發佈日期:2019-01-14

洞察2030年智慧製造之關鍵技術領域發展趨勢

作者: 葉芳瑜

前瞻研究 智慧製造 前瞻分析 政策議題 關鍵技術 Smart Manufacturing Foresight Analysis Policy Issues Key Technologies 工業4.0 生產力4.0 自動化

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一、國外政策戰略回顧

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隨著世界經濟論壇主席Klaus Schwab在2016年正式宣告第四次工業革命時代來臨,全球製造業將正式啟動大規模的技術創新。以「智慧製造」為主的第四次工業革命,除了強調人工智慧(Artificial Intelligence, AI)與物聯網(Internet of Things, IoT)的運用,更加速人機協作場域與生產模式的實踐。面對這波數位衝擊,各國紛紛提出相應之戰略,透過強化本身的創新生態系統,打造智慧化生產環境,以提升國家競爭力。

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回顧各國發展工業4.0之戰略,其推動目標多著重在強化企業技術創新主體地位、導入新興科技(如精密機器人、尖端智慧控制等)以提升資源生產率和利用效率、建立創新生產與商業模式(如互聯網化)以創造更多價值機會、及提高國家科研投入並強化重點科研領域/項目之研發。而各國採用的戰略內涵包含提高科技創新的研發預算、支援科技創新人才的投資、鼓勵開放式創新活動、透過科技創新活絡地方發展、深化與海外成長市場的鏈結及擴大研發投資並進行制度的改革等,如圖1所示。

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圖1 各國工業革命推動戰略、目標及內涵 (點我開啟大圖)

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以德國與美國為例,對於創新產業管制採取自由放任的態度,而充沛的資金來源是形成創新生態體系的關鍵主因。生態系中將以產學為主體,其政府只扮演強化法規建置及打造創新友善環境、維持市場秩序等輔助性角色。為因應智慧製造的需求,戰略上多強調產學鏈結及人才培訓網絡的建構,推動策略包含引進新創事業進駐大學研究園區、企業資助研究計畫以培育產業專業人才、透過業師偕同教學方式以提攜後輩激勵創新等措施。

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在智慧製造的範疇當中,德國優先推動的技術領域將著重在雲端計算、智慧電網與大數據分析這三項技術,例如透過網絡實體系統(Cyber-Physical System, CPS)進行動態調整,以利於整體資源運用的最佳配置,並在給定資源生產率的情況下,盡可能提升最大產量。再則,美國為因應未來能資源短缺問題,優先推動的技術領域將鎖定在先進材料製造(Advanced Materials Manufacturing, AMM)、視覺化、資訊化及數位化製程技術(Visualization, Informatics and Digital Manufacturing, VIDM)和先進感測器、控制及製造平台技術(Advanced Sensing, Control, and Platforms for Manufacturing, ASCPM),透過ASCPM與AMM導入在製程中將有助於訊息和機器設備無縫接軌,進而提高生產效率並降低能源消耗。

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反觀日韓兩國,政府在創新生態系統中扮演重要的角色,由政府明訂創新發展方向並進行科研機構的整合規劃,再由民間大企業主導創新活動內容。百分之八十的創新資金來源由大企業出資,並在大企業的輔導下帶動中小企業進入工業4.0階段。關於科技人才的需求,則是透過各項誘因政策來吸引全球科技人才的進駐,以彌補創新產業在科技人才不足之缺口。

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在智慧製造的範疇當中,由於日本投入較早,從80年代的柔性生產 1 變革為電腦整合製造(Computer-Integrated Manufacturing, CIM) 2 與工廠自動化 3 階段,為展現對科技發展的企圖心,並實現「超智慧社會(Society 5.0)」的理想目標,日本未來將朝向人工智慧、物聯網及感測器等三大技術領域發展,藉此打造革新性的網路與物理空間基礎技術,進而發展尖端智慧控制與多元數據處理模式,創造更高的產業附加價值。反觀韓國,技術重點將結合既有的製造業優勢與ICT科技,強化大數據與生產流程監控系統之應用,以提高生產效率並降低整體生產成本。

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綜合上述,不論是由政府主導的日本與韓國,或是由企業為創新主軸的德國及美國,打造智慧製造、人機協作之友善生產環境已成重要趨勢,而工業4.0的熱潮讓全球各大工業強國積極提出相關因應戰略,那麼台灣在這波熱潮中,應如何布局並發展哪些關鍵技術,方能實現人機協作下創新生態系統產生的新價值、創造新的應用領域?

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二、國內現況解析

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綜觀台灣製造產業正面臨兩大困境,第一、由於發展工業4.0的起步較晚,因此在關鍵技術上將與先進國家有所落差,以致國內技術水準無法與國際趨勢接軌,中小企業面臨轉型上的困境。第二、以需求導向(Demand Driven)的工業4.0生產模式,迫使台灣製造業從整廠整線的自動化生產轉變為客製化的少量多樣生產模式,然而在全球製造業高度分工下,台灣將面臨在高端市場逐漸失去優勢,在低端市場的訂單又須與開發中國家競爭局勢(科技部,2015)。

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在資源有限的情況下,台灣如何突破困境並找到優先投入的關鍵技術領域,成為值得探討的重要議題。爰此,以歐盟KETs關鍵技術報告(European Commission, 2014)與工作計畫(European Commission, 2013)作為基礎,重新建構了46項智慧製造之核心關鍵技術清單(如圖2),透過專家深度訪談進行篩選,所選取的受訪者主要是專精於智慧製造等相關領域之產學研專家,專家群的背景包含自動化系統、內容資訊、模擬技術、工業工程等領域。研究結果發現,專家建議台灣應優先推動的前4大技術領域分別為:資通訊、先進製造系統、微米和奈米電子、及先進材料。其中,透過Web of Science盤點7個核心關鍵技術領域,發現近5年的專利活動中,以微奈米電子技術、光學、資通訊以及先進製造技術這4大領域之專利相對影響力最高,代表台灣具有其發展基礎與優勢。

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圖2 智慧製造之核心關鍵技術一覽表 (點我開啟大圖)

備註:*表示專家建議台灣應優先推動的前10大核心關鍵技術
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更進一步,從技術領域中探索應優先發展的前10大核心關鍵技術,專家建議分別為:(1)微奈米電子生產技術;(2)電子與光學功能性材料;(3)人工智慧;(4)硬體架構;(5)高性能製造;(6)智慧與多功能性材料、元件與結構;(7)雷射、光學、光纖;(8)機器人與自動化系統;(9)先進(生)化學製程;(10)未來網。其中,又以(1)微奈米電子生產技術、(3)人工智慧、(4)硬體架構、(5)高性能製造與(10)未來網,這5項核心技術之產業創新應用需求度最高,且進入門檻較高,亟需政府協助產學研進行高度跨領域系統整合。

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最後,專家共識認定台灣相對已具備發展優勢之應用面有:(1)使用者友善的人機介面;(2)低消耗高計算能力組件;(3)高效率功率控制及轉換電子元件;(4)消費性電子產品的融合與智能化;(6)高解析度可整合之三維顯像;(7)整合非傳統製程之技術;(8)製造新的或先進材料之工具及概念;(9)先進崁入式定位及導航;和(10)整合電力運輸系統及基礎結構。相關盤點結果可供業界發掘科技應用缺口,活絡創新研發活動;同時作為政府技術發展的投入重點參酌。

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三、結論與建議

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鑒於全球智慧製造產值至2020年將突破3,200億美元,其中投入智慧製造的廠商更是貫穿整個商業生態系,有望帶動2017年到2020年智慧製造產值年複合成長率(CAGR)達12.5% (拓墣產業研究院,2018),因此建議我國政府可持續推動國內軟硬產業之整合。相對於歐美各國,台灣在工業4.0起步較晚,為加速達到智慧製造之願景,本文提出以下幾點建議:

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(一)以「跨領域虛實整合」和「彈性決策」作為智慧製造之願景,建構「軟硬融合」創新生態系統,以利掌握創新應用契機

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專家明確建議台灣需要具前瞻視野與思維的產業政策和目標,由政府鏈結各界資源去建構完善的產業生態體系(ecosystem),以加速產業創新及優化產業結構。再則,健全整體投資環境並簡化法令規章,以國家資源來誘發投資;同時鏈結國際創新聚落的能量來帶動國內科技的創新,讓市場機制與產業生態去汰弱留強,讓新創企業得以成長茁壯。

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(二)考量我國產業既有資源及發展優勢,採用介於工業3.0與工業4.0間的混合策略,持續提升基礎工業技術,進而打造符合台灣特色的智慧製造模式

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過去,關鍵技術常掌握在國際大廠手中,台灣廠商不僅要從國外進口硬體設備,還要支付後續的軟體更新服務費用,背負著龐大的授權金成本。因此,發展跨領域虛實整合的製造平台,將有助於在產業價值鏈中取得優勢地位,並提高技術的自主能力。考量全球能源損耗速度高及國家資源有限下,推廣高效能的科技、重複使用的材料與最大化運作效率,將是未來技術發展重點。

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(三)提升智慧製造之產業核心能力,從育才、攬才、留才著手

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新興科技的出現不僅會衝擊到工作型態與新領階級出現,同時還會加劇產學落差及學用落差之問題。為了因應技術發展與整合需求,培育跨域數位人才將成重要基石。在育才部分,雖各部會積極推動數位人才培訓計畫,但在培育體制上,仍著重在高階人才專業技能之養成,缺乏大眾化的普及教育,建議地方政府可與在地產學研機構合作,提供當地民眾免費的數位學習課程,以提升大眾的學習興趣,亦或整合產學研資源,提供終身學習的多元管道,例如由法人機構協助產業建立合作聯盟,推動共同實習與訓練課程;或開辦以產業需求為導向的短期專業學程,刺激跨領域的學習與交流。

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在攬才部份,除了現階段利用攬才專法去吸引國際高階人才進駐,專家建議政府可比照其他國家的薪酬水準,持續邀請國際菁英來台交流,將經驗、知識與技能傳承給種子教師,從中行銷我國的產業優勢及先進儀器設備,進而打造良性互動的創新生態圈。最後,就留才部份,專家建議除了提高薪資水準外,另外放寬外國廠商到國內投資的規定,不僅能引進國際創新技術與知識,還能建立緊密的跨國合作關係,強化我國的技術自主能力,提高專業人才的留任意願。

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(四)調適既有的法律架構與環境,從「管制」與「促進」兩大方向來回應新興工業或製造流程所衍生的新形態法律關係與課題

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如個資管理、頻譜管理等,進而降低產業發展過程中的風險。在個資管理部分,可參酌歐盟在2017年通過「歐盟資料保護規範 (General Data Protection Regulation, GDPR)」,如企業應增設資料保護長一職、資料取用前須明確得到當事人同意、個資的保護範圍擴大到網路IP位址與網頁瀏覽記錄等(European Parliament, 2017);亦或建置更好的資安架構及個人資料評議中心,除可強化隱私與個資安全程度,還可擴大資料加值應用之範疇。

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其次,在責任歸屬與損害填補之法規做法上,專家建議可從評估標準切入,先確保智慧科技應用的安全性,再討論各種不同角色(如研發人員、使用者、主管機關等)在設計、操作、管理等責任,並建立統一的權責處理單位,以協調跨部會的問題。

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綜合上述,政府應尊重市場機制,建構良善的開放法規環境,透過輔導、開辦教育訓練、引進國際技術人才與租稅優惠等機制,讓企業主導設計出適合自己的智慧製造模式,並在政府打造的自由市場中公平競爭。

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註解

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註1:柔性生產:以電腦數控機床為主的製造設備來實現多品種、小批量的生產方式。

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註2:電腦整合製造,又稱計算機集成製造、電腦綜合製造:利用電腦、網路及通訊等資訊科技,整合與管理製造過程中的所有活動。

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註3:工廠自動化:用自動裝置或系統控制來管理生產設備及生產過程,是集電腦技術、自動化技術、激光技術和機器人技術之大成。

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參考文獻

  1. 拓墣產業研究院(2018)。工業4.0趨勢下全球工業機器人市場及其應用發展。上網日期:2018年11月21日,取自:https://www.topology.com.tw/DataContent/report/工業工業4.0趨勢下全球工業機器人市場及其應用發展/14797
  2. 科技部(2015)。中華民國科學技術白皮書(民國104年至107年)。上網日期:2017年10月03日,取自:https://www.most.gov.tw/most/attachments/58c59f7e-a989-47bc-81cb-33c3587ef435
  3. European Commission(2013). Horizon 2020 Work Programme 2014 – 2015. Retrieved Oct. 22, 2017, from: http://ec.europa.eu/research/participants/data/ref/h2020/wp/2014_2015/main/h2020-wp1415-swfs_en.pdf#14
  4. European Commission(2014a). RO-cKETs: Roadmap For Cross-Cutting KETs Activities in Horizon 2020. Retrieve Oct. 29, 2017, from: https://ec.europa.eu/growth/sites/growth/files/docs/body/cross-cutting-kets-roadmap-brochure_en.pdf
  5. European Parliament(2017). European Parliament Report. Retrieved Nov. 3, 2017, from: http://www.europarl.europa.eu/sides/getDoc.do?pubRef=-//EP//NONSGML+REPORT+A8-2017-0005+0+DOC+PDF+V0//EN