資產管理數位化

Posted on by Pete Berta

把舊資產連接到物聯網，企業便可以全盤透視其運作，但這不過是起步而已。從生產線機械到載運貨櫃，這些資產皆能產生非常豐富的深入分析，可協助公司針對其營運、產品和客戶作出更明智的決策。所以取得這些資訊變得極為重要。連線資產管理登場。基於物聯網的資產管理可協助組織達成營運效率，將業務焦點從產品移向服務，並開發新的收入來源（圖 1）。

圖 1. 聯網資產管理不但改善營運也能促成轉型。（資料來源：Accenture）

就營運層面而言，預計聯網資產管理能夠提升生產效率 5% 至 25% 不等。要達成這樣的表現，方法之一是讓資產使用率提高 3% 至 5%，並讓維護的生產效率提升 10% 至 15%。（所有預估數據以 Accenture 內部資料為準。）之所以能夠有所增益，是因為聯網資產管理環境享受到諸如下列的優點：

  • 透視及控制全球資產
  • 進階工業分析
  • 最佳的維護策略
  • 停機時間最短
  • 減少資本支出、營運支出和總持有成本

從轉型層面而言，企業可以創造一個完全數位化的價值鏈，其中所有東西均聯網且有智慧。只要完成這個過程，組織便可以徹底改變其內部營運、客戶體驗，甚至是業務模式。聯網資產管理的運作方式

要瞭解其如何可能實現，請細想 Accenture Connected Asset Management 平台（圖 2）。此系統使用 Intel® IoT Gateway 來收集來自舊資產的資料，從這些不同的裝置提取資訊，並把相關資料安全地傳送到雲端上。在雲端中的資料可供遠端監測、專門分析和預測性維護使用。

圖 2. Intel® IoT Gateway 可以提取出來自不同裝置的資料之差異，然後再傳送到 Accenture 的雲端。（資料來源：Accenture）

這種設置也可以在邊緣執行分析。這是十分重要的功能，因為現場作業的連線通常是低寬頻，而且還需要即時的反應能力。把運算推送到邊緣執行，不需要大規模進行網路升級，企業便可以實現立即的反應力。省時和避免意外

所有這些優點加起來，能讓生產環境節省甚多。例如，假設故障的生產線生產出有缺陷的產品。若無即時監控，製造商在發現缺陷之前可能已生產數千個單位，而且接著可能要關閉生產線並進行檢測來找出問題的根源。相反的，即時資產監控可以立即確認問題並避免浪費時間和原料。除了加速反應時間，讓網路中的端點具備更多運算處理能力也可節省金錢，因為它不用把大量資料集傳送到雲端進行處理，因而不必佔用太大的頻寬。即時監控也有助於避免工業意外。如果單從雲端監控一件重要的設備，從發生故障直至雲端發現並採取行動，之間耽擱的時間可能讓組織付出數百萬美元甚至更高的代價，如發生某種閃失而傷及工人。維護最佳化

聯網資產管理對維護預算亦有正面影響。例如，透過監控資產的性能，維護團隊不再需要花費許多時間緊盯著資產試圖找出可能的維修問題。再者，透過感測器資訊的巨量資料分析，便可以進行預測性維護，在零件發生故障之前即更換零件和進行維修（請見圖 3）。由此便能為資產製造更多上線時間，同時減少維護人員的往返次數。此外，透過及時和智慧的維護讓資產保持最佳狀態，它將能經久耐用並增加投資報酬率。

圖 3.  聯網資產管理協助公司從故障修復型維護轉向預測性甚至更精良的維護。（資料來源：Accenture）

物色可擴充的解決方案

為了實現聯網資產管理的所有優點，企業需要一個可以按照需要擴充的解決方案。Accenture 與 Intel 著重全程連結的架構正是因為這個緣故。「客戶一旦認可某個概念性驗證，我們便會設法把它擴大。」Accenture 總經理 Neil Hickey 表示，「這不只是規劃單一使用案例，而是要把它套用到 500 個或 1,000 個案例。Accenture 與 Intel 擴充方案的能力就是最神奇的魔力。」因為能夠在多個使用案例之間擴充使用，組織因此能夠全程透視其運作並享受連線能力的所有優點。位在架構核心的 Intel 閘道也有神奇的力量。將營運連接到雲端時會面臨的一大挑戰，就是要應付各種不同的標準以及許多孤立的控制系統。Intel IoT Gateway 可以處理這些差異並提供精簡的雲端連線介面（圖 2）。閘道在多個層次上為解決方案提供支援：

  • 邊緣的效能出色，以近乎即時的速度進行分析、做出本機決策，以及採取更嚴謹的程序控管
  • 具備先進的安全功能，確保從邊緣傳送到雲端的都是受信任的資料，同時防範發生代價龐大的攻擊事件
  • 具備可擴充性，可達成不同等級的閘道效能，且廣泛支援各式處理器，包括 Intel® Quark™ 處理器、Intel Atom® 處理器以及 Intel® Core™ 處理器
  • 便於管理讓遠端升級和服務更安全
  • 廣泛支援各種作業系統和價值鏈體系應用的平台，讓部署作業更快速也更有彈性

Intel 閘道也可充當感測器、智慧設備和雲端之間資料路由器和過濾器。那樣可加強安全性、更快取得可據以行動的深入分析，還可以省錢，因為唯有與營運相關的資料才會傳送到雲端，減少資料傳輸與雲端儲存的成本。他補充道：「這為我們的客戶奠下了基礎，可以從產品演進成服務和成果。對於營收和效能模式也擁有更多的自主權。」

Biesse 數位轉型

Biesse 集團就是使用 Accenture Connected Asset Management 的好例子，這是一家擁有原料處理專門技術的領導廠商，它想要擴大本身的格局，從產品延伸到數位服務。Accenture 與 Biesse 合作分析機械與客戶資料，從而研發 SOPHIA 數位服務平台。SOPHIA 平台為 Biesse 客戶提供眾多的數位服務，包括預防性維護警示、機械管理、製造事件分析以及遠端軟體分發。機械上的感測器和裝置產生深入的資料分析，可使用 Microsoft Power BI 資料圖像化將分析顯示在儀表板上。平台在 Accenture 提供的 Industry X.0 解決方案上執行。Industry X.0 著重智慧自動化，將自動化與增強的人為活動結合，促使更快達成結果。它著重於創新的全程產品生命週期管理，並運用各種技術，諸如虛擬與混合實境、人工智慧和分析。SOPHIA 藉由該平台得以執行預測性分析和即時遠端診斷。SOPHIA 並不是一體適用的解決方案。客戶可以自訂他們所收到的服務，包含機械警示以至進階服務，例如深入機械分析。不但能提高客戶設備的效用，也能提高客戶滿意度。Biesse 藉由該平台享受了數種好處。比如，保固和維護成本降低了。現場的效能與使用率深入分析可用來改善產品開發，讓客戶不必靠猜測而能獲得他們真正想要的結果。Biesse 亦可利用透過 SOPHIA 收集的資訊對客戶提出警示，提醒如何將機械產能最大化。Biesse 總經理 Stefano Porcellini 指出：「Accenture 正協助 Biesse 集團發展一種服務導向的方法，協助客戶運用我們的機械產生更大的價值。」

他還指出：「我們將能夠為客戶提供一系列的特色功能，包括遠端診斷、警告和警示以至條件型/預測性維護服務與使用率分析，還有更多精密的生產程序最佳化功能。這些服務將加強我們售後市場的業務並帶來新的營收來源，讓我們從競爭對手之中脫穎而出。」

工業企業再思考

工業公司花了好幾十年的時間，憑藉他們對產品的深入瞭解建構了健全的企業。這些公司精通於利用他們的產品和服務知識為客戶提供附加價值，但是他們過去大多需要長達好幾年的開發週期才能達成這個目標。數位時代不再是這種做法。企業在新時代裡可以利用諸如 Accenture Connected Asset Management 一類產品重新自我定位。它不但能改善實體資產的營運效率，也為公司提供一條企業轉型的道路。

採用定制 FPGA 主機板導入物聯網適用的軟體定義無線電

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物聯網涵蓋非常廣泛的應用範圍，通常單一設計就需要超過一個無線介面，佔用更多空間也花費更多電力和成本。內行的物聯網網路設計師必須具備靈活彈性，才能支援多種不斷演變的標準，而使用軟體定義無線電 (SDR) 技術，就是獲得靈活彈性的另一種方法。SDR 技術並不是新概念；但是改寫 SDR 來解決物聯網面臨的兩難局面卻是新做法，所謂的兩難就是要在相同的網路基礎架構上整合多種射頻技術，還要簡化設計、縮短開發週期和降低整體成本。本文介紹一個以定制 FPGA 主機板為基礎的 SDR 設計，這是用來建立多重通訊協定無線數位基頻解決方案的設計。

SDR 提升網路插槽的效能與效率

顧名思義，SDR 技術可以在相同的硬體上支援多種無線電通訊協定。視實作情況而定，它可以同時支援這些通訊協定，且能橫跨非常廣泛（或狹窄）的頻譜範圍。而且，若在基地台一類無線裝置中使用 FPGA 實作時，隨著無線連接通訊協定不斷演變，您甚至可以重新編寫 SDR 平台的程式，讓網路基礎架構在未來繼續適用。VotaryTech 的 SDR 平台 Arria 10AX115U3F4512SG 便是能夠展現 SDR 潛力的好例子（圖 1）。這款 Intel® Arria® 10 FPGA 是支援系統單晶片的網路卡，適用於各式各樣的無線應用，包括全球行動通訊系統 (GSM)、通用封包無線服務 (GPRS)、LTE 網路的寬頻訊號處理、追蹤和遙測。該主機板是前端射頻平台，支援介於 70 MHz 至 6 GHz 之間的無線應用，不過它可以擴大至最高 15 GHz 的頻率。

圖 1. 定制 FPGA 主機板一覽，適用於支援多種無線技術的基頻設計。(資料來源：Intel)

定制的 10AX115U3F4512SG 支援網路應用的所有訊號處理要求，包括各種調變與解調方案。主機板的基頻處理能力涵蓋數位升頻器、數位降頻器以及標準調變器與解調器通訊核心。這樣一來，這個 SDR 平台便能在無線設計中支援傳送及接收訊號。再者，因為採用 10AX115U3F4512SG，所以 Arria 10 FPGA 內部的基頻處理作業可以程式化及微調，如此便能執行諸如 IF 過濾和降頻等工作。

為何在 SDR 中使用 FPGA

早期採用射頻前端模組的 SDR 設計曾經讓工程師驚艷且展現極大潛力。但是這項技術由於缺乏應用，SDR 設計並未能取得實質的進展，部份原因是這類系統中定制 ASIC 的要求（與成本）。但如今，低風險的系統單晶片正逐漸取代 SDR 平台中使用的傳統 ASIC。例如，採用 20 奈米製程技術建構的中階 FPGA 系統單晶片如 Intel Arria 10，相較於前一代高階 FPGA，其效能提升了 15% 且能耗降低了 60%（圖 2）。該裝置所產生的熱也較少，這也是無線基地台、行動回程傳輸以及遠端射頻轉發器設計的重要考量因素。更重要的，Intel Arria FPGA 系統單晶片提供數種精準度可變的 DSP 區塊和雙核心 Arm Cortex-A9 處理器的選項。Arria 10 FPGA 系統單晶片中的 DSP 區塊提供三種模式：標準精準度定點、高精準度定點和單一精準度浮點（圖 2）。無線系統設計師可藉此為數位升頻和降頻及多取樣率濾波器導入各種不同的演算法。

圖 2. Intel® Arria® 10 FPGA 中的 DSP 區塊提供標準精準度定點、高精準度定點和單一精準度浮點模式。此處敘述者是單一精準度 DSP 區塊。(資料來源：Intel)

把這些運算能力與超過 100 萬個 FPGA 邏輯元素 (LE) 和 2,400 Mbps DDR4 SDRAM 記憶體介面結合，便打造出可高度程式化、可調整的平台，能夠接納現有和新進的無線技術（圖 3）。

圖 3.  這個無線回程傳輸設計的方塊圖以 Intel® Arria® 10 FPGA 系統單晶片為基礎。(資料來源：Intel)

可合成的 IP 核心也可以整合到 FPGA 架構中，允許無線設備設計師為 FPGA 內的基頻提供類比數位轉換器 (ADC) 輸出和數位類比轉換器 (DAC) 輸入。這搭配上 I/O 和通訊協定控制，就是促使 SDR 型射頻處理與基頻介面之運作更便利的重要角色。可輕鬆取得電路圖並提供 10AX115U3F4512SG 適用的 Gerber 和主機板檔案，簡化了 SDR 功能之整合作業。Arria 10 支援通用公共射頻介面 (CPRI) 規格，使得平台更加適合無線基地台設計。

可程式化的能力已到達物聯網門檻

VotaryTech 原本是為了一項無線數據機應用研發這個 SDR 設計，但是因為硬體可程式化，所以也可以用在諸如遙測和波形產生模擬器一類應用。Arria 10 FPGA 系統單晶片帶來了這樣的靈活彈性，使得 10AX115U3F4512SG 這類主機板非常適合包含各種各樣演變中的技術和應用的物聯網。但是最重要的事，也許是本文已論證小型設計公司如何能運用高配置性的 FPGA 系統單晶片的威力，來提供能應付現有和未來要求的解決方案。

符合智慧城市解決方案需求的閘道

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以物聯網 (IoT) 概念為基礎的智慧城市部署持續進行，但設計師與系統整合商也面對著在維持成本與提供更多功能方面的挑戰。有許多現成的軟硬體解決方案可協助達成這些相互衝突的目標，不過設計師與系統整合商必須確保這些解決方案耐用、安全、可擴充、可管理，而且能輕鬆地與已經部署的網路和 IT 基礎架構整合。講到功能需求日益增加的應用，智慧街燈是一個例子，它是採用率最高的應用之一，也是最容易看見的智慧城市元素。

身兼多職的街燈

典型的智慧街燈可能會整合一個偵測陽光的太陽輻射感應器、偵測現場車輛或行人的動作感應器，以及一些將資料回傳至中央管理系統的工具。這在開始時只是一個簡單的想法，要以更有效率、也更符合成本效益的方式為城市提供照明，但卻讓不起眼的街燈成為智慧城市的關鍵元素。很大的原因是街燈的普遍性使其自然地成為其他智慧城市感測應用的聚集點，例如空氣品質、濕度、氣流、溫度、震動、風速計，以及可用於交通監測與安全用途的 IP 攝影機（圖 1）。

圖 1. 從基本的照明控制不停演進，現在具有空氣監測功能與視訊攝影機的街燈已經在智慧城市中扮演關鍵角色。(資料來源：Advantech)

此外，隨著連網交通工具的數量增加，以及車對基礎架構 (V2I) 技術的發達，街燈的角色將會越來越重要，Advantech 的產品經理 Brook Lee 這麼說。由於所有的這些附加功能和需求，在設定與滿足智慧城市需求時，判斷用於支援街燈的合適軟硬體便成為重要的課題。

適用於智慧城市的智慧閘道

隨著功能性越來越多，我們也必須重新思考收集和處理資料的方法，Lee 這麼說。將所有資料傳送至雲端分析的方法已經不再合理。這會帶來不必要的延遲和頻寬使用量，導致擴充性與管理性受限。由於有越來越多的感應器和功能加入，我們需要安全地提供並管理新的裝置和感應器。這些昂貴的功能不僅需要更高的邊緣處理效能，也需要在 RF 前端擁有更高的彈性，才能配合多種無線介面運作。Lee 表示，除了安全性與遠端管理能力以外，還需要運用智慧閘道。他以 Advantech 的 UTX-3117 物聯網閘道（圖 2）做為例子。這款閘道搭載 Intel Atom® 處理器 E3900，擁有高達四個核心、最高 1.6 GHz 的運作頻率，加上 8 GB 的 LPDDR4 記憶體。擁有這樣的運算能力，Lee 表示：「我們可以在本地進行資料分析」。

圖 2. Advantech 的 UTX-3117 物聯網閘道可在廣泛溫度範圍中運作且能搭配三種 RF 模組，在連線上提供靈活彈性。(資料來源：Advantech)

由影片與成像的角度來看，這個處理器的特點包括可支援 Ultra HD 4K，以及能以 30 fps 同時分析最多 15 個 1080p 解碼串流。Lee 指出：「擁有更高的效能，現在就能進行影像與視訊分析」。閘道也支援三種 RF 模組，可用於導入 Zigbee、6LoWPAN，或是窄頻物聯網等其他選項。彈性的 RF 支援能實現不同目的的混合網路。舉例來說，閘道可能會使用：

  1. 行動數據，用於以相對較高的資料速率進行廣域連線
  2. LoRaWAN，用於低資料速率的長距離控制和感測應用
  3. Wi-Fi 或藍牙，用於本地維護與更新，無需爬上街燈燈桿

其他 I/O 包括兩個 USB 3.0 連接埠與兩個 COM 連接埠，可用於日後額外增加更多感應器或攝影機。為了簡化新增與佈建這些新功能的流程，UTX-3117 具有 Advantech 的 WISE-PaaS 支援，以及遠端監控和管理 (RMM) 服務。這是預先設定的雲端服務軟體，可將感應器連接至雲端並推送韌體更新（圖 3）。

圖 3.  Advantech WISE-PaaS/RMM 著重於遠端管理與監控。(資料來源：Advantech)

針對安全性部分，UTX-3117 使用 TPM 2.0，並採用 Wind River PulsarOS，根據 Lee 表示，這樣就「擁有能預防駭客的安全性」。Pulsar 是容器化的 Linux 作業系統，可快速透過 Wind River 儲存庫遞送修補程式和安全性修正。根據 Lee 的說法，這樣能保護裝置不受與未經管理的開放原始碼技術相關的風險影響。Wind River 致力於為 Pulsar OS 提供長期支援，這能確保長久的安全性更新。PulsarOS 亦經過 Microsoft Azure 和 Amazon Web Services (AWS) 的認證，可簡易地連接至這些服務。在此開發者可以部署不同的雲端應用，像是

預測性維護或巨量資料分析。

智慧城市閘道的耐用度極為重要

除了關鍵的效能與安全性以外，系統也需要能在廣泛的溫度範圍下運作。在標準部署的情況下，UTX-3117 可安裝於外殼內，避免受外部元素污染，但卻會因封閉環境而受到高溫的影響，Lee 這麼說。因此，閘道設計為可在攝氏 -20 到 +60 度的範圍之間運作。Lee 還說，Advantech 選擇 Intel Atom 處理器 E3900 的原因便是其可在攝氏 -20 到 +105 度的溫度之間運作，並具有 7 年保固，而且可靠使用度長達 15 年。此外，UTX-3117 的體積小巧，尺寸只有 128 x 152 x 37 公釐這麼大。對 Lee 來說，運用照明基礎架構部署智慧城市的下一階段包括連接停車格，將空位資訊提供給移動中的連網車輛。同時，下一代智慧城市解決方案的基礎就是提供可在邊緣進行分析之安全、可擴充，可輕鬆管理的物聯網閘道解決方案。

物聯網如何對工廠帶來革新的運作方式

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直到最近，製造商對工廠的運作都無法擁有全面的可見度。在沒有簡單的方法檢查機器效能、庫存狀態，以及員工生產力等的情況下，提昇效率變得十分困難。物聯網完全改變了這個局面。透過使用感應器監控設備、零件、製程，以及完工的產品，製造商便能追蹤整個廠區與其他區塊的每一部份製程。他們能精細地檢視運作情況，從單一機器在一小時內的生產情況，到整個設施的總產量等。物聯網能透過以下方法協助製造商進行更聰明的決策、更快速創新、將關於生產的問題在發生前就先行解決、更輕鬆擴充、創造新營收來源，以及降低風險。

連線工廠

傳統來說，工廠自動化系統並未與企業的 IT 系統連接。在現代高競爭的環境中，製造商無法承受缺乏這樣的連線。「如果想要最佳化營運、減少停機時間、降低成本，或是增進產能，唯一的方法就是收集並分析你的資料。」Cisco 工業行銷部門經理 Wlodarczak 這麼說。這並不表示廠區並未收集資料。「工廠會生產極為大量的資料，」Wlodarczak 表示。但這些資料被鎖定在無法與彼此通訊，也無法傳輸訊息給管理員的老舊系統中。工廠通常具有多個網路，例如 Profinet、EtherNet/IP，以及 CC-Link 等。每一種都使用專屬的通訊協定，且大部分都沒有與企業 IT 連線。為了解決這個問題，Cisco Connected Factory 運用標準化的 Intel® 技術來統合這些獨立系統。在廠區中，搭載 Intel 技術的交換器能將許多工廠通訊協定轉譯至一致的工業乙太網路中。透過將工廠轉換為標準乙太網路的技術，Cisco 解決方案讓企業 IT 在整合工業網路時更加輕鬆。如此一來，製造商便可以在網路的每一個層級獲得智慧情報。只要資料不再侷限於廠房中，管理者便能分析資訊，找出可提升效率並增加創新的方式。資料可在在工廠內現場即時分析，不再需要傳送至雲端處理。這代表操作人員可以更快速地修復機器，並在產出大量無法使用的完工產品前掌握到故障與合規性問題。即時資料亦可確保安全系統運作正常，使重要的機密資料安全無虞（見下方圖 1）。

圖 1. 運用物聯網為工廠解決經濟與安全問題。透過結合工廠與企業 IT，同時也能捨棄維護起來困難又複雜的老舊網路。更換老舊設備的成本十分高昂，且隨著系統老化，僅有少數專業人士擁有修復系統的必要知識。轉移至單一平台也能減少工廠擁有者的總持有成本。而且，這樣的平台已經為未來做好準備。「你只需要為所有老舊設備增添一套硬體，就能應付未來所有的通訊協定，」Wlodarczak 表示。這代表，如果您要對機器或自動化程序進行變更，您不需要投資全新的網路設備，或是擔心要連線到多種不相容的系統。IT 人員可以使用安全存取權限，遠端設定一切。

保護環境安全

連線工廠在節省成本並驅動創新的同時，也增加了對安全性的擔憂。根據 Cisco 2016 Annual Security Report（Cisco 2016 年度安全性報告），製造產業的安全基礎架構品質為最低層級。擁有更多連線介面，就代表駭客有更多進行攻擊的手段。在這個方面，將運作技術連接至 IT 也能有所助益。安全弱點存在的原因，是因為兩個系統提供的防護等級層級不同。Cisco 強固的防火牆與閘道搭載 Intel 技術，無論資料傳送至何處，都能保持資料安全，同時並能快速地將資料傳送至廠內或廠外。透過運用單一平台，IT 得以中央化安全性管理，以及遠端新增或更新原則。如此可增進效率及安全性。「你願意從 15 間不同廠商購買安全解決方案，祈禱他們能共同運作，或是購買一種經過互通性現場測試的解決方案？」Wlodarczak 如此表示。透過與 Cisco 合作以區隔網路，製造商便能避免威脅增長。「若機器 A 無法與機器 Z 溝通，駭客便不能在各個機器之間收集資料。」Wlodarczak 這麼說。設定工廠的安全性設定通常是複雜、耗時的程序，但經過 Cisco 的簡化，可讓工廠監督人員在無 IT 協助下自行進行。安全性不僅僅避免駭客侵犯。製造商會與合作夥伴及客戶分享大量的資訊，通常都會為對方賦予資料庫的存取權限。但這可能會帶來風險。Cisco 正在開發一個系統，可以程式化地選擇要傳送至外部的資訊。「資料就像是湖裡的魚一樣。我們要找出一個方法能只送出特定的魚種，而不是將每一條魚都送出去，」Wlodarczak 這麼解釋。

快速修復與輕鬆擴充

工廠營運人員亦可選擇性地檢視資料。機器在正常運作時會產出大量到無法即時消化的資訊，但監督人員可以設定警示，在將要發生問題時收到提醒。「感應器每天可能會讀取一個資料點上萬次，但你可以選擇僅在出現特定範圍以外的數值時查看，」Wlodarczak 說。「你可以在機器超過容錯率之前便以告知負責人員，並在開始產出不良部件前就採取行動。」

監督人員亦可在巡視生產線時快速獲得關於運作的心得。他們的無線裝置會顯示所經過每個區域的最重要資料，從組裝、調校到包裝等。透過物聯網，也能加快擴充的速度。若公司想要增加新產線或生產單元，Cisco 的網路管理工具可協助自動部署擴充的設備。IT 群組可預先建立原則與設定，節省數小時的時間，並避免新設備拖慢既有的產能。「這為工廠帶來了『隨插即用』的能力，」Wlodarczak 說。

減少隔閡

在整個製造環境中，物聯網技術能將正確的資訊在正確的時間傳送給正確的人。這減少了設計師、工程師，以及工廠主管在管理工廠時的隔閡，讓他們能「看到」彼此的作業。透過分析來自機器與自動化系統的資料，他們能測量出特定區域或整個廠區的效率。運用所獲得的深入資訊，他們便能產生如何強化效率、增加產能、測試新系統，以及開發新業務路線的想法。瞭解物聯網運作方式的最佳方法，就是觀察它的實際運作情況。以下舉出三個使用 Cisco Connected Factory 進行轉型的工廠範例︰

Subzero︰降低成本並最大化效率

廚房用品製造商 Subzero 在導入 Cisco 系統之後，大幅減少了機器的停機時間。與其他許多公司一樣，這間公司的工廠與設計總部位於不同的位置。在過去，若廠區發生問題，工程師必須要從威斯康辛州飛到亞利桑那州進行診斷與修復，在此之間，工廠的產能便會停滯。而現在，工程師可以即時查看機器運作的影片。再結合機器的資料，他們不用離開座位便可以提供建議，甚至直接導入解決方案。因此，公司大幅減少了停機時間，並將每條生產線增加了每小時 $2,500 美元的產值。這同時也減少了 $40,000 美元的工程師旅程經費，以及超過 $100,000 美元的現場測試成本。

Daimler Trucks︰更優異的通訊效果

在寬廣巨大的廠區中，員工們很難與其他員工聯繫。之前，Daimler Trucks 因為工廠內不可靠的老舊網路，深受這種情況所苦。此公司導入了 Cisco 強固的基礎架構與 WiFi 網路，讓員工能透過 iPad 進行通訊。他們現在無需中斷手上的工作，即可查看部件的可供貨性，並從倉庫寄送。此公司生產的各種軸距、輪軸，及其他卡車元件上，現在都具有 RFID 追蹤標籤，以確定元件能在正確的時間，與產線上的合適車輛會合。亦會將 RFID 與其他資料傳送給管理員，協助他們保持廠區以巔峰效率運作。

FANUC︰強化客戶服務，並開發全新業務路線

產品離開產線，不代表物聯網的任務就此結束。製造商可以在完工的產品中嵌入感應器，以收集運作資料，協助解決客戶的問題，省去長途跋涉與成本高昂的作業延滯。在使用此技術前，機器人製造商 FANUC 無法得知客戶如何使用他們的機器人，直到產品故障並需要維修，而這樣的物聯網功能，對他們來說便非常實用。使用 Cisco 的系統，FANUC 便能獲得更新的資訊，讓他們能預測問題並在機器人停止工作之前便排除問題。圖 2 顯示物聯網資料如何協助 FANUC 改善客戶服務。

圖 2. FANUC 使用物聯網改善客戶體驗。監控產品不僅讓製造商將客戶服務提升到全新層級，更能透過向上銷售或增加服務合約等，協助他們創造全新的業務路線。「你可以預測維護需求，並在有東西壞掉之前先送出零件。相對於銷售產品然後結束交易，透過這樣的方法，您便能延續收益流動。」Wlodarczak 這麼說。透過連接設施的端點，製造商能安全地收集、傳輸與分析整個廠區與其他區塊的資訊。物聯網能協助他們最大化效率、避免發生問題、快速擴充，並為客戶提供更好的服務。透過 Intel 和 Cisco 的技術，現代的智慧、自我監控，且自我最佳化的工廠一定能在未來展現更多提升營運的方法。

物聯網帶來的大眾運輸轉型

Posted on by Pete Berta

世界各地的大眾運輸系統正面對巨大的挑戰。成本不斷上升，而基礎架構不斷老化。對低效率的路線、延遲和安全疑慮感到卻步的乘客，正轉移陣營到共乘和其他解決方案。大眾運輸必須面對的眾多問題無法以零碎的方式解決。運輸管理員花太多時間在滅小火，忙於即時解決車輛故障和成本超支等問題。他們對營運缺乏廣泛、全面的觀點，否則就能預防這類問題的發生，並建立整體運作更順暢、效率更高的系統。端對端連線的物聯網系統讓管理員能鳥瞰原本錯過的細節。透過從運輸系統的車輛位置、車況到燃料效率、安全性及乘客使用等所有方面結合資料點，物聯網讓管理員掌握全局，並做出具有長遠效果的改變。以下是聖地牙哥都會運輸系統 (MTS) 採用思科智慧型大眾運輸物聯網系統所達成的事項：

  • 透過預測性維護降低營運成本
  • 建立更有效率的路線並節省燃料成本
  • 透過協調視訊監視提升乘客安全
  • 提供乘客高速 WiFi 和即時班次更新

合適的物聯網系統能做的不只這些。透過端對端連線系統，管理員不僅能節省時間和金錢，更可推動乘客量的提升。

挑戰

在各國政府節省開支之際，老化的運輸基礎結構會產生更高的維護成本。即使有補助和收費，許多系統無法產生足夠的收入來彌補資金及營運成本，而造成維護的延遲。維護不足會導致服務延遲。乘客因為無法得知下一班公車或輕軌列車要等多久而感到不滿。此外，很多系統仍然營運數十年前設計的路線，無法滿足現今的乘客。即使在以不愛坐車聞名的千禧世代往都會中心聚集的同時，不可靠又沒效率的服務可能使乘客量下滑。他們不開車或使用大眾運輸，而是以 Uber 和 Lyft 等科技導向的解決方案取代。人們開始使用共乘服務後，就不太可能回到大眾運輸。最近的研究發現叫車服務導致公車服務降低百分之 6，而輕軌服務降低百分之 3。共乘仍然是新興產業。如果使用大種運輸的人減少，車票營收及政府補助就會降低。這讓已經承受壓力的系統有更多負擔，且增加服務問題，使更多乘客棄守。而造成惡性循環。

物聯網改變遊戲規則提升乘客體驗

如同任何正失去吸引力的公司，大眾運輸必須從提升客戶體驗著手。現在人手一機的乘客生活在即時更新和按鈕服務的世界。因此無法等待不知何時會來的公車。當美國大眾運輸協會詢問千禧世代在未來 10 年最想看到大眾運輸有什麼特色，61% 表示想要更可靠的系統，45% 渴望更簡單易用和直覺性的搭乘體驗，而 55% 表示想要即時更新和高速、可靠的 WiFi。為了在這個成本導向且競爭日益激烈的環境下成功，大眾運輸系統需要更有效率，並提供更佳的體驗，而物聯網能幫助運輸系統達成目標。

物聯網實際應用：聖地牙哥

思科智慧型大眾運輸是這個新方向的好例子。這個與 Intel 和 Davra Networks 合作開發的平台以全面、統一架構連結車輛、運輸站點和乘客（圖 1）。

圖 1. 思科智慧型大眾運輸涵蓋運輸系統的每個層面。瞭解這個系統最簡單的方法是查看實際的範例：聖地牙哥 MTS。系統中所有公車、火車和車站皆具備感應器及通訊設備，來連接廣大的獨立系統陣列。透過將運輸車輛速度與位置和交通資訊結合，系統能精確預測抵達時間。這類資訊於現場處理，不僅傳送給運輸管理員，更透過放置於車輛、沿線車站和運輸站點的數位看板直接傳遞給乘客。不顯示抵達時間的時候，這些看板可以顯示數位廣告，為運輸系統提供新的營收來源。根據 KPMG，數位螢幕能顯示生動、吸引人的廣告來賺取高費率。運輸管理員可以把相同空間出租給以不同族群和不同時段為目標的多重客戶。通勤族可以透過看板或行動應用程式獲得運輸資訊。資訊每五秒更新一次，每 10 秒推送一次。乘客從此不必再擔心是否能準時上班。而且如果他們真的快遲到，還可使用運輸系統全線提供的可靠 WiFi。思科運輸（物聯網）全球行銷主管 Matt Veltmann 說：「如果你是生意人，可以完成 Excel 試算表並寄給老闆」。他補充道，如果想要放鬆，「可以開啟足球遊戲或在 Netflix 串流電影」。Veltmann 表示，提供可靠的車上 WiFi 是一項額外的初期成本，但經過一段時間，它會透過吸引和保留乘客來提升營收。另一項對乘客的誘因是安全性的提升。車輛和車站內的攝影機可將即時影像傳送給中央安全人員。透過整合遍及系統的監控，安全人員能更快速發現事件。而且，因為他們知道所有人員的位置，能夠直接聯繫最接近現場的人員。

維護車輛與提升效率

雖然安全感和知道抵達時間是有助益的特點，現今的乘客也要求更低的停機時間和更高的效率。在這方面，物聯網也改變了大眾運輸的遊戲規則。雖然現今公車和火車有車載資通訊，但收集到的資訊不一定能送達需要的地方。例如公車設備監控引擎溫度、燃油效率、油壓、胎壓等。但這些資料常鎖在特殊系統裡。雖然對技術人員有用，但無法讓運輸管理員掌握車隊的趨勢。對於需要收集轉轍器資訊才能將列車引導到正確軌道的輕軌車輛，以及各種其他系統而言，皆是相同道理。儘管絕對需要這類資料的人可以查看內容，但運輸管理員仍然毫無頭緒。思科智慧型大眾運輸將所有系統收集到的資訊載入運輸管理員和其他人能看到的單一平台。Veltmann 說：「如此可讓系統互相溝通」。因此，管理員能及早發現機械問題，減少故障並降低維護成本。透過結合各系統的資料，管理員不僅知道所有車輛的位置，更能掌握每站上下車的人數。Veltmann 說：「或許可以把第 3、8 和 17 號停靠站取消，因為使用人數不足。接著可以設計更有效率的路線，節省燃料並更快速地把乘客送達目的地」。更好的通訊和更高效率的路線會帶來實際的成本節省，以及環境足跡的改善。在所有電車和公車實施思科智慧型大眾運輸解決方案後，奧地利的林茲市降低能耗達 10%，並減少二氧化碳排放達 85 噸。

決策更佳

彙總資料來掌握全局改變了大眾運輸的遊戲規則，讓管理員執行日常營運更有效率，同時洞察先機做出更優異的長程計畫。而這還只是開始而已。隨著資料收集和分析的累積，運輸管理員將取得幫助他們進行更高效率營運的知識，並開發新的商業模式來因應乘客需求的改變。如同思科運輸業總監 Kyle Connor 所說，我們正進入「數據是新能源」的時代。使用整合的系統層級物聯網，有潛力能將大眾運輸從分散、停滯的網路轉型成為光明未來做好準備的精良機器。

統一各自獨立的資料，以打造更聰明的城市和設施

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智慧城市是系統的物聯網 (IoT) 系統的縮影，因為可以結合來自眾多應用程式的資料，以讓市政府能夠更有效率地運作。但要實現協調大量分散式系統所帶來的好處，則必須釋出存在於那些經常各自獨立的系統內的資料。而這需要可讓不同的應用程式順暢通訊、有效率地擴大規模，以及隨時間推移提供新的服務的可互通訊息平台。例如，巴塞隆納市已部署了智慧型交通號誌、GPS 技術和交通管理軟體，以便讓公共汽車和緊急事件車輛能夠趕上最有可能的綠燈。而這樣反過來可以減少交通壅塞、汽車排放量，並提高公共安全。為了使所有類型的智慧型部署都有效，必須將來自許多系統的資料彙總到一個統一的儲存庫中，以實現根據多個輸入進行即時決策。這為智慧城市和智慧型設施工程師帶來了挑戰，因為系統通常會產生獨特類型的資料，並使用不同的技術進行通訊。因此，可用於進行資源規劃和事件回應的資訊仍被困在垂直的資料環境中，並隨著時間失去其價值。因此，許多智慧城市和設施部署在推動之前就已經動彈不得。當然，假設智慧型部署內的所有系統都將會被重新設計或取代以支援同質資料集和連線能力是不切實際的。相反地，物聯網營運商必須改為使用標準的 API 和可互通的通訊基礎架構。這類解決方案可讓嵌入式系統與集中式管理平台保持分離，同時仍以緊密結合的方式公開其應用程式資料。它們也提供一個可擴充的機制，以隨著時間的推移擴大部署。符合這些需求的一項技術是企業服務匯流排 (ESB)。ESB 是開放標準軟體訊息平台，可實現應用程式之間的互通性，並免除對複雜的點對點網路拓撲的需求。因此，物聯網營運商可以利用 ESB 系統來提供創新的服務，而無需徹底修改其現有的基礎架構。

ESB 的實際運作：個案研究—墨爾本機場

一個利用 ESB 功能的設施是墨爾本機場，而它就像是一個小型城市。這裡正在使用 TIBCO Software, Inc. 的 ActiveMatrix BusinessWorks 軟體來協助改善營運效率，並提高每年超過 3400 萬乘客的服務品質（圖 1）。ActiveMatrix BusinessWorks 是一個可延伸的 ESB 解決方案，可用於開發異質服務導向架構 (SOA)，以及用於部署和管理可互通的應用程式的佈建。

圖 1. TIBCO ActiveMatrix BusinessWorks 提供了一個企業服務匯流排 (ESB)，可將不同的系統和應用程式整合到統一的智慧型部署中。（資料來源：TIBCO Software, Inc.）

ActiveMatrix BusinessWorks 透過收集來自各種內部和外部系統的資料並將其調整為統一格式，為墨爾本機場最近啟動的增強型機場協調中心 (Enhanced Airport Coordination Centre, EACC) 提供了基礎。然後使用 TIBCO StreamBase 複雜事件處理 (CEP) 引擎彙總和解讀這些即時資料流，並使用該公司的 Live Datamart 分析平台發佈至自訂的機場控制儀表板中。透過 TIBCO、API 廠商 Nukon 和 SCADA 供應商 Inductive Automation 之間的開發合作關係，5 位工程師在 12 週內就打造了整個 EACC 軟體堆疊（圖 2）。現在該事件導向系統可為機場營運者提供目前機場狀況的即時呈現，包括：

  • 可讓使用者深入瞭解事件位置和資產資訊（例如登機報到櫃台、行李轉盤和電梯/電扶梯）的地理空間資料混搭 (mashup)
  • 飛機和地面車輛的調度與追蹤
  • 發佈預防性維護工單的功能

圖 2. 墨爾本機場的增強型機場協調中心 (EACC) 利用 TIBCO 軟體和 Nukon API 為機場人員提供了寶貴的營運見解。（資料來源：Nukon）

這項資訊是以網頁型展示層呈現，其中包含無限制的用戶端。一般使用者無需編寫任何程式碼。

資料建模讓設施能夠從事後回應轉為事前預測

EACC 情境意識平台透過消除傳統的資料孤島，讓墨爾本機場能夠對其營運擁有前所未有的能見度，而趨勢建模則是提高效率和改善使用者體驗的下一步。透過使用來自整個機場子系統的歷史趨勢資料，設施利害關係人可以調查「假設」情境，並在事件發生之前預先做好準備。但是，考慮到機場的分散式系統所產生的大量資料，這一點真是說時容易做時難。在開發的第二個階段中，TIBCO Software 會將其 Spotfire 預測性分析軟體整合至 EACC 平台中。Spotfire 是一個 AI 驅動工具套件，可將回歸或分類模型納入現有的分析工作流程中，然後產生可在決策過程中納入考慮的預測性資料表（圖 3）。長久以來，事件回應一直是一個反應過程。現在 Spotfire 可讓使用者針對尚未發生的事件採取先發制人的行動。

圖 3.  TIBCO Spotfire 分析平台將回歸和分類模型整合至現有的分析工作流程中，以改善營運商的決策。（資料來源：TIBCO Software, Inc.）

透過將事件導向商業邏輯應用至這項預測性資料，從票務、安全到行李領取處的機場人員團隊現在可以協調涉及群眾控制、設備故障和延誤等危機的一致回應。

更聰明的系統的系統無處不在

墨爾本機場是智慧城市的縮影，展示了如何統一先前各自獨立的系統，以讓營運商取得更豐富的資訊、提高效率，並改善為客戶提供的服務。利用適當的通訊基礎架構和預測性建模工具，可以順暢地協調大規模的事件導向系統的系統。運輸、公用事業和緊急救助服務都可以互相通知，以優化都市生活。透過利用開放標準軟體，智慧城市營運商可以立即開始追求這個目標，而無需犧牲過去的投資或未來的彈性。

機器視覺讓工業機器人能夠感知情境並進行改進

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工業機器人設計師一直面臨著提高生產力和效率的壓力。為了因應這種情況，他們正在借助各種新興技術，例如 CV 和 3D 視訊擷取。這類功能有望徹底改變工業自動化，但需要能夠提供比其以前的系統架構更高的效能和連線能力，同時保持輕巧可靠的新系統架構。3D 機器視覺技術可讓工業機器人根據即時拍攝和分析的影像優化抓取功能並調整力道。因此，機器人可以更靈活且準確地移動零件與組合件。但是，雖然「情境感知」機器人可以大幅提高生產力，它們也面臨了相當大的設計挑戰。其中包含：

  • 視覺引導型機器人需要額外的攝影機硬體和高頻寬 I/O 及介面，以將 3D 攝影機連接到運算系統。
  • 在空間受限和嚴苛環境中運作的能力。
  • 可執行用於即時影像處理的深度學習演算法的強大效能。

這些要求需要在輕巧的外型規格中結合高傳輸量、低功耗運算，以及廣泛的操作溫度範圍、智慧型電路保護和減震等可靠性功能。提供這些功能通常需要多個運算平台，因而增加了成本和系統複雜性。現在，OEM 提供了可以盡量減少這兩者的整合式解決方案。

機器視覺加動作控制

Vecow 是機器視覺和影像解決方案的開發商，負責為以視訊為基礎的工業機器人平台設計工作站級的系統。傳統上，這類設計需要使用兩個嵌入式系統，一個用於 3D 視訊擷取，另一個則用於機器控制。但是有限的空間需要一個輕巧但功能強大的運算系統。因此，Vecow 選擇以伺服器級 Intel® Xeon® 處理器 E3-1275 v6 做為其設計基礎，從而讓視訊擷取和動作控制功能能夠整合在單一平台 (RCS-9000F GTX1080) 中（圖 1）。

圖 1. RCS-9000F GTX1080 是一個工業機器人系統，其中將視訊擷取和機器控制結合在單一嵌入式系統中。（資料來源：Vecow）

RCS-9000 提供在可提供企業級效能的工業級封裝中處理即時視訊擷取、深度學習、動作控制和其他機器人工作負載的能力。它最多可以同時處理 16 部 3D 攝影機，以進行來自製造用機器人的啟用機器視覺的視訊擷取作業。根據 Vecow 的解釋，使用 Xeon 處理器 E3-1275 v6 的主要原因是，它可提供比其他 Skylake-S 和 Kaby Lake-S 架構處理器高百分之 7 的基頻。一項稱為增強型 Intel SpeedStep® 的頻率調整技術可讓處理器的時脈速度在軟體中動態變更。這反過來又使得處理器能夠滿足即時的用電需求，同時盡量減少耗電量和產生的熱能。E3-1275 處理器的整合式 Intel® HD Graphics P630 技術是另一項重要設計考量，以便以省電的方式支援即時 3D 視訊擷取（圖 2）。繪圖引擎可讓 Xeon 處理器提供 10 位元高效率視訊編碼 (HEVC) 硬體加速，從而增強 4K 視訊編碼和解碼作業。

圖 2. Intel® Xeon® 處理器 E3-1200 v6 與 C236 晶片組一起提供了包含多個介面選項的整合式全功能 CPU 和 GPU 解決方案。（資料來源：Intel 公司）

Vecow 宣稱 RCS-9000F GTX1080 是第一個結合彈性的 CPU 插槽與高階顯示晶片，以產生具有視覺功能的工業機器人的機器視覺解決方案。額外的繪圖引擎也可讓該系統同時執行 3D 視訊擷取和分析作業。除了增強的 CPU 和顯示晶片外，在高達 64 GB、2,400 MHz 組態中的 DDR4 錯誤修正碼 (ECC) 記憶體透過避免記憶體錯誤確保了系統的可靠性。此外，還結合了 RCS-9000F 的無風扇設計以及 EN 50155 和 EN 50121-3-2 的抗衝擊和抗震動認證，進而增強了在工廠環境中的可靠性。RCS-9000F 經指定在 -13ºF 至 140ºF 的溫度範圍內作業，同時還具有 80 V 突波防護功能。

整合式全功能介面

就關鍵任務應用（例如製造用機器人）的 3D 視訊作業而言，如果可以同時執行各種作業，效率將會更高。因此，Vecow 的 RCS-9000F GTX1080 運算解決方案分別針對視訊擷取和資料分析提供了 USB 3.0 和 PCIe 插槽。由於整合了 i219LM 和 i210 乙太網路控制器，因此該工業級運算系統可透過多個 Gigabit 乙太網路 (GbE) LAN 連線控制機器人。這些高速 GbE 連結最多可以支援 16 部攝影機以進行機器視覺相關作業，並啟用機器人與機器人之間的連線能力。額外的 PCIe 擴充插槽也可用於整合附加設備，以進一步支援深度學習和機器視覺作業。由於多個 I/O 連線對於促進高解析度資料傳輸和銳利視訊分析至關重要，因此這個整合式全功能平台可為任何類型的作業提供充裕的介面選項。

從自動化到自主化

先進的 CV 和連線技術正在將相對簡單的工業機器人從各自獨立的系統轉變為更為複雜的自動化工作流程的成員。但要利用這些功能需要高度整合的運算平台，才能讓每個機器人更快、更準確且更持續地擷取和分析視訊資料，並據以採取行動。這對於變得越來越自動化和自主化的機器而言非常重要。將工業資料與 CV 系統整合符合工業物聯網的大趨勢，例如機器學習和資料分析。像 RCS-9000F GTX1080 這樣的平台可讓工業機器人在這場持續的工業革命中扮演著重要的角色。

利用彈性霧閘道加速轉型成工業物聯網

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OEM 可以利用工業物聯網 (IIoT) 概念減少停機時間、節省成本和改善營運效率，但是轉型至工業物聯網需要相當多前期投資。幸好新的架構方法，例如霧運算，可降低這些成本，同時改善效能。主要的問題在於舊的工業設備並未具備合適的技術，無法支援立即移轉至工業物聯網。經由企業網路與雲端進行通訊的系統必須考慮連線能力、安全性和延遲問題，意味著想要實現工業物聯網轉型的企業組織必須進行昂貴的翻新、增添基礎架構以及可觀的設計工作。在這期間，重要的系統亦必須先離線。

霧運算如何實現工業物聯網移轉

除了這種大規模的重新設計，另一種選擇是改採霧運算，用有效率、符合特定目的且可擴充的形式建立工業物聯網邊緣感測器網路。霧運算架構不把大部份智慧放置在集中式雲端，而把資源分佈到更接近網路邊緣的地方（圖 1）。

圖 1. 霧運算把情報放在更接近工業感測器的地方，減少與雲端通訊相關的頻寬、延遲和安全問題。（資料來源：Nebbiolo Technologies）

霧運算架構把智慧放在更接近機器的地方，可盡量減少與雲端通訊相關的頻寬、儲存、延遲和安全性問題，還能使用較為平價且複雜性較低的基礎架構硬體。尤其對工業組織而言，許多時效性資料分析任務不需要傳輸到後端企業伺服器而可在霧層執行，加速了即時控制應用程式的決策並限縮資料傳輸成本。總言之，霧運算能協助想要加入工業物聯網的工業經營者減少部署障礙。但是要立即採用霧運算，必須具備強健、可靠且彈性的物聯網閘道平台。

彈性霧閘道將 IT 與 OT 合併

因為在霧架構中對雲端的依賴較少，所以霧閘道必須提供一般由雲端提供的許多功能。這些閘道作為工業感測器與控制平台之間的連接點，執行非常大量的本機資料儲存與分析，而且在必要時會與外部系統通訊。因此他們必須囊括與企業平台之運算資源類似的資源，同時支援工業環境所需的彈性連線能力與低功率運行。WIN Enterprises 推出的 IoT-380 Gateway 就是一款入門級物聯網霧閘道，成本低、容易使用且部署迅速（圖 2）。

圖 2. WIN Enterprises 推出的 IoT-380 Gateway 是適合工業物聯網部署的彈性霧閘道。（資料來源：WIN Enterprises）

IoT-380 搭載 Intel Atom® 處理器 E3826 並配備 4 GB 的 1067-MHz DDR3L 記憶體，專門設計把感測器的原始資料串流出來，然後在本機處理或是傳輸到雲端作進一步分析。E3826 處理器能以充裕的效能執行本機資料分析與封包串流，而且整合多項功能，十分適合工業物聯網與霧環境使用。例如，該處理器僅耗用 7 Ｗ 功率，而且支援 Intel SpeedStep® 技術。Intel SpeedStep 會以工作負載為據，動態操控處理器的時脈頻率，不但省電，還能在必要時提升效能。處理器亦藉由內建的 Intel® 虛擬化技術提供虛擬化功能，讓重要的和非重要的工作負載分開，以策安全。此外，IoT-380 亦具備兩個 Intel® i210AT 乙太網路控制器，遵循 IEEE 802.1Qav Audio-Video Bridging (AVB) 標準，可讓時效性 Gigabit 乙太網路 (GbE) 之運作更順利。控制器亦支援節能乙太網路 (EEE) 技術，它與 Intel SpeedStep 相似，在資料活動不多的時候降低耗電量。除了乙太網路以外，IoT-380 亦包括多種有線和無線的通訊方式，所以適合各種各樣工業物聯網應用使用，其中包括 3G、LTE、Wi-Fi 和 USB 2.0/3.0。閘道的操作溫度範圍介於 -10°C 至 +60°C 之間，且可採用 VESA 規格安裝，所以能在條件嚴苛的環境中安裝和操作。其中包括製造廠房、鑽油平台、遠端發電站以及交通運輸系統，因為這些環境必須耐受得住極高程度的衝擊與震動。

一切從簡（兼顧安全和低成本）

由於工業環境的控制網路連接越來越多的裝置，設計師正尋找有效、安全、低成本又簡單的移轉方式來實現工業物聯網。工業物聯網的要求比消費性物聯網更加嚴苛，必須實施嚴謹的控制和較嚴格的安全控管。但是，為了達成最終目標，我們必須先瞭解目前系統的連線能力和環境要求，並就功能和資料交換的需求去分析短期目標。物聯網閘道（如 IoT-380）是能否有效部署工業物聯網霧閘道的關鍵。它是邊緣裝置與雲端之間的橋樑。同時，它也利用 Intel® 架構確保可向下相容既有的解決方案，同時能夠往前移轉至未來的工業物聯網/霧網路。

促進強固型物聯網運算之成本效益

Posted on by Pete Berta

物聯網應用的設計師總是不斷面臨壓力，一方面要超越一般消費性系統對強韌度、空間、效能和可靠性的要求，一方面要顧及成本效益。從頭開始設計並滿足所有這些需求須付出昂貴成本，所以選擇電腦用的高效能主機板，並把它安裝在精心設計的機殼中，搭配有效的散熱管理、靜電干擾/靜電放電防護和 I/O 連接埠設計，是實現物聯網不錯的替代選擇。除了節省成本和縮短開發時間以外，隨著新款處理器面市及應用的要求越來越高，這種方法還可以提升擴充能力。適合這種替代方法的運算平台之一，是 Next Unit of Computing (NUC) 外型規格。這款主機板採用最新 Intel 處理器而具有擴充能力，能滿足空間和效能要求。只要在機殼設計和散熱方面稍加留意，它可以隨時轉換成相對低成本的強固型物聯網運算平台。以下例子中可以看到 Logic Supply 如何搭配它開發出適用於物聯網的強固型機殼，並讓它過程中保持美觀。

NUC 兼顧空間與可擴充效能

Intel® NUC 主機板，例如 NUC7i3DNBE 是在 4×4 寸的小巧體積中結合高效能運算的設計（圖 1）。它使用最近發佈的 Intel® CoreTM i3-7100U (Kaby Lake) 處理器搭配 Intel® HD Graphics 620，其熱設計功耗 (TDP) 是 15 W 並使用入焊入式 BGA 封裝，讓產品更堅固耐用。

圖 1. Intel® NUC 主機板例如 NUC7i3DNBE 能滿足工業應用對空間、效能和擴充能力的要求，但是必須經過修改，才能克服工業、招牌、物聯網和環境與可靠性方面的挑戰。(資料來源：Intel)

再加上一些功能特性，例如使用直接用螺絲固定在主機板的 SSD 記憶體、介於攝氏 0˚ 至 55˚ 之間的操作溫度、預設風扇和塑膠機殼，NUC 一般而言已足夠應付消費級和工作站應用。但是，消費級和工業界的使用模式與設計要求之間卻有極大差距。儘管消費者可以忍受，甚至有者享受打開電腦系統來切換元件、排解難題，以及在系統過熱時願意等待系統散熱，工業和物聯網應用卻是另一回事。「對我們的客戶而言，停機時間會抹煞一切。」強固型電腦系統供應商 Logic Supply Inc. 的產品經理 JP Ishaq 表示。許多客戶把電腦放在天花板上面、櫥櫃內或工作檯下方。「他們不想看到電腦，而且尤其不想因為過熱而打開電腦。」他說。

工業和物聯網適用的強固型 NUC

儘管 NUC 在大小、連線能力、功能和效能方面，包括 HD 媒體功能，均已到達適當平衡，但是下一個目標是讓它滿足工業領域客戶的需求。換言之，就是盡可能移除最多故障點。這從移除風扇開始，風扇通常是最便宜的元件，它會累積灰塵並阻塞系統，吸入金屬碎屑以及故障或短路。Ishaq 說：「我們要把它完全移除，我們想要完全固態的解決方案。」他表示，最重要的是，必須移除所有通風口，而且務必減少 I/O 連接埠或是封閉起來避免濕氣、灰塵和靜電干擾。移除風扇後，Logic Supply 便著重採用先進的散熱器和機殼設計進行被動式冷卻，確保內部溫度盡可能降低。「有些人可能把主機板拿來，直接裝上散熱器，然後放到機殼中。」Ishaq 說道。他們並不這樣，他補充道：「我們嘗試並確保我們使用定制的散熱解決方案，以便盡量排出處理器的熱度，讓它有更多透氣的空間。」

以這種概念設計出來的產品例如 ML100-G-31，外觀相當有特色（圖 2）。「但是它的功能也非常非常出色。」Ishaq 說道。「我們的確相信形隨機能的原則，但是其他條件都相等的情況下，我們也可以讓它看起來更美觀。」Logic Supply 亦提供遮蓋或封閉通風口以及在機殼上增加品牌的選項。

圖 2. ML100-G-31 包含定制的散熱器設計，也提供遮蓋或封閉通風口的選項。（資料來源：Logic Supply Inc.）

散熱器的設計取決於客戶的應用要求，例如可用空間和操作環境。但是所有設計均須採用高品質且導熱佳的鋁材，結合良好均勻的接觸，還要利用良好的壓接使它固定就位。「有些散熱器解決方案搭配熱昇華和熱管後變得十分複雜，但是我們努力把它簡化，消除所有間隙，讓它變得簡單且緊密結合在一起。」Ishaq 說道。雖然 NUC 平台採用最新的 Intel 處理器，可依照使用者的應用需求擴充，但是相對於之前的 Sky Lake 和 Broadwell 實作，Kaby Lake 系列產品必須額外修改散熱器的設計。例如，團隊把更多散熱器的元件放到主機板上。「一般上，我們會盡量減少主機板的接觸點，讓它只接觸 CPU，但是我們也把某些接觸點放到調節器。」Ishaq 表示。團隊使用散熱片直接與調節器接觸，然後把散熱器延伸到散熱片之上。「實施新的解決方案後，額定溫度有了攝氏 10 至 15 度的改善。」Ishaq 說道。成功的秘訣在於過量測試，但是指定規格時較保守。這表示要讓所有元件，從 CPU 到記憶體和 Wi-Fi 或其他網路連線，均達到最大值。Logic Supply 也採用 EN 50155 一類標準進行測試，這是鐵路適用之電子設備標準，會測試溫度、濕度、衝擊和振動。該公司甚至會實施減震，以便在必要時避免主機板受到過大的重力。Ishaq 指出，Logic Supply 也會採用標準的 ML100-G-31 強化機殼，並遮蓋連接埠，或是使用消費者一般不會使用的連接埠，包括 COM 連接埠和數位 I/O。為了解決靜電干擾的問題，團隊確保連接埠周邊的墊圈緊實，並避免使用基本背板。

工業和物聯網適用的強固型 NUC

雖然工業和物聯網應用對效能、擴充能力、佔用空間和可靠性的要求通常會增加成本，但是這並不是必然的。選擇外型規格合適的主機板，加上可擴充的處理器和合適的定制散熱器與機殼設計專家的支援，最終的解決方案可滿足設計和環境的要求，不但準時完成，而且不超出預算。

利用 Intel® SSF 消除人工智慧的瓶頸

Posted on by Pete Berta

機器學習與人工智慧凸顯了高效能運算的限制。理論上，高效能運算的平行架構可以隨著資源增加而以線性方式擴充，但是實務上卻完全不是這麼一回事。高效能運算系統經常因為運算處理、資料傳輸與儲存之間的不平衡狀態而遇到瓶頸。硬體與軟體未標準化，致使不同實作之間脫節且無法達至最佳效能。結果，當系統擴充時，效率不彰的狀況和成本也隨著增加。

新進的可擴充系統架構

為了消除瓶頸，Intel 推出了 Intel® Scalable Systems Framework (Intel® SSF)。SSF 旨在用更全面、均衡且可擴充的方式執行高效能運算。要完成這個任務，SSF 把記憶體、運算處理和網路傳輸中與管理軟體和輔助參考架構搭配運作的特定元素找出來（圖 1）。

圖 1. SSF 把記憶體、運算處理和網路傳輸中與管理軟體和輔助參考架構搭配運作的特定元素找出來，以便消除高效能運算的瓶頸。（資料來源：Intel 公司。）

在 SSF 中可使用的硬體元素包括：

  • Intel® Xeon® 處理器 E5-2600 v4 及 Intel® Xeon Phi™ 處理器
  • 使用 NVMe（非揮發性記憶體）建置的 Intel® Optane™ SSD
  • Intel® Omni-Path Architecture (Intel® OPA) 網狀架構及 10/40-Gbit/s 乙太網路

這些全由 Intel® Enterprise Edition for Lustre* (Intel® EE for Lustre) 軟體提供支援。Lustre 是專門解決平行儲存架構之需求的開放原始碼檔案系統。Intel 以常見的檔案系統為基礎並予以增強，包括：

  • Intel® Manager for Lustre，可簡化安裝與設定
  • Hadoop* MapReduce* 整合式支援
  • 全球全年無休的技術支援

Intel SSF 立下了作業系統的標準，其中包括 Linux 核心、存取控制、程式設計介面、執行時間環境、儲存和檔案系統。舉兩個例子，它指定 Linux Standard Base (LSB) 命令系統以及每個節點上 RAM 的最小數量。請務必注意，SSF 的 API 使用 LP64 程式設計模型。這代表它與常見的高效能運算程式設計模型相容，並可利用既有的程式碼。如此便能支援各種高效能運算功能之整合，否則它們之間可能脫節。SSF 的優點令人印象深刻。Premio Inc 是提供基於 SSF 的儲存解決方案的供應商，其伺服器與儲存產品經理 Andy Lee 表示：「使用 SSF，速度會比前一代[non-SSF-enabled]增加 25% 至 30%。」

其中一個實例是自動駕駛汽車，演變至今已經產生了數 TB 的資料。Lee 指出：「前一代的 Xeon 要花一個月時間才能分析所有資料和執行物件訓練；現在您訓練自動駕駛汽車上的所有物件只需要一半時間。」

Premio 已經導入SSF，把它用作 FlacheSAN2N24U-D5 儲存伺服器的基礎（圖 2）。該伺服器使用兩個 Intel® Xeon® 可擴充處理器並支援 24 個前置型熱抽換 NVMe PCIe 3×4 2.5 吋磁碟。運用 SSF 的原理加上其他元素，例如 Omni-Path 和 100G 介面，FlacheSAN2N24U-D5 的傳輸量可達 60 GB/s 以及 1200 萬 IOPS。

圖 2. Premio Inc. 的 FlacheSAN2N24U-D5 儲存伺服器使用 SSF 來消除瓶頸，所以能達到 60 GB/s 的傳輸量，以及 1200 萬 IOPS。（資料來源：Premio Inc.）

FlacheSAN2N24U-D5 是一種超級運算應用，Lee 指出：「它可以用來迅速分析資料，例如用於鑽探、天氣預測、石油與天然氣、農業和保全。」

不是所有 SSF 實作皆一樣

雖然 SSF 似乎讓人們覺得部署或選擇一個基於 SSF 的高效能運算相對簡單，設計師或潛在客戶在導入或是選擇供應商時卻要萬分謹慎。據 Lee 指出，Premio 所實作的 SSF 是附加價值之所在，因為它製造自己的主機板，執行所有路由，並且直接連結磁碟機來提供儲存（圖 3）。它也針對低延遲和傳輸量的需求自行採購合適的元件，Lee 說道。但成本仍然是關鍵因素，所以 Lee 說他們堅持使用現成元件。

圖 3.  Premio 所實作的 SSF 透過自行設計主機板和執行路由，以及針對低延遲和傳輸量的需求自行採購元件，達成了差異化的目標。（資料來源：Premio Inc.）

設計高效能運算系統雖是很好，但變更與升級的需求總是不斷出現。Premio 直接解決了這些問題。「我們的伺服器設計，能與未來的處理器相容。」Lee 說道。「只需要切換[older]運算節點並取得 Skylake[now called Xeon Scalable processors]。」Lee 指出，重新設計主機板可能花費 6 個月至 1 年時間，相較之下，利用這樣模組化、同類交換的方式能省下時間。另一項需要釐清的重點是，設計團隊並不保證會花時間把新的基於 SSF 之系統設計正確，所以最後會造成更多瓶頸，Lee 說道。「我們建立一個均衡的架構，要消除整個網路上所有瓶頸。」他說。例如，Premio 能夠執行所有五個 PCIe 線道，所以能善用 Xeon 可擴充處理器，而其他的僅能執行兩個線道。Premio 也使用 RoCE（透過聚合型乙太網路的 RDMA）網路通訊協定來管理線道。這是連結層通訊協定，所以它允許在同一個乙太網路廣播網域內的任何兩台主機進行通訊。Premio 有其他 SSF 實作，有些可用，而有些仍在開發中。隨著人工智慧出現且發展迅速，這個時機是最好不過了。