工業數位孿生在產品生命週期的應用

前言

產品生命週期（Life Cycle）是個非常傳統的名詞，但卻與現在製造領域幾個熱門的話題都脫不了關係。傳統製造設備在交貨時最常考慮的就是出廠品質與保固期，但最近預測保養興起，僅考慮保固期已經不夠了，必須要延伸為產品生命週期思維。碳足跡是另一例子，努力降低產品在自己廠內累積的碳足跡固然重要，但產品碳足跡盤査規則是採生命週期盤査，產品出廠後的碳排放仍需納入計算。

工業數位孿生可說下接虛實整合系統（Cyber-Physical System）的地氣，上接工業元宇宙的未來期待。一副頭頭是道的姿態，但這姿態在工業場景上反而陷入混沌，因為工業應用需要標準、典範案例、導入SOP…等等可掌握的項目，再高深強大的功能還不如穩定可靠再加上看得到。

工業數位孿生與產品生命週期都會面臨“跨公司”與“產品數據”議題，工業數位孿生是工業產品與數位表達的對應關係，工業產品無可避免地會跨公司，工業數位孿生也就必須要能跨公司，否則功能必然折損。另一方面，產品數據在跨公司的障礙始終存在，因為毎家公司都將產品相關數據視為營業祕密，譬如機械模組生產廠很慎重地控管模組加工數據，購買模組用在機器上的機械廠就很在乎調機數據，最後買了機器的機械模組終端使用廠則對使用數據十分保密。但生命週期數位化的前題是不能有數據跨公司障礙，因為只要有交易，產品的生命週期就會跨公司，一旦數據跨公司有障礙，生命週期數位化就淪為空談。所以就衍生一個期待：是否可以透過工業數位孿生夾帶產品數據穿過跨公司障礙。這也就是本文的切入點，主要從文獻中找出產品生命週期在跨公司的現況及關鍵點，以及運用新興的工業數位孿生在產品生命週期的國際新提案。
工業數位孿生在產品生命週期的應用情境與機會。

本文分成六個部分，第一部分為數位孿生與工業數位孿生；第二部分為產品生命週期；第三部分為產品生命週期的時代意義與機會；第四部分為工業數位孿生應用在產品生命週期；第五部分為跨域瓶頸與協同整合；第六部分為新興提案。

1. 數位孿生與工業數位孿生

工業數位孿生（Industrial Digital Twin）顧名思義是數位孿生的工業領域應用，依ISO 23247-1 [1]的名詞定義，所謂數位孿生是：符合目的的可觀察製造元素的數位表達，具有使元素及其數位表達以適當的同步速率收斂的方法（fit for purpose digital representation of an observable manufacturing element with a means to enable convergence between the element and its digital representation at an appropriate rate of synchronization），這定義是非常寬廣的定義，孿生是在“元素”與“數位表達”兩者之間的關係，而且同步地收斂。只是這定義並沒有將數位孿生限縮在工業物聯網IIoT範疇。在工業應用上工業數位孿生必然採用工業物聯網架構，同時也需一定程度的標準化。在這兩因素考量下，目前工業數位孿生的作法至少有6種 [2]，其中以德國工業4.0計畫發展的資產管理殼（Asset Administration Shell），與Microsoft發展DTDL （The Digital Twin Definition Language ）知名度較高。

在工業數位孿生的蓬勃發展氣氛下，就有更基礎的探討出現，譬如所謂的數位孿生理論（Digital Twin Theory）[3]，這理論就列出多項前提或假設，例如：

1. 數位孿生是資產的數位表達。
2. 數位孿生同時存在於多個地方。
3. 數位孿生有多種狀態。
4. 數位孿生在特定互動情況下具有特定語境狀態（context-specific state）。
5. 數位孿生的資訊模型可以無限大；它是一個實際的資訊模型。
6. 實際的資訊模型可以針對特定的應用情境進行有限逼近，以成為合理的資訊模型。
7. 合理的資訊模型不能只存在一個地方。
8. 合理的資訊模型從來都不是完全可視化的。

2. 產品生命週期

產品生命週期從原來純屬產品規劃的概念，經過多年的演化，已經成為多面向與眾多應用的名詞，這也造成它與很多技術項目有關，甚至有產品生命週期管理（Product Lifecycle Management）以及生命週期工程學（Life Cycle Engineering）的出現。就以齒輪減速機為例，如圖1所示，生命週期橫跨整個產品歷程，從規劃設計就開始，歷經製造加工、檢驗、裝配、跑合及出廠測試等製造流程，再到使用、保養，甚至到報廢回收。不過，這說法很容易讓人誤解生命週期就是個單方向的歷程。事實上，整個生命週期存在著非常多的“數據”，這些數據就不是單方向。這些數據必須透過各種技術手段，讓生命週期裡相關人員都可更方便、更有效率使用。

依據IEC 62890-2020[4]，生命週期可分為類型和實例兩階段，之所以有必要區分類型（Type）和實例（Instance），是因為生命週期往往不是單獨存在的，譬如組件-機器-工廠就可能同時存在並且相關，如圖2 [5]所示。不同業務合作夥伴及其各自的生命週期就必然存在交互作用。在規劃過程中，會考慮目標、條件及各種可能方案，並將它們稱為“類型”：

1. 組件供應商將它們稱為“零件類型”：只有製造和隨後交付給客戶（機器製造商）才形成一個實例，機器製造商再將其視為外購組件。
2. 機器製造商與他的客戶（工廠經營者）討論“機器類型”，並進行設計。特定機器的製造形成了另一個實例，然後由工廠操作員使用。
3. 工廠經營者最初也將產品開發視為產品類型。只有收到訂單才會啟動生產並具體製造出產品實例，然後交付。