燈塔工廠(chǎng)的關(guān)鍵技術(shù)與布局:迎接綠色制造

達成凈零排放的關(guān)鍵除了能源轉型，還包含減少產(chǎn)品「制造」，透過(guò)產(chǎn)品、零組件及材料循環(huán)運用，可以有效降低碳排，或者透過(guò)「提供服務(wù)」的方式創(chuàng )造產(chǎn)品價(jià)值。

聯(lián)合國政府間氣候變遷專(zhuān)門(mén)委員會(huì )（IPCC）公布的氣候變遷報告（AR6）指出，全球約有33-36億人生活在極易受氣候變遷影響的環(huán)境中。溫度上升攝氏2度，全球約30億人將經(jīng)歷「長(cháng)期缺水」，18%的陸地物種將面臨滅絕風(fēng)險；升溫攝氏4度，約50%的物種生命將受威脅。第26屆聯(lián)合國氣候變遷大會(huì )(COP26)強調，實(shí)現《巴黎氣候協(xié)議》，守住升溫臨界值攝氏1.5度，有助減緩碳排量，不過(guò)，減緩碳排只能推遲氣候變遷帶來(lái)傷害，零碳排才是根本之道。

智能制造再升級，產(chǎn)線(xiàn)、營(yíng)運都變綠了！
全球碳排量約55%來(lái)自能源生產(chǎn)及使用，45%來(lái)自工業(yè)、農業(yè)等制造加工過(guò)程。為響應《巴黎氣候協(xié)議》，全球產(chǎn)業(yè)積極推動(dòng)2030年及2025年凈零碳排，如蘋(píng)果(Apple)宣布，2030年起蘋(píng)果供應鏈凈零碳排到位，并已協(xié)助逾200家供應鏈業(yè)者改以再生能源運作，包含臺灣的臺積電、和碩、日月光、仁寶等業(yè)者；Google早在2007年已達成碳中和，2017年100%使用再生能源，2020年已抵銷(xiāo)所有碳足跡，并承諾2030年全天候使用零排放能源（carbon-free energy）；半導體業(yè)者愛(ài)德華先進(jìn)科技在2021年便積極設立SBTi目標，透過(guò)環(huán)境減排技術(shù)協(xié)助企業(yè)及客戶(hù)減少碳排；亞馬遜（Amazon）制定新計劃，計劃于2040年達成碳中和。


 
圖1 : 康寧(Corning)運用Conetoe的太陽(yáng)能裝置產(chǎn)出清潔能源；右為奧勒岡州的Montague風(fēng)電廠(chǎng)，是Apple迄今最大的再生能源項目之一。(Source：Apple官網(wǎng))

除了電，制造業(yè)是溫室氣體產(chǎn)生的大宗，特別是鋼材、混凝土及塑料等材料，約占總體的1/3。對于制造業(yè)來(lái)說(shuō)，達成凈零排放的關(guān)鍵除了能源轉型，還包含減少產(chǎn)品「制造」，透過(guò)產(chǎn)品、零組件及材料循環(huán)運用，可以有效降低碳排，或者透過(guò)「提供服務(wù)」的方式創(chuàng )造產(chǎn)品價(jià)值，這兩種方式對制造業(yè)來(lái)說(shuō)都是從工業(yè)3.5到工業(yè)4.0的「綠色轉型」。循環(huán)臺灣基金會(huì )呼吁，「減少制造、提高資源循環(huán)運用」才是制造業(yè)因應 2050凈零排放的關(guān)鍵策略，建議企業(yè)積極投入循環(huán)經(jīng)濟，發(fā)展低碳商業(yè)模式。

零碳排需要生產(chǎn)與供應鏈全面改造，不只蘋(píng)果、Google，微軟、Amazon、Meta等科技巨擘都陸續宣布加入碳中和與凈零碳排行列，臺灣業(yè)者也積極響應綠色轉型，如臺灣第四大碳排大戶(hù)臺積電宣布2050年內達成凈零碳排，未來(lái)30年，每年減少1000萬(wàn)噸碳排；日月光、鴻海宣布2050年實(shí)現100%碳中和；臺達電承諾100%使用再生能源，2030年推動(dòng)碳中和；宏碁、華碩將在2035年達成碳中和。

全球產(chǎn)業(yè)加入碳中和、零碳排等「綠色轉型」行列，「智能制造」與「智能工廠(chǎng)」蔚為風(fēng)潮，「燈塔工廠(chǎng)」應運而生，臺灣政府也將智慧機械列入五加二重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)智能制造轉型。

綠色浪潮席卷制造業(yè) 燈塔工廠(chǎng)成標竿
「智慧工廠(chǎng)」是第四次工業(yè)革命(4IR)制造業(yè)轉型的新產(chǎn)物，不少工業(yè)先進(jìn)國家加速推動(dòng)綠色制造，英國就將凈零轉型視為「綠色工業(yè)革命」。技術(shù)世界經(jīng)濟論壇與麥肯錫自2018年起評比全球智慧工廠(chǎng)，將表現最出色的智慧工廠(chǎng)評選為「全球燈塔工廠(chǎng)（Global Lighthouse Network）」，評選標準包含自動(dòng)化、數字化、大數據分析、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、5G等數字科技建置以及運用成熟度，這些數字科技是工廠(chǎng)中廣泛使用的工業(yè)4.0領(lǐng)先技術(shù)。

截至2021年，已有90家企業(yè)入選全球燈塔工廠(chǎng)，如2021年入選全球燈塔工廠(chǎng)的友達臺中Fab 3廠(chǎng)、群創(chuàng )高雄8.5+8.6代廠(chǎng)，鴻海集團鄭州廠(chǎng)區及武漢廠(chǎng)區也雙雙入選，是繼深圳、成都廠(chǎng)區后入選的鴻海新廠(chǎng)區。值得一提的是，入選燈塔工廠(chǎng)的企業(yè)并非完全以機器取代人工，而是透過(guò)數字化技術(shù)帶來(lái)創(chuàng )新，提高產(chǎn)能與效能，多數工廠(chǎng)不僅產(chǎn)量提升，也成功創(chuàng )造產(chǎn)品價(jià)值，找到新的營(yíng)收來(lái)源。

以友達光電來(lái)說(shuō)，自2015年啟動(dòng)智能制造2.0后，即針對智能制造、綠色制造和人才培育進(jìn)行轉型，并深化4IR技術(shù)，如運輸自動(dòng)化、機器學(xué)習與計算機視覺(jué)自動(dòng)檢查及維修產(chǎn)品、IoT架構結合自動(dòng)清潔、AI應用程序整合系統等。為因應智慧工廠(chǎng)綠色轉型，各廠(chǎng)區的管理模式也隨之調整，結合場(chǎng)域知識與數據科學(xué)技術(shù)，從過(guò)去的反應式管理改變成預測式管理。2018至2020年三年內，燈塔工廠(chǎng)整體產(chǎn)能上升32%、先進(jìn)制造良率提升60%。



 
圖2 : 友達臺中廠(chǎng)獲選全球燈塔工廠(chǎng);自行開(kāi)發(fā)水電氣實(shí)時(shí)監測模塊。(Source：友達)

除了4IR技術(shù)，友達也透過(guò)AIoT企業(yè)策略結盟方式，與關(guān)企友達數字、友達智匯、友達宇沛等合作，提供專(zhuān)業(yè)顧問(wèn)咨詢(xún)服務(wù)，內容包含永續生產(chǎn)制造專(zhuān)業(yè)知識、軟硬件解決方案、AI系統與場(chǎng)域應用相互結合的一體化解決方案等。

群創(chuàng )光電總經(jīng)理楊柱祥指出，智能制造與智能營(yíng)運勢必同時(shí)并進(jìn)，才能創(chuàng )造最有韌性的經(jīng)營(yíng)體質(zhì)與核心競爭力，智能管理不僅可以強化精準設計、智?生產(chǎn)及智能檢測，智能引擎還可以取代人工檢核，改善工作環(huán)境與效率。

群創(chuàng )高雄廠(chǎng)區透過(guò)自動(dòng)化、數據化及智能化，實(shí)現群創(chuàng )XYZ數字轉型策略，該廠(chǎng)也投資自動(dòng)化、物聯(lián)網(wǎng)和分析技術(shù)以提升制程、質(zhì)量和問(wèn)題解決能力，產(chǎn)品最終不良率因此降低33%，利基產(chǎn)品比重則增加22%，質(zhì)量偵查時(shí)間減少90%，總體產(chǎn)能增加10%，成功建立完整生態(tài)系，同時(shí)提升整體競爭力。

鴻海董事長(cháng)劉揚偉則表示，數字轉型是集團自「勞力密集」轉型為「腦力密集」的重要階段。截至2021年，鴻海集團約有20余座廠(chǎng)房符合燈塔工廠(chǎng)標準，其中有11座獲選為「燈塔工廠(chǎng)」。在生產(chǎn)線(xiàn)流程優(yōu)化方面，鴻海武漢廠(chǎng)區利用先進(jìn)分析技術(shù)、柔性自動(dòng)化技術(shù)重新設計制造系統，提高86%勞動(dòng)生產(chǎn)率、減少38%質(zhì)量缺陷，訂單交貨周期縮短29%(降至48小時(shí))。

鄭州廠(chǎng)區則提高102%勞動(dòng)生產(chǎn)率，減少38%質(zhì)量缺陷，整體設備效率提高27%。面對快速的業(yè)務(wù)需求但技術(shù)熟練工人不足等問(wèn)題，鴻海采用混合實(shí)境、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，提高200%勞動(dòng)效率，整體設備效率則提高17%。


 
圖3 : 鴻海集團鄭州廠(chǎng)區獲選燈塔工廠(chǎng)。(Source：鴻海）

此外，鴻?！笩羲S(chǎng)」還積極對外賦能，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)數字化及數字產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，如鴻海鄭州廠(chǎng)區建立跨職能轉型辦公室，與德州、清華等10所大學(xué)合作研發(fā)、招募復合型人才，建立全球技術(shù)生態(tài)系統。鴻海集團規劃2022年再打造20座「燈塔工廠(chǎng)」，改造模具生產(chǎn)、CNC加工、表面貼裝、系統組裝等場(chǎng)域，同時(shí)在廠(chǎng)房?jì)葘胱詣?dòng)化、數字化、智慧化等技術(shù)，同步提高產(chǎn)品力及管理質(zhì)量。

支撐燈塔工廠(chǎng)的4IR關(guān)鍵技術(shù)
麥肯錫合伙人及制造工作(McKinsey & Company and Global Lead of its manufacturing work )全球負責人Enno de Boer表示，「燈塔」實(shí)現永續發(fā)展，并非完全以機器取代人工，而是透過(guò)數字化技術(shù)帶來(lái)工作變革，提高效能。

4IR技術(shù)包含人工智能、機器人及物聯(lián)網(wǎng)，這些技術(shù)有助加速永續發(fā)展，同時(shí)強化企業(yè)競爭力。燈塔工廠(chǎng)結合5G通訊、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、云端與邊緣運算等資通訊技術(shù)，搭配人工智能(AI)、大數據(Big Data)、預測、數字雙生(Digital Twin)、AR與混合實(shí)境(MR)等新興智慧科技，運用在感測、機器人、無(wú)人載具、積層制造等先進(jìn)技術(shù)，發(fā)展出提升工廠(chǎng)與供應鏈營(yíng)運績(jì)效的數字化、智能化應用方案，創(chuàng )造價(jià)值成效。全球燈塔工廠(chǎng)的主要應用方案包含數字化組裝與機械設備、數字化設備維護、數字化績(jì)效管理、數字化質(zhì)量管理，以及數字化永續發(fā)展。

TrendForce指出，2022年全球智能制造市場(chǎng)規模近3700億美元，2019-2022年年復合成長(cháng)率達10.7%。智能制造的核心在于數據與設備虛實(shí)整合后的實(shí)時(shí)反應，關(guān)鍵在于延遲性、安全性與運算能力，未來(lái)發(fā)展將以邊緣運算及5G為主，如AR/VR、機器視覺(jué)、數字雙生、預測性維護等技術(shù)支持及應用升級。

工研院產(chǎn)科國際所副組長(cháng)熊治民表示，近年來(lái)，發(fā)展快速的智能制造相關(guān)技術(shù)與應用包含感測、智能機器人(特別是協(xié)作機器人與自主移動(dòng)機器人AMR)、積層制造(3D打印)、人工智能(AI)、5G通訊、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與云端平臺、數字仿真與分析，以及擴增實(shí)境(AR)等。在智慧工廠(chǎng)的技術(shù)應用上，2022年已經(jīng)出現物聯(lián)網(wǎng)結合5G、邊緣運算、AI等工具打造的虛實(shí)整合系統（Cyber-Physical System；CPS），數字雙生（Digital Twin）技術(shù)則被廣泛運用于智能制造、智能城市等垂直領(lǐng)域。

隨著(zhù)環(huán)境、場(chǎng)域與設備間的交互影響愈來(lái)愈復雜，數字技術(shù)也擴大部署及運用范疇，如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭配3D感測技術(shù)、VR、AR等遠程作業(yè)，打造元宇宙（Metaverse）發(fā)展架構。推動(dòng)凈零碳排已成為制造業(yè)全球趨勢，急需借助智慧感知、IoT、AI、數字雙生，以及碳排放計算、能源與資源使用優(yōu)化、供應鏈運作優(yōu)化等技術(shù)，提供更多解決方案。

多數制造業(yè)都會(huì )朝自動(dòng)化、數字化、智慧化運作發(fā)展，如基于云端平臺的自動(dòng)化與數字化工作流程、以機器人節省人力或補充生產(chǎn)能力、以遠距工作模式克服市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)與客戶(hù)服務(wù)限制、透過(guò)人工智能預測原物料價(jià)格與供應鏈運作優(yōu)化等。目前國際制造業(yè)者持續透過(guò)工業(yè)4.0、數字轉型應用建立更大的智能制造體系。大型企業(yè)全面推動(dòng)設備聯(lián)網(wǎng)、智慧化產(chǎn)線(xiàn)與智慧工廠(chǎng)，導入5G、AI、AR、云端、協(xié)作機器人、無(wú)人搬運車(chē)(AGV)與自主移動(dòng)機器人(AMR)等技術(shù)；中小型企業(yè)偏向設備聯(lián)網(wǎng)、稼動(dòng)率可視化、自慧化排程，以及結合AI的自動(dòng)光學(xué)檢測應用。

研究指出，芯片制造占電子設備碳排放的大宗，產(chǎn)業(yè)上游晶圓代工及封裝測試、中游組裝及下游品牌科技大廠(chǎng)紛紛提出碳中和時(shí)間表，如臺積電、聯(lián)電、臺達電、鴻海、日月光、宏碁、華碩等。英特爾、臺積電、聯(lián)電、日月光投控等半導體大廠(chǎng)今年4月宣示，在全球營(yíng)運范圍內達成凈零排放目標，除了擴大采用再生能源，也會(huì )在價(jià)值鏈中降低溫室氣體排放量，如英特爾承諾在2040年前，全球營(yíng)運達凈零排放目標，并在價(jià)值鏈中降低逾30%的溫室氣體排放量。

全球第一家RE100半導體企業(yè)臺積電承諾100%使用再生能源，于2020年成立凈零排放項目，為達成2050年凈零排放目標，擬定減緩措施、強化綠色創(chuàng )新作為，積極采用再生能源，并持續尋找各種排碳減量機會(huì )；為達2050年凈零碳排目標，聯(lián)電推動(dòng)「凈零行動(dòng)」三部曲：針對營(yíng)運直接排放、能源使用間接排放及價(jià)值鏈產(chǎn)生的間接排放，落實(shí)低碳能源轉型。


 
圖4 : 臺積電使用再生能源量與比例。(Source：臺積電)

結語(yǔ)
智能制造與燈塔工廠(chǎng)的應用需要持續累積才能展現具體成效。目前國際制造業(yè)者持續透過(guò)推動(dòng)工業(yè)4.0、數字轉型應用建立更深化、范疇更大的智能制造體系。預期大型制造業(yè)者未來(lái)將結合內外部資源，建立規?；悄芄S(chǎng)，以提升產(chǎn)能、質(zhì)量與接單彈性，帶動(dòng)臺灣智能制造方案生態(tài)系發(fā)展，在大型企業(yè)帶領(lǐng)下，再將中小型企業(yè)納入智能制造生態(tài)系及產(chǎn)業(yè)鏈，逐步發(fā)揮「燈塔工廠(chǎng)」綠色制造的整合價(jià)值。