工業物聯網部署腳步加快，近年技術不斷演進的5G也成為打造智慧工廠的一大利器。5G專網不僅以高頻寬、低延遲的特性提供資料傳輸，更可結合虛擬分身替工廠中所有作業建模，是協助廠商快速應對市場變化的法寶。
由5G和工業物聯網(IIoT)推動的虛擬分身(Virtual Twin)可提升製造商的洞察力，改進決策並同步反應市場需求。如今，高科技製造商必須應對較短的產品生命週期、不斷變化的需求和波動性，因此，他們須具備敏捷性並能夠快速反應。與此同時，IIoT的採用率也愈加廣泛，迎來新的製造時代，增強生產效率和工業流程。
IIoT讓製造商能夠捕獲並分析大量即時資料。資料來自生產線上的智慧感測器和執行器，甚至是現場部署的產品，可協助製造商更快、更準確地推動業務決策。
IIoT方興未艾
現階段IIoT的局限性
目前的IIoT方法仍然是靜態和孤島式的。這代表，雖然高科技製造商已經實現製造數位化，卻仍然很難快速了解事故對車間規畫和營運各個方面的影響，包括物流、倉儲和全球供應網路。
IIoT的孤島式和靜態方法無法有效處理中斷事件，這是因為它們缺乏「數位工廠」建模功能。如果沒有這樣的功能，高科技製造商將無法加速其創新流程，也無法足夠敏捷地重組營運以應對中斷事件。
此外，實際的高科技產品本身就是一個巨大的變革驅動因素，是軟體、電子、硬體和內容的複雜組合。今天，許多高科技產品實際上是機電一體化產品，需要越來越多的可配置性和大量客製化(Mass Customization)特性。
雖然車間一直都有連接，但大多是臨時的、專有的或特定於供應商的連結。IIoT同時也朝著通用的互操作性、連接性和監控標準邁進。這些標準化與無線連接有關，包括窄頻IIoT，以及影響所有級別的許多其他標準。
若製造商想要實現敏捷IIoT策略，便不能在自動化的道路上設置障礙，因為這也會阻礙精實生產。製造商所要做的是：
．利用5G和IIoT加速智慧機器資料聚合
．結合即時大數據和新的生態系統
．在基於模型的虛擬分身中複製這些元素，將所有參與者、流程和資源連接在一起
行動專用網路(MPN)是製造商可確保擁有專用連接控制，以便實現其5G業務目標的其中一種方法。MPN是特定業務地點的專用網路，讓高科技公司可以更好地控制其5G流量，以確保任務關鍵型營運取得成功。MPN也在本地和雲端運算之間架起橋梁，保證現場資料的安全性，並且可擴展以連接數千台設備。本文將進一步討論5G如何與IIoT相結合，實現更高效、更快的製造資料聚合。
5G/IIoT攜手改變遊戲規則
5G是迄今最雄心勃勃的無線通訊系統，從一開始就為滿足跨產業需求而設計，在人、物和基礎設施之間提供高頻寬、低延遲、可擴展性和無線通訊安全性。5G的性能超越其前身4G，達成質的飛躍：
．速度提升20倍
．延遲從200毫秒減少至1毫秒
．連接密度提高至每平方公里100萬個連接
印孚瑟斯(Infosys)的Fawad Noory表示，明顯的5G優勢包括重新組構製造中的大型敏捷工作流程，可支援新的數位工廠。這種大幅改進的效能可以增強即時監控，讓製造商準確了解車間目前情況。
5G-IIoT的生產價值正在改變遊戲規則。首先，製造商將能夠處理來自更多感測器的更多資料，精確而安全地將大量生產資料聚合和情景化；其次，他們能夠將工廠系統的所有內部組成部分與外部元素連接起來，如全球工廠、物流、供應商、使用和維護的產品或環境資料。 當製造商能夠解決約束並縮短反應時間，進而實現或中斷新產品引入時，生產敏捷性就會提高。目前普遍認為5G可提供有助於業務轉型的關鍵網路架構，而達梭系統(Dassault Systèmes)高科技產業資深總監Mahesh Deshpande提醒，5G的價值才剛剛開始在製造業中顯現。
Deshpande認為，IIoT是連接設備、控制、產品、營運、業務流程、人員和資料的長期旅程。5G透過超可靠低延遲和高流通量的連續即時連接來支援這段旅程。但是，缺乏互操作性、連接性和監控標準及最佳實踐，將限制5G的實施範圍。隨著企業學習和重新調整5G-IIoT計畫，他們將看到組織或生態系統可獲得的收益。
新5G-IIoT生態系統
未來的工廠成功與否取決於協調新生態系統的方式。這些5G-IIoT生態系統由各種主要參與者組成，為製造商提供設備、無線連接基礎設施和執行平台。所有這些都建立在一個通用的業務策略框架上。
新5G-IIoT生態系統中的主要參與者包括：
．在智慧工廠中應用5G-IIoT的製造商
．造就工廠和使生產成為可能的機器和設備供應商
．提供無線連接基礎架構以及網路即服務(NaaS)的公司
．管理營運和資料的執行平台提供商
Deshpande表示，5G-IIoT生態系統中，各方的最終目標是基於一系列標準和協定為製造商提供改進的無線連接。隨著產業聯盟致力於這些標準和協定，連接提供商的供應商將在他們的設備和機器產品中落實這些標準。
雖然現在很多地方都有4G，有些地方則使用LTE，但某些任務關鍵型應用需要低延遲的問題依舊無法獲得解決，而這正是5G發揮作用的地方，其有望以低延遲和高流通量提供即時連接。工廠內所有機器都在產生大量資料，因此，必須獲取原始資料，有時甚至在本地進行分析。
以前，網路設備供應商會選擇和無線電信領域的公司合作，由這些公司提供網路服務。現在情況發生變化，5G設備供應商將直接與製造商聯繫來提供連接。5G標準才宣布不久，早期的測試主要由電信商進行。現在，企業能利用訊息和數位系統，在製造和營運執行平台上運行，包括材料同步、維護、品質管理、倉庫追蹤等。
與此同時，企業也能夠利用工程和創新平台，連接生產環境中的產品和設計訊息與所有設計和生產工程功能。因為有了這些資料，現在的工廠可以進行即時資料分析，包括人工智慧(AI)、機器學習(ML)等支援的預測分析和規範分析。
最後，工廠需要一個具有可視化警報和相應機制的環境，以便中斷、監控和最佳化生產，這便須應用IIoT和5G架構堆疊。
虛擬分身靈活模擬
高科技製造商成功整合5G-IIoT和新生態系統後，所須執行的第一項任務是對供應鏈和有形資產進行建模和模擬，以提高製造的敏捷性。第二項任務是確保生產線上各個流程的端到端可追溯性。兩個策略都可以透過虛擬分身來實現。
虛擬分身帶來策略性變革
供應鏈的虛擬分身將其轉變為價值網路，其中有形資產可以建模為生產分身。製造商與其供應鏈之間長期的鴻溝使供應商無法融入生產創新流程，在需要快速創新以克服中斷時反應不及。
價值網路開啟了建立合作夥伴關係的能力，並且生產敏捷性隨著資料可見度的提高、決策的改進和可追溯性的提高而加快。另一方面，虛擬分身利用有形資產連接虛擬模型，使高科技製造商可以透過聚合來自生產線、製造設備、人員和生產計畫的資料，評估多種場景並想像生產可能性。實際應用包括有形資產的三維展示以及智慧分析和即時洞察(圖1)。
圖1 虛擬分身支援的策略性變革
借助虛擬分身，製造商可以使用5G-IIoT即時監控並調整車間活動，包括：
．設備狀態和行為
．生產、營運、材料和品質狀態
．安全相關方面
．流通量問題
製造商能夠以虛擬方式重新配置機器，以預測實際性能、發現品質問題、預測零件故障並確定產品改進點。
由5G-IIoT支援的虛擬分身使製造商能夠更靈活地模擬工廠作業流程，包括各種營運、工廠布局、中間機器和設備、材料處理系統，以及通知製造商庫存問題及在製品(Work in Process, WIP)庫存問題的材料或在製品流程。
達梭系統SIMULIA高科技總監Jonathan Oakley表示，在高科技、汽車和航空航太製造中，工具和生產流程不斷變化以適應新產品和改款。車間在短時間內應該是動態且可重新配置的，而傳統的有線網路則不是這樣。5G將透過在每台機器、無人駕駛運輸裝置和精密工具上連接多個物聯網感測器，實現更高的靈活性。但是，要完全實現5G和物聯網的前景，無線系統和連接的覆蓋範圍及可靠性至關重要。發射/接收點和物聯網天線及其在複雜動態環境中傳播方式的虛擬模擬將是成功部署的關鍵。例如，未來工廠的3D展示中將可驗證5G天線的位置，以獲得最佳網路覆蓋率，同時考慮該3D空間內工人和設備的移動方式。
如何使用虛擬分身
具有生產分身和端到端可追溯性的虛擬分身可實現業務轉型和敏捷生產。下面介紹其如何影響概念化、比較和協作模式。
．概念化
人類和電腦處理訊息的方式不同，人類更傾向於依靠視覺來概念化事物。虛擬分身在整個生產過程中保持3D可視化能力，並提供物理和虛擬產品訊息之間的共同視角。舉例來說，虛擬分身並非提供車間的書面報告，而是透過生產線追蹤有形產品的進度。
．比較
虛擬分身以數位方式複製有形產品訊息，使比較變得容易，有助製造商進行決策。例如，製造商能夠快速比較公差範圍並快速做出有關此類差異的決策。這些測量值可以涵蓋任何產品特性，無論是定量特性還是定性特性、跨越一系列產品或只是單個產品。改進的比較功能還支援未來的營運調整，以進一步提高生產線的效率和品質。
．協作
生產民主化是面向製造商的一種賦權功能。當人們可以協作時，他們可以在生產線方面解鎖更多智慧、擁有更豐富的視角、更快地解決問題並加速創新。在這樣的價值網路中，多專業團隊可以直觀地分享他們的概念，無論他們身在何處。
想像一下，若企業連接其遍布全球的所有工廠，並利用虛擬分身將虛擬產品訊息疊加在其物理對應物上，團隊便可比較自己與其他工廠的績效差異。如果該工廠出現問題，解決方案也可以迅速移轉到全球其他工廠。
虛擬分身使物理位置無關緊要，每個人都可以訪問共享的3D可視化效果，參與比較並使用最新數據進行協作。達梭系統DELMIA策略業務發展總監Adrian Wood解釋，高科技產業競爭非常激烈，關鍵是誰在準時方面排名第一、在品質方面排名第一。生產分身不僅是實體世界和虛擬世界之間的連接，更是一個同步的閉環，可以幫助公司進行規畫和執行，從整體上而非獨立的面向進行規畫作業(圖2)。
圖2 運作流程示意圖
整合平台打開全局視野
虛擬分身在基於模型和多尺度的整合平台上進行，可對所有生產系統進行建模，包括機械、電子和軟體系統、實體和功能行為、製造流程、需求、測試、故障分析模型以及正在生產的實際產品。
虛擬分身整合平台處理的尺度可大可小，可以將微晶片或電池電解液配方的最小部分複製到整個全球工廠網路的規模，同時考慮橫跨全球模型的產品流。這是一個用於規畫、營運和調整全球生產系統的單一環境，因為製造商可以在一個參考點上協調所有相關人員。
借助整合平台上托管的強大應用程式，製造商可以管理產品的作業流程，並確定接下來該如何製造產品、使用哪個設備，以及製造地點。藉由整合平台，營運的複雜性降低，生產變得更加敏捷，生產流程中可實現零冗餘。相關人員可以隨時隨地透過安全存取改進決策及生產模式，並促進同步工程，進而產生更好的產品。這些功能可幫助製造商獲取和重用知識、模擬和預測事件以及改進決策和結果。
IIoT應用
5G-IIoT在虛擬分身的支援下，可透過在基於模型的整合平台上支援業務流程、工作流程和協調、資料管理及產品完整性和性能，為智慧工廠創造新的商業價值。
以下舉例說明IIoT和5G連接在虛擬分身的支援下，在一家主要電信設備製造商的智慧工廠中，所實現的新商業價值。
．互動式車間和即時監控
無論車間主管或製造主管身在何處，都可以將營運中的製造工廠和物流資產的全球網路可視化，而KPI的即時儀表板可幫助他們確保計畫內交付週期、提升品質並快速控制缺陷、改善流程及資產性能。
．虛擬驗證
虛擬驗證允許工廠經理對新控制器、機器人或新工廠布局的安裝和行為進行建模。使用基於模型的3D技術模擬資源和設施可提供一次性成功的產品品質、快速驗證新生產線概念，並且最佳化/減少生產停機時間。
．虛擬和擴增實境培訓
車間作業員可以進行虛擬培訓，以便正確地、符合人體工學地使用工作指令。這將縮短裝配時間、提高製造品質，並一次性成功生產。
．人機協作
5G-IIoT連接將實際機器人控制器與控制器在虛擬環境中生成的資料連接起來，在機器人外殼和關節方面提供高精度和保真度。因此，高科技製造商可以提升在生產線上部署機器人的速度，同時確保故障運行模式以提高安全性、工人生產率及流通量，並改善人體工學。 接著本文將說明透過機器學習實現生產資產監控和預測性維護的應用。生產分身除了提供準確虛擬展示，還能藉由每個硬體生成的大量資料提取更多價值。
製造商可以聚合各種資料管道並對其進行智慧過濾，以便對資料進行清理、處理並應用機器學習，透過訓練機器學習特定資產維護計畫的歷史模式，預測維護間隔(圖3)。
圖3 對各種資料管道進行智慧過濾
5G-IIoT提供的速度和頻寬使機器能夠更容易、更快地找到處理模式，進而對生產條件做出更敏捷的反應。機器可以自動執行各種生產流程，以便製造商能以更快的速度調整製造策略來應對挑戰或中斷。
即時訊息還可以用於預測或提升產品品質。達梭系統解決方案顧問David Nicolaides分享，企業可以藉由預測，在利基市場中建立先發優勢。以電池製造為例，機器學習模型可用於縮短多週期測試，前幾百個週期的電池行為可以幫助製造商預測接下來數千個週期的表現，並避免延長測試時間。
5G-IIOT敏捷製造從今天開始
高科技領域的全球競爭壓力大，且商業風險將持續升高。如今，中斷可能隨時發生，這是該產業的新常態。越來越多相關業者意識到生產彈性的必要性，而供應商網路轉型將成為競爭關鍵。
正如本文中所討論的，虛擬分身好處無數，可實現高敏捷生產。但是，這點惟有製造商在下列項目實現閉環才可成真：
．規畫和實際營運
．全球工廠系統的組成部分
．生產線和供應商網路，包括物流
．製造和上游工程，無論是在內部還是與生態系統中的合作夥伴之間
5G-IIoT可以豐富製造商的數位化策略，使其加速邁向未來的敏捷工廠。該技術讓來自邊緣運算和雲端的大量即時資料能夠聚合、情境化並投入分析。5G-IIoT的低延遲和高頻寬特性讓這些資料能夠即時使用，提供與全球許多有形資產互動的能力。雖然標準和最佳實踐仍在不斷湧現，5G-IIoT領域領先參與者組成的聯盟和論壇也正在制定相關標準，不過5G-IIoT的好處已經十分明顯。
整合平台上的虛擬分身可創造競爭優勢，為企業提供端到端的可見性、效率和控制。這是一個為多種角色(產品研究人員、設計人員、開發人員和製造商)打造的合作區，讓他們能夠攜手使生產更加敏捷。
與此同時，我們必須認知到，轉型是由人驅動，也是由人完成的。人們需要變革性的體驗來促進和加速決策。為了實現這樣的轉型目標，高科技製造商須要在他們的專業知識孤島之間實現協作。當製造商擁有可擴展、一流的執行平台和應用程序，在形成中的新動態5G-IIoT生態系統中，與敏捷、知識淵博和值得信賴的合作夥伴更靠近時，便可逐步接近協作理想目標。
(本文由達梭系統提供)