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工業4.0與機械4.0範疇及內涵

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科技產業資訊室 - David 發表於 2015年10月28日

工業4.0(Industry 4.0)的範疇定義是一件關鍵的工作。工業4.0還在起步萌芽期階段,現在要清楚定義出一個普世與一致的定義應該是不可能的。或許,再過30年至50年,當我們要進入”工業5.0”(Industry 5.0)的時代(當然我們是更不可能定義出什麼是”工業5.0”的),我們會比較可以看清工業4.0的範疇與內涵。

尋求一個工業4.0初步共識是需要的,其中,我們認為由歐洲最大顧問公司Roland Berger(羅蘭貝格)所定義的工業4.0相對嚴謹也具有延伸性,如圖一所示,值得推薦並進一步討論[1]。

首先討論工業4.0生態體系。

我們需要認知到,工業4.0是一個系統體系(System of Systems, SoS,關於系統體系(SoS),可參考【系統體系與物聯網服務模式設計案例】、【物聯網時代十大競爭策略】、【智能工廠4.0與5M2E法】、【探討工業4.0方程式:6C+6M】、【建構農業物聯網的核心思維-】等。基本上,工業4.0是一個大系統,涵蓋諸多子系統,並且每一子系統間又交互運作,其互動模式組成一個整體的巨系統。

從圖一結構我們也可以看出來,其實工業4.0不是一個工廠內的課題(範疇不是一個公司或工廠,吻合工業4.0之智能工廠即稱為工廠4.0),而是一個產業鏈的結構,並且與傳統產業鏈不同,是一個整合與融合後的產業生態體系。

Industry 4.0(工業4.0)包括Factory 4.0(工廠4.0)、Cyber Security (資訊安全)、Big Data (大數據)、Logistics 4.0 (物流4.0)、Mass Customization (大量客製化)、Internet of Things (物聯網)。Factory 4.0(工廠4.0)又涵蓋、Robot(機器人)、Autonomous Vehicle(無人車)、3D Printing/Additive Manufacturing(3D列印)、Advanced Manufacturing System (先進製造系統)、       Sensors (感測器)、Nanotechnology/Advanced Materials (奈米與先進材料)。如圖二與表一所示。

圖一、工業4.0生態體系架構


Source: Roland Berger, 2015

圖二、工業4.0生態體系組成元素 [1]

表一、工業4.0生態體系結構[1]

表統體系 系統 功能
Industry 4.0(工業4.0) Factory 4.0 (工廠4.0) Robot(機器人) Real time - Autonomy - Productivity
Full transparency on data reporting
Autonomous Vehicle(無人車) Flow optimization
Increased security
Lower costs
3D Printing/Additive Manufacturing(3D列印) Scrap elimination
Mass customization
Rapid prototyping
Advanced Manufacturing System (先進製造系統) Cyber Physical Systems (CPS)
Numerical command
–Full automation
–Totally interconnected systems
–Machine to machine communication
Sensors (感測器) Zero default / deviation
Reactivity
Traceability
Predictability
Nanotechnology/Advanced Materials (奈米與先進材料) Smart value added products
Technical differentiation
Connectivity
  Cyber Security (資訊安全) Stronger protection for internet based manufacturing
Technology products with longer life cycle
Big Data (大數據) Give sense to complexity
Creativity
Collaborative manufacturing
Logistics 4.0 (物流4.0) Fully integrated supply chain
Interconnected systems
Perfect coordination
Mass Customization (大量客製化) Customer & marketing intimacy
Flexibility
Perfect match with customer's needs with production mass efficiency
On demand manufacturing
Internet of Things (物聯網) Object tagging
Internet-object communication via low power radio
Real time data capture
Optimized stocks
Reduced wastes
Resource of the Future (未來能資源) Clean and renewable energies everywhere
Energy Storage
Alternative raw materials

  以上述Roland Berger所定義的工業4.0範疇中,有一個先天上的限制就是缺少智能製造設備,即”機械4.0”(Machiney 4.0, Future Machinery,例如在未來金屬加工工廠中,比現在更先進的工具機應該放在什麼地方?組成為何?哪些是智能設備的特徵?有沒有”工具機4.0”概念可以融入在工業4.0生態體系中?或是我們如何在整個工業4.0或工廠4.0架構下,進行預測性維護保養(Predict Maintenance)與機器設備服務化呢? 

我們在【探討工業4.0方程式:6C+6M】、【物聯網商業模式與創新矩陣】與【系統體系與物聯網服務模式設計案例】有介紹美國辛辛那提大學(University of Cincinnati)李傑教授(Jay Lee)及其團隊之研究成果。近期,李傑教授研究團隊進一步定義出工業4.0下的虛實融合系統(CPS)之結構[2],如圖三所示,值得我們進一步討論。

圖三、工業4.0下的虛實融合系統(CPS)之結構[2]

李傑教授(Jay Lee)及其團隊將虛實融合系統區分為5C結構,包括連結層(Smart Connection Level)、轉換層(Data-to-Information Conversion Level)、網路層(Cyber Level)、認知層(Cognition Level)與組態層(Configuration Level)。

其中連結層(Smart Connection Level)對應到感測器(Sensor),對應到狀態的監視。轉換層(Data-to-Information Conversion Level)對應元件、模組與機械,對應到機械設備的預知管理與健康管理。網路層(Cyber Level)即對應到設備組合(機隊),即是虛實融合系統(Cyber Physical System, CPS)。認知層(Cognition Level)則對應到決策支援系統(Decision Support System, DSS)。

李傑教授(Jay Lee)及其團隊的虛實融合系統5C結構與Roland Berger的工業4.0定義是互補的。或者可以說,虛實融合系統5C結構可以用來彌補工業4.0對於設備層虛實融合的不足。可整理如圖四。

圖四的系統結構是一個很有啟發性的整理,透過此結構,我們可以將不同層面,包括元件層、設備層、網路層、自動化層、工廠層與供應鏈層的工業4.0範疇區分開來,也讓每一個元素的關連性可以在此架構下進行進一步的擴展。

圖四也可進一步與李傑教授所提出之工業4.0方程式,即6C+6M,包括建模(Model)、測量(Measurement)、工藝(Method)、設備(Machine)、材料(Material)、維護(Maintenance)、內容(Content)、網路(Cyber)、雲(Cloud)、連結(Connection)、社區(Community)、客製化(Customization),讀者可進一步參考【探討工業4.0方程式:6C+6M】一文。(1492字;圖4)

  

參考資料:

  1. Roland Berger: Consultancy. at http://www.rolandberger.com/ 
  2. Jay Lee, Behrad Bagheri, Hung-An Kao (20 15), A Cyber-Physical Systems architecture for Industry 4.0-based manufacturing systems, Manufacturing Letters, Vol.3, pp.18–23.


 
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