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