以5G技術(shù)全面驅動(dòng)智能工廠(chǎng)

資策會(huì )產(chǎn)業(yè)情報研究所(MIC)研究指出，2023年全球5G智能制造的應用服務(wù)市場(chǎng)達2.52億美元規模，隨著(zhù)5G技術(shù)的逐漸成熟，預期2026年全球5G智能制造應用服務(wù)市場(chǎng)規模將達400億美元。

IHS Markit的5G經(jīng)濟(The 5G Economy)報告則指出，2035年由5G所帶動(dòng)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)值將逾5.2兆美元，其中，制造業(yè)產(chǎn)值達3兆3,640億美元。另一方面，隨著(zhù)5G技術(shù)的需求大增，帶動(dòng)芯片、模塊、系統整合、電信設備、電信服務(wù)等領(lǐng)域百花齊放。

5G加速智慧工廠(chǎng)實(shí)現 提高良率與產(chǎn)能
然而，雖然5G技術(shù)為制造及生產(chǎn)環(huán)境提供有力支持，目前多數工廠(chǎng)采用的無(wú)線(xiàn)通信仍以Wi-Fi為主，傳輸質(zhì)量、穩定度未臻理想，傳輸距離不夠長(cháng)，4G LTE雖符合多方條件，速度與帶寬與5G相比仍居劣勢，僅限于少數應用場(chǎng)景。

工研院機械所所長(cháng)饒達仁指出，目前Wi-Fi5傳輸距離短，缺乏穩定性與安全性，不適用于智能工廠(chǎng)，加上智能工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)化應用需求大，更需要5G技術(shù)的超高帶寬與高速、超高可靠度與低延遲、大規模通訊等特性強力助攻。

工廠(chǎng)導入5G工業(yè)務(wù)聯(lián)網(wǎng)(IIoT)后，不僅有助搜集、整合從設計端到服務(wù)流程的各類(lèi)數據，還能透過(guò)實(shí)時(shí)與海量數據制定策略，實(shí)時(shí)支持，實(shí)時(shí)決策。舉例來(lái)說(shuō)，5G通訊技術(shù)可以使工廠(chǎng)內的生產(chǎn)設備、機臺與運輸載具更智慧化，可以利用AI瑕疵檢測數據分析，再透過(guò)5G實(shí)時(shí)制程檢測的數據產(chǎn)生及傳送，加速遠程制程調整，提高生產(chǎn)檢測精準度，大幅增加產(chǎn)品良率與產(chǎn)能。

饒達仁進(jìn)一步指出，5G具有超高帶寬與高速(eMBB)、超高可靠度與低延遲(uRLCC)、大規模通訊(mMTC)特性，被先進(jìn)國家視為驅動(dòng)工業(yè)4.0的關(guān)鍵技術(shù)，可提供奠基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)的智能工廠(chǎng)與物流系統所需之聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，以及具成本效益的解決方案，還可透過(guò)行動(dòng)通訊技術(shù)建立專(zhuān)網(wǎng)，讓現有基礎設施快速上線(xiàn)，廠(chǎng)商因此可以將智能制造系統近乎無(wú)縫整合至完整的生產(chǎn)線(xiàn)與供應鏈，如英國電信(BT)建置工業(yè)4.0的5G專(zhuān)網(wǎng)智慧工廠(chǎng)，工廠(chǎng)產(chǎn)量提升2%，同時(shí)可確實(shí)掌握生產(chǎn)現場(chǎng)各機械的運作狀況。

近年來(lái)已有不少5G在智慧工廠(chǎng)落地的案例，如德國博世(Bosch)與諾基亞(Nokia)合作，在2020年底于斯圖加特-費爾巴哈的工業(yè) 4.0示范工廠(chǎng)建立第一座5G廠(chǎng)域網(wǎng)絡(luò )運轉，所有工廠(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境均可流動(dòng)、可相聯(lián)，生產(chǎn)機器、設備及運輸載具都因5G技術(shù)變得更智慧。博世全球工廠(chǎng)內已有超過(guò)12萬(wàn)臺機器及25余萬(wàn)臺裝置完成互聯(lián)化，互聯(lián)化解決方案讓生產(chǎn)效率提升25%，機器可用性提升15%，維護成本則降低了25%，未來(lái)博世將在全球250家工廠(chǎng)中陸續導入5G技術(shù)。



 
圖2 : 博世集團工業(yè)4.0營(yíng)收累計突破40億歐元。(Source：Bosch官網(wǎng))

臺灣的5G智慧工廠(chǎng)也在全速前進(jìn)，如全臺共有18座智慧工廠(chǎng)的半導體封測大廠(chǎng)日月光(高雄廠(chǎng))早在2020年底與中華電信、高通連手打造5G毫米波(mmWave)企業(yè)專(zhuān)網(wǎng)智慧工廠(chǎng)，在工廠(chǎng)產(chǎn)線(xiàn)導入AI+AGV智慧無(wú)人搬運車(chē)、AR遠程維護協(xié)作、AR教育館體驗等應用。

2021年9月，電子大廠(chǎng)臺達與遠傳電信、臺灣微軟(Microsoft)合作，于桃園一廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)導入5G專(zhuān)網(wǎng)、AMR自主移動(dòng)機器人、AGV無(wú)人搬運車(chē)、AI瑕疵檢測數據分析、AI產(chǎn)線(xiàn)平衡、智能監控、MR混合實(shí)境等應用。臺達側重于引進(jìn)智慧設備、提升人力及轉型，以及提升每小時(shí)單位產(chǎn)能，5G商用生產(chǎn)線(xiàn)同時(shí)導入Microsoft HoloLens混合實(shí)境及物聯(lián)網(wǎng)數字雙生技術(shù)，落實(shí)5G MR遠距廠(chǎng)房管理、維修監控、遠程產(chǎn)線(xiàn)巡檢，大幅降低人工操作，單位面積產(chǎn)值提升75%，人均產(chǎn)值提升69%。



 
圖3 : 導入5G后，智慧無(wú)人搬運車(chē)裝設相機搭配AI及大數據分析，可進(jìn)行產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)巡檢(AI+AGV智慧無(wú)人搬運車(chē))。(Source：日月光官網(wǎng))

5G毫米波(mmWave)的優(yōu)勢與劣勢
5G技術(shù)所以能夠驅動(dòng)智能工廠(chǎng)加速實(shí)現，主要在于5G毫米波運用于智能工廠(chǎng)、智能制造具有許多優(yōu)劣。舉例來(lái)說(shuō)，5G毫米波具有超高網(wǎng)速(最高10Gbps)、低延遲(0.125毫秒)、高帶寬(最大400MHz)等技術(shù)特性，應用于智慧工廠(chǎng)，可以結合全廠(chǎng)高清晰攝影，做到智慧監控、分析改善關(guān)鍵制程質(zhì)量、提升產(chǎn)線(xiàn)員工精準度與效率、遠程機器人控制、AGV車(chē)精準定位與協(xié)調控制，還能結合AR輔助自動(dòng)化生產(chǎn)組裝與排障。

不過(guò)，饒達仁不諱言，5G技術(shù)存在二項劣勢，一是訊號射程短(200-300公尺)，容易被建筑物或工廠(chǎng)內大型機具阻擋而產(chǎn)生訊號衰退；二是覆蓋范圍有限，必須建置許多基地臺來(lái)傳送訊號，如此勢必大幅增加5G建置費用。

此外，超低延遲與高可靠度雖是5G的強項，但不是沒(méi)有天花板。3GPP與ITU-R的規定是，5G URLLC必須同時(shí)滿(mǎn)足兩個(gè)條件：32 bytes以上封包數據量成功傳輸率達99.999%以上，以及無(wú)線(xiàn)區間延遲達1毫秒以下，但實(shí)際應用時(shí)卻無(wú)法達此要求，特別是對延遲要求最為嚴格的「運動(dòng)控制」。CC-Link IE標準化組織對于運動(dòng)控制所要求的通訊延遲約是微秒（μs）等級，即便控制系統中的某些用途允許包含應用程序處理在內約1-10毫秒的延遲，技術(shù)難度仍相當高。

當產(chǎn)業(yè)進(jìn)入5G增強型行動(dòng)寬帶通訊(Enhanced Mobile Broadband；eMBB)商用階段，也就是2020年定義的3GPP Release-16(5G技術(shù)Phase 2規格)，超可靠度和低延遲通訊特性(Ultra-reliable and Low Latency Communications；URLLC)可以與工業(yè)4.0結合，加速產(chǎn)線(xiàn)導入智能制造技術(shù)。未來(lái)，3GPP的R17版本還會(huì )持續針對IIoT技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并加入更彈性的NR-Light標準，以滿(mǎn)足工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的多元應用需求，但是在技術(shù)優(yōu)化的過(guò)程中，業(yè)界普遍對于5G公用網(wǎng)絡(luò )存有極大的資安疑慮。

對此，饒達仁認為，電信公司提供5G企業(yè)專(zhuān)網(wǎng)服務(wù)有助5G專(zhuān)網(wǎng)獨立運作，不受通訊擁塞影響，但建置5G企業(yè)專(zhuān)網(wǎng)相關(guān)設備的投資成本過(guò)高，因此一般中小企業(yè)對于5G專(zhuān)網(wǎng)的導入意愿并不高。



 
圖4 : 臺達桃園一廠(chǎng)的5G應用示范生產(chǎn)線(xiàn)。(Source：臺達官網(wǎng))

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，未來(lái)5G技術(shù)有待提升之處主要有三：

(1)一般運動(dòng)控制的通訊延遲要求約為微秒(μs)等級，透過(guò)5G做到無(wú)線(xiàn)化控制系統網(wǎng)絡(luò )，仍有相當難度需克服。

(2)工廠(chǎng)欲達到無(wú)縫連續生產(chǎn)，最重要的環(huán)節是實(shí)時(shí)通訊，因此，時(shí)基誤差(Jitter)大小比低延遲更為重要。

(3)5G網(wǎng)絡(luò )會(huì )產(chǎn)生更多互聯(lián)端點(diǎn)與邊緣運算裝置，裝置與系統間的相互通訊需打破傳統上下垂直的階層模式。為促成更多5G應用，網(wǎng)絡(luò )勢必要對外開(kāi)放，相對提高被黑客入侵的機會(huì )與風(fēng)險，因此，資安防護的規劃布署更顯重要。

5G與AIoT對于智能制造的機會(huì )與挑戰
5G與AIoT對于智能制造、智能工廠(chǎng)可能帶來(lái)哪些機會(huì )與挑戰？饒達仁認為，全球5G商業(yè)化布建持續進(jìn)行中，已有超過(guò)70國推出5G服務(wù)。2022年已朝向5G獨立組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò )切片、企業(yè)專(zhuān)網(wǎng)等垂直應用領(lǐng)域發(fā)展。西班牙2022年世界行動(dòng)通訊大會(huì )(MWC 2022)展期中已出現不少元宇宙概念應用范例，但未來(lái)在應用上仍需仰賴(lài)更為強大的通訊基礎設施與技術(shù)支持?？深A期的是，隨著(zhù)數字內容不斷擴增，5G與下世代通訊將成為提升智能制造、智能工廠(chǎng)用戶(hù)體驗的重要關(guān)鍵。

另一方面，智能制造、智能工廠(chǎng)在A(yíng)IoT智慧聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際運用上除了可見(jiàn)5G身影，綠色制造與永續需求隨著(zhù)2050年凈零碳排目標的逼近，5G技術(shù)結合綠色轉型也成為重要課題。從WEF評選的「全球燈塔工廠(chǎng)」不難看出此一趨勢，燈塔工廠(chǎng)就是結合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT)、AI、AIoT、數字化、大數據分析、5G等技術(shù)，表現優(yōu)異的自動(dòng)化智慧工廠(chǎng)，具有趨勢指標性。

目前全球燈塔工廠(chǎng)共有90座，多為廣泛使用工業(yè)4.0技術(shù)的全球領(lǐng)先制造業(yè)，以友達為例，除積極參與臺灣氣候聯(lián)盟外，也在廠(chǎng)內導入AI與智能制造，創(chuàng )造節能減碳效益，如Carbon 2020減碳計劃，目標5年內減碳100萬(wàn)公噸已提早達成，并透過(guò)AIoT數字化與數據科學(xué)技術(shù)，開(kāi)發(fā)出智能水電網(wǎng)系統(Smart Grid)，進(jìn)一步成立制程水全回收技術(shù)的子公司友達宇沛，創(chuàng )造更多永續物流等外部與價(jià)值鏈伙伴。

面板大廠(chǎng)群創(chuàng )光電則積極響應聯(lián)合國永續發(fā)展目標SDG 12促進(jìn)綠色經(jīng)濟，確保永續消費及生產(chǎn)模式，例如開(kāi)發(fā)廢液晶回收技術(shù)，成立全球首座全自動(dòng)化萃取液晶工廠(chǎng)，并透過(guò)智能制造與智能營(yíng)運，朝「資源可持續回復及循環(huán)再生」的目標推進(jìn)。在創(chuàng )造產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟價(jià)值的同時(shí)，也致力推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟，提升ESG經(jīng)營(yíng)績(jì)效，再透過(guò)數字分身、AI檢測、公私混和云數字平臺等技術(shù)，提升企業(yè)經(jīng)營(yíng)的敏捷性與永續性。

饒達仁認為，未來(lái)5G與AIoT對于智能制造、智能工廠(chǎng)的挑戰在于，通訊產(chǎn)業(yè)需積極開(kāi)發(fā)基礎設施，同時(shí)尋找適用于營(yíng)運過(guò)程的節能減碳方法。對供應鏈廠(chǎng)商而言，須關(guān)注產(chǎn)品設計是否符合環(huán)境永續要求，同時(shí)考慮生產(chǎn)過(guò)程與使用下的碳排放、綠電憑證使用是否達標。隨著(zhù)元宇宙題材、萬(wàn)物連網(wǎng)大傳輸發(fā)酵，電信系統的效能將更仰賴(lài)AI/ML等管理軟件的輔助，才能達到降低能源耗損、節省成本增加收益，以及善盡ESG義務(wù)等目標，完成2030年減少碳排階段任務(wù)，最終實(shí)現2050年凈零碳排的終極目標。



 
圖5 : 采用微軟HoloLens應用場(chǎng)景。(Source：臺達官網(wǎng))

建置5G智慧工廠(chǎng)的兩難：成本與安全性
資誠（PwC Taiwan）研究指出，5G可以實(shí)現生產(chǎn)優(yōu)化，讓生產(chǎn)周期更為順暢，同時(shí)減少廢棄物產(chǎn)出，極大化生產(chǎn)彈性，讓隨選式大量客制化制造成為可能，也有助工廠(chǎng)模塊化。此外，5G優(yōu)異的連接速度與網(wǎng)絡(luò )連接密度可強化人機接口互動(dòng)，提供各種行動(dòng)數據與可視化解決方案；密集的傳感器配置有助監控設備狀況，緊急停機信號出現時(shí)可以更靈敏地做出反應，以及進(jìn)行預測性維護，提升制造設備的安全性與執行效率。

雖然5G技術(shù)帶來(lái)許多可能，真正落實(shí)5G自動(dòng)化并非易事，業(yè)者可能因為建置成本高昂、商業(yè)價(jià)值無(wú)法準確評估，或者對網(wǎng)絡(luò )系統安全性懷有疑慮而推遲導入時(shí)程，這些都是未來(lái)5G導入智慧工廠(chǎng)過(guò)程中需要克服的挑戰。資誠（PwC Taiwan）建議，導入5G最好趁早開(kāi)始，可以采取策略性角度審視5G的價(jià)值，檢視5G帶來(lái)的生產(chǎn)效益和強大的競爭優(yōu)勢，與其他新興科技帶來(lái)的效益相比后，企業(yè)端可以更清楚地看到導入5G可能產(chǎn)生的價(jià)值。

饒達仁坦言，企業(yè)端普遍相信5G技術(shù)可以帶來(lái)重要的運營(yíng)優(yōu)勢，但因投資成本及潛在商業(yè)價(jià)值無(wú)法量化，加上全無(wú)線(xiàn)系統衍生的資安疑慮，導致企業(yè)無(wú)法在短時(shí)間內擁抱5G技術(shù)，投入智能制造建置，但他樂(lè )觀(guān)預期，隨著(zhù)5G技術(shù)愈來(lái)愈成熟，應用愈來(lái)愈廣泛，建置成本勢必會(huì )慢慢降低，5G技術(shù)全面驅動(dòng)智能工廠(chǎng)的時(shí)代不遠。