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工业4.0- 由浅入深的讲述何谓工业4.0

工业4.0

工业4.0-由浅入深的讲述何谓工业4.0(工业4.0

生产一个客制化的产品,需要多久时间?答案是58秒。这并非未来,在工业4.0的时代就是现在进行式。二零一三年德国高技术战略二零二零十大未来项目纳入工业4.0项目,投资金额高达两亿欧元,提升制造业计算机化、智慧化,至今五年从概念到实践,领头企业脚步飞快,透过虚实整合及数据分析使用者决定生产方向、服务内容、创新商业模式。工业4.0的目标并非创造新颖的制造技术,而是整合现有的制造资源、销售流程、大数据,建立能够快速反应市场需求、精准生产、减少成本浪费、跨领域合作的制造产业。
思爱普物联网资深副总裁凯瑟接受访问时表示:技术和制造不再是重点,产品只是载具,重点是随产品而来的服务。这是商业思惟和商业模式的深度改变。未来商业模式不是由生产者驱动,而是从买方出发,驱动研发、供应链、整个生产系统与服务。改变的速度很快,跟得上脚步,就能掌握风口。

何谓工业4.0

工业4.0意思是第四次工业革命,综观工业历史从工业1.0使用蒸气为动力,出现机械代替劳力,工业2.0以电气为主要动力进入电气化时代,工业3.0以计算机协助人力制造,进入数位控制时代,到了工业4.0则是以智慧制造为革命重点。
智慧制造是将物联网、数字化工厂、云端服务、通讯等技术紧密扣合,创造虚实整合的制造产业,彻底改变一直以来的制造思维。工业4.0的价值是利用物联网、感测技术技术连结万物,机械与机械、机械与人之间可以相互沟通,将传统生产方式转为高度客制化、智慧化、服务化的商业模式,可以快速制造少量多项的产品,因应快速变化的市场。
除了制造智慧化,过程中计算机也可记录各种数据,成为重要的信息数据库,藉由大数据分析优化制造与服务流程,帮助企业创造巨大的竞争力。谷歌、亚马逊等网络巨头皆擅长利用巨量数据分析提供消费者更好的服务体验,甚至和西门子等专业智能型技术企业进行跨领域结合,开创工业4.0领先趋势。整体而言工业4.0是连结虚拟与现实的桥梁,让制造过程高度智慧化,逐渐成为制造主流。

工业4.0与过去工业发展的差别?

在过去传统工业1.0-3.0的时代是以大量制造降低成本,再大量贩售的商业思维,然而随着网络技术发展浪潮,信息快速流通,市场追求新颖、独特的产品,传统大量制造模式已不一定适用,加上人力成本日渐高涨对企业来说是庞大的负担。而工业4.0结合网络与机械,生产快速、产品多样化让企业降低制造成本提升竞争力,才能因应多变的市场需求。

工业4.0影响了什么?

工业3.0时代广泛应用电子与信息技术、数据库系统、模具,让制造过程自动化,设计、制造、组装、分析都在计算机系统中完成,大幅度提高研发效率降低生产成本。以工业3.0电子信息化为基础,连结与优化是工业4.0的核心精神。
连结制造相关元素进行优化,大量运用自动化机器人、物联网感测、供应链互联、销售及生产大数据分析,人机协作优化生产流程,提升生产力及质量,以增进企业竞争力与获利,达到单一批量只有一件也可生产的客制化目标,进而提高消费者的互动黏着度。例如过去知名运动品牌如耐克、彪马等一向是以替运动明星开发专属商品,拉抬品牌知名度,然而二零一二年耐克推出客制化服务,消费者可上网选择自己喜欢的鞋子材质、颜色、花样等,鞋子就会送到家中。就是工业4.0实践高度客制化很好的例子。

工业4.0分为三大项目

工业4.0可分未三大项目,包含智慧工厂、智慧生产、智慧物流

工业4.0三大项目之智慧工厂

研究生产系统及过程智慧化,以网络连结生产设施,人机协作提高效能。智慧工厂最重要的目标是批量一件也可以做的高度客制化需求,要达到此目标仰赖边际运算、人工智能、数据分析、感测系统等技术,例如企业资源管理系统、执行系统等系统架构,结合网络连结机械设备与人力,并配合人工智能、边际运算、数据分析辅助,让制造流程最优化,将传统工厂从自动化中数位转型工业4.0。

工业4.0三大项目之智慧生产

智慧制造指的是应用网络、感测等技术,分析数据后建立一个从原物料、产品制造、企业经营、包装配送等自动化供应链。让企业提升整体生产物流管理、人机互动以及三维技术的生产应用能力。此项目特别注重中小企业,让中小企业从智慧生产技术中受益,进一步成为工业生产技术的创造者和供应者。

工业4.0三大项目之智慧物流

智慧物流,指的是以资讯技术为基础,在物流过程中的运输、仓储、包装、搬运、加工、配送等环节,建立感测系统,分析信息、实时调整,也通过网际网络、物联网、物流网,整合物流资源,充分发挥现有物流资源供应方的效率,不仅降低成本,也让买方能够实时获得订购商品,符合网络发展浪潮,让物流业自动化、网络化、可视化、实时化,实现物流规整智慧、发现智慧、创新智慧和系统智慧的目标,有利于降低物流成本、控制风险,进而达到提高环保效益与配送效率的效果。

工业4.0所需要的技术基础

发展工业4.0需要基础的技术支持,没有相应的技术提供业无法实现工业4.0,所以智转型智慧制造需要以下三大基础。

工业4.0技术基础之物联网

自动化系统必须透过射频辨识技术、红外线感应、光线扫描、定位系统等技术,连结所有物品,让彼此之间讯息能够交流,建立智慧识别、定位管理的工作系统。物联网技术已受到国际间高度关注。美国将此列为经济与国安的关键,规划以物联网、云端运算为核心的智慧地球计划,受到大力支持。在亚洲物联网逐渐应用在产品制造、节能减碳、质量管理等面向,例如设备监控、原料库存等领域,都得到良好的效果。

工业4.0技术基础云端运算

云端运算是一种可以随时随地配置资源的公共空间,能够以最低成本管理、使用,大致分为三类:公共云、私有云、混合云。目前在工业设计、工业模拟、在线软件、数据中心等需要大量运算能力的领域有很好的应用机会,例如模拟汽车碰撞、虚拟装潢等,企业不用购买昂贵的软件,只需要支付平台商服务费用,即可使用如计算机辅助设计、客户关系等软件,替企业节省可观的成本。

工业4.0技术基础大数据

随着科技发展数据资料量呈现爆炸性成长,计算机的处理能力也远超过人类所及,因此大数据成为产业发展的显学。数字化的时代人的一举一动都会留下数据,因此从数据中可以窥见人类行为模式从中找出市场需求,成为企业未来提高竞争力、创新力与盈余的关键。
不只是企业重视数据分析,政府也同样明白其重要性,例如美国政府编列预算以适当的政策协助产业发展分布式数据存储系统、商业智能、云计算、开源分布式数据库系统、数据仓库、数据集市、分散式系统、动态模拟混合缩写、可扩展的分布式文件系统、分布式系统基础架构、分布式面向列开源数据库、性能调优、数据糅合应用、元数据、非关系型数据库、关系型数据库、开源数据分析、结构化数据、非结构化数据、半结构化数据、结构化查询语言、流处理器、可视化技术等大数据分析技术。
而在这一波工业4.0的浪潮下,各方持续朝数位转型的方向前进。结合物联网、机器人、感测技术、数据分析的智慧工厂成立,延伸到智慧物流、智慧服务,带动产业升级。
未来企业在人工智能、边际运算与数据分析的辅助下,整合信息、优化供应链、跨产业合作创新提供消费者更好的体验,也扩大产业市场,预计到二零二零年智慧制造的整体市场规模将会超过三千亿美元,尤其是工厂数字化、用户体验、人工智能,将是最被重视的要素。

工业4.0应用,如何改变你我生活?

整合虚实信息提升产品价值,就是工业4.0的产业模式。例如生产老人防走失器,透过互联网的平台可以远端定位和观察使用者动态,或是将住家与工厂的监控系统与手机相结合,从手机上就能实时收看所有监视器情况等,都是很好的应用实例。
再以自动化工具机工厂为例,传统制造流程里工程师先藉由计算机辅助编写程序,传送到制造工具机,工具机便开始作业,但若是过程中出现故障必须依靠人力排除才能继续作业,无形中浪费许多人力与时间成本。而在智慧工厂中透过云端系统、信息分析可以实时侦测刀具的破损及负载异常,提早发现问题及早排除,也能在工作人员设定好排程后自动开始作业,透过温度的系统监控质量、缩小误差,提升产品的精确度。
但是有些工厂虽然已有机械自动化设备,但是距离工业4.0仍有一段差距。原因在于工业4.0的重点是强调人与机械的沟通、机械与机械之间的智慧结合,创造智慧化的生产链,而非只是用机械取代部分劳力,若生产流程无法因为机械设备的辅助而变得更灵活、快速、有弹性、并收集相关信息,那并非工业4.0的价值。例如由机械手臂取代某生产线上的装配劳力,但若因市场需求而扩张、缩减或更换制程,机械手臂必须能实时切换且不影响交期,才是工业4.0成为未来趋势的原因。
另外机械功能多样发展也是工业4.0的重点之一。机器人可依照需求拥有视觉判别功能,可判读颜色、形状、位置等信息,加上手眼整合、连结物联网、传感器,就能精确完成装配拣选的工作,对于消费电子产业、加工或食品业来说,是提升竞争力的方式之一。
人机互动安全也是工业4.0所重视的价值,其安全措施包括碰触即停、发出声响警戒、让工作人员及时动作调控等。在机器人中安装传感器,侦测工作中异样并将信息回传至云端,预防故障,使人机工作可以更有保障。

工业4.0如何带动企业成长?

未来市场会变成什么样子?根据统计二零二五年全球百分之七十五的劳动力是千禧世代,人口老化加上少子化造成劳动力减少,而制造数字化有助于千禧世代投入,机械人也可以替代部分人力,人力短缺问题就可以得到解决。另外在全球化影响下,预估二零三零年企业产品出口量会是目前的三倍,待发展国家甚至成长四倍,科技就是幕后推手,自动化系统、智慧工厂有助于降低跨国贸易与制造流程管理的挑战。

工业4.0智慧工厂是趋势,包含几个特点

感应器会装设在工厂内所有设备、物料、半成品、成品中,除了监控生产过程也可以记录所有数据加以分析,借以提升生产质量使消费者产生信赖感。大量使用机器人自动化生产,结合信息技术进行实时质量监控取代传统人力监控,减少人力成本、提高效能、稳定质量。全面自动量测进行细微的校准调整,也可以因应订单的改变实时制造产品。利用现场监控系统,采集大量生产设备及产品资料,传送到云端服务器,透过大数据分析,提高决策的正确度。累积大量消费者数据,分析了解客户习性预测客户需求,商业模式以客户需求为起点,多样少量的客制化生产与销售,让客户回流。
市场瞬息万变,智慧工厂让企业能够快速应变、满足市场需求,以日渐优异的信息科技、云端营运管理技术,改变传统商业模式思维,提升竞争力与市占率。工业4.0的发展影响是长远的,为因应快速变化的市场许多企业选择将制造工厂设置在靠近客户的地方,可以挖掘更多需求实时作出反应、提供客户所需要的服务。因市场对生产线的弹性需求大增,如何让机器人工作流程更加顺畅、快速是企业在转型智慧工厂时,必须思考的问题。
另一方面工业4.0智慧工厂可二十四小时持续运作,大幅降低制造成本取代廉价劳力,加上感应器可以在过程中收集大量数据,透过算法分析可以大幅优化流程提升生产效率,加上物联网让企业重新思考工厂设备之间的架构,企业如鸿海、甲骨文、西门子等国际知名大厂些在积极布局,全力发展工业机器人、自动化,以及智慧工厂。
总结工业4.0带来的影响,对亚洲地区而言过去低价的人口红利已渐渐失去,传统压低人力成本的制造思维已不适用,必须寻求其他替代方案,建立更有效率的生产方式,来承接需求多样的订单,因此机器人、自动化生产、智慧工厂逐渐蓬勃发展,出现各种创新的应用模式。

半导体产业如何转型工业4.0思维?

工业4.0是高科技与通讯技术的结合,让生产部门得以拓展,回应日渐复杂的市场需求,因此相关的技术与设备就非常重要。大多数的半导体企业,都有潜力转化为自动化工厂,或是透过加装简单的设备就能建立自动化系统。但是半导体企业若只是延伸其传感器与其它半导体元件的范围是不够的,现有产品的范围必须要以通讯和低功率微处理器技术予以扩展。
另一个转型关键就是必须具备新思维。维持硬件利润越来越困难,企业要思考的是如何创造其他优势赚取利润?麦肯锡管理公司提出有助于硬件公司转型软件思维的建议:
高阶领导人必须将企业转型纳入营运策略中,带领团队制定完整计划。软硬件团队必须沟通协调,对于目标、时间表、须具备什么功能等等事项有共识,了解彼此的进展。发挥硬件优势与软件价值,认清现有的优势与危机,例如忠诚的客户、专利技术、品牌形象尚未建立等等,从中挖掘新的价值或制定新的定价策略,例如使用固定订阅服务,定期向客户收取费用,无论他们使用软件多久或接受升级等,并提供吸引客户的诱因,引导客户购买。招募不同领域的人才。聘用不同领域、经验丰富的领导人,结合其他产业的专长技术,较有机会创造出独特的优势。要转型成功,公司必须要调整组织架构,而不是期待员工们改变工作方式 。

转型工业4.0的优势与劣势

各国皆大力发展工业4.0,以美国为例,传统美国制造业为追求利润压低成本,长期将制造厂外移因此国内少了许多就业机会,二零零八爆发金融海啸凸显虚拟经济与实体经济脱节的严重性,今年美国政府大力推动制造业回流,奖励企业在国内设厂增加就业机会、改善经济状况调整产业结构提高制造业比例,政策鼓励加上待开发国家人力成本上涨,近年的确有相当多的企业制造回流,也堆动产业创新。
具体的政策如,前总统欧巴马于二零一一年宣布的先进制造伙伴计划,包含:增强企业在地制造能力、缩短开发到应用的时间、开发智慧机器人、研发创新材料降低能源消耗。以上政策发展方向为美国工业4.0奠下基础,建立符合环保趋势与高效率的制造系统。而在人才培育部分,政府鼓励各地发展在地化生产创新,与相关学术单位共同合作,培养出产业所需之人才与技术。
大陆数十年的爆炸式发展将人口红利发挥的很好,已具备完整的工业制造系统,然而过去以代工为主的商业模式,处于中后段的产业链流程,利润与技术较低,市场很容易被其他崛起的新兴国家取代,加上资源消耗巨大与污染问题必须发展工业4.0力求转型、突破困境。
因此推动中国制造二零二五计划,目标在未来十年间掌握智慧制造的关键技术、结合网络与智慧制造系统,推动产业数字化。大陆有许多工厂还停留在工业2.0阶段,政府便会协助其利用网络连结整合机械与资源,提升服务体验朝工业4.0前进。例如生产农业机械的雷沃重工,藉由远端监控系统可以实时掌握产品制造运作的状态与质量,预防问题产生,消费者也能拿到质量更好的产品,提升消费体验并缩减维修与售后服务成本。大陆在高科技产业人才丰富,是唯一拥有所有工业类别人才的国家,也是全球最大的需求市场,具有大量生产的能力,成为发展工业4.0的优势。
台湾在工业4.0的发展上起步较晚,大型企业正在急起直追,中小型企业则还在摸索中,如何联合民间力量协助企业发展工业4.0制造模式十分重要。例如建立产、关、学沟通桥梁针对工业4.0讨论出概念定义与转型做法,让业界有标准依循。目前设立工业4.0推动办公室加强策略研究与企业辅导等作业,企业也须配合改造思维,承担一定程度的改变风险。
台湾制造业面临市场型态改变,及资源有限与高龄化及少子化等内在问题,生产力4.0计划以中小企业为主要对象锁定智慧制造、智慧服务与智慧农业等三大应用,大量使用机器人生产加入工业4.0概念及物联网技术,提升自动化生产流程,并结合云端运算,将信息实时分析处理。除生产流程优化也联合宏碁、联发科、研华等三十多家厂商签署合作备忘录,共同成立物联网产业发展中心,聚焦于制造、医疗、居家、智慧零售及公共服务等五大产业。包括制造业、服务业、科技业等产业,将物联网技术导入后企业可对搜集到的庞大的信息,进行大数据分析,优化制造与服务流程,提升消费者体验进而拉抬竞争力。
生产力4.0计划十年为一期,整合岛内代工制造、精实管理与智慧机械及资通讯优势,运用物联网、智慧机器人及大数据分析等技术,使产业迈入工业4.0。目标是十年内可让一个人领两份薪水、完成三份工作。二零一六年将生产力4.0发展方案聚焦纳入智慧机械、亚洲硅谷及新农业等计划推动工业4.0,希望透过推动生产自动化、智慧化,减缓因少子化而导致劳动人口结构减少的隐忧、大幅提高生产力、创造产业成长动能,作为未来航天、精密机械、医疗及医材等专业领域的发展基础。

工业4.0人才培育该怎么做?

人才是产业发展的基石,面对工业4.0趋势企业思考人才需求,因应工业4.0浪潮业界需要的以不仅是机械操作者,而是需要控制者和管理者,强化智慧设计、数据分析、虚实整合等跨领域能力。多年以来相关部门皆投入相当的资源举办职训,协助半导体、数位内容、信息服务、 机械、纺织、食品等产业,培育专业人才。然而工业4.0需要更多跨界人才,相关部会结合正规教育体系与产业机构,研拟工业4.0发展计划与产学合作的机制,虽然可解决学生毕业即失业的困境,但是对于工业4.0所需之跨界、多元能力人才、实质提升产业价值,并无太大助益。工业4.0人才培育有几大大挑战,包含产业知识需跨领域整合应用,人才技能培育需更加多元。产学供需必须切合实际发展需要。大数据应用较为薄弱,企业虽有数据,但不知如何实际应用于转型发展。
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