網宇實體系統與製造應用

網宇實體系統(Cyber-Physical System, CPS)這個專有名詞最早在2006年由Helen Gill提出，與Cybernetics同樣源於希臘字Kybernetes(控制、導引、舵手之意)。CPS是一個結合真實系統、資料數據與運算模型的整合系統，真實系統透過感測器、控制器或其他訊號介面向虛擬系統提供資料並儲存在資料庫中，運算模型透過感測數據以及資料庫中的歷史資料，描述真實系統的行為模式。真實系統與運算模型在運行期間，透過上述機制不斷互相影響並更新系統參數。CPS雖然是一個存在已久的概念，在精密機械、金屬製造、橡塑膠、複合材料及非傳統加工製造領域也有許多對應的研發成果、產品、服務，但至今仍然是一個非常重要的議題，值得各領域的專家持續投入研發。原因在於現今的製造業、設備業面臨更嚴苛的品質、交期、成本限制條件，因此需要在設計、製造、維護等階段更深入了解設備、製程相關的各種物理現象，才能開發出更精準、更貼近真實系統運作行為的數位模型並與其互動。

 

 市場切入點

 

 

在全球消費需求改變的趨勢下，製造業普遍面臨生產少量多樣、交期短等需求，現有的製造技術與生產管理技術已無法因應。而在全球地緣政治板塊變動與區域大國競爭的格局下，貿易戰、技術戰勢必對傳統的產業聚落、供應鏈運作模式形成挑戰，而自2019年底發生的武漢肺炎疫情延續至今，已澈底改變產業建構供應鏈、生產基地與工程活動的思維。先進製造技術與生產管理、供應鏈重構等議題，需要跳脫單點突破思維，以CPS的思維模式進行系統性、全流程創新，這些正是目前國內中小企業所欠缺而各法人及學研單位積極投入研發的主軸。

 

 

CPS是一個結合電腦運算領域以及感測器和自動器裝置的整合控制系統，借用技術手段實現人在控制時間、空間等方面的延伸，系統的本質就是人、機、物的融合計算，這個概念類似於機器人網路和無線感測網路。據推測，接下來數年科學和工程的進步，促進計算和物理實體單元更緊密的互相結合，而使得CPS的適應性、自動化、效率、功能、可靠性、安全性和可用性大幅提升，美國國家科學基金會(National Science Foundation, NSF)已經將CPS列入重點科研領域。

 

CPS實質上是一種多維度的智能技術體系，以巨量資料、網絡與海量計算為依託，將計算、通信、控制有機融合與深度協作，做到涉及對象機理、環境、群體之網絡空間與實體空間的深度融合。CPS能夠從實體空間、環境、活動巨量資料的採集、存儲、建模、分析、挖掘、評估、預測、優化、協同，並與對象的設計、測試和運行性能表徵相結合，使網絡空間與實體空間深度融合、實時交互、互相耦合、互相更新的網絡空間(包括：機理空間、環境空間與群體空間的結合)。進而，通過自感知、自記憶、自認知、自決策、自重構和智能支持促進工業資產的全面智能化。 廣泛而全面的設備聯網、數據串接是實現CPS必要的基本條件，國內機械產業、製造業自從政府開始大力推動機聯網計畫以來，已經有非常多中小企業跨出數位轉型的第一步，將產線數據透過連網方式收集到機邊電腦、產線資料伺服器或雲端運算平台，實現數位化生產管理。然而機聯網、數位化生產管理只是以更即時、精準的數據提升現有管理系統的效率，並沒有根本改變製程技術以及生產管理。面對更小的批量、更短的交期、更高的品質要求，我們需要對各種製程物理現象、材料性質有更深入的了解，並且結合解析模型與數據驅動模型，建立更精準的運算模型，甚至以AI方法建立可隨著系統運作與數據累積不斷精進的運算模型，例如：切削力學模型、金屬材料塑性變形模型、塑膠射出模流分析模型、複合材料機械性質模型、刀具壽命模型等，這些運算模型都不是以單一學理背景、單一研發單位可以完成，而是需要建立資通訊、數據分析、領域知識等專業人才的跨領域團隊才可完成。

 

 

網宇實體技術可應用於將現有製造系統升級，設備業者可自行組建此類系統服務團隊，協助客戶針對設備、產線建立製程診斷優化、設備預兆診斷、誤差補償等運算模型，以加值服務方式提供給客戶，或者由外部系統整合業者提供整廠整線CPS服務，進行產線數位轉型或新建智慧產線。

 

 技術特性

 

國內各法人研發單位為協助解決產業痛點，針對上述技術需求已布局多年，2020~ 2021年規劃研發主題包含：1.廠區數據採集與生產管理：多設備數據採集與同步化與備援、製程品質缺陷分析；2.金屬加工：難削材切削製程模擬、刀具磨耗及加工品質估測、高值金屬成形設備；3.複合材料加工：自動疊貼製程及關鍵模組、超音波輔助切削主軸、雷射輔助加工製程及關鍵模組、2D雙向複合材料切削力學模型、複材熱壓成形技術；4.橡塑膠加工：氣體輔助成型技術、精密模流分析技術。

 

 產業帶動性與應用效益

 

如前所述，國內中小企業已在政府多項政策推動方案中跨出數位轉型的第一步，部分企業更開始從數據採集、可視化，邁向讓數據發揮價值的階段，例如：供應鏈管理、生產排程優化，設備健康管理、製程優化等技術研發及產品開發計畫蓬勃發展。生產管理從原有的只靠經驗管理提升到數位化管理及改善，製程規劃、產品開發也從經驗設計提升到科學化分析，證明產業界已認同網宇實體技術所帶來的價值，確實投入資源且發生質量改變的進步。

 

在質化效益方面，設備業或系統服務業可利用更準確、全面的設備、製程數位模型，提供全廠製程、流程、管理優化服務，使加工業者在面對短交期、高品質少量多樣訂單時更具備競爭力。在面對全球供應鏈重組與快速重建產線的挑戰方面，大量導入網宇實體技術建置產線可有效縮短建廠時間。

 

在量化效益方面，全廠數據採集與產線數據可視化後，生產管理系統可獲得更準確、即時的產線數據，提高設備產能利用率20~30%。當數據採集體系日趨完善，可從產線穩定累積大量數據後，可用於建立製程診斷、品質估測等CPS系統，進一步提升產品良率10~20%，降低無預警刀具、模具損壞衍生的物料報廢成本20%。當產品設計、製程規劃、生產製造CPS系統發展完成，並以數據串聯後，產品開發、製程規劃時程將縮短20~30%。