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工業4.0:生產力演進之過去現在與未來

摘要"

工業4.0源自於德國政府在 2010年提出的高科技策略計劃,其目的是希望藉由促進製造業更深度的電腦化,來提升製造業的競爭力。“工業4.0”一詞於2011年在漢諾威工業博覽會上被提出,並且很快在各行各業掀起了一波革命浪潮。許多組織希望通過引入一些工業4.0相關的技術來提升競爭力,例如物聯網(IoT)、雲計算、大數據、虛擬實境、人工智能、機器人和3D打印。但是人們有時並不清楚這些技術與工業4.0最終想要達成的目標有何關聯性。工業4.0的概念,常常對於很多人來說都不是那麼的清晰。無論如何,實行和採用一個新的技術,應該是要著重於如何提高組織的競爭力,而不僅僅是追求一種時尚或潮流。接下來的篇幅會先從歷史的觀點,來說明工業4.0的概念和成因,並且闡明不同技術在工業4.0中扮演的角色及其與工業4.0的關係。為了能夠更全面的了解智慧工廠的應用和好處,實踐一個智慧工廠的步驟及不同階段的需求,也會有詳細的分析和說明。

關鍵詞:工業4.0、智能製造、智慧工廠、工業革命、網實融合生產系統

工業革命

回顧人類過去的歷史,我們可以發現生產力的提升,並非是每天穩定漸進的在發生,而幾乎都是透過一種突發式、革命性的手段來達成的。到目前為止,人類總共經歷了四次的工業革命,而革命的目的不外乎是藉由改善生產的效率或彈性來提高生產力。如果我們仔細觀察一下工業革命發生的原因,就會發現歷次的革命都是被新的發明所驅動,而這些新的發明又可以被概括的分為工具和方法兩大類。按照我們一般的理解,工具也可以稱作為硬體,指的是看得到摸得到的東西。而方法又可稱之為軟體,通常指的是一種思維方法或
程序。
第一次工業革命起源於英國,大約是發生在1760到1840年之間,驅動第一次工業革命的主要發明是紡織機和蒸氣機。在第一次工業革命之前,生產和製造的活動主要是透過水力風力還有動物來完成的。而在第一次工業革命發生後,人類學會了用機器來從事生產和製造相關的工作。
第二次工業革命(也被稱為技術革命)起源於英國、德國和美國,大約是發生在1870到1914年(第一次世界大戰開始)之間。第二次工業革命主要是由新的生產觀念和方法所驅動,而電力的發明和使用,也在當中扮演了相當重要的角色。在第二次工業革命之前,生產工藝主要是仰賴師徒制的傳承,每個師傅除了要能熟悉所有需要使用到的工具,還要精通每個生產的環節。在亞當史密斯(Adam Smith)和泰勒(Taylor)提出了專業分工(Division of Labor)的概念後,人們開始思考如何能更有效率的使用這些用電
力來驅動的機器提高生產力,於是流水線和組裝線等新的生產模式應運而生。亨利福特(Henry Ford)於1903年成立的福特汽車,就是一個經典的案例。
第三次工業革命(也被稱之為數位革命),大約是發生在1970年代初期到90年代末期。一般普遍認為驅動第三次工業革命的主要發明是電腦和自動化,但是不論電腦還是自動化,其實都跟半導體產業的興起息息相關,所以半導體的發明可以視為第三次工業革命的幕後推手。
機器人產業在第三次工業革命時得到蓬勃的發展,並被廣泛的運用到一些較為先進的製造業,特別是汽車工業。當時汽車工業中的沖壓、焊接和噴漆的生產流程,就已被高度的自動化,而現今世界上機器人四大家族(KUKA, ABB, YASKAWA and FANUC)的發展,也都和汽車工業有著密不可分的關係。此外,自動搬運系統在半導體產業和自動倉儲系統在物流業中,也扮演了相當重要的角色。值得注意的是,這些自動化系統大都在公元2000年以前就已經發展成型,並且被成熟的運用在其相關的產業,算是第三次工業革命的代表作。
配合著電腦的發明和使用,資料的儲存被數位化。相對於人腦,計算的速度被大幅的提升,而一些新的生產管理手法和糸統也應運而生。像是物料需求計劃(MRP),主生產計劃(MPS),製造執行系統(MES),先進計劃和排程(APS)和企業資源規劃(ERP)等,都是把資料數位化後,藉由電腦來更有效率的管理工廠,進而提高生產力(這也是為什麼第三次工業革命也被稱之為數位革命)。透過這些系統,一個工廠可以針對不同的客戶需求,生產少量多樣的產品,就算需要上萬種不同的備料,也可以透過這些系統有序的管理,這也使得像晶圓代工等產品種類非常多樣的製造業得以存在。但是基於成本的考量,這些軟體系統在不同的產業有著不同的應用和成熟度,雖然在高端的製造業這些系統的應用大多很成熟,但是在很多傳統產業,甚至時至今日也還沒有導入 MES 或 ERP。
此外,這些系統受限於當時資料收集能力和電腦的計算能力,所做的決策大都是根據歷史資料而非即時的資料。但是由於需求的變化,未來的情況往往跟歷史資料有相當程度的落差。舉例來說,當實際的生產周期時間(因為需求的變化)和歷史數據不一致時,就會造成短期系統產能的不足或浪費。而如果結果是導致?能不足時,這落差往往是靠人的彈性(例如加班或是增派臨時工)、產能外包,或著是預先建立安全庫存來加以彌補。這個問題在工業4.0的概念提出之前,並沒有有效的解決方案,主要的方法是承認資料的不確定性,之後用經驗或者是數學模型來找出最佳的安全庫存量。但是即使是最佳的庫存量也是庫存,還是會減少資金的流動性,在一個有效率而且資訊完全透明的系統中,生產和需求的對接,是可以不需要安全庫存來做緩衝的。
隨著網際網路的發明和電腦運算速度的不斷提升,第四次工業革命應運而生。第四次工業革命,也稱之為工業4.0,其目的是要把現行的工廠改造成一個兼具效率和彈性的智慧工廠。而其手法是要藉由即時的資料收集能力和電腦快速的運算能力,來更有效率和聰明的使用資料,做出更好的決策。值得一提的是,在一個智慧工廠中被取代的不僅僅是人類的勞動力,更重要的是過去依賴人類所做的決策,也將由電腦更有效率的來進行。這個強大的決策系統,被稱之為 Cyber-Physical System(CPS)或是網實融合系統,它也是整個智慧工廠的核心。但是要澄清的是,雖然決策是由電腦來做,做決策所依靠的算法,卻還是由人來設計、更新和維護。所以工業4.0並不是要完全的取代人類在生產製造中的角色,相反的,工業4.0是以人為本,要讓人在生產製造的過程中,扮演著更關鍵且有價值的角色。
有人說一個智慧工廠的實踐包含四個步驟: 自動化、信息化、互聯化和智能化。但嚴格來說,自動化和信息化應該屬於第三次工業革命的範疇,互聯化和智能化才真正的進入了工業4.0的時代。這也點出了一個常見的問題,第三和第四次工業革命的分界,似乎並不很明確,人們常常不加思索的把機器人、數位化或是MES 等,歸於第四次工業革命。而要了解造成混淆的原因,我們必須要回顧一下整個工業革命的進程。
驅動第一次工業革命的主要發明是工具(紡織機和蒸氣機),而驅動第二次工業革命的流水線和組裝線是生產的方法。驅動第三次工業革命的發明又變成了工具(電腦和自動化),但是也伴隨了一些配合電腦運作的軟體和方法。第四次工業革命是在運算和資料收集能力提升後,透過算法來做出更好的決策,所以主體又回到了方法,但是也伴隨著一些新工具的發明(4G/5G, 虛擬實境和3D打印等)。所以我們可以歸納出一個結論,驅動奇數的工業革命的發明以硬體為主體,而驅動偶數的工業革命的發明則偏向軟體和方法。一個工業革命的循環總是被新的工具(陽)所驅動,而緊接著發明出更好的方法(陰)來善用這些工具。所以第一和第二次工業革命為一個循環,第三和第四次工業革命為另一個新的循環,有如太極圖般,陰陽相生,循環不止。但這也是人們經常混淆第三和第四次工業革命的原因,因為第四次工業革命本來就是第三次工業革命的延伸。舉例來說,一個機器人如果做的是一些搬運和傳輸的工作,那就只能算是第三次工業革命的產物,但如果加上了視覺和聽覺(靠著快速的運算和資料收集能力),那就可以屬於工業4.0了。
除了上述硬軟體的循環外,我們還可以觀察到另一個趨勢: 軟體和硬體在每一個工業革命中所伴演的角色,越來越均衡。從第一和第二次工業革命清楚的分別被硬體和軟體所驅動,到第三次工業革命的硬體伴隨著軟體,和第四次工業革命的軟體伴隨著硬體(見圖1)。那第五次工業革命的驅動發明呢?我的預測是有著超強運算能力的量子電腦,加上使量子電腦能展現其優勢的算法(硬體加軟體)。

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