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工業數位孿生在產品生命週期的應用

作者 黃俊弘

刊登日期:2023/05/01

摘要:工業數位孿生與產品生命週期都面臨相同的跨公司議題,產品數據在跨公司的障礙始終存在。生命週期數位化的前題是不能有數據跨公司障礙。但只要有交易,產品的生命週期就會跨公司。所以就衍生一個期待:透過工業數位孿生讓產品數據穿過跨公司障礙。這期待也就是本文的切入點,主要試圖從文獻中找出產品生命週期數位化在跨公司的困難點,以及運用新興的工業數位孿生在產品生命週期的國際新提案。
Abstract:Both the industrial digital twin and the product life cycle face the same cross-company issues, and barriers to cross-company product data always exist. The premise of life cycle digitization is that there should be no cross-company data barriers. But as long as there is a transaction, the product life cycle will cross the company. Therefore, an expectation is derived: through industrial digital twins, product data can pass through cross-company barriers. This expectation is the entry point of this article, mainly trying to find out the cross-company difficulties in the digitalization of product life cycle from the literature, and the new international proposals for using emerging industrial digital twins in the product life cycle.

關鍵詞:工業數位孿生、產品生命週期、應用情境
Keywords:Industrial digital twin, Product life cycle, Scenarios

前言
產品生命週期(Life Cycle)是個非常傳統的名詞,但卻與現在製造領域幾個熱門的話題都脫不了關係。傳統製造設備在交貨時最常考慮的就是出廠品質與保固期,但最近預測保養興起,僅考慮保固期已經不夠了,必須要延伸為產品生命週期思維。碳足跡是另一例子,努力降低產品在自己廠內累積的碳足跡固然重要,但產品碳足跡盤査規則是採生命週期盤査,產品出廠後的碳排放仍需納入計算。
工業數位孿生可說下接虛實整合系統(Cyber-Physical System)的地氣,上接工業元宇宙的未來期待。一副頭頭是道的姿態,但這姿態在工業場景上反而陷入混沌,因為工業應用需要標準、典範案例、導入SOP…等等可掌握的項目,再高深強大的功能還不如穩定可靠再加上看得到。
工業數位孿生與產品生命週期都會面臨“跨公司”與“產品數據”議題,工業數位孿生是工業產品與數位表達的對應關係,工業產品無可避免地會跨公司,工業數位孿生也就必須要能跨公司,否則功能必然折損。另一方面,產品數據在跨公司的障礙始終存在,因為毎家公司都將產品相關數據視為營業祕密,譬如機械模組生產廠很慎重地控管模組加工數據,購買模組用在機器上的機械廠就很在乎調機數據,最後買了機器的機械模組終端使用廠則對使用數據十分保密。但生命週期數位化的前題是不能有數據跨公司障礙,因為只要有交易,產品的生命週期就會跨公司,一旦數據跨公司有障礙,生命週期數位化就淪為空談。所以就衍生一個期待:是否可以透過工業數位孿生夾帶產品數據穿過跨公司障礙。這也就是本文的切入點,主要從文獻中找出產品生命週期在跨公司的現況及關鍵點,以及運用新興的工業數位孿生在產品生命週期的國際新提案。
工業數位孿生在產品生命週期的應用情境與機會
本文分成六個部分,第一部分為數位孿生與工業數位孿生;第二部分為產品生命週期;第三部分為產品生命週期的時代意義與機會;第四部分為工業數位孿生應用在產品生命週期;第五部分為跨域瓶頸與協同整合;第六部分為新興提案。
1.數位孿生與工業數位孿生
工業數位孿生(Industrial Digital Twin)顧名思義是數位孿生的工業領域應用,依ISO 23247-1 [1]的名詞定義,所謂數位孿生是:符合目的的可觀察製造元素的數位表達,具有使元素及其數位表達以適當的同步速率收斂的方法(fit for purpose digital representation of an observable manufacturing element with a means to enable convergence between the element and its digital representation at an appropriate rate of synchronization),這定義是非常寬廣的定義,孿生是在“元素”與“數位表達”兩者之間的關係,而且同步地收斂。只是這定義並沒有將數位孿生限縮在工業物聯網IIoT範疇。在工業應用上工業數位孿生必然採用工業物聯網架構,同時也需一定程度的標準化。在這兩因素考量下,目前工業數位孿生的作法至少有6種 [2],其中以德國工業4.0計畫發展的資產管理殼(Asset Administration Shell),與Microsoft發展DTDL (The Digital Twin Definition Language )知名度較高。
在工業數位孿生的蓬勃發展氣氛下,就有更基礎的探討出現,譬如所謂的數位孿生理論(Digital Twin Theory)[3],這理論就列出多項前提或假設,例如:
(1)數位孿生是資產的數位表達。
(2)數位孿生同時存在於多個地方。
(3)數位孿生有多種狀態。
(4)數位孿生在特定互動情況下具有特定語境狀態(context-specific state)。
(5)數位孿生的資訊模型可以無限大;它是一個實際的資訊模型。
(6)實際的資訊模型可以針對特定的應用情境進行有限逼近,以成為合理的資訊模型。
(7)合理的資訊模型不能只存在一個地方。
(8)合理的資訊模型從來都不是完全可視化的。
2.產品生命週期
產品生命週期從原來純屬產品規劃的概念,經過多年的演化,已經成為多面向與眾多應用的名詞,這也造成它與很多技術項目有關,甚至有產品生命週期管理(Product Lifecycle Management)以及生命週期工程學(Life Cycle Engineering)的出現。就以齒輪減速機為例,如圖1所示,生命週期橫跨整個產品歷程,從規劃設計就開始,歷經製造加工、檢驗、裝配、跑合及出廠測試等製造流程,再到使用、保養,甚至到報廢回收。不過,這說法很容易讓人誤解生命週期就是個單方向的歷程。事實上,整個生命週期存在著非常多的“數據”,這些數據就不是單方向。這些數據必須透過各種技術手段,讓生命週期裡相關人員都可更方便、更有效率使用。

圖1 生命週期的數據鏈接


依據IEC 62890-2020[4],生命週期可分為類型和實例兩階段,之所以有必要區分類型(Type)和實例(Instance),是因為生命週期往往不是單獨存在的,譬如組件-機器-工廠就可能同時存在並且相關,如圖2 [5]所示。不同業務合作夥伴及其各自的生命週期就必然存在交互作用。在規劃過程中,會考慮目標、條件及各種可能方案,並將它們稱為“類型”:
(1) 組件供應商將它們稱為“零件類型”:只有製造和隨後交付給客戶(機器製造商)才形成一個實例,機器製造商再將其視為外購組件。
(2) 機器製造商與他的客戶(工廠經營者)討論“機器類型”,並進行設計。特定機器的製造形成了另一個實例,然後由工廠操作員使用。
(3) 工廠經營者最初也將產品開發視為產品類型。只有收到訂單才會啟動生產並具體製造出產品實例,然後交付。

圖2 生命週期的類型和實例 [5]
資料來源:ZVEI 工研院機械所重製

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