧化、

數位化、虛擬化的浪潮下，發展新的技術是必然的趨勢，其中包含雲端計 算 （ Cloud Computing ）、 大 數 據 擷 取 （ Big Data ）、 虛 實 整 合 系 統

（Cyber-Physical System）、 擴增實境（Augmented Reality）、 協同型機器 人（Collaborative Robotics），以上五大工業 4.0 技術在各產業市場的虛實 整合應用(林弘洲，2017)。

將物理世界與信息技術世界相互連接，可以稱為能夠實現工業 4.0 的技 術。目前存在這兩種基礎技術，第一種技術，即嵌入式系統，在封閉環境 中相互協作並相互協作。在航空和汽車行業已經開發出封閉式嵌入式系統 的領先示例。網絡物理系統的第二個基礎技術是通過全球或本地數據網路

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（通常稱為“物聯網”）實現物理對象的普遍互連。通過物聯網，可以識 別對象並自主相互協作以達到共同的目標。根據報告，工業 4.0 技術可以 通過底下五個構面技術來呈現(Günther Schuh et al.，2014)：

•物理和虛擬世界的合併

•動態形成系統

•環境依賴和自主操作的系統

•分散控制的協作系統

•廣泛的協作人機系統

根據美國辛辛那提大學（University of Cincinnati）李杰教授長久觀察 和研究對工業 4.0 提出的看，工業 4.0 可區分為大數據 6C 系統及製造業 6M 系統。也就是展現智慧工廠內部的垂直整合、上下游企業間的平行串接、

從供應鏈到客戶的鏈接，如圖 2-3(李傑，2014)。

利用大數據分析讓製造系統達到運作最佳化，並以大數據 6C 系統為 製造業的大數據分析基礎。6C 系統包括：

網路（Cyber）：也就是網路端的虛擬世界，從生產線的網路化，延伸至虛 實融合系統（Cyber-Physical System, CPS）之網路。

內容（Content）：其中包括生產製造端數據、供應鏈數據、合作夥伴端數 據、客戶端數據。

雲端運算（Cloud）：意指雲端運算技術，包括公有雲、私有雲和混合雲。

客製化（Customization）：根據客戶需求訂製的生產模式，核心為 C2B 商 業模式。

連結（Connection）：指的是設備與設備的連結或是元件與元件的連結，包 括工業連線技術與網際網路技術。

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社區與社群（Community）：在生產端指的是供應鏈體系，在客戶端指的是 社群（Social）。

製造業 6M 系統指的是製造生產過程的自動化和資訊化，經過系統 整合後，讓整體生產製造流程自動化與最佳化。6M 系統包括：

設備（Machine）：指的是生產設備與智能設備。

建模（Model）：指的是模型建立與模擬（Simulation）。

材料（Material）：指的是原材料與進廠零件。

測量（Measurement）：指的是測量與檢測，包括成品品質管控要求與即時 生產過程的檢測。

工藝（Method）：指的是生產參數與工藝。

維護（Maintenance）：指的是設備的維護。

圖 2-3 工業 4.0 的 6M+6C 資料來源：李傑(2014)

歐洲顧問公司資誠聯合會計師事務所(PwC)也彙整出工業 4.0 重點技術 架構，包括有行動設備(Mobile devices)、雲端計算(Cloud)、物聯網平台(IoT platforms)、定位偵測科技(Location detection technologies)、高階人機介面 (Advanced human-machine interfaces) 、 身 份 驗 證 和 欺 詐 偵 測 系 統 (Authentication & fraud detection)、3D 列印(3D printing)、智慧感應器(Smart

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sensors) 、 大 數 據 分 析 和 高 級 演 算 法 (Big data analytics and advanced algorithms)、多層客戶互動及行為分析(Multilevel customer interaction and customer profiling) 、 虛 擬 實 境 與 擴 增 實 境 穿 戴 裝 置 (Augmented reality/wearables)( PwC，2016)，如圖 2-4 所示：

圖 2-4 工業 4.0 框架和技術 資料來源：PwC(2016)

表 2-5 工業 4.0 技術彙整

學者文獻 技術

劉韋琪(2016) 大數據、智慧機器人、物聯網

林弘洲(2017) 雲端計算、大數據擷取、虛實整合系統、 擴 增實境、 協同型機器人

Günther et al.(2014)

物理和虛擬世界的合併、動態形成系統、環 境依賴和自主操作的系統、分散控制的協作 系統、廣泛的協作人機系統

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學者文獻 技術

李傑(2014)

網路、內容、雲端運算、客製化、連結、社 區與社群、設備、建模、材料、測量、工藝、

維護

PwC(2016)

行動設備、雲端計算、物聯網平台、定位偵 測科技、高階人機介面、身份驗證和防偽偵 測系統、3D列印、智慧感測器、大數據分析 和先進演算法、多層次客戶互動及顧客資料 分析、虛擬實境與擴增實境穿戴裝置 資料來源：本研究整理

綜上所述，工業 4.0 的技術項目，各文獻和學者皆提出了許多的建議和 看法，歐洲顧問公司 PwC 所提出的技術框架較為明確且涵蓋完整，經本研 究整理，基於上述文獻探討並考量產業的適切性，定義 PwC（2016）的 11 個技術選項作為本研究的訪談問卷項目。