第二章 文獻探討
第二節 工業 4.0
美國在 2006 年就提出了 Cyber-Physical System (CPS)，也就是「虛擬網路-時 實體物理系統」，並將此項技術體系作為新一代技術的突破點。CPS 技術的目的和 意義是，任何產品可以存在於虛擬和實體兩個世界，如何在虛擬世界中將實體的狀 態，以及實體之間的關係透明化。基於 CPS 技術的應用使設備具備了自動察覺 (Self-Aware)、 自我預 測(Self-Predict)、 自 我比 較(Self-Compare) 和自我 配置 (Self-Configure)的能力。
「工業 4.0」一詞最早出現在德國 2011 年漢諾威工業博覽會上，德國政府把
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在工業 4.0 時代，企業可以實現端對端數位整合。整個產品價值鏈也將 實現數位世界與真實世界的融合，滿足客戶日益複雜化的需求。
3. 垂直整合與網路化的製造系統。
所謂垂直整合與網路化的製造系統，主要指的是智慧工廠。在將來的智 慧工廠中，製造結構(包含模型、數據、通訊、演算法)不再是事先固定好的，
而是開發一系列資訊技術組合規則，始之根據不同情況，自動生成特定的結 構。
上述三個方面，決定工業 4.0 時代的企業是否能在瞬息萬變的市場中鞏固自己 的地位。工業 4.0 將使得製造業實現迅速。準時、無故障的智慧化工廠，隨時跟上 瞬息萬變的市場。
而要推動製造業的智慧化轉型，必需實現下列的幾個方面：
1. 全方位互聯。
工業 4.0 的核心是萬物互聯。無論是機器設備、生產線、產品、還是工 廠、供應商、使用者，都將被一個龐大的智慧型網路連結成一體。這個智慧 型網路由五個部分組成：無處不在的感測器、嵌入式終端系統、智慧控制系 統、通訊設備、網宇實體系統。在智慧型網路的覆蓋下，不同的產品與生產 設備，甚至是整個「數位世界」與「實體世界」都能互連成一體。人與機器 也都可以透過智慧型網路，來保持數位資訊的持續交流。
2. 全方位整合。
整個工業生產需要有縱向、橫向、端對端三個層次的高度整合。
縱向整合主要是指企業內部物流、資訊流、資金流、各個部門、各個生 產環節、產品生命全週期的整合。企業內部所有因素的密切結合，是一切智 慧化轉型的基礎。
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橫向整合主要是指不同的企業，借助工業 4.0 這個價值鏈與物聯網，所 完成的全方位資源整合。就是企業與企業能夠做到全方位密切合作，從產品 研發、生產製造到經營管理，整個流程都實現綜合整合。
端對端整合指的是產業鏈各個環節價值體系的重構。透過工業 4.0 整合 價值鏈上各個不同企業的資源，如創造整合供應商、製造商、分銷商，並讓 各自的客戶資訊流、物流和資金留在價值鏈中整合為一體。
3. 精準的即時大數據分析。
在第四次工業革命中，呈爆炸性成長的數據對整個工業體系的價值，遠 遠超越之前三個時代的傳統工業生產體系。網宇實體系統的推廣與各種智慧 裝置，智慧感測器的普及會源源不斷的產生數據。這些滲透到整個產業鏈與 生產生命週期的巨量數據，正是第四次工業革命的基石。
4. 層出不窮的創新。
從本質上來說，第四次工業革命的轉型過程，正是製造業全面創新升級 的發展過程。製造技術、產品研發、商業模式、產業型態、組織形式等領域 的創新，將會變得層出不窮。
5. 全方位與深入性的轉型。
隨著工業 4.0 的到來，物聯網宇服務網路機全面滲透工業體系的各個角 落，將傳統的生產方式轉變為具有個性化，智慧化色彩的產品及服務的生產 模式。
傳統的大量客製化將變成多元化的個性化訂製。企業之前採用的是生產型製造 模式，但是在工業 4.0 時代，將逐漸轉型為服務型製造模式；而依賴廉價勞動力與 資金投入的傳統要素投入模式，將被以創新驅動的發展模式所取代。(工業 4.0 2016)
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圖 2-10，在工業 4.0 的定義中，智慧工廠、智慧生產、智慧互聯、是發展的關 鍵，而企業運用這三個系統來研發新一代的關鍵科技。
資料來源: 企業通 http://mag.digiwin.biz
圖 2-10、工業 4.0 驅動變革
一、 智慧工廠
未來的智慧化工廠，人類依舊是最重要的生產因素，在工業 4.0 的背景之下，
可以通過人機合作分配工作、以及使用協助系統，而是將人從單調、繁重的工作中 解放出來，而工作負重改革或者終身學習都是可選擇的方法。
工業 4.0 意味著應用於智慧工廠生產的新邏輯與品質。智慧產品在生產系統中 擔任自主角色。他與機器、工人以及其他系統元件(如生產控制技術)進行交流，以 一個自主的非人工要素完成其任務、參與控制生產流程。
在智慧工廠的智慧型網路中，人與人、人與機器、機器與機器，甚至零件與機 器都可以實現自由「溝通」。智慧工廠的「溝通」並不是把數據從這台電腦傳輸到 另一台電腦就了事，而是要讓資訊交換涵蓋整個產業務聯網中的所有細節：
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動設計一個改進方案，並且馬上在一個虛擬的試驗環境中試行。如果沒有問 題，再將新的生產方案與無線網路發給產品的網宇實體系統。
若要實現工廠的智慧化，企業應當從以下幾個方面進行：
1. 製造技術要與網路技術充分融合。
智慧工廠的先決條件正是生產計劃數位化，並且廣泛應用各種電腦輔助技術，
在這個基礎上建立由生產計畫系統、網宇實體系統、數位模型系統、產品生命週期 系統等子系統組成智慧生產體系。
2. 產品製造個性化。
生產方式高度靈活的智慧工廠，能夠最大限度的滿足消費者個性化訂製產品的 需求。為此，智慧工廠必須具備大量生產多種類個性化產品的能力。
3. 工作環境與生產方式人性化。
智慧化工廠將會大幅減少製造業對勞動力的需求，當工廠完成智慧化轉型之後，
在職工人的工作重心將從低階的腦力勞動轉為技術創新，管理創新等高層次的腦力 勞動。(工業 4.0 2016)
二、 智慧生產
沒有運行良好的生產系統，資訊物理系統型態將很可能運行受阻、效率受限。
生產系統作為整體控制系統「須持續專注企業目標的實現。將研究增值鏈上的所有 活動，包括供應商及客戶。」
對企業的挑戰在於，根據企業的自身狀況，不斷重新定義、不斷的探索智慧生 產系統的元素和方法。運行智慧生產系統而收穫的經驗可用於資訊物理系統的研發 與應用。重要的是：首先分析過程，發現並消除浪費，然後定義工作系統及流程的 標準，檢驗並調試條件的變更。在資訊物理系統中的智慧生產系統應該要可以自主 應對突發事件。「智慧機械與人類創新能力的合作將持續減少生產過程中由組織機 構帶來的損失。為此，生產工人將透過移動協助系統提供相關的生產績效的最新資
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料，作為優化的決策基礎。」所以，現在實施智慧生產的活動為工業 4.0 創造了重 要的前提條件，用於確保並提升企業的競爭力。
智慧生產線會根據產品零組件中事先輸入的需求資訊，自動調節生產系統的配 置，指揮各個機器設備製造出千變萬化的個性化訂製產品。在德國，智慧化生產被 定義為「數位化生產」。工程師的繪圖技術在智慧工廠中將變得不再那麼重要。因 為在「數位化生產」模式中，產品的設計研發、零組件製造、商品組裝，都是在同 一個大數據平台上完成。「先研發，後生產」的傳統製造節奏不會出現在智慧工廠 中，而是研發和生產幾乎是同步進行的智慧化生產。
同時，這種智慧生產模式讓工人的工作方式也產生很大的變化。在未來智慧工 廠中，負責產品零件裝配的工人無須再親自動手，他的工作台上會有若干不同的零 件盒，每當智慧生產線上的自動引導小車運來某種待加工產品時，電腦就會從大數 據平台中擷取相關資訊，生產線的智慧感測器就會自動掃描待加工產品的條碼。然 後，該待加工產品會經過智慧生產線上數十個品質監測結點，被智慧機器人安裝上 各種所需的零組件。經過智慧生產線的多次裝配與品質檢測後，加工完畢的成品就 會被傳送到進行包裝的位置。一個人就能達成過去上百人的生產效率，這就是智慧 生產。
從根本上來說，若要在智慧工廠上實現智慧生產這個目標，製造業就需要在三 個層面上努力升級：
1. 建立靈活的生產網路。
所謂靈活的生產網路，指的是融入先進網路技術的個性化生產體系。傳統的 C2B(Customer to Business)商業模式是先下訂單再生產。物聯網發展成熟時，消費 者與工廠的智慧生產線就可以透過同一個大數據平台實現直接連結。如此一來，消 費者就能更快，更便宜的獲得自己想要的個性化商品。
2. 工業大數據的運用將為製造業帶來巨大的商機。
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工業大數據的價值主要體現在三個方面：首先大數據技術能提高工廠的能源利 用率；其次，大數據技術讓工業設備的維護效率提高，又實現品質的突破；最後，
大數據可以最佳化生產流程，並簡化營運管理方式。
3. 智慧機器人與智慧生產線將被製造企業廣泛應用。
智慧生產線將人、機器、資訊融為一體，其中最主要的是機器與機器之間的
「溝通」。
由此可見，工業 4.0 時代的智慧化生產模式，將為人類生產和生活帶來前所未 有的變化。(工業 4.0 2016)
三、 智慧互聯
行動網路、物聯網、雲端運算等新一代資訊與通訊科技，是工業 4.0 的主要驅 動力。工業 4.0 體系將在智慧互聯系統的基礎上，對機械製造、自動化、電子設備、
行動網路、物聯網、雲端運算等新一代資訊與通訊科技，是工業 4.0 的主要驅 動力。工業 4.0 體系將在智慧互聯系統的基礎上，對機械製造、自動化、電子設備、