智慧工廠沉浸式互動遠距協同工程環境開發

摘要：疫情衝擊與地緣政治格局改變促使製造業開始重新布局生產基地與供應鏈體系，在供應鏈重組的過程中，如何快速排除異地產線製程、設備、產線的各種異常是一大挑戰。工業4.0的趨勢遇上5G、6G通訊、AI、碳排限制等議題後更加受到製造業重視，其中利用沉浸式互動進行異地產線技術投射成了全新的市場機會。本文將簡述工研院近年來把沉浸式互動技術帶入智慧工廠進行遠距協同工程應用情境的研發現況，並對於未來可能的營運模式提出建議。
Abstract：The impact of the pandemic and changes in geopolitical dynamics have prompted the manufacturing industry to reconsider the layout of production bases and supply chain systems. During the process of supply chain restructuring, a significant challenge lies in quickly addressing various anomalies in remote production processes, equipment, and production lines. The trends of Industry 4.0, coupled with issues such as 5G and 6G communication, artificial intelligence (AI), and carbon emission constraints, have further emphasized the importance of the manufacturing industry. Utilizing immersive interactions for remote technical projection in distant production lines has emerged as a new market opportunity. This article briefly outlines the recent research and development efforts by the Industrial Technology Research Institute (ITRI) in bringing immersive interaction technology into smart factories for remote collaborative engineering applications. It also provides recommendations for potential future operational models.

關鍵詞：智慧工廠、沉浸式互動、數位雙生
Keywords：Intelligent factory, Immersive interaction, Digital twin

前言
疫情過後，遠端會議接受度大增，因應供應鏈重組、製造基地遷移的需求使得製造業、設備業希望強化遠距協同工程技術，以節省技術服務體系的工時成本與差旅成本。東協及南亞國家等新興市場國家迅速崛起，政府的「新南向政策推動計畫」鼓勵臺商在東南亞建立新或升級產線，以因應高階技術人力短缺、減少遠端技術投射成本，進一步提升遠距協同工程技術的需求。
虛擬實境(VR)、擴增實境(AR)、混合實境(MR)等技術很早就被嘗試應用在遠距協同工程，但是由於半導體、光學、通訊元件技術限制，相關軟硬體很昂貴且使用者體驗普遍不佳。近年來，各方面軟硬體技術相對成熟，成本降低，加上雲端運算與AI，沉浸式互動在商用娛樂、電競產業已有相當的市場規模，但是用在工業場景，仍有許多技術待開發，主要瓶頸在於如何將工業物聯網的數據與工程運算結果轉換成互動場景中的3D元件，以及如何與人產生互動。而所謂工程運算結果，在過去多年來的智慧製造、智慧機械研發過程中已有很多運算模組，但是並沒有投射到3D場景的應用技術。
智慧製造趨勢
自工業4.0的概念被提出[1][2]以來，全球各國開始重視製造業的重要性，並積極推進智慧製造的發展。這個概念引領了一場製造業的革命，從傳統的中央集中式生產模式轉向更加靈活、智慧和網路化的製造方式。這一變革不僅對製造業本身產生了深遠影響，也在全球經濟格局中產生了深刻的變化。
工業4.0的關鍵驅動力之一是人工智慧（AI）技術的快速發展。隨著AI技術不斷進步，智慧製造的應用範圍也在不斷擴大。同時，雲端運算的商業模式成熟，使得智慧製造服務可以更容易地轉向雲端化[3][4]。這意味著製造企業可以更好地運用遠端資源和數據，實現更高效的生產和管理。另一個關鍵技術是5G通信技術。5G的高速和低延遲性質使其成為工業物聯網的理想選擇，提升了數據儲存、分析和應用的效能。這也促進了數位雙生的概念，即實際設備和使用者與其在虛擬世界中的數字模型之間的深度連結。這種深度連結有助於更好地監測、優化和預測製造過程，如圖1所示。

圖1 工業4.0加上AI、6G、碳足跡議題後更加受到製造業關注

智慧製造是淨零碳排的最佳解方，製造業不僅需要關注產品的效能和質量，還需要考慮能源效率和碳排放。這為智慧製造帶來了新的創新機會，要求生產管理同時考慮效能和能耗的優化。節能減碳已成為企業的重要目標，特別是低碳化智慧製造，要求製造業使用更清潔的能源，並優化生產過程以減少碳排放。同時，企業需要考慮產品的整個生命周期，包括製造、運輸、使用和處理的碳足跡。
另一個挑戰是人口老化，在許多地區，勞動人口占總人口比例自2015年起逐年下降，導致勞動力短缺。這就需要更多的自動化和智慧化應用來提高每個工人的生產力。此外，高階技術人力也變得更加稀缺，企業需要思考如何以最高效率地利用這些有限的資源。遠距協同工程技術成為未來企業的重要工具，可以讓企業在全球範圍內合作並共享核心技術能力。
在未來，隨著技術的不斷演進，智慧製造將展現出更為令人矚目的發展前景。我們可以預見，自動化、遠距協同、虛擬實境、設備診斷、製程模擬等技術將繼續透過雲端服務平台廣泛部署和運營。根據市場預測[5]，預計到2026年，智慧製造市場將達到6,200億美元的規模，如圖2所示，顯示了這個領域的巨大發展潛力。然而，這種變革不僅僅是生產技術的更新換代，也對環境、勞動力市場以及全球經濟產生了深遠影響。因此，企業和政府共同努力，積極投資並加強合作，以實現智慧製造的潛力，同時確保在這個快速變遷的世界中保持競爭力。

圖2 TrendForce預測到2026年智慧製造市場產值

從工程計算到互動環境
在當今世界，智慧製造已經成為製造業的一個關鍵趨勢，製造業迫切需要將工程分析軟體和數據分析圖表投射到沉浸式虛擬環境中，然而，將現有的工程分析軟體和數據分析圖表直接投射到沉浸式虛擬環境中卻面臨著一系列技術挑戰，目前存在一些問題如下所示。本文將探討這些挑戰，並提出了一個解決方案，以實現即時互動的智慧製造環境。我們將以工具機和機械製造產業為例，探討目前的技術限制，文中將介紹通用場景描述格式（Universal Scene Description, USD），一種適合幾何資料的格式，以實現動態、即時、多人編輯的虛擬場景。