利用數(shù)位模型幫助企業(yè)進(jìn)行數(shù)位轉(zhuǎn)型

文：黃正傑 2021-03-09

發(fā)布時(shí)間： 2021-03-08 11:16:00

科技意會(huì) 大數(shù)據(jù) 數(shù)位轉(zhuǎn)型

不論是小汽車、積木、還是公仔模型，都是人類探索世界的工具。企業(yè)數(shù)位轉(zhuǎn)型也需要各種數(shù)位化模型，以分析、預(yù)測(cè)或控制實(shí)體的設(shè)備、製程、環(huán)境等。本文介紹機(jī)理模型、數(shù)據(jù)模型兩種典型的數(shù)位模型概念、應(yīng)用、以及優(yōu)缺點(diǎn)，讓企業(yè)思索在數(shù)位化過(guò)程中可以建立什麼樣的數(shù)位模型。

透過(guò)模型認(rèn)識(shí)世界

小孩子最喜歡玩模型了，不論是Tommy 小汽車、樂(lè)高積木、還是比卡丘公仔、芭比娃娃、星際大戰(zhàn)的光劍，還會(huì)角色扮演、玩扮家家酒；小孩子透過(guò)這樣模型，去探索世界、模擬情境。同樣地，在管理學(xué)、軟體業(yè)及產(chǎn)業(yè)界也利用各種模型來(lái)探索、規(guī)劃、乃至於模擬真實(shí)或未來(lái)發(fā)展。最近，由於數(shù)位轉(zhuǎn)型、工業(yè)4.0等應(yīng)用的發(fā)展，強(qiáng)調(diào)利用數(shù)位化模型來(lái)模擬狀況、預(yù)測(cè)未來(lái)，於是數(shù)位模型開(kāi)始被許多產(chǎn)業(yè)界討論。究竟數(shù)位模型是什麼呢? 有哪些類型? 又如何應(yīng)用呢?

兩種類型的數(shù)位模型

數(shù)位模型種類多元，可以從不同的角度進(jìn)行分類。由於近期大數(shù)據(jù)、人工智慧的發(fā)展，常會(huì)有人將數(shù)位模型分為[工業(yè)]機(jī)理模型(mechanism model)以及[大]數(shù)據(jù)模型(data model)。以此，本文主要以這兩種進(jìn)行說(shuō)明。

1. 機(jī)理模型：

機(jī)理模型或稱為「機(jī)制模型」、「機(jī)械模型」，是指透過(guò)理解機(jī)械、流體、動(dòng)力、製程等機(jī)制或原理，利用數(shù)學(xué)公式、方程式、或者因果關(guān)係，建立模型或表達(dá)方式，以方便進(jìn)行分析、控制。例如：牛頓運(yùn)動(dòng)定律F=ma就是典型的機(jī)械模型。我們可以利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律了解特定質(zhì)量在特定運(yùn)動(dòng)速動(dòng)下所產(chǎn)生的力量，用來(lái)發(fā)展動(dòng)力控制系統(tǒng)。

在工廠的環(huán)境中，諸如製程、配方或設(shè)備故障，牽涉到多種參數(shù)或因變數(shù)對(duì)於應(yīng)變數(shù)的影響，也使得機(jī)理模型隨著設(shè)備、製程複雜度愈高而愈複雜。在數(shù)位轉(zhuǎn)型或工業(yè)4.0的應(yīng)用當(dāng)中，我們把這些機(jī)理模型數(shù)位化，可以透過(guò)軟體、網(wǎng)路來(lái)監(jiān)控製程參數(shù)、因變數(shù)（如：溫度、壓力），並進(jìn)行評(píng)估。

因此，現(xiàn)在「工業(yè)機(jī)理模型」被討論很多，包括：

?● 基礎(chǔ)理論模型：如製造過(guò)程涉及到的流體力學(xué)、熱力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)方程等模型；

?●?流程邏輯模型：如ERP、SCM供應(yīng)鏈管理等業(yè)務(wù)流程中蘊(yùn)含的邏輯關(guān)係；

?●?零部件模型：如零部件3D模型；

?●?製程模型：如生產(chǎn)過(guò)程中涉及到的多種製程、配方、參數(shù)模型；

?●?故障模型：如設(shè)備故障關(guān)聯(lián)、故障診斷模型等；

?●?模擬模型：如風(fēng)洞、溫度場(chǎng)模型等；

鼎新電腦在工業(yè)APP上利用OEE設(shè)備稼動(dòng)率計(jì)算的數(shù)位模型，可以讓企業(yè)隨時(shí)監(jiān)控設(shè)備稼動(dòng)率狀況。機(jī)理模型重視的是因果關(guān)係，談的是在某種參數(shù)的控制或變化下，會(huì)產(chǎn)生一定的結(jié)果。

2.數(shù)據(jù)模型：

然而真實(shí)的世界並不如機(jī)理模型所設(shè)想的完美。由於許多參數(shù)、因變數(shù)無(wú)法觀測(cè)到，或者因變數(shù)太過(guò)複雜而無(wú)法建立數(shù)學(xué)模型，使得機(jī)理模型常無(wú)法反映真實(shí)世界的狀況。例如：「下一年的人口數(shù)=今年人口數(shù)+出生率-死亡率」的機(jī)理模型，但由於每年出生率、死亡率都在變動(dòng)，很難預(yù)估下一年的人口數(shù)；此外，每個(gè)國(guó)家影響出生率、死亡率的因素也不一樣，或者非常複雜（如：公衛(wèi)水準(zhǔn)、人民健康指數(shù)、壓力指數(shù)、年齡結(jié)構(gòu)等均會(huì)影響），很難建立一體適用的機(jī)理模型。於是，透過(guò)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)模型開(kāi)始發(fā)展。

我們可以蒐集某個(gè)國(guó)家近幾年的人口數(shù)成長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，透過(guò)對(duì)於歷史數(shù)據(jù)的觀察，建立可能的數(shù)據(jù)模型以預(yù)測(cè)未來(lái)的走向。如下圖所示，某國(guó)的人口數(shù)成長(zhǎng)依據(jù)歷年數(shù)據(jù)可能是線性發(fā)展、某一國(guó)則可能是曲線發(fā)展。我們不需要確切觀察或衡量已知或未知因變數(shù)或者進(jìn)一步確立因果關(guān)係的「機(jī)理」，只要討論人口數(shù)成長(zhǎng)可能適配哪一種曲線即可。這就是基於統(tǒng)計(jì)或數(shù)據(jù)的模型，是一種從數(shù)據(jù)中歸納的模型。

現(xiàn)在，在大數(shù)據(jù)技術(shù)與方法的發(fā)展下，許多產(chǎn)業(yè)界開(kāi)始利用數(shù)據(jù)模型來(lái)解決以往機(jī)理模型不易解決的複雜的問(wèn)題。數(shù)據(jù)模型包含傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)模型（如ANOVA、t-test），以及機(jī)器學(xué)習(xí)模型（如回歸、聚類、分類、神經(jīng)網(wǎng)路、深度學(xué)習(xí)等）。舉例來(lái)說(shuō)：控管品質(zhì)良率時(shí)，我們可以利用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的方式，設(shè)置某些參數(shù)（如：溫度、壓力）的上限值及下限值模型，用來(lái)監(jiān)控超過(guò)狀況的參數(shù)，進(jìn)而提醒品質(zhì)控管人員。如再進(jìn)一步加入大數(shù)據(jù)技術(shù)，則可綜合更多歷史數(shù)據(jù)之參數(shù)組合樣態(tài)，判定品質(zhì)是否異常。使用數(shù)據(jù)模型強(qiáng)調(diào)的數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)，而不是因果關(guān)係。

結(jié)論

機(jī)理模型或數(shù)據(jù)模型均是現(xiàn)在企業(yè)或工廠利用數(shù)位模型進(jìn)行數(shù)位轉(zhuǎn)型的重要模型。機(jī)理模型講究因果關(guān)係，方便觀察與控制。但可能因?yàn)閰?shù)或因變數(shù)無(wú)法觀察、太複雜或不容易建立因果關(guān)係而使得無(wú)法有效地建立模型。數(shù)據(jù)模型則來(lái)自於長(zhǎng)期歷史數(shù)據(jù)建立的模型，可以不需要探討因果關(guān)係、或觀察未知的因變數(shù)，而進(jìn)行控制與預(yù)測(cè)。然而，數(shù)據(jù)模型可能由於數(shù)據(jù)的不足或蒐集數(shù)據(jù)的問(wèn)題，而產(chǎn)生偏誤。此外，數(shù)據(jù)模型缺乏對(duì)於機(jī)制原理的了解，可能被歷史數(shù)據(jù)誤導(dǎo)。展望未來(lái)，愈來(lái)愈多的機(jī)理模型與數(shù)據(jù)模型相互結(jié)合並進(jìn)行數(shù)位化，協(xié)助企業(yè)或工廠更容易地分析、預(yù)測(cè)與控制實(shí)體環(huán)境。

黃正傑

你喜歡挑戰(zhàn)不斷隆起的技術(shù)高原、探索無(wú)限寬廣的創(chuàng)新領(lǐng)域嗎? 那麼我們是同路人。黃正傑，臺(tái)大資管博士，協(xié)助鼎新進(jìn)行前瞻技術(shù)研究與應(yīng)用發(fā)展。歷經(jīng)IT架構(gòu)技術(shù)顧問(wèn)、供應(yīng)鏈管理顧問(wèn)、軟體產(chǎn)業(yè)分析師等多項(xiàng)職務(wù)，並兼任文化大學(xué)助理教授。讓我們一起從創(chuàng)新與變革角度，探索新興技術(shù)！

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