芯耀
与非AI
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制造业持续发展智慧制造技术，加上产业受到疫情影响，工厂人力的数量与移动范围受限，需要仰赖远距工具辅助巡检与设备维修等工作。生产方面，产线也逐步导入软体模拟技术，期望加速产品开发流程，同时减少开发过程中试错导致成本增加。整体而言，工厂的产品开发、生产、产线规画与设备维护工作，都能得益于虚实整合的技术，促使数位分身(Digital Twin)成为发展智慧製造的重要技术。
智能制造发展带动工业虚实整合应用的市场成长，数位分身透过资料蒐集、数据分析、整合资深人员的现场经验产出精准的模拟结果，提高产品开发、生产以及工厂规画的效率并降低成本。为了协助数位分身应用落地，业界厂商更透过平台整合多种软体功能，或者强化即时多人协作与GPU效能，提高数位分身应用的方便性。
数位分身实现高效生产
工研院机械与机电系统研究所所长饶达仁(图1)指出，随著企业数位转型的需求持续成长，2021~2023年厂商在智慧製造相关服务的支出，可望从3,450亿美元成长至9,500 亿美元。製造业者及其技术伙伴，聚焦在如何数位转型，以优化整个生产週期中的数据管理，并蒐集更多数据，有助于提升跨组别与跨部门运作的效率，并能透过服务供应商的协助实现数位转型。
图1 工研院机械与机电系统研究所所长饶达仁
数位分身由生产系统的虚拟表现所组成，饶达仁进一步说明，其特色是虚拟、现实系统之间同步进行，需要感测数据、串连智慧设备、数学模型及精细即时数据，可即时预测和最佳化生产系统在每个产品生命週期阶段的行为。对于整个工厂的生命週期而言，该技术能够打破从设计、建造、交接，到员工训练、生产营运、监控、维护、最佳化等数据资料与实体资产间的隔阂。
数位分身大致可分为三个阶段，第一阶段为实体资讯蒐集，工厂可运用多种感测器及物联网(IoT)技术，达成数据收集。第二阶段为数位世界的虚拟及最佳化，运用数值模拟、大数据分析及人工智慧(AI)等技术。第三阶段以虚拟世界应用于实体世界，也可以加入扩增实境(AR)/混合实境(MR)技术辅助呈现。透过数位分身技术，工厂可模拟真实系统及生产环境、预测可能发生的问题，为製造业缩短生产时间、节省製造及维修等方面的支出。
洛克威尔智慧製造应用发展经理王展帆(图2)表示，製造业面临人力短缺且有经验的技术工作人员稀缺的挑战，虚实整合技术能够快速的传承经验，且透过数位分身模拟取得无法直接感测的资讯，如产品製造过程中，变压器的线圈温度攸关其安全性，传统上只能由经验资深的工程师，透过天气状况、溼度等资讯，判断产品的安全性，没有明确的标准。当生产流程中纳入数位分身技术，软体可以透过分析变压器的电压、电流、流体等数值，模拟得知线圈的温度。数位分身除了有助于模拟产品的设计与生产，还能强化工厂的营运管理效率。透过採用数位分身技术，营运端的管理者可以即时取得製造端的资讯，现场人员也能在维修机台等工作中，参考更详尽的机台资讯。
图2 洛克威尔智慧製造应用发展经理王展帆
专业人才/物理演算法建立高精准模拟
模拟精准度是数位分身技术的关键，唯有数位分身的模拟结果高度贴近产品实际设计与生产的状况，才能有效提高产品开发的时间效率与成本效益。王展帆提及，建构精准的数位分身需要三种核心角色参与，一是熟悉现场机台与技术的领域知识专家，由专家输入贴近现场的人为经验。其次是透过资料科学家分析数据并建置演算法。第三则是藉由自动化专家的能力蒐集正确资讯来输入， 并且完成整个生产流程的自动化设计。
针对演算法在数位分身技术中的应用状况，NVIDIA亚太区技术行销总监严永信(图3)进一步说明，物理演算法是让产品的模拟结果与真实状况一致的关键，过去的CPU伺服器效能无法满足物理模拟的需求，导致模拟时间过久，成本效益低落。现阶段随著CPU与GPU的硬体效能增强，结合图形处理与AI的物理演算法模拟运算速度大幅加快，有助于数位分身实现高精准且高效率模拟的目标。
图3 NVIDIA亚太区技术行销总监严永信
平台整合强化数位分身优势
数位分身应用涵盖产品整个生命週期，达梭系统中国台湾资深技术经理许欲生(图4)分析，产品製造在设计阶段已经决定了七至八成的成本，设计阶段会决定生产产品所使用的材料及製程，不论后续如何改善製造流程，成本也不会有太大的变动，因此产品实际在产线生产前，需要完成谨慎的设计模拟及製程规画。数位分身在设计阶段会产出3D的虚拟设计，待产品设计完成，会进行模拟分析，确认产品的结构、热或是电磁学等面向达到目标后规画製程。製程规画包含工具、治具、製造程序的设计/规画，藉此计画产品如何加工、组装、工厂需要哪些人员、设备如何布局、物料配送方式等。完成上述的设计与模拟后，系统会产生操作指令，经由製造营运系统(MOM)连结实体的生产流程。产线实际生产的数据，包括锁螺丝的磅数、使用的物品重量、产线在多少时间内产生多少再製品、品质如何、报废品数量等生产数据，都即时记录并蒐集到MOM。
图4 达梭系统中国台湾资深技术经理许欲生
工厂在虚实整合的环境中，当产线资料中出现问题，便需要回到设计或者製程规画阶段，寻找改善工厂营运的切入点。当数位分身应用于上述的产品生命週期，每个步骤都要透过不同的软体完成，例如产品设计的工程、外型、分析、结构、工具设计，以及数位製造的软体种类也很多元，经过平台的整合才能完整发挥数位分身技术的优势。以达梭系统的3D体验平台为例，该平台整合产品设计与生产阶段所需的软体，使用者只要使用平台上不同功能的App，就能将软体的设计或分析等结果整合为相同格式的资讯，不同的设计与生产阶段间的资料便不需要额外转换格式，皆能在平台中统一管理。此外，平台串连产品在不同流程之间的设计、分析、製造数据，用户能够在平台上分析产品的生产趋势、製造趋势，找到改善生产流程与营运决策的参考。
除了功能整合，顺畅的协作也是平台强化数位分身优势的切入点。严永信提及，在产品的生产流程中，过去业界已经有EDA工具等模拟技术，只是传统的模拟技术在不同生产阶段之间难以互通，技术人员缺乏跨软体沟通的工具，无法为产品的设计与生产数据建立完整的资料库。因此当数位分身用于辅助产品设计、生产及仓储物流等阶段，协作平台的整合便成为模拟技术发展的关键。以Onmiverse为例，该平台结合3D协作与多GPU可扩充模拟，提供产品设计人员多人即时协作功能，加上高度整合的数据有助于结合AI模拟产品设计的成果，实现虚实整合应用，以缩短产品开发时间与实际试错所带来的耗材成本。
数位分身的模拟精准度仰赖人为经验输入与精准的资料分析，应用方面则有厂商整合软体功能及协作支援，为数位分身应用建立完整解决方案。数位分身高度贴近事实的模拟成果，能够为产品开发、生产及工厂营运带来助力，有效提升产品设计的效率，同时减少生产及工厂规画在实体环境试错导致的时间与耗材成本，可预期未来数位分身在智慧製造应用中的角色将更显重要。
