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產業技術評析

物聯網時代下汽車產業發展
發表日期:2022-01-12
作者:蕭瑞聖(工研院)
摘要:
智慧工廠是導入各種現代化技術,實現工廠的辦公、管理與生產自動化,達到加强及規範企業管理、減少工作失誤、堵塞各種漏洞、提高工作效率、進行安全生產、提供決策參考、加强外界聯繫、拓廣國際市場的目的。

全文:

一、前言
 

智慧工廠是導入各種現代化技術,實現工廠的辦公、管理與生產自動化,達到加强及規範企業管理、減少工作失誤、堵塞各種漏洞、提高工作效率、進行安全生產、提供決策參考、加强外界聯繫、拓廣國際市場的目的。智慧物流是藉由大數據、雲計算、智慧硬體等智慧化技術與手段,提升物流系統思維、感測、學習、分析決策與智慧執行的能力,增進整個物流系統智慧化、自動化水準。

智慧物流具有兩個特點:(1)是互聯互通,數據驅動:所有物流要素互聯互通且數位化,以數據驅動一切洞察、決策、行動;(2)是深度協同,高效執行:跨集團、跨企業、跨組織之間深度協同,基於全域優化的智慧運算,調度整個物流系統中各參與單位高效率分工協作。
 

二、汽車產業動向與物聯網
 

因應未來汽車廠製造趨勢發展與需要,以下簡要敘述物聯網在汽車產業上應用的7個面向:

(一)資訊生產,訂單內容可更新

工廠生產模式大體可以分為訂單生產(Make To Order, MTO)與庫存生產(Make To Stock, MTS)兩種。訂單生產指的是廠商根據客戶訂單的需求量與交貨期進行生產排程,其目的在於降低零組件庫存,不做任何庫存存放,有訂單才安排生產,無訂單則調整生產。庫存生產又稱為現貨生產,透過成品庫存隨時滿足用戶需求,產品在接到訂單之前就已生產出來,客戶訂單上的商品可以隨時從貨架上取得。這類產品通常屬於大衆化的通用規格消費品,也可能是廠商的自主品牌產品,主要隨著市場的需求並參考本身的庫存存量,決定是否安排生產計劃。

現代汽車產業屬於傳統製造業,在汽車市場上長久以來奉行的是汽車廠商生產什麽、消費者選擇什麽的銷售理念,客製化服務只存在於極少數高端客製服務的車廠(產量不高)。汽車工廠的生產計劃完全是按照市場調查所做的分析後制定,車型、配置、顔色等在生產前就已經完全確定,汽車零組件的供應商則是根據汽車廠的生產計劃進行配合生產。這類型汽車廠的生產過程屬於大規模、批量化生產,生產不輕易調節改變。

汽車生產的過程中,絕大多數整車廠宣稱實現零庫存,而零組件廠商的倉庫却很飽滿。零庫存對於整車廠而言節省生產成本,但對於零組件廠商而言却是無法回避的成本。伴隨著資訊技術的快速發展,步入工業4.0階段的車廠訂單化生產即將到來。汽車在客戶下訂單時即產生數位化的訂單模型(包括客戶選擇的訂製功能)。零組件廠商與車廠同步得到訂單,如此零組件廠商飽滿的倉庫將不再需要,汽車產業生產成本將進一步降低。

未來的汽車消費者不僅可在汽車4S店訂購汽車,而且越來越多的體驗在汽車廠商官方網站甚至電商平台上訂購汽車。未來對於汽車的可選擇配置也將變得多種多樣,消費者可以根據喜好訂購個性化的汽車,汽車廠商使用的彈性化智慧生產設備與混線生產也能滿足消費者需求。

(二)虛擬生產,設計生產數位化

虛擬製造技術原則上不消耗任何實際資源,同時能夠在電腦上對產品的設計、加工、裝配、運行乃至測試提供相對應的對策,這項技術在越來越多產業與產品上得到應用。在美國俄亥俄州舉辦的虛擬製造用戶專題討論會,根據製造過程的重點不同,將虛擬製造大致可以分為三類:以設計為核心的虛擬設計製造(如Solidworks、Catia等)、以生產為核心的虛擬生產製造(如AutoMod、Flexsim等)和以控制為中心的虛擬控制製造(如Labview等)。對於虛擬製造技術,其具備的優勢如下:

1.由於虛擬設計技術的應用,產品的開發過程不再需要少量樣品、樣機,進行產品驗證,且可以動態的演示設計產品的各種工作狀況及相關的測試性能,使設計周期顯著縮短,節省廠商研發成本。

2.虛擬製造技術可以模擬整個生產的技術流程,同時對流程中的瓶頸點、流程中需要注意的核心參數(路徑節點流量、生產工作節拍、緩衝區的大小等)進行優化設計,使生產任務平衡合理的分配到各個工序,甚至可以模擬工人的疲勞程度,對整個系統進行優化配置。

3.虛擬控制技術則透過對控制系統進行模擬調試,調試成功後產生可程式化邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)代碼,直接傳輸至現場待調試設備上的可程式化邏輯控制器,將大幅縮短調試時間。

伴隨著互聯網的迅速發展,汽車產業遠端調試、全球化調試已成為可行,當相對應的工作流程調試通暢後再針對項目中使用的PLC品牌進行虛擬調試,真實模擬項目中的動作及相關工作參數設置,最終輸出PLC程序。汽車產業使用這種調試工具,電控工程師在項目現場只需要進行簡單驗證調試工作,大幅縮短工程師現場工作時間、減輕現場工作負荷。

(三)混線生產,生產流程彈性化

多品種、小批量、多批次、生產重複性低,是訂單式生產廠商的主要特點,訂單式生產也是工業4.0中重要的組成部分,是未來智慧工廠的主要生產模式,未來的汽車工廠中會使用越來越多的智慧無人搬運車(Automated Guided Vehicle, AGV)或可變軌電磁懸浮(Electro-magnetic Suspension, EMS)等高彈性輸送設備,替代現階段單一的自動化輸送流水線。生產線上的智慧生產設備,也將變成越來越多的可換手型且可實施多種工作的機器人,未來承載零組件的AGV與承載車體的AGV甚至包括承載機器人專用卡具的AGV,之間可以相互通訊編隊(工業物聯網等),同進同退進出裝配工序防止安裝出錯,而且生產線上的智慧機器人同樣可透過無線射頻辨識(Radio Frequency Identification, RFID)等資訊識別技術確認安裝資訊,並將生產過程的相關資訊回饋至遠端數字雲平台。

(四)資訊共享,供應鏈自適應化

供應鏈是指圍繞核心企業,透過對資訊流、物流、資金流的控制,從採購原材料開始,製成中間產品,最後由銷售網絡將產品送到消費者手中,供應商、製造商、分銷商、零售商到最終用戶連成一個整體的功能網鏈結構模式。

基於工業4.0技術,在客戶訂單產生時,客戶訂製汽車的所有數據資訊已經產生,包括汽車所有零組件的供應商、汽車在哪個工廠生產、生產技術中將使用哪些智慧生產設備以及物流中需要哪家物流供應商等,即供應鏈產生。隨著時間的推進,汽車訂單中的原料供應商、零組件供應商、物流運輸提供商等組成產業鏈中的每一個環節,都可能因各式各樣的原因而發生改變,甚至客戶的訂製需求想法都有可能隨時間改變,此時智慧供應鏈的自適應技術便顯現效益。

工業4.0中的供應鏈自適應技術將完美的解決供應鏈中數據改變問題,對於消費者下達的訂單,在雲平台中汽車生產廠、零組件廠商及第三方物流服務商共同擁有訂單數據資訊,對於消費者中途改變的訂單內容,系統廠與零組件廠商、第三方物流服務商,可透過平台對生產任務以及物流運輸的貨物進行優化調整,實現整個產業鏈的零庫存生產。整個流程不再需要各方管理者做煩躁的數據計算工作,只需審核或批准。計算改變所涉及到巨大的資訊訪問量、運算量等,則由雲技術完成。

(五)資訊與生產數據雲儲存

雲計算平台也稱為雲平台,雲計算現階段最廣為接受的是美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)的定義,是一種按使用量付費的模式,提供可用的、便捷的網絡服務,進入可配置的計算資源共享池(包含網絡、服務器、儲存、應用軟體、服務等),這些資源能夠快速提供,而只需投入很少的管理工作,或與服務供應商進行很少的交流,實現所謂的雲計算技術。

汽車生產發展方向是訂單化、多品種、小批量的生產方式,預期未來汽車廠商按客戶訂單進行混線生產將成為常態,汽車混線生產的技術主要集中在兩方面:(1)生產線的平衡問題;(2)與混線生產的排程問題。生產線平衡是把不同車型的裝配任務分配到生產線上的不同工序,確保各個工序對多種車型的裝配時間接近,提高生產效率;生產線排程則是受到客戶對不同車型訂單影響,需要對訂單做出即時反應,確保客戶訂單車輛交付。現實中的生產則涉及更多種方面因素限制,各方面的影響因素耦合在一起影響生產線運作,需要強大的計算能力進行分析計算,雲計算技術適時解決此一難題。

工業4.0發展趨勢下,汽車產業生產逐漸實現全程數位化,不僅是汽車設計生產模型的數位化,而是整個汽車工廠工作流程、生產技術的全程數位化,生產過程中整個產業鏈供給的數位化。對於生產模型、生產流程、生產技術、產業鏈的整體調度的複雜數學模型的模擬,遠端的雲平台計算可以顯示出其強大的運算能力。虛擬技術與雲計算技術結合可以快速模擬計算各種工況、產品生產及工期的運作影響,最後制定最優序的生產方案。

對於實際生產中訂單包含的零組件廠商的生產狀態與庫存、零組件在第三方物流中的運輸狀況以及汽車工廠的生產進度所產生的新狀況,雲平台可以即時執行最優化調節。汽車廠、零組件廠商、第三方物流服務商產生的數據一併儲存於雲平台,任意端客戶可以即時更新查詢。這種生產全程的數位化、跟蹤優化與數據儲存查詢,對未來汽車製造方式將產生重大影響。

(六)資源共享,工廠全球本地化

伴隨著積層技術與智慧工廠快速發展,智慧設備的能力越來越強,廠商生產能力將大幅提高。在這種情況下虛擬技術的應用(生產的數位化與生產技術的數位化)將引導未來生產變得越來越簡單,同時智慧生產設備強大的功能,使得產品的生產不再受到生產條件方面的限制,使得客戶訂單本地化生產成為現實。未來汽車廠負責客戶需求產品的設計與生產技術的制定,產品的生產則完全可以由雲生產中的本地雲工廠完成。

汽車產業雲生產是一種按照使用量進行付費的工廠運行模式,客戶透過有效的、便捷的網絡訪問方式,對分布於全球的可配置的智慧工廠資源池(資源包括附近原料儲備、智慧工廠的生產能力、物流運輸資源等)進行查詢,將資源統一配置後,客戶付出極少的管理工作及與生產商的資訊溝通,生產商根據客戶提供的數位化生產數據進行智慧生產,這種生產方式就是雲生產,提供生產模式的工廠就是雲工廠。

雲生產將汽車生產工廠原有規模經濟生產模式轉變為區域經濟生產模式,將智慧工廠原本屬自己企業可供使用的餘裕與生產製造能力轉變為具備區域優勢的、可以服務於全球共享的生產能力。汽車在雲生產使用過程中,用戶可以統一查詢某地區的可以調配使用的生產能力,系統同時提供該區域是否有合適的原材料資源及物流運輸資源,當各方面匹配後系統針對用戶項目進行綜合成本計算。免去原本只屬某地某工廠的大規模的原料採購、汽車零組件運輸的成本及時間消耗。汽車產業生產本地化的雲生產模式將大幅降低物流運輸成本,尤其是遠距離的跨國項目是未來智慧工廠的一種發展趨勢。

(七)物聯網與大數據發展,因應連網汽車安全需求

連網汽車商機正蓬勃發展,根據BI Intelligence數據顯示,連網汽車市場至2023年的年複合成長率45%,是汽車市場10倍,隨著物聯網與大數據技術發展與普及,連網汽車安全特性將刺激市場需求。技術進步導引車輛安全功能也將與時俱進,使用汽車的車載診斷系統(On-Board Diagnostics, OBD)介面接頭,駕駛和車廠可以收集大量數據,例如速度、安全帶使用情況、煞車資訊與燃油使用情況,分析數據可以得到有用的資訊,譬如駕駛一直重踩剎車,或者沒有繫安全帶,讓駕駛根據反饋改變行為。

連網汽車將會出現口頭警報,如在駕駛無意識下開始加速時,通知駕駛減速。感測器可以監視周圍環境並在必要時提醒駕駛,防止事故發生。此外感測器連接手機,以確保駕駛不會邊開車邊打電話或收發短訊,造成不必要的干擾與事故,透過分析車輛數據,車載遠距資訊處理系統可以預測何時會發生瑕疵,降低駕駛發生事故或故障的風險,連網汽車具備大多數的安全功能,但隨著客製化程度提升,駕駛將可從車輛中選擇不同的自動化功能,以及不同的語音、動作和反饋功能。

隨著物聯網發展,將有愈來愈多人駕駛連網汽車,雖然物聯網已在車隊管理方面引起巨大迴響,但可能需要更長時間才能普及,部分原因是費用問題,然而安全特性已經使連網汽車成為一種理想的汽車類型,當更便宜的汽車進入市場時,將帶動需求成長。
 

三、結論
 

工業4.0將帶來汽車產業巨大改變,既是機會也是挑戰,對於汽車產業4.0發展,只有正面改變,提前做好準備,才能在未來的競爭中立於不敗之地。由於技術演進快速,各式各樣商業模式變革不斷地推陳出新,尤其對龐大的汽車產業,考量技術、彈性與數位化程度,積極投資與購併行動,但對於創意無限的許多新創公司,也據此發展耳目一新的新興平台而嶄露頭角,老將新秀,同台競技,各有所長。汽車智慧聯網技術將大幅度改變汽車產業,從商業模式、生態系統、市場動向、區域分銷配銷體系與技術發展,未來從4G演化至5G的通訊網路之後,甚至讓車輛、道路、行人和道路基礎設施之間的資訊流通更快速,對於汽車駕駛、行車安全、交通管理和道路效率將帶來顛覆性的轉變,並提供更好的駕駛體驗。

臺灣廠商除專注售後維修市場外,利用與國際結盟的方式與機會,除了能在臺灣聯網之外,另外透過嵌入式SIM卡(Embedded-Subscriber Identity Module, e-SIM)技術,讓車主可以取得連網汽車等級的服務,尤其對於企業需要的商業車隊管理等需求的滿足,提供經濟有效的解決方案,積極拓展車聯網的商機。ICT廠商雖然長期專注於電子製造與創新,對智慧連網汽車的高速發展,充滿熱情與憧憬,但是畢竟汽車產業特性迴異,由於汽車需要長期的售後服務,汽車電子相關零組件需要較長的測試與認證時間,需要時間調整設計概念上的落差,還是需要從汽車產業對品質與安全規範的要求,按部就班的前進,連網汽車是臺灣ICT廠商另一個機會切入點。

展望更多新創科技公司所發展的創新服務,無論是將智慧連網汽車導向市郊區間的共乘服務網,或是自駕計程車、自駕型公共汽車等大眾化運輸工具規劃,甚至是跨城市的自駕型大卡車運輸車隊的服務,新的應用不斷嘗試改變汽車的使用範圍與版圖,新的生意模式與服務型態,使得汽車市場領導品牌之間的競爭加劇,勢必影響各汽車品牌的此消彼長,隨著汽車產業世代布局而展開。
 

(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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