摘要
在過去八年，TSMC透過5D FAB平台的協助，從規劃到建廠階段所獲得回饋的效益已多次在季刊上闡明。然而，如何讓5D的概念繼續延用至營運階段，一直是我們持續探討的問題。而本文將介紹一個以5D概念為發展核心的新世代數位學習平台-5D Learning，它能有效延續5D FAB的應用至廠務的實際營運，讓人員的訓練能更全面也更有效率，並透過實際的廠務系統導入經驗分享，帶給大家一個3D數位學習的新思維。
前言
人類不斷致力於消弭環境中各種複雜與危險的因素，使得人們生活可以過的更簡單與安全。自動化絕對是有效達成的方式之一，但，即使有再多的自動化設施，大部分關鍵系統的操作仍須透過專業人員進行，如，核電廠、武器系統與民航機等。特別是當這些系統因為操作不當而發生災害時，會造成相當大的損失，一個完善的教育訓練計畫就顯得非常重要了。
隨著資訊與通訊技術的快速發展，教育訓練的方式很快地從傳統的紙本，轉變到目前全球普及的數位化學習，大部分仍以2D為主。近幾年來，先進的3D電腦繪圖促成虛擬實境技術的發展與成熟，在電影製作或遊戲產業，3D電腦繪圖早已成為必備的技術。而在其他領域方面，卻僅在有限的產業被證明其價值，如機師駕駛模擬、外科手術模擬 圖一與武器系統操作模擬等。
圖一、外科手術模擬器[1]
即使目前全球政經局勢動盪不安，許多高科技領域的領導廠商特別在經濟不景氣的情況下，仍持續不斷甚至加碼投資廠房擴建，以期在經濟復甦時，拉開與其他競爭者的距離。一個高科技廠房的投資金額動輒3億美金，其生命週期包含規劃、設計、建造、運轉與銷毀，在過去8年，TSMC透過5D FAB平台的協助，從規劃到建廠階段所獲得回饋的效益已多次在季刊上闡明。而在營運階段，人員的訓練是一個重要的課題。傳統在教室內上課的方式就已表現出有限的效果，而現有的e-Learning系統僅以一份PowerPoint教材，再輔以講者的畫面與聲音，都還是在模擬課堂上課的情境，訓練的成效並不會改變。而透過電腦3D技術的操作模擬，能夠讓學員得到實際操作的臨場感，讓訓練更完整。
所謂的5D是指3D物件加上即時同步更新與物件內所注入的智慧資訊 (3D + Real-time + Intelligence )，而5D Learning即是繼續沿用上游5D FAB的環境與物件庫，再加上劇本的編寫與動作的設定，讓這些物件具有可操作性，以達到現場擬真的實境訓練。特別是適合用在一些高危險的系統，在建廠竣工後，無法提供一般人員的操作。這時候，透過5D Learning的操作練習，就能夠累積學員不易取得的實務經驗。至於它是怎麼做到的，在下個章節我們將介紹其設計概念與核心功能，讓大家一窺究竟。
設計
本章節將介紹5D Learning系統平台的幾個重點功能，這套由Crystal 5D公司發展的5D Learning系統，主要的功能分別歸屬於三個角色內，學員、主管與編劇。其中，系統真正關鍵的核心功能都在編劇身上，學員與主管只會碰觸到簡單的操作介面。讓我們先來認識這三者所扮演的角色與功能。
學員
在此介面下，學員們透過選單點選欲進行的課程，進入該課程首頁。除了右側的各種訊息與提示小視窗外，主要功能位於視窗上方，整排為5D特有的課程進行模式切換鈕。(如 圖二)在按下[Start]課程開始鈕後，課程的進行模式包含：
圖二、學員操作介面
Zoom 將使用者視野平滑移動至“目前”待操作的物件上。
Auto Zoom 自動將視野平滑移動至“每一步”待操作的物件上。
Guide 將“目前”待操作的物件以紅色閃爍表示。
Auto Guide 將“每一步”待操作的物件以紅色閃爍表示。
Auto Pilot 自動導航模式，如同撥放影片般，無須操作。
主管
此功能選單的操作介面是最簡單的部分，進入後，將直接列出目前線上有哪些學員在進行哪一個課程，可透過點選學員帳號進入該課程的畫面，並透過右上角的[Link]按鈕，進行操作跟隨的模式，意即主管的5D learning介面將與學員同步。如此，可讓主管或專家們了解學員操作的過程正確性或發掘其他可能的失誤風險（如 圖三）。
圖三、主管操作介面（選擇跟隨後將與學員的畫面同步）
編劇
這個部分的功能是整個系統靈魂所在，主要分為四大塊。（如 圖四）依順時鐘方向分別為螢幕右上角的動作編輯器，右下角的提示編輯器，左下角的物件屬性編輯器與左上角的5D操作畫面。而在這四大區塊中，又以動作編輯器為整個系統靈魂的核心，所有資訊的關聯與順序都指向這裡，要將一個訓練劇本編寫的栩栩如生，就必須了解動作編輯器的特性。
圖四、編劇操作介面
動作編輯器
一個訓練劇本是以檔案方式存在，透過“Insert”選單裡各種[動作方塊]與[連結線]，組合出各種細膩的操作情境，其指令包含：
Animation 啟動預先在系統外設計好的動作，通常是較無操作意義的動作（如 圖五）。例如，在UPS送電後，把斷路器旁的告示牌抽換為“送電中”，或不斷上下拉動斷路器的Charge桿，直到Charge標示牌跳成黃色。
圖五、拿黃色菜瓜布去刷Chamber（Animation）
CamLink 將物件放在5D場景畫面的前方，不管移動到哪裡都會一直顯示，例如，拿起螺絲起子去鎖緊螺絲，或拿起三用電表去量電壓（如 圖六）。
圖六、拿起螺絲起子去卸下Chamber 蓋（CamLink + Move）
Get 將物件帶在身上，螢幕左側會出現一排陰影，將顯示所有帶在身上的物件縮圖，以利後續操作使用。例如，出發前必須攜帶安全帽、手機、鑰匙、筆與檢查表。
Link 當需要一次對多個物件進行作業時，可先將物件link在一起，再進行下一個作業。例如，要同時移動三用電表與2條探針時。
Move 顧名思義即移動物件至特定座標。
Pick 觸碰或操作特定物件。
Put 將物件放下。
Show/Hide 顯示/隱藏物件。
Monitor 特定需操作的螢幕介面（如 圖七）。
圖七、機台監視器畫面與UPS 操作面板
5D操作畫面
這裡包含了一個5D場景，監視器畫面，樹狀結構圖與模型編輯，其中5D場景提供編劇人員將視角移動到適當的角度，作為劇本編輯器中每一個動作的視角紀錄。監視器畫面則提供特別的操作介面，如生產機台的操作螢幕介面或UPS上的操作螢幕，讓學員的操作更真實。而樹狀結構圖與模型編輯部分，讓編劇人員可以快速的選取特定一個或一組物件來連結先前提到的[動作方塊]。
應用
而在眾多廠務系統中，電力系統的重要性絕對是大家一致的方向，因此，接下來我們將嘗試導入5D Learning於維繫生產機台電力品質的中央不斷電系統，確保同仁在不斷電系統異常時，熟練且安全在主要與備用電力之間切換，把生產的影響降到最低。
為了降低台電或廠內電力品質發生異常時，對生產所造成的衝擊，所有的生產機台幾乎都已經安裝不斷電系統(UPS)，但考量風險與成本的平衡，約20台機台會配備一組不斷電系統，並透過連線進行中央化管理。一組不斷電系統包含2台主機，一台為備援主機，平時都維持上線模式。由於下游供應約20生產機台，因此，當主機發生異常或執行定期保養勤務時，必須由受過專業訓練的人員，輔以相關檢查表來判斷是否進行負載切換的作業。
整個負載切換作業，涉及二台不斷電系統主機與三顆斷路器的交錯切換與來回動作，不含過程中穿插的相關電壓量測與表格登記步驟就高達16個動作，SOP高達46頁（如 圖八），順序也完全不能有誤，任一失誤將立即造成下游生產機台異常甚至停機。為避免完全依賴只有系統負責工程師有能力進行此作業，目前廠務儀電課成員在這方面的訓練包含每年公司必修的e-Learning系統（PowerPoint +人語介紹），與遇有長假期前，對所有人進行的紙本測驗，若要實際操作到系統，則要到年度保養時才有機會。因此，在實戰經驗相當少的情況下，同仁在操作時，都處於很大的壓力，生產線亦處於風險狀態。
圖八、UPS 負載切換示意圖（資料來源Central UPS 值班應變SOP_V2.0.pptx）
我們先以其中較常見的400K & 800K UPS（如 圖九）為導入目標，將主要與備用UPS的切換訓練模擬，在5D Learning上實現。以下是主UPS切換到備用UPS的操作步驟：
圖九、400K（左） & 800K（右）UPS 斷路器操作面板
- 將主UPS從On-line模式切換到By-pass模式。
- 將 MBP從Off切到On。
- 將主UPS從By-pass模式切換到On-line模式。
- 將MIS從On切到Off。
- 將備用UPS從On-line模式切換到By-pass模式。
- 將LTS從Off切到On。
- 將 MBP從On切到Off。
- 將備用UPS從By-pass模式切換到On-line模式。
而將備用UPS切換至主UPS的步驟則為反向進行。
這些步驟的相似度很高，且尚未詳細說明每一個動作要如何達成。即使透過一般的教育訓練，學員也很難記下完整動作，在問題發生時，更不敢直接上線操作。
儘管看過Crystal 5D為美國應用材料公司製作的機台PM DEMO，與初步了解5D Learning的設計原理，在一開始討論導入的範圍時，仍不太確定該系統可以把作業模擬到多細緻的程度。因此，訂定在一個月內，完成所有物件的製作與主要動作編劇的編寫，結果順利完成，且大部分的時間是花在讓Crystal 5D製作人員了解UPS的SOP教材，甚至多次直接進入現場模擬操作與拍攝。足以證明，此作業對一般新進同仁具有很高的挑戰。
在完成主要動作的編寫後，廠務同仁開始興致高昂的希望整個操作過程能完全地與實際作業相同，逐一的添加作業中所有瑣碎的細節，如：
- 出發前，提醒同仁此作業必須同時有二人進行，因此，在5D現場製作二位穿著TSMC外套的人像，身上掛著“正手”與“副手”標示，讓學員務必點選二人後才算正確操作 （如 圖十）。
圖十、進入訓練課程後的首頁
- 逐一撥打手機（廠務值班、主管、 下游設備值班等）。
- 操作三用電表時，旋轉旋鈕至電壓檔位，移動探棒至正確位置，依量測位置不同，顯示電壓值，並將結果填入檢查表等等。
- 對斷路器進行Charge作業（來回拉下把手10次）。
- 抽換送電中掛牌（如圖 十一）。
圖十一、抽翻斷路器旁的送電狀態標示牌(Animation)
經過這一番的挑剔，我們相信5D Learning有能力把許多一般認為無法在數位學習系統下進行模擬的動作，忠實的呈現出來。接下來，經過三個月的努力，Crystal 5D終於完成了讓廠務弟兄滿意的劇本。由於3D虛擬實境系統需要高效能的繪圖晶片，TSMC的新廠皆使用Thin-client架構，無法執行5D Learning，需要購買非TSMC標準電腦。在本文撰寫的同時，十二廠廠務二部的弟兄們剛完成IT與採購的特例澄清說明，尚未完成硬體佈署。希望明年的這個時侯，可以向大家分享導入此系統的實際效益。
結論
在日常運轉作業上，人員實務操作的正確性，絕對是影響系統品質最重要的因素之一。而透過3D技術進行操作與互動，也是最貼近人類的記憶模式。在上個章節的實務經驗中，我們透過內建的各種動作方塊與劇本編輯器，再加上大家不斷的腦力激盪，終於組合出讓系統工程師都滿意的操作經驗。由此確認5D Learning足以透過這些基本動作設定，將日常運轉作業中各種複雜的操作模式一一呈現。更期盼這次的導入活動能作為教育訓練系統發展的催化劑，讓TSMC加速前進下一個數位學習新世代。
參考文獻
- Chun Y. Lee, Chinmei Chou, Tien L. Sun, "3D Virtual Reality Application Adaptability for Operation Training-A Case Study of Military Education", WORLD ACADEMY OF SCIENCE, ENGINEERING AND TECHNOLOGY, ISSUE 58, pp. 90–94 (2011).
- Damian Schofield, "Experiences with Virtual Learning", SBC Journal on 3D Interactive Systems, volume 3, pp 18-26, (2012).
- Damian Schofield, Edward Lester, "Virtual Chemical Engineering: Guidelines for E-Learning in Engineering Education", Volume 6, - issue 1(2010).
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