製造業持續發展智慧製造技術，加上產業受到疫情影響，工廠人力的數量與移動範圍受限，需要仰賴遠距工具輔助巡檢與設備維修等工作。生產方面，產線也逐步導入軟體模擬技術，期望加速產品開發流程，同時減少開發過程中試錯導致成本增加。整體而言，工廠的產品開發、生產、產線規畫與設備維護工作，都能得益於虛實整合的技術，促使數位分身(Digital Twin)成為發展智慧製造的重要技術。
智慧製造發展帶動工業虛實整合應用的市場成長，數位分身透過資料蒐集、數據分析、整合資深人員的現場經驗產出精準的模擬結果，提高產品開發、生產以及工廠規畫的效率並降低成本。為了協助數位分身應用落地，業界廠商更透過平台整合多種軟體功能，或者強化即時多人協作與GPU效能，提高數位分身應用的方便性。
數位分身實現高效生產
工研院機械與機電系統研究所所長饒達仁(圖1)指出，隨著企業數位轉型的需求持續成長，2021~2023年廠商在智慧製造相關服務的支出，可望從3,450億美元成長至9,500 億美元。製造業者及其技術夥伴，聚焦在如何數位轉型，以優化整個生產週期中的數據管理，並蒐集更多數據，有助於提升跨組別與跨部門運作的效率，並能透過服務供應商的協助實現數位轉型。
數位分身由生產系統的虛擬表現所組成，饒達仁進一步說明，其特色是虛擬、現實系統之間同步進行，需要感測數據、串連智慧設備、數學模型及精細即時數據，可即時預測和最佳化生產系統在每個產品生命週期階段的行為。對於整個工廠的生命週期而言，該技術能夠打破從設計、建造、交接，到員工訓練、生產營運、監控、維護、最佳化等數據資料與實體資產間的隔閡。
數位分身大致可分為三個階段，第一階段為實體資訊蒐集，工廠可運用多種感測器及物聯網(IoT)技術，達成數據收集。第二階段為數位世界的虛擬及最佳化，運用數值模擬、大數據分析及人工智慧(AI)等技術。第三階段以虛擬世界應用於實體世界，也可以加入擴增實境(AR)/混合實境(MR)技術輔助呈現。透過數位分身技術，工廠可模擬真實系統及生產環境、預測可能發生的問題，為製造業縮短生產時間、節省製造及維修等方面的支出。
洛克威爾智慧製造應用發展經理王展帆(圖2)表示，製造業面臨人力短缺且有經驗的技術工作人員稀缺的挑戰，虛實整合技術能夠快速的傳承經驗，且透過數位分身模擬取得無法直接感測的資訊，如產品製造過程中，變壓器的線圈溫度攸關其安全性，傳統上只能由經驗資深的工程師，透過天氣狀況、溼度等資訊，判斷產品的安全性，沒有明確的標準。當生產流程中納入數位分身技術，軟體可以透過分析變壓器的電壓、電流、流體等數值，模擬得知線圈的溫度。數位分身除了有助於模擬產品的設計與生產，還能強化工廠的營運管理效率。透過採用數位分身技術，營運端的管理者可以即時取得製造端的資訊，現場人員也能在維修機台等工作中，參考更詳盡的機台資訊。
專業人才/物理演算法建立高精準模擬
模擬精準度是數位分身技術的關鍵，唯有數位分身的模擬結果高度貼近產品實際設計與生產的狀況，才能有效提高產品開發的時間效率與成本效益。王展帆提及，建構精準的數位分身需要三種核心角色參與，一是熟悉現場機台與技術的領域知識專家，由專家輸入貼近現場的人為經驗。其次是透過資料科學家分析數據並建置演算法。第三則是藉由自動化專家的能力蒐集正確資訊來輸入， 並且完成整個生產流程的自動化設計。
針對演算法在數位分身技術中的應用狀況，NVIDIA亞太區技術行銷總監嚴永信(圖3)進一步說明，物理演算法是讓產品的模擬結果與真實狀況一致的關鍵，過去的CPU伺服器效能無法滿足物理模擬的需求，導致模擬時間過久，成本效益低落。現階段隨著CPU與GPU的硬體效能增強，結合圖形處理與AI的物理演算法模擬運算速度大幅加快，有助於數位分身實現高精準且高效率模擬的目標。
平台整合強化數位分身優勢
數位分身應用涵蓋產品整個生命週期，達梭系統台灣資深技術經理許欲生(圖4)分析，產品製造在設計階段已經決定了七至八成的成本，設計階段會決定生產產品所使用的材料及製程，不論後續如何改善製造流程，成本也不會有太大的變動，因此產品實際在產線生產前，需要完成謹慎的設計模擬及製程規畫。數位分身在設計階段會產出3D的虛擬設計，待產品設計完成，會進行模擬分析，確認產品的結構、熱或是電磁學等面向達到目標後規畫製程。製程規畫包含工具、治具、製造程序的設計/規畫，藉此計畫產品如何加工、組裝、工廠需要哪些人員、設備如何布局、物料配送方式等。完成上述的設計與模擬後，系統會產生操作指令，經由製造營運系統(MOM)連結實體的生產流程。產線實際生產的數據，包括鎖螺絲的磅數、使用的物品重量、產線在多少時間內產生多少再製品、品質如何、報廢品數量等生產數據，都即時記錄並蒐集到MOM。
工廠在虛實整合的環境中，當產線資料中出現問題，便需要回到設計或者製程規畫階段，尋找改善工廠營運的切入點。當數位分身應用於上述的產品生命週期，每個步驟都要透過不同的軟體完成，例如產品設計的工程、外型、分析、結構、工具設計，以及數位製造的軟體種類也很多元，經過平台的整合才能完整發揮數位分身技術的優勢。以達梭系統的3D體驗平台為例，該平台整合產品設計與生產階段所需的軟體，使用者只要使用平台上不同功能的App，就能將軟體的設計或分析等結果整合為相同格式的資訊，不同的設計與生產階段間的資料便不需要額外轉換格式，皆能在平台中統一管理。此外，平台串連產品在不同流程之間的設計、分析、製造數據，用戶能夠在平台上分析產品的生產趨勢、製造趨勢，找到改善生產流程與營運決策的參考。
除了功能整合，順暢的協作也是平台強化數位分身優勢的切入點。嚴永信提及，在產品的生產流程中，過去業界已經有EDA工具等模擬技術，只是傳統的模擬技術在不同生產階段之間難以互通，技術人員缺乏跨軟體溝通的工具，無法為產品的設計與生產數據建立完整的資料庫。因此當數位分身用於輔助產品設計、生產及倉儲物流等階段，協作平台的整合便成為模擬技術發展的關鍵。以Onmiverse為例，該平台結合3D協作與多GPU可擴充模擬，提供產品設計人員多人即時協作功能，加上高度整合的數據有助於結合AI模擬產品設計的成果，實現虛實整合應用，以縮短產品開發時間與實際試錯所帶來的耗材成本。
數位分身的模擬精準度仰賴人為經驗輸入與精準的資料分析，應用方面則有廠商整合軟體功能及協作支援，為數位分身應用建立完整解決方案。數位分身高度貼近事實的模擬成果，能夠為產品開發、生產及工廠營運帶來助力，有效提升產品設計的效率，同時減少生產及工廠規畫在實體環境試錯導致的時間與耗材成本，可預期未來數位分身在智慧製造應用中的角色將更顯重要。
