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產業技術評析

製造業數位分身發展現況與應用趨勢
發表日期:2021-12-08
作者:陳侑成(工研院)
摘要:
數位分身(Digital Twin)最早在2002年由美國佛羅里達理工學院教授 Michael Grieves首先提出的概念,這項技術於2010年被美國NASA列入未來展望報告中,協助團隊更有效率打造相關設備。

全文:

一、數位分身發展現況
 

(一)技術演進-從單機應用進化為企業營運應用

數位分身(Digital Twin)最早在2002年由美國佛羅里達理工學院教授Michael Grieves首先提出的概念,這項技術於2010年被美國 NASA 列入未來展望報告中,協助團隊更有效率打造相關設備。近年來再度受到重視與擴大應用範圍主要原因包含AI及IoT技術的進步、製造端追求效率最大/成本最小、彈性的供應/客戶溝通、產線隨時變更需求以及整體製造產業逐步投入與滿足數位化、自動化的基礎建設,促使數位分身的導入更為容易。從過去依賴人工涉入的方式,從實體後端撈取資料後,透過程式模擬並整理多個感測器與記錄檔,進一步評估分析結果,再返回實體機台上進行調校;到現今利用裝設感測器在主要模組/系統,透過光纖甚至5G網路連結電腦、機台、AGV、AMR之間,並自動分析與模擬解決方案,再將操控指令透過驅動器進行生產模式的變更。目前數位分身大多用於產品設計與預測故障維修,進而減少耗材浪費、產品開發時間與意外停機時間;未來,除了產線的應用外,也可將數位分身技術導入企業營運層級,連結企業資源規劃系統(Enterprise Resource Planning, ERP)、製造執行系統(Manufacturing Execution System, MES)、採購/財務系統等,甚至考量員工的行為模式建置廠房動線配置或是進一步串聯上下游供應鏈系統,將數位分身從機台應用、產線應用擴增為營運應用。

(二)北美與亞太地區為發展的主要市場

數位分身的應用領域相當廣泛,從製造業到服務業、個人到組織、元件到系統、設計到維修,只要想的到之商業模式問題,皆可以透過數位分身提供預測與決策輔助。全球數位分身市場規模於2019 年達到 35.0億美元;2020年因遭遇COVID-19肺炎疫情,全球經濟表現與製造業產值大幅下滑,數位分身市場規模略縮為31.5億美元,預估2021年將重返正成長。國際智庫指出2020~2026年間數位分身市場規模年複合成長率(Compound annual growth rate, CAGR)為58%,並於2026年達到482.7億美元。而全球主要經濟體市場概況以北美為最大的數位分身市場,2019年市場規模為1.32億美元,占全球的38%,預估2020~2026年CAGR為56%;另外受惠於人口密度、經濟發展快速以及後疫時期企業對IoT及數位化需求提升,預估亞太地區2020~2026年數位分身市場規模CAGR為62%。
 

圖1 2019~2026年全球數位分身市場規模與未來預測

資料來源:MarketsandMarkets (2020/08)
圖1 2019~2026年全球數位分身市場規模與未來預測
 

圖2 主要經濟體數位分身市場規模與成長預估

資料來源:MarketsandMarkets (2020/08)
圖2 主要經濟體數位分身市場規模與成長預估
 

二、強化數位分身之各項新興技術
 

數位分身是集結各項資通訊與新興技術而成的應用科技,也是將智慧製造從實體面延伸至虛擬平台,從機台、產線、廠房、企業不斷擴散,提供人員各項模擬與決策輔助。為達上述功能,數位分身導入的企業需要建置完整工業4.0條件,包含設備的可視化、雲端/邊緣裝置、大數據、物聯網、AI、5G,甚至串聯AR/VR、AGV/AMR、機械手臂等協力裝置,都是發展數位分身的應用課題。

根據國際市場報告發布智慧製造相關技術的市場規模,IIoT暫居第一位,2020年市場規模為577億美元,第二名是機器視覺,常見的像是AOI自動光學檢查,檢測出各種產品的缺陷,或者結合機器手臂用於物體判斷,第三名是資安防護。到了2025年,第一名仍是IIoT,第二、第三名變為數位分身及AI應用,整個技術結構排名可以說是完全改變,透過IIoT、AI、數位分身三大主流技術,逐步完成工廠的機聯網、人聯網甚至是智慧聯網。
 

圖3 2020年智慧製造各項技術市場規模與成長預估

資料來源:MarketsandMarkets (2020/08)
圖3 2020年智慧製造各項技術市場規模與成長預估
 

三、國際主要廠商技術平台
 

數位分身技術平台供應廠商可分為三大類:1.產品製造商、2.軟體廠商、3.其他衍伸服務軟體廠商。近期越來越多廠商藉由合作、併購、異業結盟的方式,逐步涉略不同的技術平台,藉以擴展市占率與關鍵技術。產品製造廠商是將數位分身技術結合自家產品,以1+1(實+虛)的模式銷售給客戶。如GE、SIEMENS、MAZAK;軟體廠商則提供CAD/CAM、PLM(Product Life Management)等技術服務,透過與應用客戶密切的合作,共同開發客戶產品的數位分身,滿足客戶設計、開發、試產、調教等需求。如參數科技(PTC)、Dassault Systèmes、ANSYS;其他衍伸服務軟體廠商主要提供像是ERP、客戶關係管理(Customer Relationship Management, CRM)等數位軟體服務,在企業應用軟體架構下,進一步涵蓋數位分身技術領域,將原先以產線為應用端的模式轉為整體企業營運管理。如Oracle、SAP、IBM及Microsoft。上述企業依自家能量與技術背景建置出完整的數位分身供應鏈與服務模式,這些不同核心技術背景之廠商,彼此亦為競合之關係,開發不同產業之應用技術。
 

表1 主要廠商近期發展
廠商 近期發展
PTC 利用ThingWorx平台結合cero(CAD)、windchill(PLM)、Vuforia (AR)以及其他多個軟體系統實現即時數據同步,模擬從產品建構的最初概念到成千上萬的現場使用狀況,展現建構智能產品技術平台之決心。
ANSYS 與PTC合作,推出將ANSYS模擬技術快速部署到ThingWorx平臺中的連接器,憑藉機器學習與增強實境,PTC能顯示從物聯網收集到的重要信息並將數據連接到ANSYS軟體,實現快速的資料識別和分析診斷。
Dassault Systèmes 陸續收購Accelrys(化學、材料和生物科學之研究軟體)、RTT(高階3D可視化軟體、行銷解決方案和計算機圖像服務)及Archividéo(大型3D城市環境、運輸、景觀之自動化創建和管理)公司,將此平台未來做為所有不同行業領域的後端資料庫進行交叉應用。
SIEMENS 與數據分析廠商Presenso合作,提供數位分身AI和機器學習預測資產維護。另外也收購了系統監測技術供應商 UltraSoC,將技術導入自家Xcelerator產品組合,提供一整套製程解決方案,包括半導體設計和生產、功能安全、網路安全和該領域產品的功能優化。
GE 成立「GE Digital」,並宣布將Predix對非GE設備全面開放,也象徵從產品製造商橫跨至軟體廠商。陸續與美國發電營運廠商Invenergy合作,提供數位分身太陽能發電管理;與運輸機械車大廠Wabtec Corporation合作,將數位分身產品市場化與商業化。
SAP 與ANSYS合作,提供自家數據蒐集與分析能力,結合ANSYS數位分身,增強工業設備預測維護和營運能力。也和三菱機器人共同合作,推出閉環式數位化產品管理,推動企業的產品創新進程。SAP推出了進行產品需求定義的模組,進行產品研發和設計任務。

資料來源:工研院產科國際所(2021/12)
 

四、數位分身應用案例
 

(一)VOLVO強化PLM能力與人員訓練速度

VOLVO為全球主要車廠之一,在產線上建立完整數位分身方案,取得PLM能力,串聯產品開發、設計、驗證、試作、驗收、試產、量產過程以及物理多變量耦合技術,包含邏輯、力學、熱學、電磁、運動模式、速度等,可以在投入產線前提早預測產品品質、機台資源使用、維護作業、工藝穩定性和計算時間與成本。工廠也結合AR技術,使得人力配裝作業能提前訓練並加速組裝過程,也能降低組裝的錯誤率及增加熟練度與安全性。

(二)聯合利華透過數位分身提升產能與品質

聯合利華公司在食品產線上導入數位分身,使生產過程更有效率與彈性。透過虛擬工廠的建立,除了透過實體工廠的感測器獲得生產參數外,也可利用先進的情境模擬、分析和機器學習等演算法,透過物理多變量耦合技術,以確定最佳操作條件及結果。有助於企業更精確地挑選材料、降低耗材浪費、提升產能及品質。目前,聯合利華在北美、南美、歐洲和亞洲等工廠皆有佈局虛實整合技術。

(三)Atos與Siemens縮短製藥廠研發至上市速度

Atos與Siemens合作專為製藥廠進行數位分身的佈署,隨著全球化人們移動遷徙機會大增、氣候變遷、各式傳染病興起,即時的疫苗開發與上市時間成為極為重要的課題。傳統上藥廠在開發疫苗或藥品時,往往在生產後才能測量其品質,若不符合品質標準,該批次將被丟棄,造成研發時程延宕。透過數位分身,藥廠可先從感測器獲取生產數據並提前透過模型預測生產品質,及早在線調整,以確保最終產品符合檢測標準。

(四)Intermarché透過虛擬供應鏈預測產品銷售及顧客喜好

法國連鎖超市Intermarché透過數位分身結合 ERP 和其他業務系統數據,提供完整的虛擬供應鏈,資料庫包含貨架排列、倉庫大小/位置、人員/協力工具數量及動線配置、顧客移動路徑等。透過RFID 讀取器、運動感測器和智慧貨架捕獲店內數據,在從模型分析客戶購買行為並調整產品擺放最佳位置或是投放針對性廣告給目標顧客,進而降低廣告投放成本以及提升銷售額。此外,也可將模型作為日後展店的參考依據,將店面營運資料模組化與標準化。
 

五、結論
 

數位分身的發展時間不過近十年,且近三年才被熱烈討論,但發展速度相當驚人,衍伸出來的應用也不斷創新。從技術面來看,數位分身的技術層次可分為基礎技術、周邊技術與核心技術。基礎技術包含資訊可視化、感測/控制技術;周邊技術包含AI、IoT、AR/VR、5G,賦予分身智慧化、自動化學習能力以及強化使用性;核心技術則包含數據蒐集、建模分析、情境模擬,也是數位分身的最重要價值。

數位分身技術結合各式資通訊技術、演算法、大數據分析、感測器技術,將實體物品完整且無誤差地複製到虛擬環境,透過模擬並預測實體物品的發展性。工廠導入數位分身的好處包含提升產品品質、加快研發/生產效率、降低損耗成本,尤其當企業提供的產品多樣複雜、產線眾多或是市場變化幅度巨大,生產管理、產品管理、供應鏈管理、銷售管理都可利用數位分身建立管理模組並延伸利用各種不同服務情境,也就是當蒐集的數據愈多、範圍愈廣、時間愈久,數位分身的預測真實性變愈符合現實,企業的導入速度也將更為快速與便利。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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