工業4.0理論與實務劉益宏‧柯開維‧郭忠義‧王正豪‧林顯易‧陳凱瀛‧蕭俊祥‧汪家昌 編

工業4.0實戰寶典

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引言01

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序

自從德國政府於 2011年訂出了「工業 4.0」高科技戰略計畫後，人

類第四次工業革命也揭開了序幕。這波將工業從「自動化」推向「智慧

化」的產業革命，將傳統大量生產之「自動化製造」模式，進化為少

量、多樣、快速客製化製造之「智慧製造」，以提升縱向生產鏈、橫向

同業協同製造之效率，並解決日益嚴重的工作年齡人口數下降所造成的

缺工問題。因此，近年來，世界各先進製造國家無不舉全國之力來提升

競爭力，身為製造業要角的台灣，也必須跳入這波產業升級的浪潮中，

以維持台灣在製造舞台之競爭力。2015年 6月，台灣政府制定了「生產

力 4.0」政策並頒訂實施，無論是產業界、學界，還是科研單位，皆投

入生產力 4.0之研究及關鍵技術開發。國立臺北科技大學 (以下簡稱本

校 )長久以來不但在台灣高教及技職體系扮演著教學、研究、技術紮根

的角色，也為台灣中小企業的人才培育上一直貢獻實質之幫助，使得本

校畢業生始終成為企業界最受歡迎的人才來源之一。為了在這波工業革

命的浪潮中貢獻一份心力，本校召集了相關老師，經由密集的討論、分

配、整合，訂出了適合在校學生、業界工程師學習及參考的工業 4.0學

習教材，在此教材下，由淺入深地介紹每一個工業 4.0的關鍵議題，並

加入了實際案例分析，讓讀者可從此教材中了解相關知識，最終培養具

有整合製造能力，期盼為台灣在工業 4.0之世界競爭舞台上，培育出具

有競爭力之人才。

國立臺北科技大學校長 謹識

一○五年五月二十三日

工業4.0實戰寶典

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目錄

序 ................................................... iii目錄 ................................................ iv

fCH01 工業4.0簡介

1.1 背景 ............................................ 1-21.2 發展現況及趨勢 ............................ 1-31.3 智慧工廠技術綜觀......................... 1-51.4 結語 ............................................ 1-8

fCH02 物聯網2.1 物聯網基本概念 ............................ 2-22.2 物聯網感知層技術與相關標準 ........ 2-62.3 物聯網網路層技術與相關標準 ...... 2-252.4 物聯網應用層技術與相關標準 ...... 2-332.5 物聯網應用實務與面臨之挑戰 ...... 2-52

fCH03 雲端運算3.1 雲端基礎設施即服務與應用 ........... 3-33.2 雲端平台技術與應用 ................... 3-163.3 雲端軟體即服務系統開發 ............. 3-303.4 行動裝置應用程式開發 ................ 3-433.5 雲端運算平台測試....................... 3-613.6 雲端資訊安全與防護 ................... 3-74

引言01

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fCH04 大數據4.1 巨量資料管理 ............................... 4-34.2 巨量資料探勘與分析 ................... 4-134.3 巨量資料應用 ............................. 4-274.4 巨量資料的挑戰 .......................... 4-36

fCH05 人工智慧5.1 人工智慧 ...................................... 5-25.2 機率 ............................................ 5-35.3 演算法分析與設計....................... 5-155.4 軟性計算 .................................... 5-255.5 工程最佳化與應用....................... 5-295.6 機器學習 .................................... 5-40

fCH06 智慧化現場管理6.1 E化製造(E-manufacturing) .......... 6-26.2 製造執行系統簡介....................... 6-16

fCH07 智慧製造7.1 近代製造技術特論......................... 7-37.2 機器人整合製造 .......................... 7-117.3 機器視覺之原理與工業應用 ......... 7-227.4 智慧型控制應用 .......................... 7-35

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目錄

fCH08 工業4.0之應用與發展-足鞋驗配

8.1 潛在的客製化鞋墊需求 .................. 8-38.2 足鞋驗配的檢驗配製證 .................. 8-58.3 足鞋驗配的量測技術與數位化-智慧製造 的第一步 ...................................... 8-78.4 足鞋驗配的專業分析與大數據分析(巨量 資料) ......................................... 8-118.5 足鞋驗配的建模技術與雲端資料庫 8-288.6 足鞋驗配的數位化製造(NC加工與3D列 印) ............................................ 8-378.7 足鞋驗配的臨床實証及服務 ......... 8-438.8 總結 .......................................... 8-44

01工業4.0簡介

本章作者(依筆劃順序排列)

~~黃士嘉─國立臺北科技大學電子工程系

~~陸元平─國立臺北科技大學機械工程系

~~劉益宏─國立臺北科技大學機械工程系

工業4.0理論與實務

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f1.1 背景工業革命，指的是因為科學及技術上之重大突破，使得社會與產業

結構產生重大變化。根據不同的技術創新所帶來的產業結構改變，史上

已經歷了四次工業革命。第一次工業革命發生在 18世紀末至 19世紀，

起源於英國，由於蒸汽機之發明，蒸汽驅動之動力機械開始出現，替代

了以手工為主的製造模式，進而出現了機器工廠。20世紀初期，隨著電

動機的發明，工業從「蒸汽時代」進入了「電氣時代」，實現了電能與

機器能的互換，開啟了以電力工業為主的大量生產線製造，促進了經濟

發展，也改變了人類的生活模式，此為第二次工業革命。

第二次大戰過後，科學發展日新月異，隨著資訊科技及技術的不

斷創新，資訊技術 (Information Technology, IT)開始融入生產，1970年

以後，基於單機自動化及產線自動化之「自動化工廠」成為製造主流，

傳統的電力生產模式開始轉變為自動化大量生產，產品越來越複雜、精

密，生產週期也大幅縮短，科研成果導入生產線的速度也越來越快，整

個生產模式從以往的「電氣時代」邁入數位革命所帶來的「自動化時

代」，稱為第三次工業革命。

21世紀初期，隨著機器人技術、感測器技術、物聯網技術、雲

端運算技術、實體虛擬化技術、巨量分析技術之成長，整合這些相關

技術於少量多樣性之快速客製化製造，以往的「自動化製造」將轉變

為「智慧製造」，以「智慧工廠」取代「自動化工廠」所開啟的「智

慧時代」來臨，稱為第四次工業革命，此概念首見於 2011年德國提出

的「工業 4.0 (Industry 4.0)」高科技戰略計畫。隨著工業 4.0之概念被提

出，全球製造業國家紛紛提出對策來提升製造競爭力，避免該國在此次

工業革命之潮流中被淘汰。

民國 70年之前，台灣以勞力密集發展經濟，之後為了因應世界快

速發展趨勢、提升台灣在製造科技工業之競爭力，政府開始將台灣製造

分成四個不同的時期，分別訂定不同之發展方針及實施政策，此四個時

期分別為：

工業4.0簡介01

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1. 生產力 1.0 (民國 71年 –88年 )：以資本密集發展自動化技術及相關

產業。

2. 生產力 2.0 (民國 89年 –99年 )：以技術密集發展電子及 IT化產業。

3. 生產力 3.0 (民國 100年 –105年 )：以知識密集發展智慧自動化技術。

4. 生產力 4.0 (民國 105年 –113年 )：將以智慧密集發展智慧製造、商

業服務、農業等產業。

f1.2 發展現況及趨勢隨著全球人口結構改變，許多國家已逐步邁入高齡化社會，全球製

造業者所面臨的勞動力成本上漲、工作年齡人口縮減等問題日益嚴重。

此外，現今製造業者更必須隨時面對不穩定的訂單、少量多樣的快速客

製化生產、生產良率的控制，與備料庫存壓力等問題。因此，為解決上

述問題，在製造業主要國家如德國、美國、中國，均加強提升其製造業

的智慧化程度，相關的計畫、組織亦陸續被提出或成立：

1. 德國政府於 2011年提出「工業 4.0」計畫 [1]，為其落實「2020高科

技戰略」的十大計畫之一；工業 4.0是以虛實系統 (Cyber-Physical

System, CPS)[2]為製造系統的核心，並結合物聯網 (Internet of

Things, IoT)及網路服務 (Internet of Service, IoS)[3]來建構智慧工廠

(Smart Factory)[4]，形成智慧製造與智慧服務的全新商機與商業模

式，讓德國製造業在全球競爭上維持其競爭優勢。

2. 美 國 政 府 於 2011年 6月 提 出「 先 進 製 造 夥 伴 關 係 (Advanced

Manufacturing Partnership, AMP)」計畫 [5]來實現「再工業化政

策」，此目標係建立及維持美國先進製造技術的領導地位，創造高質

工作機會，吸引製造業回流。為達此目標，建構了國家製造機構網

路 (National Network of Manufacturing Institute, NNMI)，將政府及

學界科研成果落實產業發展上。

3. 美國奇異公司 (或稱通用電氣，General Electric, GE)於 2012年提

出「工業網際網路 (Industrial Internet)」白皮書 [6]；工業網際網路的

目標，是要融合兩工業變革之結果，包含工業革命帶來的眾多機器

與設備，以及數位革命帶來的運算、資訊、通訊系統。

工業4.0簡介01

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台灣行政院在 2015年 6月為推動國內產業升級召開了「2015年行

政院生產力 4.0科技發展策略會議」，凝聚產官學各方意見擬定了「行政

院生產力 4.0發展方案 (Taiwan Productivity 4.0 Initiative)」提交第九次

科技會報討論，同年 7月於行政院院會報告，作為推動台灣生產力 4.0

科技發展之政策依據，並聚焦於製造業、商業服務業、農業等三大產

業，期許國內面對第四次工業革命時，能夠促進國內產業創新轉型、掌

握關鍵技術開發能力，藉以提高國際競爭力。

上述針對智慧化製造的計畫與組織，名稱或許不一樣，但中心思想

與最終目標卻相當一致，也就是利用資訊及通訊科技 (Information and

Communication Technology, ICT)，來建立數位化、虛擬化、網路化的

智慧工廠。由此可知，建立智慧工廠是各國製造業提升其競爭力的必要

手段。

f1.3 智慧工廠技術綜觀由德國「工業 4.0」[1]

、美國「先進製造夥伴關係」[5]、美國「工

業網際網路」[6]的計畫內容，可歸納出智慧工廠的致能技術，包含物聯

網、雲端運算 (Cloud Computing)、巨量資料分析 (Big Data Analytics)，

與虛實系統。

1. 物聯網

網際網路 (Internet)目前已是人們重要的溝通管道之一，而在未

來，網際網路將進一步朝物聯網的方向發展[11]。透過物聯網，可以實現

人與人、人與物、物與物之間的溝通與交流。物聯網的實現，需要多種

資訊技術的整合與應用。發展物聯網需要七大關鍵技術，分別為：(1)

無線射頻辨識技術（Radio Frequency Identification, RFID）；(2)感測技

術；(3)IPv6以應付物聯網龐大的 IP地址需求；(4)即時無線傳輸技術、

(5)通訊；(6)奈米級高智能嵌入技術；(7)標準化的統一平台。由於物聯

網可促進人類生活的便利性，所以代表著龐大的商機，因此各國政府，

包含美國、歐盟、日本、中國、台灣，已將物聯網視為重要的發展項

工業4.0理論與實務

1-8

此龐大之數據，目前透過Apache Hadoop、Apache Spark等大型集群上

的記憶體內運算技術 (In-memory)、MapReduce平行運算技術和分布式

檔案系統的設計，達到智慧工廠所需的高效能巨量資料分析處理。

4. 虛實系統

虛實化系統具備感知、計算、控制，與通訊能力，可以感知其周遭實

體世界的狀態或事件，並做相應的計算與控制，同時，虛實化系統也能與

外界通訊，且可利用網際網路上的各種資料存取與資料處理服務[31]。目前

虛實化系統已被應用在許多領域，包含智慧電網、智慧交通、智慧家電、

智慧建築、植入式醫療裝置。在製造應用方面，未來的智慧工廠將充分利

用虛實化系統技術，如無線系統整合、無線控制、機器學習、感測器，連

結起智慧產品、智慧機器、智慧生產系統，與智慧服務。虛實化系統可緊

密地整合感知、跨平台通訊、控制，可對產品的設計、製造產品的機器與

生產系統，以及產品的售後服務帶來創新的應用[32]。

對於智慧工廠之即時規劃及排程，虛實系統也成為關鍵技術。

為了讓虛實化生產系統達到虛實合一的境界，必須發展虛、實系統的

整合架構與方法，以及發展虛、實模組之間通訊與互動的方法。為了

開發與驗證虛實化生產系統，也必須發展虛實化動態系統相關之建模

(modeling)、模擬，與行為預測之技術。同時，如何保護虛實化生產系

統之資訊安全也是重要的議題。另外，為了推展虛實化生產系統，也需

要建立虛實化生產系統之整合測試與展示範例。沒有虛實系統之工廠，

就無法成為工業 4.0所定義的智慧工廠。

f1.4 結語工業 4.0所帶來的第四次工業革命，已成為全球以製造為主國家的

當前重要議題，回顧過往，製造已歷經了自動化、量產化、數位化、全

球化，此波的工業革命所著重的智慧化，將是未來國家是否維持競爭力

的關鍵，不論是德國的工業 4.0科技戰略政策、美國的再工業化政策、

日本的人機共存未來工廠、韓國的次世代智慧工廠、中國製造 2025、

工業4.0簡介01

1-9

台灣的生產力 4.0，皆以智慧化為目標，在此目標之下，如何整合感測

器、物聯網、雲端計算、人工智慧、巨量資料分析、虛實系統、機器

人協同、人機協同技術來引領製造升級，便成為當前工業 4.0之關鍵課

題。在工廠智慧自動化方面，台灣的 ICT技術具備世界水準、產業供應

鏈結構完整、3C業者對新技術嘗試及接受度高、自動化業者具備豐富

IC與平面顯示器 (FPD)等高階自動化系統技術研發能量，因此有利台灣

快速建立智慧自動化自主技術。此外，在全球老年化社會所帶來的工作

年齡人口不斷縮減的缺工問題之下，推動智慧製造儼然已成為解決缺

工、逆轉人工危機的有效手段。因此，本書在後面的各個章節，將針對

以上相關技術由淺入深地介紹，期盼能夠讓讀者對工業 4.0有全盤且深

入之了解。

工業4.0理論與實務

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