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提高产业韧性 智慧制造扮演关键角色
用AI与大数据来客制化产品

【作者: 季平】2022年01月27日 星期四

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智慧制造利用先进制造技术,透过AI、物联网、大数据、云端、边缘运算等技术所提供的解决方案,将生产过程代入智慧化制造模式,根据客户需求客制化产品,一跃成为工业4.0的要角。


在疫情持续延烧下,持续推升非接触与数位转型需求,2022年已经看到物联网结合5G、边缘运算、AI等工具打造虚实整合系统(Cyber-Physical System,CPS),数位孪生(Digital Twin)技术则被运用于智慧制造、智慧城市等垂直领域,随着环境、场域与设备之间的交互影响变得越来越复杂,各类数位技术也加速发展,扩大部署及运用范畴,如物联网技术搭配3D感测技术、VR、AR等远端作业,打造元宇宙(Metaverse)发展架构,带动智慧工厂解决方案更为多元化。


工研院产科国际所副组长熊治民指出,可应用于智慧制造的科技相当广泛,如ICT、资料科学及先进制造技术,许多技术仍在持续发展与进步中。近年来发展较为快速的智慧制造相关技术与应用包含感测、智慧机器人(特别是协作机器人与自主移动机器人AMR)、积层制造(3D列印)、人工智慧(AI)、5G通讯、工业物联网与云端平台、数位模拟与分析,以及扩增实境(AR)等。


「预估2022年制造业仍受COVID-19疫情影响,进而推升自动化、数位化、智慧化、远距化等方面的应用需求,前述相关技术也会在智慧制造应用方案中持续发展。」


图一 : 工研院产科国际所副组长熊治民。 (Source:工研院产科国际所)
图一 : 工研院产科国际所副组长熊治民。 (Source:工研院产科国际所)

2022年除了自动化需求持续增温外,随着远距工作与服务模式应用需求度提升,云端、AR/VR/MR、5G应用等领域也会持续增温。此外,推动净零碳排已成为制造业不可避免的全球趋势,急需借助智慧感知、IoT、AI、数位孪生(Digital Twin)等技术,以及碳排放计算、能源与资源使用优化、供应链运作优化等技术,以提供更多适合的解决方案,在各方需求带动下,也会同步加速智慧制造的覆盖率。


至于智慧制造应用场景则包含智慧工厂中的人(工作效能与安全)、机(运作最佳化、设备预测维护)、料(品质管理)、法(制程优化)、环(安全),以及供应链运作管理(供需预测、决策最佳化)。


智慧制造潜力股:数位孪生

前述科技发展或应用中,数位孪生(Digital Twin)的发展及应用相对亮眼。熊治民认为,数位孪生在产品设计、制造、使用等全生命周期都具有极大的应用效益与发展潜力,包含有助缩短产品设计验证及产线规划时间,可提供生产设备、产线、工厂即时运作最佳化,增加设备、产线的可用性,提供客户创新服务与支援,同时引领各种商业模式的创新。


国际市调机构MarketsandMarkets报告预测,2020-2026年,全球数位孪生市场规模CAGR达58%,2020年全球市场规模达31亿美元,2026年将成长至482亿美元。然而,数位孪生需要整合感测、IoT、AI、AR、5G、先进模拟分析等多种科技,在应用推广上仍有一定限制。


由于应用价值巨大,工研院产科国际所认为数位孪生是极具发展潜力的智慧制造技术,而且能促进其他智慧制造技术应用的进一步扩散。国内外都有许多使用Digital Twin的案例,包含航太、汽车、工具机、工业机器人、自动化设备与产线等。


智慧制造需要克服的4个问题

虽然智慧制造在各项先进科技助攻下可望加速发展脚步,但在实际发展上仍有四大问题有待克服。熊治民指出,制造业者在快速变动环境下以四大发展为目标:控制成本与创造利润、持续提升客户满意度/为客户创造新价值、维护员工价值,以及担负社会责任。


实现前述四大目标的重要方法就是智慧制造,「智慧制造的核心价值包含在制造场域中的决策辅助与生产过程、设备运作自主调适及最佳化。」比方可以透过资讯可视化协助人员解决问题、预测趋势、制订方案,或者可以藉由AI及Digital Twin,协助生产线针对各种变化而自主调适因应,达到效能、成本最佳化的目标。


智慧制造持续发展的趋势不变,但是,随着功能要求与技术的成熟,在不同阶段会有不同的主要目标,以及需要克服的困难。熊治民观察,产业界在推动智慧制造发展时最常遭遇到的困难包括发展目标与具体需求不明确,由于不容易进行投资报酬率评估、缺乏可用方案与合作厂商资讯、资金不足、软硬体等基础建设及相关资料与工作流程无法配合,加上专业与跨领域人才及人力不足、人力缺乏统合等,这些因素都会影响企业主投入与推动智慧制造的意愿。


智慧制造标竿企业:智慧灯塔

「智慧制造发展与应用扩散需要透过持续累积才能展现更为具体的成效。」熊治民认为,目前国际制造业者持续依循本身发展策略与需求,透过推动工业4.0、数位转型应用以建立更深化、范畴更大的智慧制造体系。



图二 : 友达台中厂获选全球灯塔工厂,展现第四次工业革命成果。 (source:友达)
图二 : 友达台中厂获选全球灯塔工厂,展现第四次工业革命成果。 (source:友达)

世界经济论坛WEF(World Economic Forum)与麦肯锡(McKinsey)合作,截至2021年9月止,已在全球多国评选出90家灯塔工厂,堪称工业4.0发展典范,这些典范级工厂的智慧制造应用涵盖个别工厂与供应链。


WEF定义的「灯塔工厂」具备工业4.0(4IR)的工业革命技术,在提高效率与生产力的同时也能与环境管理相结合。灯塔工厂企业在尖端技术应用整合方面拥有卓越成效,可以做为全球表率,2021年最新公布的21座灯塔工厂名单中,鸿海集团郑州厂区及武汉厂区双双入选,是鸿海继深圳、成都厂区后入选的新厂区,另外有3座灯塔工厂位于欧洲、3座位于美洲、2座位于中东,亚洲则是最大赢家,共评选出13座灯塔工厂。


截至2020年,鸿海已推动约10座内部符合「灯塔工厂」标准的改造工程。 2021年底,集团内部约有20余座厂房符合灯塔工厂标准,有11座工厂获选为「灯塔工厂」,集团规划2022年再打造20座「灯塔工厂」,改造范围包含模具生产、CNC加工、表面贴装、系统组装等场域,同时在集团厂房内导入自动化、数位化、智慧化等技术,同步提高产品力、生产管理品质。此外,鸿海「灯塔工厂」还积极对外赋能,推动产业数位化及数位产业化发展。


台湾企业除了鸿海,友达台中厂、群创高雄厂也在「灯塔工厂」入选之列。友达于2015年启动智慧制造2.0,从规模竞争进化到价值转型,同时协助合作伙伴接轨4IR及智慧制造,从智慧制造、绿色制造和人才培育方面展现4IR成果。 4IR技术结合场域知识与资料科学技术,进而改造生产管理模式,2018-2020年3年内降低生产成本达15%,整体制造生产效率则提升逾30%。此外,友达也努力聚焦员工培力、自主和当责,重新定位每位员工,系统性培育4IR人才,将技能再培训转化为竞争力。



图三 : 群创透过自动化、数据化与智能化,实现群创XYZ数位转型策略。 (source:群创)
图三 : 群创透过自动化、数据化与智能化,实现群创XYZ数位转型策略。 (source:群创)

群创高雄厂区则是透过自动化、数据化与智能化,实现群创XYZ数位转型策略,透过投资自动化、物联网及分析技术,提升制程、品质,也同步提高问题解决能力,达成产品最终不良率降低33%的成果,总产能则增加10%,另外首创自动化液晶回收机制,用电量减少2%。


除了评选灯塔工厂,WEF及McKinsey也发布报告分析这些工厂如何结合5G通讯、物联网(IoT)、云端与边缘运算等资通讯技术,搭配人工智慧(AI)、大数据(Big Data)、预测、数位双生(Digital Twin)、AR与混合实境(MR)等新兴智慧科技,以及感测、机器人、无人载具、积层制造等先进技术,发展出有助于提升生产工厂与供应链营运绩效的数位化、智慧化应用方案,借此创造各种价值活动的成效。


进一步分析,全球灯塔工厂在制造环节方面的主要数位化应用方案包含数位化组装与机械设备、数位化设备维护、数位化绩效管理、数位化品质管理,以及基于数位化的永续发展。


提高产业韧性 智慧制造扮演关键角色

熊治民认为,台湾制造业在智慧制造应用上,大型企业与中小型企业的应用模式明显不同,大企业会以较为全面的方式推动,包括设备联网、智慧化产线与智慧工厂,并导入5G、AI、AR、云端、协作机器人、无人搬运车(AGV)与自主移动机器人(AMR)等技术;中小型企业较偏向设备联网、稼动率可视化、自慧化排程,以及结合AI的自动光学检测应用,「主要因为这些智慧制造应用方案的投资报酬率比较容易量化评估,相关应用方案的发展成熟度也较高。」


展望2022年,疫情持续延烧对于智慧制造的发展是否带来正面助益?是否因此加速智慧工厂的发展进程?对此,熊治民认为,受疫情影响,制造业企业端势必需要持续提高工厂、供应链运作韧性,以因应原物料价格波动、生产人力短缺、供应链运作不顺畅等外部因素,而智慧制造是提高产业韧性的重要途径。


整体而言,除了部分因疫情导致营运出现严重停滞的厂商外,大多数制造业都会朝自动化、数位化、智慧化运作发展,「例如基于云端平台的自动化与数位化工作流程,以机器人节省人力或补充生产能力,以远距工作模式克服疫情导致的市场营销与客户服务限制,透过人工智慧预测原物料价格与供应链运作优化等。」



图四 : 多数制造业都会朝自动化、数位化、智慧化运作发展,以机器人节省人力或补充生产能力。
图四 : 多数制造业都会朝自动化、数位化、智慧化运作发展,以机器人节省人力或补充生产能力。

整体而言,台湾发展智慧制造的优势包括具竞争力的电子与ICT产业、政府政策支持、多元化制造业环境可作为应用方案试验场域、部分制造企业积极发展投入并已建立具规模的产业生态系;劣势则包含大多数中小企业数位基础薄弱且资金投入有限、相关专业与跨领域/系统整合人才不足、部分硬体与软体仍仰赖进口。


若与国外企业或国家相比,台湾在智慧制造的发展上仍具有竞争优势,熊治民进一步指出,受惠于台湾ICT与工业电脑产业具有的能量与优势,加上政府多年来提供政策补助,不少台湾中小型制造业能迅速透过导入智慧机上盒(SMB)建立对制造设备的运作状态资料撷取与可视化,并逐渐导入智慧化生产排程、设备健康状态诊断及预测维护。


至于大型制造企业则是结合内外部资源,建立规模化智慧工厂,提升产能、品质与接单弹性,同时带动台湾智慧制造方案生态系发展,从大企业带头架构生态系,将中小型企业纳入智慧制造生态系及产业链发展中,也能发挥母鸡带小鸡,共荣共好的整合价值。


智慧制造的隐忧:资讯安全问题

不过,在智慧制造持续向前迈进的过程中,近年来网路系统遭骇的消息频传,也引发新一波资安疑虑,由于ICT是组成智慧制造应用方案的重要元素,特别是网路系统,随着制造业内外部网路应用规模逐渐增加,资讯安全也需要获得更多重视。


熊治民建议,制造业者需要透过适当的软硬体方案确保资讯安全外,「更重要的是及早建立正确、适当的资讯安全管理制度,教导员工学习能确保资讯安全的意识与工作习惯。」


**刊头图:鸿海科技为首批的灯塔工厂。 (source:鸿海)


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