軟硬兼施、虛實融合 迎接「智造」新時代

作者 : Judith Cheng、Susan Hong,EE Times Taiwan

如今隨著物聯網(IoT)與人工智慧(AI)等新興技術的崛起,以及德國提出的「工業4.0」願景,工業革命已經邁入第四個階段,其目標是推動傳統製造業的數位轉型…

從18世紀在英國發起的第一次工業革命開始,如何利用不斷創新改良的機器或持續演進的各種科技取代人工勞動力,以提升生產效率、擴大製造規模,成為人類一直在追求的目標;如今隨著物聯網(IoT)與人工智慧(AI)等新興技術的崛起,以及德國提出的「工業4.0」願景,工業革命已經邁入第四個階段,其目標是推動傳統製造業的數位轉型,打造導入IoT與AI技術的智慧化工廠,透過大數據的收集與分析,以及利用各種數位化技術構築的虛擬模型,讓現實世界的生產效率與良率更高,同時節省成本、提升安全性並激勵產品創新。

智慧製造的未來會是什麼模樣?在EE Times/EDN Taiwan出版商Aspencore舉辦的Tech Taipei系列研討會──「迎接智造台灣新時代」──上,透過來自系統、服務、零組件、軟體與硬體等不同領域的技術專家分享,從不同面向更充分了解「工業4.0」的真諦、相關解決方案的進展,以及產業界正面臨的機會與挑戰。

製造業數位轉型驅動創新

從自動駕駛車輛到智慧手錶,今日市場上各類電子系統越來越複雜,不但需要整合各種機電零件與軟體,還要求更高的連結性以及導入永續的概念,讓製造業在產品設計研發、生產線與供應鏈管理等方面都帶來了許多挑戰。西門子(Siemens)數位工業軟體大中華區副總裁暨台灣區總經理陳敏智表示,這些複雜產品的開發需要工程師的跨領域知識,像是進行散熱、跌落實驗等多物理模擬,以及不同團隊之間更多的協同合作;要讓難度日益升高的產品開發速度跟上需求,製造業者必須擺脫傳統方法,進行數位轉型。

「在製造業數位轉型的過程中,以往界線分明的IT與OT會越來越密不可分;」陳敏智解釋,IT就是包括像是企業資源規劃(ERP)、供應鏈管理等,而OT就是生產設備的管理,像是工業控制系統/資料採集與監控系統(ICS/SCADA)。「在產品製造過程中,SCADA會收集很多的資料,而是否能把這些從不同機台收集到的資料去跟整體良率、或是跟針對哪一家客戶、那一種物料生產出來的結果作一些分析比對,就是IT與OT的融合;」這些資料與分析結果慢慢累積成為有用的資訊,甚至以人工智慧(AI)的方式來指導生產,就能夠實現智慧製造,這不僅能讓業者達到在營收與利潤方面的提升,也能降低打造產品實體原型的成本。

陳敏智指出,為協助製造業廠商順利完成數位轉型,西門子提供的解決方案包括三大主軸:一是全面性的數位孿生(Digital Twins)技術,二是針對不同應用與環境打造的客製化的可適應、現代化方案,三是一個具彈性的開放性生態系統。「我們在十年前就訂定了目標,要將虛擬與現實環境融合,如此在產品從設計、生產到應用的整個生命週期中,每一個步驟在實際執行之前都可以在虛擬的環境中進行規劃與驗證;」由數位孿生技術構築的虛擬環境與現實世界形成一個閉迴路(closed loop),持續將來自現實世界的資料回饋至虛擬環境中的模型進行比對分析與測試,以橫跨整個價值鏈的明智決策與技術創新。

 

西門子致力融合虛擬與現實環境,支援製造業者的數位轉型。

(來源:西門子)

 

「數位化的旅程並非一蹴可幾,依據企業的經驗與投資規模,可能需要三到五年的時間;」陳敏智表示,西門子近期推出的Xcelerator平台,就是期望藉由結合數位孿生與雲端技術,軟體即務以及與應用程式開發平台的全套解決方案,加速、簡化製造業者的數位轉型過程,實現真正的智慧製造。而西門子已經協助包括電動車廠、登山自行車廠、半導體晶片設計業者、疫苗開發業者、設備製造商等客戶,成功提升生產力與品質、降低產品開發成本,甚至達成節能減碳的目標。

西門子數位工業軟體大中華區高科技產業暨台灣區技術總監陳松盈補充指出,未來企業的競爭優勢將仰賴是否能夠成功數位轉型,而要實現全面性的數位轉型,需要從技術、人與流程(process)三個方面考量:「一是要好好利用並正視過去僅作為支援的IT與OT技術,二是人員思維的轉變,第三是檢視有哪些流程是可以利用最新的IT/OT技術來進行數位化改造;」同時他也建議在數位化過程中,可以從三個方向來訂定轉型策略──首先是設定基準目標、了解目前現實狀況的最大差距,並規劃要花多久的時間來達成目標;其次是平衡數位轉型的投資成本與回報,最後就是要尋找一位能共同成長的正確合作夥伴,避免為省錢而採取「頭痛醫頭、腳痛醫腳」的作法,不但可能失去競爭先機,還得投入額外成本與時間來補救。

 

 

陳松盈表示,西門子深刻了解工業軟體是企業取得競爭優勢的關鍵,在近年來持續透過收購等模式投資工業軟體領域,迄今投資金額已超過100億歐元,並在全球部署了1萬2,700位軟體工程師,致力於開發、完善能協助客戶融合虛擬與現實世界的數位轉型解決方案;而除了支援具彈性的授權、安裝與購買模式,西門子認為雲端化是工業軟體的未來發展趨勢,能支援客戶不受時間與空間限制的異地協作、按需求使用,也能共享資料、降低成本。Xcelerator平台也是基於這樣的概念開發,支援電子和機械設

計、系統模擬、製造、營運和生命週期分析,也支援低代碼的快速APP開發平台,能輕鬆構建、整合和擴展現有數據和系統,讓客戶打破傳統各自獨立的工程學科(如電子、機械或軟硬體)領域界線,快速、可預見地迎向未來。

結合AI智慧製造實現永續未來

製造業的數位轉型與智慧化,不只與生產力的提升、成本與風險的降低密切相關,更會是讓業者達成ESG永續目標、實現淨零碳排、對抗氣候變遷的關鍵助力。誕生於2020年、立志讓「使用AI像用水用電一樣自然」的台灣新創公司詠鋐智能(Chimes AI),就著重於透過結合AI的智慧製造解決方案為企業創造ESG價值;該公司執行長謝宗震表示,這包括在製造現場透過AI技術以軟實力建立數位孿生模型或生產製程的模擬,以支援節能減碳設計與流程最佳化,也能利用AI降低工安風險、預測供應鏈變化及幫助進行決策。

謝宗震舉例指出,Chimes AI先前曾利用開放性的全台灣土壤生產力調查報告資料進行分析,歸納出緊鄰工廠的農地受重金屬汙染的機率較高,而透過AI預測在早期協助製造業者以更精準的方法改善廢水處理效率,不但能大幅減少因土壤汙染造成的農作物損失,也能協助製造業者符合環保的標準。Chimes AI也曾利用AI資料分析──包括不同機台設定以及不同區域工廠的溫溼度差異等資訊──協助紡織染整工廠最佳化其染料組合,以達到良率的提升,降低因染色失敗需要重來產生的原料、時間成本。此外還有利用AI預測生產線非計劃停機可能造成的財物損失、人員安全風險或是環境污染,以及工廠能源需求評估等等。

 

Chimes AI以易用工具將AI專案開發由數月縮短至數日,以擴大應用規模、助力永續的推動。

(來源:Chimes AI)

 

謝宗震強調,對大多數的企業來說,利用AI解決方案實現智慧製造、分析大數據以產生洞察或是預測資訊等等工作,最大的痛點在於缺乏具備AI專業的人才,還有往往得花數月的時間收集相關數據、建立模型,以及需要跨領域專家的協作,使得AI的「落地」信任感不佳,也很難擴大應用規模;而Chimes AI致力於提供無程式碼的AI模型建立與IoT/ERP數據管理平台,打破傳統AI開發流程,不僅不需要擁有AI技能的人員就能操作、也能將開發時間縮短至數日,如此將能擴大應用規模,讓效率更高、更具綠色環保概念的智慧製造「遍地開花」。以實現永續為目標,Chimes AI期望能有更多企業利用該公司的平台快速導入AI,「因為我們只有一個地球!」

賦予未來工廠邊緣智慧 MCU/MPU扮要角

要打造智慧工廠、實現工業4.0願景,微控制器(MCU)無疑扮演了關鍵角色,特別是在包括感測器的端點(Endpoint)裝置與負責連結雲端的閘道器(Gateway)等邊緣設備的應用上,如何能因應在連結性、安全性方面越來越多的要求,成為主要課題。意法半導體(STMicroelectronics,ST)技術行銷經理王柏雄表示,邊緣端的系統因為性能與記憶體容量有限,必須執行更精確的分工,以確保橫跨各個處理單元的智慧運算資源被正確分配;例如在必須針對感測器產生的數據先進行微觀層次分析的端點裝置,可能會先進行初級的檢測或資料分類,產生的資訊再傳送至閘道器進行中觀層次的決策,這時AI神經網路運算可在分析異質資料時充分發揮作用,若需要更大的運算力進行最終的宏觀決策,才將資料送至雲端。ST具備廣泛選擇的ST32系列微控制器與ST32 Cube開發套件,就能支援此類應用需求。

 

執行更精確的分工,以確保各處理器單元的運算資源被合理分配。

(來源:ST)

 

王柏雄舉例指出,針對工業物聯網端點裝置應用,訴求超低功耗、高安全性的STM32U5正能滿足需求;此外,採用Cortex-M4核心的STM32G4,則能在數位電源與馬達控制方面發揮長處。而在閘道器的應用上,整合了Cortex-M7及Cortex-M4雙核心的STM32H7,以及整合兩顆Cortex-A7核心、1顆Cortex-M4核心的更高階STM32MP1系列MPU,能在人機介面以及圖形語音辨識等AI神經網路應用,以及電腦視覺方面提供支援。搭配ST的AI生態系統STM32Cube擴充套件STM32Cube.AI,還有NanoEdge AI Studio自動化機器學習工具,能為客戶打造先進、安全的智慧製造環境。

低功耗藍牙實現多樣化應用

除了微控制器/微處理器,無線連結技術在智慧製造、工業物聯網等應用上的重要性同樣顯著,具備各種優勢的低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy,BLE)是其中之一。德州儀器(TI)資深應用工程師郭錦誠表示,在2010年與藍牙4.0規格一起誕生的低功耗藍牙,雖與經典藍牙同樣使用2.4GHz頻率,但在調變模式、通道與跳頻機制等方面都有所不同,並採用為低功耗設計的同步協定(Synchronous Protocol),而目標市場就是低功耗、低延遲與低傳輸量的應用。

 

從成本、功能和品質來最佳化硬體。

(來源:TI)

 

低功耗藍牙主機(通常是手機)與周邊裝置的連線,是透過後者發送廣播訊號、前者進行掃描配對而建立;在連線之後,主機與周邊會定期進行連線事件以交換資料/確認彼此的存在,其餘時間都維持睡眠狀態,因此能維持相當低的耗電。低功耗藍牙支援四種拓撲──點對點、一對多(星狀)、信標(beacon)與網狀網路(Mesh);最新的Mesh模式主要應用在連網照明。郭錦誠指出,TI自2010年已經推出四代的低功耗藍牙晶片,最新的CC2340x除了訴求在硬體上的成本、功能與品質最佳化,也提供易用軟體工具以加速產品開發;在工業相關領域可支援如貨架電子紙標籤的自動化更新、智慧電表讀取、個人化醫療裝置(血糖/體溫監測)等應用。

融合OT與IT防護阻絕威脅

因應生產場域或所謂OT關鍵基礎設施中發生的資安攻擊事件逐漸頻繁且日益嚴重,業界資安設備或方案業者提供各種不同見解與解決方案,將資安概念以及防範手法套用在關鍵的OT/生產場域。

然而,傳統IT網路環境並不同於OT網路場域。Fortinet台灣區OT資安技術顧問徐嘉鴻指出,二者的最大差異在於OT/生產網路對於「可用性」(availability)的要求重於一切,必須以穩定、持續運作為優先,而這也是為OT場域提供安全解決方案的入門門檻。

為了更有效地控制OT場域或企業的基礎資訊安全,徐嘉鴻指出首先必須透過防火牆隔離OT網路和IT或辦公室網路(OA),以利於控管、加密與身份認證。其次,在符合IEC規範與認證的基礎上,還必須搭配一個易於管理各種不同事件的平台,進行關聯與分析,才能確保OT/IT環境的安全。特別是當環境中有多樣化的資安解決方案或不相容的系統,可能支援不同程度的可信度以及各種類型的加密保護與身分認證,成為OT場域部署與規劃安全方案的挑戰。

為此,Fortinet推出去中心化的安全解決方案——安全織網(Security Fabric),讓針對特定場域及其特性的多樣化解決方案得以互連、共享情資以及解決威脅之道,「其概念如同在一張網上的點對點通訊與資訊分享。」徐嘉鴻介紹, 在Security Fabric上的不同解決方案或每個角色都能獨立運作、接收來自不同角色或方案的情資,實現共享、連動或自動化設定。

在部署Security Fabric時,只需依序進行網路分割、微分割(隔離與限制受損區域)、網頁服務安全、安全遠端存取、資安威脅防護、應用程式/事件控管等一層一層進行,並可因應客戶的需求繞開特定系統,協助規劃既均衡又安全的OT/IT保護方案。

 

整合OT與IT的安全使用情境。

(來源:Fortinet)

 

工業級散熱方案擺脫智慧製造的熱問題

隨著電子零件的尺寸持續縮小,為了支援更多功能,所需處理的能量密度相對提升,具體表現在外就是更多的熱產生。尤其是因應工業4.0導入雲端、IoT、大數據管理、智慧裝置等技術進行智慧製造,對於伺服器、網通、綠能、農業、電動車與醫療等各產業應用帶來了熱議題。

高柏科技(T-Global)專案及FAD專案經理朱怡靜以幾種主要的產業應用為例,說明散熱機制在工業4.0時代的重要性及其作法。例如在機房中24小時運作的伺服器,當熱累積到一定程度或超過其工作負載時可能會當機。其熱處理方式是在晶片上貼散熱片,將熱傳到外殼後由空氣散發出去。當今的5G手機既要求網速與處理能力,還得維持高續航力,使得晶片處理功率高達10W (峰值甚至達15W),加上手機的機構和鏡頭顆數越來越多,用於散熱的空間更少,必須使用熱管或均溫板進行熱處理。

電動車則可能面對機組過熱的問題。針對電池模組可以使用導熱膠泥或封膠填縫於電池之間,將產生的廢熱傳導到電池模組外殼進行熱交換,同時維持良好的電池溫控。至於車用面板(OLED或Mini LED)則使用不同軟硬度的導熱矽膠導熱至金屬散熱器,保護LED晶粒不受高溫影響造成短路或故障光衰。而無論是太陽能、風力或水力發電等綠能都由於無法持續產出,必須以電池進行儲能,因此同樣採用電池填充法,並在機櫃外使用空調系統強制散熱。

朱怡靜並強調,「所有散熱都必須從導熱開始。要將熱帶走一定要從發熱源開始就有良好的傳導功能。」為了順利地將熱傳導至特定區域後再透過元件散熱,一般採用由導熱和散熱組成的散熱模組。高柏科技提供整合的散熱模組,並為客戶應用進行各種熱傳導係數/熱阻等測試,確保符合工業級散熱需求。

 

工業4.0時代可能遇到熱議題的智慧製造相關產業與應用。

(來源:T-Global)

自動化AI平台落實「智」造轉型

從系統中的基礎感測器到先進的智慧生態系統,基於資料的各種產業應用正重新自行定義並變得更智慧化。智慧工廠或企業連網融合能源、物流、平台、特定產品和售後零件等眾多資料來源,這一切都與智慧化、連網化和自動化有關——關鍵就在於資訊和平台的思維。

台灣戴爾科技(Dell)集團技術副總經理梁匯華指出,探討智慧製造議題不可或缺的兩件事,其一是在導入過程中產生龐大的資料,並對自動化或智慧製造帶來影響。為了實現智慧製造或智慧工廠,必須更深入瞭解與掌握整個資料平台,尤其是當整個生態鏈串連後,更顯著影響工廠之間或是企業之間的完整供應鏈及其透明度。其次,為了讓資料更透明以及善用平台即時串接,AI在此發揮作用。

因此,為了實現「智」造轉型,首先必須以基於大數據的平台做後盾,其次是打造成為自動化或更有彈性的平台,協助客戶從元素端到資料事件進行整合,並根據其需求導入應用系統,建立穩定的基礎設施。最後,還必須導入AI,透過AI從生產參數檢視良率與產能等分析,協助提升客戶體驗、加速創新與自動化調控,才能創造成本優勢與差異化,為企業挹注競爭力。

然而,企業在利用AI時還面對著複雜度、龐大資料量以及AI與機器學習(ML)專業等方面的挑戰,為此,Dell聯手Infinities提供協助讓AI加速落地的AI Stack解決方案。據Infinities數位無限軟體營運長吳宣儀介紹,AI Stack提供有助於GPU更有效管理並加速資源部署的開發工具,讓AI開發人員與IT管理者能在此平台協作,加速專案開發以及有效分配資源。

除了資料、AI、平台與應用,梁匯華並強調安全的重要性。「如果資安防護不足,無法百分之百保證不會被攻破,更重要的是必須要保留最後的命脈。」

 

Dell聯手Infinities AI Stack協助AI加速落地。

(來源:Dell、Infinities)

 

無代碼數據分析平台加速數位轉型

「數據驅動」(data-driven)正成為智慧製造的核心議題。然而,目前大多數企業中的不同部門各自以方便檢視的形式管理資料,造成「數據孤島」(data silos);這不僅導致各部門之間協調困難,而且經常重複繁瑣流程。為了讓龐大的資料形成一個類似「數據中台」的概念且有效串連,美商訊能集思智能科技(Synergies Intelligent Systems)介紹無代碼(No Code)增強分析平台,期望讓傳統的工業在短時間之內轉型升級至下一代工業。

為了真正大規模提升營運效率,Synergies推出數據分析驅動的全新營運管理模式——JarviX,導入AI與最佳實作(best practice)模板,包含精管、AI排程、庫存/良率優化、庫存/動態自動報價以及預測性維護等,還可以轉化成數位轉型的策略藍圖,協助企業找到核心應用的切入點。

據Synergies執行長張宗堯介紹,這套完整的資料分析平台使用對話框,並堆疊一系列分析、趨勢預測、異數洞察、異常偵測、關聯分析、差異分析等超過數十種演算模型,因此能根據不同的產業背景推薦關聯問題,迅速找出隱藏分析,協助產業進行決策。

張宗堯說,「JarviX結合了《鋼鐵人》(Iron Man)電影中最聰明的AI和最聰明的人(X教授),期望讓未來的工業擁有超強的大腦,展現人機的最佳結合。」因此,該平台特點在於搭載AI、自然語言處理、大數據分析與深度學習等技術,並重新定義數據分析的運作,讓各層級人員只需打幾個字或用口說的方式,就能分析資料導出報表,得到比以往更快速、更全面的決策依據。

此外,Synergies還推出AI分析精進迴圈方法論,擺脫過去以人為治理,或AI仰賴專家/數據科學家的低效現狀,從而為未來智慧工廠打造一個自適應、自學習長期迴圈。

 

JarviX平台使用自然語言處理以及可標準規模化的分析方法論,解決AI分析無標準作法的問題。

(來源:Synergies)

 

3D體驗平台協同共進智慧製造時代

隨著產品的功能更複雜、法規和品質要求日益嚴苛解決,加上越來越多樣化的軟硬體和機電整合,使得從原本的製造往前推到設計之路更具挑戰,「電子」(electronics)系統也逐漸在數位轉型過程中扮演各產業轉型的核心。

從汽車產業的角度來看,達梭系統(Dassault Systemes)台灣資深技術顧問林漢鑌指出,預計到2030年,電子系統將佔汽車整體價格的50%。因此,電子產業如今在做IC或PCB設計時,更重要的是如何設計電子系統使其與電動車實現更好的互動,而這還涉及機構、系統、設計與分析工具、可持續性與合規性等面向。

此外,在數位轉型過程中,除了製造流程的數位化、自動化,智慧管理與維運帶來的「彈性製造」以及產品的良率、品質與服務的優化更是競爭力的關鍵。透過數位協同平台,以3D模型的方式串連不同部門與資訊,建立以資料驅動的AI模式進行預測與模擬,可望協助製造業加速數位轉型。

為此,達梭系統推出數位連接、資料驅動、基於模型以及模擬現實的「3D體驗平台」核心技術——3D EXPERIENCE,能夠協助建構彈性化、自動化的調度能力,讓各部門協同運作並串連整個製造核心的數位化,以因應智慧製造時代的需求。

林漢鑌介紹,3D EXPERIENCE是協同的3D虛實整合平台,能根據各產業的不同應用需求進行專案的設計、模擬、溝通與協同合作,持續推進數位化轉型與數位孿生技術,從而降低成本、增進營運效益、提高良率與生產力。例如,透過此平台協助汽車電子產業從數位化的研發、製程到製造過程,提供單一資料來源且基於模型的跨領域/學科方案,即時線上協同並打通端對端,執行自動化與數位連續、智慧化設計與分析,實現高品質的生產製造與創新服務。

 

智慧製造時代的解決方案——「3D體驗平台」的核心技術:數位連接、基於模型、資料驅動,其目的在於模擬現實。

(來源:Dassault Systemes)

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年12月號

 

 

 

 

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