整合異質裝置協同運作　智慧聯網加速實現生產力4.0

「工業4.0」係德國政府提出的政府高科技產業戰略計畫，由德國聯邦教育及研究部和聯邦經濟技術部聯合資助，以高科技產業的「智慧自動化」(簡稱「智動化」)、「自主化」及「數位化」為目標，提升產業於各種智慧聯網系統應用的生產效率、速度及彈性。此外，德國「工業4.0」計畫，也帶動美國「AMP計畫」、日本的「機器人國家發展計畫」、中國大陸「十二五計畫」、韓國「機器人發展計畫」，及台灣核定「智慧自動化產業方案」等相仿國家型產業計畫發展。將「智動化」列為強化國家製造產業的重要發展項目，已蔚為已開發國家發展趨勢。

創造智慧聯網系統價值鏈

智慧聯網由大量的感測元件、各式設備、網路通訊裝置、平台、應用服務及後端系統運算等組成，系統規模龐大，系統構成元件數量與種類繁多，且情境複雜，須進行多種情境判讀與分析，系統存在著知識密集、高度專業化，以及開放性等特色。

進而整合設備裝置與軟體系統的過程中，建構虛實化整合系統，藉由網絡與虛擬組織達成分散自我控制，因應不同情境，需要即時進行人與環境的互動。因此，結合反應設備自動化處理與後端平台智慧化分析，形成協同互動的發展需求。

智慧聯網系統於「工業4.0」的應用，是運用雲端運算分析每一台設備與裝置的巨量感測資料，進行篩選、過濾感測資料，建構虛擬系統進行自動化系統整合規劃，判別分析關鍵需求資訊，提出智慧化決策或建議，並主動與其他設備裝置交換資訊，作為控制或操作設備與裝置的資源配置依據。

透過智慧聯網系統協同運作，實現不需人為操作系統設備，即可依實際情形即時運轉調配，提升整體材料、能源、人力、時間等資源之使用效率，顯現人機協同彈性作業與智慧化製程或服務等價值。

然而，智慧聯網環境多元且感測資訊多樣複雜，因此智慧聯網系統結合整合協同互動發展，應建立即時資訊分析決策平台，透過一個可處理大量複雜即時資訊的複雜事件處理引擎(Complex Event Processing Engine, CEP Engine)作為處理平台，建構Network-based的複雜事件處理規則程序。在連續到達的事件流中，採機器處理(Machine Learning)的方式，利用自訂的事件規則從中擷取有意義的、符合應用需求的複雜事件，分析智慧聯網系統環境資訊；最終透過分析結果與決策建議，然後根據規則流程與模型辨識，進行資源配置與調度的協同互動。

透過該平台可整合大量異質感測資料，透過決策處理分析程序，將所蒐集而來得資料進行初步處理過濾。首先針對即時資料先進行資料清潔，運用資料補償技術、錯誤偵測技術，先將收集到的串流資料進行資料的整理及轉換，再依據個別資料探勘分析演算法的需求，進行相關資料的整理及轉換應用，依據分析的目標進行相關演算法的選擇，並進行批次的資料探勘分析；進而整合遞增探勘串流資料分析架構，結合批次更新(batch)資料及漸增計算(increment)資料結果，以提供快速、即時的資料探勘環境分析資料。

圖1 系統協同運作決策分析流程

複雜事件處理規則編輯工具(Rule Editor)，提供使用者定義所需處理的事件規則與流程，並藉由各規則代理人元件的程序處理設定，設定各元件所需負責的事件項目。

圖2 智慧聯網協同運作─複雜事件處理分析引擎規則流程示意

在規則建立完成資料過濾處理與分析後，系統將藉由資料分析結果，提供即時決策服務引擎進行決策建議，利用Evaluation Model可藉由Ensemble Methods整合方法(如Majority Voting Rules等)，透過融合多元化分析模型所提供之預測結果，針對各個分類模型所產生之結果進行表決，最後整合所有分析決策結果，提供系統運作的排序，作為最終決策服務的參考依據，裁定各個系統運作間的基本型態。

此外，系統開發者可藉由定義事件對底層原始事件進行聚合，並通過在規則中引用事件不斷過濾連續到達的事件流，利用事件間的關聯、事件聚合以及事件分流等技術，從原始事件或多個事件中，擷取有意義的、符合應用需求的複雜事件，提供系統的不同使用者提取各自需要的資訊，並藉由觸發對應事件的反應行為，以即時的處理事件，即當串流事件受到作用，內部狀態發生變化，滿足一定條件的內部狀態又觸發對外部的反應，不同的系統將依情境規則執行動作，產生系統的互通整合運作情形，形成在智慧聯網環境中，面對不同系統間之協同互動發展。

火力發電廠整合實例介紹

目前資策會智通所團隊，研發火力電廠的智慧型吹灰系統，體現智慧聯網系統整合協同互動，提供火力電廠發電運轉時，智慧型吹灰系統協同互動的決策分析平台。

圖3 複雜事件處理引擎應用智慧型吹灰系統

圖4 智慧型吹灰系統協同互動平台運作示意

研發智慧型吹灰系統的主因，係受到台灣火力電廠多採用成本較低廉、煤質煤灰變化範圍大的煤源，除了降低購煤成本之外，透過不同煤種熱值的混合配比發電運轉的方式，可達到提高發電量與環保排放的效益，造成台灣火力電廠的發電機組，對於現行所採用吹灰系統，未有考量煤質、環保等因素的固定順序與頻率吹灰模式，無法滿足日益頻繁之配煤分倉燃燒運轉型態。

有鑑於上述背景，火力電廠為滿足多元燃燒的發電運轉模式，透過智慧型吹灰系統的改善計畫，除了參考原設計與發電機組鍋爐改善設計之外，也增加其他重要資訊，如：歷史鍋爐內結渣積灰情形，以及現場運轉人員觀察經驗與破管原因分析紀錄等資料，利用時間標籤的方式，聘行吹灰器運轉排序，與頻率資訊之統計迴歸資料關聯分析，建置智慧型吹灰系統進行改善，以降低煤質變化對機組運轉可靠度與運維費用的衝擊。

火力電廠透過發電機組的鍋爐設備燃煤，在運轉發電的過程中，時常面臨鍋爐、各種熱交換器的受熱面結渣、積灰等問題，造成電廠燃煤發電機組在維持與提升運轉效率面臨挑戰。由於燃煤的鍋爐的結渣、積灰程度，將直接影響鍋爐與熱交換器等設備受熱面積的熱交換效率，增加鍋爐的能耗，進而降低各種節能熱交換器的節能效果。一旦積灰、結渣情形嚴重時，還可能引起鍋爐結渣、掉渣，受熱面的侵蝕、破管，進而造成發電機組停機，造成發電量下降與經濟損失等議題。

因此，為解決此一問題，資策會於火力電廠的吹灰系統應用實例，應用複雜事件處理引擎技術，開發之智慧型吹灰系統，基於複雜事件處理引擎技術，本身可過濾多樣化且複雜的事件資訊來源，擷取符合之特徵值進行分析計算的特性，本案例開發之系統考量熱力學模型、鍋爐清潔度計算、負載、運轉、燃料資訊、效率計算、鍋爐設備劣化與老化程度等因素，以及進階辨識的統計模型(Advanced Pattern Recognization, APR)，進行不同影響鍋爐吹灰的因素分析，與系統設備控制的協同運作。

採用智慧型吹灰系統與智慧聯網的複雜事件處理引擎平台，結合專家知識與電廠人員的實務運轉經驗，建立鍋爐清潔度分析、爐管金屬溫度變化，以及煙氣溫度分析等演算法模型，與控制吹灰器、排煙脫硫設備、粉煤及磨煤機等規則的編輯與演算法分析，作為智慧型吹灰系統建議吹灰方式的判斷基準，與人工實際的吹灰點相近與相符，提升擬真性。

圖5 智慧型吹灰系統協同互動規則引擎

智慧型吹灰系統透過複雜事件處理引擎中心，作為協同互動的調度管理平台，統籌調度吹灰器、磨煤機、粉煤機，或排煙脫硫等子系統或設備的規則引擎，過濾分析環境的溫度、壓力、出風口溫度、一次風溫度、風速、粉煤細度，或是環保排放的NOx、Sox、NH3或Ash等多種不同類型的感測資料。

透過上述已過濾分析之感測資料，進一步再根據每個子系統或設備的規則引擎系統，所編輯的專家吹灰規則，參考啟動、關閉及限制等不同因素，當系統執行時，安排彼此之間的運作順序，多個子系統可同時並行動作，或是不同子系統間受到限制因素的影響，因而不得同時執行等各種運轉調度情境。

整合異質聯網裝置　協同互動平台扮要角

展望智慧聯網系統對於未來人類生活所帶來的衝擊與改變，在整體異質聯網環境與應用情境日趨複雜的情形下，包含能源管理、智慧家庭、智慧建築、智慧交通、智慧醫療、智慧校園及智慧城市等不同生活的廣泛應用，再加上結合「工業4.0」的趨勢發展背景下，將面臨更多不同系統間的整合議題。

因此，系統間的整合運作將會變得非常的繁雜，為了達到整合目的，必須採用客製化方式開發系統，導致系統的整合與維護缺乏效率。因此，如何整合不同系統，並有效地進行協同互動，打造協同運作價值鏈，將是往後智慧聯網產業面對的一個重要課題。

未來，在互通整合運作性、人機協同互動上，將朝能夠整合異質性裝置與虛實化整合系統，能無縫式彼此進行整合互動運作，以使用者為中心、系統服務為目標、跨領域整合為手段，創造機器和人在聯網的價值鏈協作，提供「工業4.0」不同機組與系統整合運作的架構發展。

(本文作者任職於資策會智慧網通系統研究所)