應用元宇宙加速智慧製造系統軟硬體整合

摘要：本文說明利用元宇宙加速智慧製造軟硬體整合的技術與案例，點出後工業4.0製造技術的趨勢，並提供傳統製造業飛越升級的捷徑。製造業涵蓋社會國家絕大部分的經濟活動，如能利用IT、AI與管理技術促其管理升級、降低成本、提高效率並重視環保，將達成企業永續經營的目標。文中提出以PDCA管理循環為基礎，輔以大數據、深度學習及人工智慧建構數位工廠運作模式，並導入智慧排程，設計出5M1E生產管理腳本，最後透過元宇宙的可視化生產執行與回饋，建構完整的智慧製造系統，透過NKUST（高雄科技大學）的智慧製造工廠的類產線案例研究，詳述技術整合的步驟及產生效益。
Abstract：This article describes the technologies and cases of using the Metaverse to accelerate the integration of software and hardware in smart manufacturing. It also points out the trend of post-industry 4.0 manufacturing technology, and provides a shortcut for traditional manufacturing industry to leapfrog and upgrade. The manufacturing industry covers most of the economic activities of the social and country. If IT, AI and management technology can be used to promote its management upgrade, reduce costs, improve efficiency, and pay attention to environmental protection, the goal of sustainable operation of the enterprise can be achieved. This article proposes to build a digital factory operation model based on PDCA management cycle, supplemented by big data, deep learning and artificial intelligence, and introduce intelligent scheduling to design a 5M1E production management script. Finally, through the visual production execution and feedback of the Metaverse, a complete smart manufacturing system is developed, and the steps of technology integration and the benefits generated are detailed through a case study of imitation of a smart manufacturing factory production line that established by National Kaohsiung University of Science and Technology (NKUST).

關鍵詞：元宇宙、智慧製造、智慧生產排程
Keywords：Metaverse, Smart manufacturing, Intelligent production scheduling

前言
參考維基百科網站，「元宇宙(Metaverse)」為利用擴增實境(AR)的物理現實對應的物理上持久的虛擬空間/實境(VR)的融合而創建的集體虛擬共享空間[1]，就應用而言，Metaverse包含許多應用的可能性，理想的元宇宙容許使用者進行任何體驗或活動，也可以解決使用者幾乎所有的需求，所以在理想狀態下，Metaverse可應用於任何事物；「製造業」一般泛指投入不同程度勞動人力（包含人工與機械），但目前多半解釋為「工業化」的量產，也就是指大規模的將原物料製成最終成品，以降低成本並提高生產效率[2]；最近熱門的議題「智慧製造」指的是應用數位科技，如網路、感測…等技術，分析生產數據後建立一組從原物料、產品製造、企業經營、包裝配送等自動化供應鏈數位模型，以提升企業整體生產物流管理、人機互動以及工業4.0的生產應用能力。「智慧製造」特別注重中小企業生產製造，讓中小企業從智慧生產技術中受益，使其成為工業生產技術的創造者和供應者[3]。由以上觀點得知，從製造到智慧製造的橋樑為數位科技，串接製造過程的人機料法測環 (5M1E)，其主要關鍵因素在於生產資源整合[4]。然而隨著碳排放與能源問題的炙熱化，製造系統除了整合外還需進一步系統驅動、閉環控制與營運優化，以滿足日趨嚴峻的要求。
製造系統主要元素為人、機、料、法、測、環，其中硬體設施主要為零件、機台、工作站、生產線、車間…等，甚至大到整個供應鏈體系的硬體設施；軟體模組主要為控制元件韌體、PLC、IoT、AIoT、MES、ERP、BI、SCM…等。目前市面上的設備、系統供應商各有專精，分工明確各項系統軟硬體的單獨需求皆有專業廠商提供，然而現今全球化的企業經營模式下，商業活動的運作需考慮協同、整合、快速與品質要求，系統的軟硬體整合的力度、速度與精度越顯重要。另一方面，隨著科技的飛躍進展，嶄新的技術不斷推陳出新，元宇宙的興起加速了網宇虛實整合（Cyber-Physical System, CPS）可視化的腳步，讓牽涉5M1E等多元複雜且即時的因子得以藉由CPS技術即時整合。德國西門子公司所提出的工業4.0數位製造概念，也聚焦在複雜多變的製造系統的數位化技術整合，因此，IoT、CPS、Big Data、Machine Learning…等軟體技術，如同AGV、機器手臂、自動化設備、數位監控設備…等硬體設備，同時扮演重要角色。雖然世界大廠紛紛提出無人工廠、關燈工廠的全自動生產模式，因應人力不足及瞬息萬變的市場變動問題，然而對佔有經濟活動絕大部分的中小企業，高度自動化的生產模式似乎是曲高和寡，少量多樣的彈性生產模式才是生存之道。尤有甚者，氣候暖化、中美貿易戰、俄烏戰爭…等國際局勢的變化，讓現今經濟環境中，對產品的需求往往需考慮能耗、碳排、高效率、短周期、高週轉率、高達交率且零瑕疵，因此，保持高彈性的人機協同的作業方式被普遍採用，機器與人類要無縫接軌地順暢作業，系統的軟硬體整合技術逐漸成為成敗的關鍵。
綜觀上述問題，本文發現戴明提出並廣泛應用於企業管理的PDCA [5]管理循環模式，已經幫助很多企業有效提升生產效率，如能更有效整合IT與AI技術，將大幅提升製造業智慧化效果。本文利用AI技術針對客戶需求與5M1E資訊進行「P」生產排程，並利用元宇宙技術模擬現場情境，設計可視化腳本，預先檢驗排程效果；接下來「D」利用QR Code、派工單及看板資訊，將工作指令傳送到各工站，指引操作人員依照指令進行生產；利用AIoT之影像報工「C」，即時回饋生產狀態，達到CPS 料帳合一目標；最後「A」根據預先規劃腳本與現況回饋資訊的差異，重新制定新的計畫再分派執行，達到閉環生產管理目標。以下利用實際案例說明應用元宇宙加速智慧製造系統之軟硬體技術整合效益。
案例分享
智慧製造系統能廣泛應用於製造業，此次以NKUST (國立高雄科技大學)智慧製造實作工廠之機械加工廠為案例，透過導入智慧製造系統、元宇宙與PDCA循環式管理來驗證系統的成效性。如圖1，該系統主架構依各部門分別設計7個模組，依序為業務、生管、倉庫、製造、文管、品管及開發製程。畫面中各模組皆可依公司部門不同而設計，循序提升工廠各部門電腦化、數位化和智慧化，使工廠能朝向工業4.0為目標。

圖1  智慧製造系統主畫面

整個智慧製造系統由業務模組為開端，於1990年初期，資訊科技的發展與供應鏈管理興起，從起初的物料需求計畫(MRP)，逐漸演進成ERP系統[6]。時至今日臺灣各中小企業都有一套ERP系統，但ERP系統為了通用性，使不同行業別都可以使用，因此限制各行業別的專業性，就如同一件ONE SIZE的衣服讓不同身材的人穿一樣，往往無法深入滿足企業的需求。所以本系統業務模組的誕生，就是為了補足ERP接單功能的不足，透過資料庫與ERP系統串接，業務人員毋須適應新的新增訂單方式，依照原已熟悉的ERP新增訂單方式來接單，業務模組即可立即讀取到ERP中的訂單資料。此外，業務人員亦可查詢訂單當前生產進度，透過系統可即時且準確地回覆客戶生產狀況，以提升客戶對企業的信任度。