第二章 文獻探討
第一節 工業 4.0
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第二章 文獻探討
第一節 工業 4.0
一、德國工業 4.0 策略源起
2013 年，德國正式提出了工業 4.0 策略，並由來自產、官、學多個領域的 專家組成的德國“工業 4.0 工作組”發表《保障德國製造業的未來：關於實施
“工業 4.0”策略的建議》，提出德國經歷了 18 世紀引入機械製造設備的“工業 1.0”，20 世紀初的電氣化的“工業 2.0”，始於 20 世紀 70 年代資訊化的“工 業 3.0”的發展歷程，而目前物聯網和製造業服務化，引領第四次工業革命的到 來，即所謂的“工業 4.0”，是德國工業未來進一步發展的方向。隨後，德國電 氣電子和資訊科技協會發佈德國“工業 4.0”策略標準化路線圖，標誌工業 4.0 策略進入正式實施階段。德國工業 4.0 策略充分考慮新一代產業革命的時代特徵 和產業變革的基本趨勢，考慮未來國際產業競爭的特點及要求，尤其強調從德國 工業發展的基礎和優勢條件出發，藉由迅速發展的資訊網路技術和智慧化、數位 化設備，對製造業生產方式、產業組織、生產流程等進行系統性改造和升級，帶 領德國搶佔未來世界製造業競爭的制高點。
長期以來，德國在製造業發展過程中十分重視製造技術的研發及應用，同 時強調高度專業化管理在複雜工業生產系統中的應用，這是德國製造業維持高度 競爭力的關鍵因素。Dimitratos、Voudouris、Plakoyiannaki、Nakos (2012) 指 出，在新一輪產業革命和資訊科技得到迅速發展及廣泛應用的條件下，德國積極 將資訊科技應用於機械和裝備製造業，在嵌入式系統和自動化工程的領域都獲得 顯著成效。伴隨新一代資訊網路技術和數位化、智慧化技術的發展及應用，德國 基於其製造業的獨特優勢和發展基礎，提出“工業 4.0”的製造業發展策略，力 求製造業新的轉型升級和國際競爭力不斷提升，以維持其世界製造強國的地位。
德國學術界和產業界普遍認為“工業 4.0”觀念是以智慧製造為主導的第四次
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工業革命，亦即一種革命性的生產方法，透過充分利用資訊通信技術和網路實體 系統等方式，帶動製造業智慧化轉型。Lasi、Fettke、Kemper、Feld、Hoffmann (2014) 指出該策略在德國學術界和產業界的積極建議和共同推動下形成，並由 政府升級為國家發展策略。Gruber (2013) 指出工業 4.0 是工業生產方式的新一 輪創新，是繼第一台自動紡織機、第一條流水線和第一個可透過程式控制的機台 誕生之後，由網際網路、巨量資料、雲端運算、物聯網等新技術為工業生產帶來 的革命性變化。學界將前幾次重大發明依序定義為工業 1.0、工業 2.0、工業 3.0，
此次重大工業變革即為工業 4.0，示意如下圖 2-1。
圖 2-1 工業 4.0 演進過程 資料來源：鼎新電腦 (2015)
第三次工業革命是工業 4.0 的重要組成部分，而資訊科技在工業上更深層 次應用則為第四次工業革命的核心內容，使得工業生產進一步趨向智慧化、個人 化、數位化 (Schlechtendahl 等人，2015)。工業 4.0 的關鍵技術是資訊通信技 術，包括連線設備自動協調技術 (machine to machine, Ｍ2Ｍ）、企業資源規 畫、產品生命週期管理與供應鏈管理的巨量資料聯動系統等。工業 4.0 策略的核 心是建立智慧整合感控系統（CPS）。智慧整合感控系統是集網路、計算和實體環
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境於一體的多維複雜系統，透過三者深度融合與合作，實現製造工程系統的即時 感知、動態控制和資訊服務。Sailer (2014) 指出，德國工業 4.0 策略的智慧整 合感控系統包括智慧型機器、儲存系統和生產設施等，它們自動交換資訊、觸發 動作和控制，從入廠物流到生產、銷售、出廠物流和服務等各個環節，實現數位 化和端到端的整合。智慧整合感控系統徹底改善了生產製造的流程，不僅整合製 造過程以彈性配置資源，亦使其差異化管理以不斷拓展機會。德國聯邦教育研究 部工業 4.0 工作組提出之德國工業 4.0 策略規畫實施建議中提出，工業 4.0 的兩 大主題為智慧工廠和智慧生產。前者主要涉及智慧化生產系統、過程以及網路化 分散式生產設備的導入；後者主要涉及整個企業的生產物流管理、人機互動以及 3Ｄ技術在工業生產過程中的應用等。德國工業 4.0 策略十分注重中小企業的參 與，盼能使中小企業成為新一代智慧化生產技術的使用者和受益者，同時也成為 先進工業生產技術的創造者和供應者。工業 4.0 策略的實施主要涉及三個面向，
即透過價值網絡實現水平整合，實現生產網路與社會網路、城市基礎網路等的完 全無縫連接；將端對端的數位整合工程貫穿於整個價值鏈；實現垂直整合和建立 網路化製造系統。
二、工業 4.0 運作機制
德國工業 4.0 將物聯網和服務網路應用到製造業，企業將其生產過程中涉 及的機器、儲存系統、生產設施等都融入到智慧整合感控系統中。首先，實施工 業 4.0 的第一步是透過該系統的智慧型機器、儲存系統和生產設備的處理，實現 從入廠物流到生產、銷售、出廠物流和服務的數位化，將資訊通信科技的端到端 作整合，並實現相互獨立的自動資訊交換、動作觸發和動作控制，改善設計、製 造、工程、材料等階段之生產製造過程。基於智慧整合感控系統的學習網路，根 據業務流程的不同面向，如品質、時間、風險、價格和綠色永續性等，對生產過 程進行動態配置，使原物料和供應鏈實現連續微調，製造流程更加彈性，製程結
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化，生產過程亦可及時作出調整，實現高度客製化、個人化的生產模式。
其次，透過智慧工廠和智慧生產品達成水平整合和垂直整合，使製造生產 邁向全製程的智慧控制。水平整合即將各種使用不同製造階段之 IT 系統整合在 一起，包括公司內部材料、能源和資訊的配置，例如入廠物流、生產過程、出廠 物流、行銷…等，也包括不同公司間的配置。垂直整合則是為了提供端到端的解 決方案，將各種不同層面的 IT 系統整合在一起，例如監控感測、生產管理、製 造和執行…等各層面。德國工業 4.0 策略要求智慧產品具有獨特的可識別性，即 使在被製造時也可被隨時分辨出來，而智慧產品能確保各要素在工作範圍內發揮 最佳作用，並能在產品生命週期內即時確認其損耗程度，並進一步將相關使用資 訊匯集起來供智慧工廠參考，以保障在物流、裝配和保養等環節能達到滿足客戶 需求的最佳狀態。
第三，催生新型態的商業機會和模式，以便更加充分合理地發揮人力資源 的運用。在德國工業 4.0 策略的推動下，產業隨之發展出全新的商業模式以有效 滿足客戶的個人化需求。全新的商業模式可能透過動態定價和合作夥伴連結，提 供其有效解決方案，有利於企業充分考慮顧客和競爭對手情況，加強與供應商和 客戶之間的連結和合作。同時，新的商業模式也可以確保潛在的商業利潤在整個 價值鏈的所有利害關係人之間能公平地共用，包括新進入的利害關係人。德國工 業 4.0 策略將使企業員工根據生產實際需求和環境敏感程度來控制、調節和配置 智慧製造資源及生產步驟，員工可不受限於例行任務的執行，更專注於創新和附 加價值較高的工作內容。因此，工業 4.0 策略有助於員工保持更長時間的生產力，
以更彈性的組織架構使員工能夠將工作和個人生活規劃相互結合，對於員工短缺 問題有所幫助。
第四，創新製造業的工作方式，顯著提升製造設備和製造產品的安全性。
德國工業 4.0 策略提出的協作工作方式可透過虛擬的、行動的工作方式進行，使 得工作人員可以不受限於製造現場。員工將被鼓勵在工作中透過智慧輔助系統，
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使用更多元友善的操作介面。除了全面教育訓練和持續職業發展外，工作組織和 設計模型將使員工擁有更多的自我管理自主權，同時也使得員工有更好的機會能 釋放出工作潛力，提高創新活動的數量和效率。工業 4.0 製造系統涉及到人員、
IT 系統、自動化元件和機器等諸多方面，因而對製造設備和製造產品安全性要 求更高，透過其製造產品、製程和機器身份識別的獨特性和安全性，為智慧工廠 提供安全防護，同時亦重視員工教育訓練和持續的職業發展，提高員工安全生產 之意識和能力。
三、工業 4.0 技術應用
(一) 工業 4.0 解決方案能夠對資料集中分析和應用
透過巨量的資料分析，企業可以集中審視作業流程，從而根據審視結果將 流程最佳化。2017 年，福特汽車透過實施巨量資料解決方案提升了交付產品的 品質和可靠性4。透過複雜的分析，此巨量資料方案實現了大量感測器資料的互聯 和處理，公司能夠及時發現有缺陷的零組件，從而在生產流程中儘早排除。為了 確保資料能夠在相應的價值鏈中安全的交換，為產品貼上清晰的標籤如條碼、
RFID 和 NFC，以及透過即時資料來控制生產，已成為企業的主要關注點。
(二) 物聯網的數位化特點發揮重要功用
垂直數位化的其中一個方面就是確保資料和資訊能夠在多個環節中，包括 銷售、產品開發、製造、物流…等面向達成流通性，例如應用更多的感測器、內 置系統和互聯設備，加深價值鏈上的水平和垂直合作。透過製造系統互相串聯、
系統當機防護，以及分析能力的改進，能夠提升品質、增強彈性和降低成本。透 過對各面向流程以及價值鏈的數位化升級，可減少製造過程中的出錯率以提升了
系統當機防護，以及分析能力的改進，能夠提升品質、增強彈性和降低成本。透 過對各面向流程以及價值鏈的數位化升級，可減少製造過程中的出錯率以提升了