工业4.0全解 从起源到未来

近几年，国际上掀起了新一轮科技革命和产业变革的热潮，发达国家顺应潮流，纷纷抛出刺激实体经济增长的国家战略和计划，希望通过技术进步和产业政策调整重获在制造业上的竞争优势。其中，由德国发起的“工业4.0”(Industry 4.0)概念，在全球逐渐发烧。不过，制造相关业者、半导体元件或是系统整合商，虽然明瞭工业4.0将为其带来新的庞大商机，但普遍却不很清楚该怎么跨入市场，甚至如何在自家工厂导入工业4.0概念。

本文将从工业4.0起源及定义开始，以及阐述相关业者布局策略，期可为读者带来清晰的工业4.0发展蓝图。

工业4.0提升制造业生产效能

维基百科(Wikipedia)中定义的工业4.0为“工业4.0或称第四次工业革命(Fourth industrial revolution)、生产力4.0，是德国政府于2011年提出的高科技计划，由德国联邦教育及研究部和联邦经济及科技部联合资助，投资预计达2亿欧元，用来提升制造业的电脑化、数位化与智慧化。”工业4.0的目标不是创造新的工业技术，而是统合所有工业相关的技术、销售与产品体验，是建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工厂(Smart Factory)，并在商业流程及价值流程中整合客户以及商业夥伴。

另外，工业4.0技术基础是智慧虚实整合系统(Cyber-Physical System，CPS)、物联网(Internet of Things，IoT)以及智慧感测器网路，亦即透过感测器和致动器(actuator)将真实世界与虚拟世界相连接。

西门子(Siemens)数位工厂事业部、制程工业暨驱动科技事业部总经理郑智峰表示，工业4.0涵盖九大技术，包括扩增实境(AR)/虚拟实境(VR)、模拟(Simulation)、巨量资料(Big Data)分析、自主性机器人(Autonomous Robot)、云端运算(Cloud Computing)、工业网际网路(Industrial Internet)、网路安全(Cyber Security)、水平垂直整合/3D列印(3D Printing)以及增进系统智慧化。

工业4.0的九大关键技术

若能在工厂中落实这九项技术，才能真正符合工业4.0定义需求。工业4.0能为制造业带来提高生产灵活性、缩短产品上市时间及提升生产效率等优势。因此，除了德国之外，欧美各国与中国大陆都已启动工业4.0计画，台湾政府也推出“生产力4.0”计画，以协助台湾厂商加快进入工业4.0领域。

工业4.0商机诱人

自德国政府提出工业4.0之后，全球也开始发展，因而为制造商、半导体元件、系统整合厂商业者等带来新的商机，其中机器人可谓是直接受惠的产业。

根据国际机器人联合会(International Federation of Robotics，IFR)估计，2014年全球工业机器人市场销量约22万5,000台，创历史新高，未来市场需求将持续成长。而服务型机器人也深具发展潜力，大致分为专业用、个人或家庭用两类，IFR预测其2014~2017年市场总销量，可望突破3,100万台。

拓墣产业研究所(TRI)则表示，受到工业4.0浪潮驱动，2015年全球工业机器人市场销量有望达26万4,000台，年成长约15%;2016年有机会来到29万台，年成长约10%。

不仅机器人产业直接受惠，有鉴于工业4.0囊括的九项技术中，自主性机器人只是其中之一，包括网路技术、云端资料中心分析运算及储存设备、软体分析平台，以及半导体元件如微控制器(MCU)、感测器、网路技术元件…等等，也都因工业4.0而取得抢进新商机的门票。

相关业者忙抢进

由于工业4.0新商机诱人，各家业者也都想与工业4.0“扯上关系”，以期可再扩大既有的营收规模。

处理器业者英特尔(Intel)为抢攻工业4.0与物联网商机，早已开始布局，除购并资讯安全软体公司迈克菲(McAfee)、平台软体供应商温瑞尔 (Wind River)外，目前更已透过该公司的闸道器和其他工业电脑如研华(Advantech)、凌华(ADLINK)合作，提供完整的物联网平台予客户，期可协助客户快速建构物联网应用平台，创造物联网商机价值。

英特尔亚太区技术开发服务群物联网架构师蔡嘉禾表示，工业4.0也就是工业物联网(IIoT)，过去的概念与应用即为机器对机器(M2M)。惟与M2M较为不同的是，工业4.0不仅仅只是透过网路技术连接机器设备，更须利用闸道器将数据网云端或管理中心传送，进一步分析，因此在物联网或工业4.0基础建设中，闸道器与应用平台的建置相当重要。

元件安全性/机器监测不可忽略：工业4.0欲实现的目标是——提升生产效率、制造为本、对应未来商机随时改变生产线架构…等。台湾瑞萨电子 (Renesas Electronics)行销事业部经理黎柏均指出，工业4.0是强调更有效率的工厂与机械管理，仰赖通讯架构串连所有，但相对地必须面临资料传输安全性与网路的可靠性挑战。

而为了强化工业4.0安全，做为工业4.0架构的控制中枢——微控制器本身也须强化其安全性。而瑞萨电子与合作夥伴携手强化其RX、R-IN MCU系列产品安全性，以提供更佳的物联网资料传输安全。

发展工业4.0时，除了关注如何透过网路技术与后端管理平台架起工业4.0架构外，也必须注意第一线的机器监测。国家仪器(NI)技术行销工程师吴维翰表示，工业4.0其中相当重要的一环即是机器状况的监控，若这部份未能确实做好，将无法达到工业4.0提升生产效率的精神。

因此透过量测仪器中的资料撷取与振动感设器等装置，再搭配统一的资料传送闸道器，将可做到主动式防护，亦即可先一步知道机器是否即将损坏，也能提升机器检测的效率，更可维护作业员的工作安全。

通讯技术不可或缺：在连网技术方面，除了传输到云端的有线与无线通讯技术外，工厂内部机器间的通讯也不可或缺。因此在工业4.0架构中，各种无线通讯技术将与工业乙太网路相辅相成，其中，可建构网状网路的ZigBee已开始获得厂商的重视。

芯科实验室(Silicon Labs)台湾区总经理宝陆格说明，在工业4.0网路中，各种无线通讯技术都将有各自的定位，不会有所谓的取代效应发生。而ZigBee是由于具备网状网路及自我修复的特性，因此在数量较多的机台或是公共设施应用上较为合适。另外，为了让ZigBee透过IP的方式传送资料，因此去年几家业者也成立 Thread联盟，致力于将IP加入ZigBee技术中。

更重要的是，工业4.0中需要布建许多感测器，这些感测器和无线网路节点元件相同，需要工作相当长的时间，也无法时时进行换电池或充电，因此元件本身需要相当省电，与节电、低功耗相关的电源管理IC(PMIC)也将在工业4.0设备中扮演重要角色。

完整垂直与平行整合才能紧握商机：由于德国许多业者已着手进行工业4.0的布局，西门子也因而更加了解工业4.0的精随，因此为提供最完整的解决方案，西门子早已透过购并的方式，将该公司所有产品进行垂直与水平整合。郑智峰强调，西门子产品可涵盖企业、管理、操作、控制、现场五大层面，而这五大层面也就是完整的工业4.0架构。

不仅提供完整的工业4.0解决方案予客户，西门子自家的安贝格(Amberg)工厂已符合工业4.0的需求。郑智峰指出，透过建构工业4.0工厂的经验，西门子除了强化自身产品完整度，也具备协助业者建置其所需的工业4.0工厂的能力。此外，西门子也积极与台湾各界合作，以推升台湾工业4.0的发展。

工业4.0其中一项目标是透过自动控制、元件间最佳化或叠加系统协调执行一项完整的生产任务，需要为硬体、软体和系统设计提供新的解决方案。尤其是对现场处理分散任务的紧凑、坚固的解决方案，对获取感测器资料、精心设计PLC系统与中央IT系统和云端的通讯需求不断增强。

台湾浩亭(HARTING)总监林笔章认为，上述关键是从已建立的自动化技术转向整合产业(Integrated Industry)，即工业结合自动化和资讯技术，启用新型商业模式、新的产品和服务，提高可靠性和生产率。为此，浩亭已在自家智慧工厂中实施广泛的“浩亭为您提供整合产业解决方案”(HARTING Integrated Industry 4You，HAII4YOU)。

元件代理商抢分杯羹：最后，半导体元件代理商也在这波工业4.0浪潮中获得新商机。若是欲进入工业4.0市场的业者，在没有明确概念的状况下，不知该采用哪些关键元件，或是想节省时间一次购足所需，那么除原厂之外，代理商将是较佳的选择。贸泽电子(Mouser)亚洲区技术支援主管苏志伦提到，代理商不仅代理许多原厂的优质零组件以及被动元件，还建立应用与技术相关子网站，让客户可以最便利与快速的方式，构筑工业4.0的应用技术蓝图。

安富利(AVNET)则与其合作夥伴提供完整的产品线，如多样化开发平台、各类传输协定、无线感测网路(WSN)解决方案、微机电系统(MEMS)等，协助业者最佳化工业设备，提高生产效率，并进一步节省人力资源成本。未来安富利也将进一步加入系统整合的部份，期可帮助客户选择完整的元件产品，还可满足客户高度客制化需求。

网路+感测器≠工业4.0

由于目前工业4.0是片状的发展，各家业者各自努力，未能串联成全面的发展;也未有任何“标准规范”让业者有所依循。因此工业4.0对多数业者而言，像一种“如陷五里迷雾”的技术与市场，但工业4.0绝非只是在生产机器上加上网路与感测器那么简单。

郑智峰指出，许多厂商对工业4.0真正的意涵并不相当清楚，认为在机器上加上网路与感测器就是工业4.0，事实上，业者忽略了感测器收集到的资料分析、更智慧且具自主性的机器人如何实现…等等技术问题。

回归先前提到工业4.0涵盖的九项核心技术，要实现这些技术对相关业者而言，不是件简单的事。德国累积了10多年相关技术能力，才能在2011年进一步提出工业4.0的计画，并于2012年推动，因此业者若是只看到工业4.0市场的美好，而忘却背后需要庞大的技术实力“加持”，不但无法真正了解工业4.0 究竟要做什么，还会陷入不知该从何下手发展工业4.0的窘境。

大一统标准规范路遥迢：除了技术问题外，统一标准遥遥无期亦成为业者发展工业4.0的绊脚石。安富利台湾总经理蔡守礼表示，目前工业4.0网路协定相当混乱，Google、Apple与一些IC供应商都各自有其解决方案，目前也尚未有任何迹象显示会出现大一统的标准规范。黎柏均则认为，在有线传输技术部份，工业乙太网路可望成为工业4.0通讯标准技术之一。

值得注意的是，发展工业4.0时，业者势必会面临介面——也就是互通性——的问题。郑智峰认为，工业4.0或许不需要统包方案(Total Solution)，不过标准化相当重要，问题是目前标准尚未并定义，且标准化发展暂时不会出现，以至于目前工业4.0呈现厂商各自努力的现象。再者，许多厂商可能无力建构完整垂直与/水平整合的产品，而选择跨业合作，但势必会遭遇各家产品介面互通性问题，造成其客户遭遇问题时，无法有效解决。

郑智峰表示，国际大厂的确有主导工业4.0标准建立的优势，不过小厂间的异业合作是否也能够建立大一统的标准，仍需时间观察。但大一统标准何时出现，实无法进一步由现阶段市场发展现况来预测，而介面问题也将成为工业4.0发展的一大隐忧。

发展工业4.0 台湾产业危机或转机?

在全球“疯”工业4.0的同时，台湾业者与政府也相当关注工业4.0。不过，台湾发展工业4.0时将遭遇何种挑战，将是台湾厂商须留意的部份。郑智峰分析，事实上，台湾与德国制造业有相当相似之处，如依赖外销、制造能力强、注重机械制造发展，且皆遭遇人口老化问题，因此台湾业者借镜德国厂商的发展历程最适合不过。

唯台湾与德国厂商仍有不同之处，即是德国拥有许多自有品牌，但台湾多为代工，因此德国厂商能根据其产品所需与特性，清楚了解其该发展工业4.0九大技术中的那几项;而台湾厂商则由于都是依循母厂要求进行产品设计制造，因此尚未能掌握工业4.0的重点技术。

郑智峰强调，未来台湾制造业若仍是想以低成本、品质策略竞争，将可能连已积极发展工业4.0的中国大陆都无法匹敌。因此台湾厂商在调整心态后，逐步发展工业4.0要求的九大项技术，再加上官方政府的推展及协助，进一步强化工业自动化程度。

另外，台湾业者除了最佳化硬体制程、建立制程模组化外，还须全面整合自动化设计;而软体平台的建构则须从基础环境整合开始，并建立工厂数位平台、结合自动化设计，最后还需重视网路安全、工业4.0应用方式等，进而达成台湾工业4.0计画——“生产力4.0”目标。