德國工業4.0 的成果、批評與再發展

摘要：本文是針對德國工業4.0 (Industrie 4.0)的文獻資料回顧，首先釐清什麽是Industrie 4.0，再廣泛地探討它的方向與理想，尤其詳細論述產品導向，然後由此觀點進行成果盤點；相對於成果，避免不了還是會收集到若干批評；最後再介紹Industrie 4.0的2030願景以及接續的推動機制。
Abstract：This article is a review of Industrie 4.0. It first clarifies what Industrie 4.0 is, and then extensively discusses its direction and ideals, especially product orientation. Then conduct an inventory of achievements from this perspective. Relative to the achievements, it is inevitable that some criticism can still be collected. Finally, the 2030 vision of Industrie 4.0 and the subsequent promotion mechanism will be introduced.

關鍵詞：德國工業4.0、產品導向、資產管理殻
Keywords：Industrie 4.0, Focus on products, Asset administration shell

前言
“德國工業4.0”與“工業4.0”是一樣嗎？應該是不一樣的。在英文期刊論文中，有些雖然是英文寫的論文還會刻意的使用Industrie 4.0這詞，而不使用英文的Industry 4.0，由此可看出有些作者就是要將兩者作一定的區隔。本文所謂的德國工業4.0也是順應此概念，只針對Industrie 4.0來作討論。
什麽是德國工業4.0 (Industrie 4.0)呢？它有兩項特徵，第一，它是有方向的，而且這方向是有邏輯的：它在一開始推動時，就發布兩份概念性、指引性的文件，分別是2013年由德國的acatech (National Academy of Science and Engineering)所領銜發布的Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE 4.0 [1]，以及在2016年由德國VDMA(Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau), ZVEI(Zentralverband Elektrotechnik und Elektronikindustrie e. V.), bitkom(Bundesverband Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien e. V.) 三大公會領銜發布的Implementation Strategy Industrie 4.0 [2]。從這兩份文件中，可看出德國工業4.0推動方向的邏輯是德國思維模式的核心價值；第二：它是可操作的，甚至帶有SOP概念：德國工業4.0在一開始推動時就成立官方網站 [2]，很多重要的Whitepaper, Guideline都可由此網站下載。由於它的官方性質，可清楚的標示出德國工業4.0所投入克服的主題。同時，從2014年到2023年，DKE (German Commission for Electrical, Electronic & Information Technologies of DIN and VDE) 共發布了5個版次的 The German Standardization Roadmap Industrie 4.0 [3]，從這些Roadmap中更可看出德國工業4.0所欲推動的議題，以及這些議題的演化。
德國工業4.0的方向與理想
製造領域的研發很多都著眼在減少人力、降低成本或超越某個標竿對象(Benchmark)等議題，但德國工業4.0並不在解決這些議題。這從最開始的推動指引文件[1]的第一個句子就可感受到，它很自豪地揭示：“德國擁有全球最具競爭力的製造業之一，其在製造設備領域處於全球領先地位(Germany has one of the most competitive manufacturing industries in the world and is a global leader in the manufacturing equipment sector.)”。這句子中表達出「德國在製造領域已取得領先」後，接著的論述就都導向如何由最好做到更好。這論述方式跟很多製造領域的研發思路存在差異，製造領域的研發計畫常常一開始就在釐清痛處、落差或缺口為何。德國工業4.0的論述則直接點出：由最好做到更好的方向是「創造新的價值」。
創造新價值的策略在於雙策略(dual strate-gy)，也就是「領先供應者策略(Leading supplier strategy) 」，以及「領先市場策略(Leading market strategy) 」。這其中尤其要注意到「領先供應者策略」，也就是德國工業4.0從一開始就定位為產品導向與出口導向，而創造新價值在於三個面向[1]：
1. 透過價值網進行橫向整合(Horizontal integr-ation through value networks)
2. 跨整個價值鏈的端到端數位整合(End-to-end digital integration of engineering across the entire value chain)
3. 垂直整合與網路化製造系統(Vertical integr-ation and networked manufacturing systems)
看過以上三個面向很容易讓人認為德國工業4.0是製程導向，但仔細推敲領先供應者策略就可以判斷出：前述三個面向只是應用面或功能面，德國工業4.0的重點在於產品開發，它要發展所謂的德國工業4.0產品(Industrie 4.0 products)，並藉以創造量子躍進(quantum leap)，它是不折不扣的產品導向[1]。
能產生量子躍進絕對需要一場革命，德國工業4.0就是企圖創造第四次工業革命。最初的推動指引文件[1]列出前三次工業革命，並點出各自的「通解」，這通解不是只出現在特定案例，而是在革命引爆發生後具有複製性、擴散性。各自的通解為：第一次工業革命：發展出機械力用於製造；第二次工業革命：引入大量生產模式，第三次工業革命：導入可程式控制。而德國工業4.0為第四次工業革命所發展的通解為何呢？在2016年出版的指引性文件[2]中就揭示要在產品上加裝資產管理殼(Asset Administration Shell)，而資產管理殼就是一種具自主操作性(Autonomous)及互操作性(Interoperable)的數位雙生。
革命給人的錯覺往往是雷霆萬鈞、風吹草偃、發展迅猛。但工業革命的步調會這麽快嗎？那可能就要探究一下，就以第三次工業革命為例，一般以1970開始為普遍說法，但以工具機為例，工具機的可程式控制(NC (numerical control) 或 CNC (computer numerical control))一直到1980年各廠都還處於摸索期。再回溯至工具機NC技術的開發歷史，可檢索到早在1951年NC 銑床就在美國MIT(Massachusetts Institute of Technology)的Servomechanisms Laboratory組裝完成，開始進行加工應用研究。從這兩個時間點計算，可以判斷第三次工業革命從技術發展成功到市場發展成功的時間長於30年以上。反觀德國工業4.0，資產管理殼在2016的文件中雖已揭露，但都只描述情境及功能。直到2019年在德國Magdeburg大學 integrated automation講座領軍下，才第一次完成全面實質的功能測試[4]，目前應該仍在由技術發展成功走向市場成功的過程。
每一次工業革命的技術研發，都會有特定人或單位一再被提起，但仔細深究以後都可發現，事實上每一次工業革命同時代都會有競爭者也在投入開發，現在也是一樣。德國工業4.0所提出的資產管理殼，在技術上是一種資產資訊模型(Asset Information Model)[5]，目前發展中並形成競爭的資產資訊模型有：W3C Web of Things (WoT)，資產管理殼Asset Administration Shell (AAS)，Digital Factory Framework (DFF)，Automation Markup Language(AML)，Module Type Package (MTP)，OPC UA Process Automation - Device Information Model (PA_DIM)，and Field Device Integration(FDI)等七種。在機械領域推動積極的，除了資產管理殼外，當屬OPC (OLE for Process Control)基金會與德國VDMA 贊助發展的OPC UA (Unified Architecture) PA-DIM ( Process Automation - Device Information Model)。PA-DIM在發展模式上與資產管理殼存在明顯差異，OPC基金會與VDMA在推動PA-DIM時，一開始就成立不同產業的Working Group，PA-DIM的訂定就由各Working Group執行，這Working Group的成員主要由該產業內專家所組成，所以發布的PA-DIM就具有高度可實施性，但因為由各產業訂定，PA-DIM就會有產業別。