擴大5G智能工廠(chǎng)新應用 垂直整合虛實(shí)數據加值

自2018年美中貿易、科技戰后，固然促成各國積極追求在地生產(chǎn)，強化供應鏈韌性，卻苦于短期內擴增新建廠(chǎng)房及增聘人力不易，有賴(lài)無(wú)線(xiàn)連網(wǎng)來(lái)提升既有設備和產(chǎn)線(xiàn)彈性；加上2019年進(jìn)入5G元年后，也促使電信營(yíng)運商陸續布局垂直應用領(lǐng)域，加速整合虛實(shí)工廠(chǎng)數據加值，最快在今年專(zhuān)網(wǎng)管理辦法通過(guò)后，可望迎來(lái)5G技術(shù)擴大新應用。

回顧全球行動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)業(yè)發(fā)展幾乎每10年改朝換代一次，最新迎來(lái)的5G技術(shù)則因為具備高速、低延遲、廣連結等特性，可突破傳統傳輸訊號限制，發(fā)揮更高效能。尤其是到了2019年被國際公認的「5G元年」之后，包括美、韓與歐洲的瑞士、英國、西班牙、意大利、芬蘭等國，皆于上半年完成了分配和拍賣(mài)5G頻譜，陸續進(jìn)入5G商用發(fā)展時(shí)期。

但因為國際地緣政治影響下，美國基于抵制華為、中興等品牌在5G專(zhuān)利、成本上的優(yōu)勢，而鼓動(dòng)盟邦推動(dòng)政策支持的Open RAN市場(chǎng)效應益發(fā)明顯，雖然在個(gè)人手持裝置市場(chǎng)已見(jiàn)成效，卻在工廠(chǎng)商業(yè)化應用進(jìn)度相對遲緩。

直到2020~2021年COVID-19爆發(fā)后出現轉機，加速企業(yè)遠距工作和數字轉型需求，臺灣也開(kāi)始有許多廠(chǎng)商、團隊積極投入布建5G專(zhuān)網(wǎng)。尤其是目前在虛擬化、開(kāi)放架構與高頻毫米波技術(shù)等3大技術(shù)層面和4G差異最為明顯，連帶影響的應用領(lǐng)域里，最受矚目的是在智能城市及智能邊緣等物聯(lián)網(wǎng)應用，更被期望的是車(chē)聯(lián)網(wǎng)應用。

制造業(yè)因為早有工業(yè)4.0涉及的機器人、3D printing、人工智能AI、物聯(lián)網(wǎng)IoT、AR/VR、大數據數據分析等技術(shù)應用已相當成熟，若想再持續向智慧化精進(jìn)的關(guān)鍵，便在于透過(guò)5G提升速度、穩定和自動(dòng)化來(lái)布建更好的流量傳輸環(huán)境，加強整合跨域技術(shù)，以創(chuàng )造更優(yōu)異的應用效能與效益。

因此有賴(lài)于業(yè)者視需求導入應用，來(lái)真正改善痛點(diǎn)。既可利用5G高可靠、低延遲、廣連結的技術(shù)優(yōu)勢，提升底層連網(wǎng)環(huán)境的速度、更穩定傳輸數據，促成相關(guān)機臺設備、營(yíng)運管控、資源和IT系統整合。進(jìn)而創(chuàng )造更多有利于生產(chǎn)管理的智能化應用，促使生產(chǎn)流程可實(shí)時(shí)響應異常，并自動(dòng)排除問(wèn)題異常及降低成本，以引領(lǐng)制造業(yè)數字化轉型。

臺灣機械業(yè)也從2015年來(lái)陸續推動(dòng)智能機械、智能制造之后，經(jīng)濟部技術(shù)處于2019~2020年間協(xié)助落實(shí)公有機械云階段，便納入地端、云端及云地協(xié)作架構，進(jìn)而可望導入5G帶動(dòng)AI、AR/VR應用，扮演更重要角色。

 
圖1 : 目前5G網(wǎng)絡(luò )在虛擬化、開(kāi)放架構與高頻毫米波技術(shù)等3大技術(shù)層面和4G差異最為明顯，連帶影響關(guān)鍵技術(shù)與應用領(lǐng)域（source：工研院產(chǎn)科國際所）

電信商布局垂直應用　協(xié)力打造5G智能工廠(chǎng)
臺灣3大電信營(yíng)運商之一的遠傳電信也表示，目前全球正有超過(guò)300家以上電信營(yíng)運商正投入開(kāi)發(fā)5G關(guān)鍵頻段硬件產(chǎn)品和應用，以協(xié)助產(chǎn)業(yè)節省配線(xiàn)衍生的碳足跡與成本。尤其5G企業(yè)專(zhuān)網(wǎng)更是產(chǎn)業(yè)轉型數字化的關(guān)鍵基石，成為業(yè)者擴大Big Data、AI、 Cloud營(yíng)運分析應用的基礎，實(shí)現傳統4G和其他通訊技術(shù)沒(méi)辦法做到的事，包括在垂直應用領(lǐng)域里占臺灣GDP約30%的制造業(yè)，也有意導入5G多元應用帶來(lái)更好的體驗，又可將智能制造專(zhuān)網(wǎng)應用概分為廠(chǎng)務(wù)環(huán)安、生產(chǎn)制造兩大管理領(lǐng)域。

前者包含能源管理（EMS）、無(wú)人機/機器人巡檢（Drone/Robot Patrol）、管理中心/戰情室（Control center）等，遠傳近期也發(fā)表與高通合作的「5G專(zhuān)網(wǎng)彈性制造解決方案」，展現MEC Edge AI的資安優(yōu)化和實(shí)時(shí)AI運算優(yōu)勢?？蓪P CAM架設于A(yíng)GV上巡檢，在影像辨識情境利用5G Edge AI進(jìn)行運算，再僅以低時(shí)延特性的5G通訊回傳關(guān)鍵數據。

后者系將5G技術(shù)優(yōu)先引進(jìn)AGV、AI、MR等3大應用領(lǐng)域，擴大工業(yè)自動(dòng)化垂直整合優(yōu)勢，建構5G智能工廠(chǎng)完整解決方案。藉以強化自主技術(shù)與創(chuàng )新能量，重塑產(chǎn)品、服務(wù)及商業(yè)模式，進(jìn)而克服目前廠(chǎng)內少量多樣組裝高頻換線(xiàn)、AGV/AMR跨區聯(lián)機不穩，無(wú)法實(shí)時(shí)遠程協(xié)助與保養等問(wèn)題；甚至可經(jīng)過(guò)M2M動(dòng)態(tài)參數優(yōu)化，復制整廠(chǎng)/線(xiàn)時(shí)不足的人力。

遠傳即曾協(xié)助客戶(hù)，以智能機臺結合物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數據、AI應用，規劃物流倉儲或打造自動(dòng)化系統和智能化產(chǎn)線(xiàn)，得以縮短換線(xiàn)時(shí)間、工序，布建成本還可能低于WiFi，同時(shí)將多余人力投入新設產(chǎn)線(xiàn)，提高生產(chǎn)效益。且因為經(jīng)量身規劃設計客制化5G專(zhuān)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，采取專(zhuān)屬基站，不必與公網(wǎng)其他設備分享網(wǎng)絡(luò )資源，將5G低延遲特性用于關(guān)鍵服務(wù)；數據落地，還能在企業(yè)內部確保數據安全性。

進(jìn)一步分析在彈性制造應用上，5G專(zhuān)網(wǎng)（Private Network）對比WiFi-6的優(yōu)勢，包括：PN采用商業(yè)授權頻譜，可提供更多頻段選擇及CA組合而防止頻譜干擾，不受金屬影響穿透率，或馬達一起動(dòng)就失效；支持戶(hù)外大范圍跨區移動(dòng)性，優(yōu)于WiFi離開(kāi)室內小范圍及固定式設備聯(lián)網(wǎng)就會(huì )感覺(jué)中斷；且PN基地臺比起單一WiFi AP，可支持更多設備同時(shí)聯(lián)網(wǎng)使用。

尤其是在資安要求上，PN搭配MEC方案能將數據直接落地客戶(hù)端，與企業(yè)IT直接連網(wǎng)，達到低時(shí)延效果；且循ITU & 3GPP SA3加密標準，確保數據傳輸安全性，并透過(guò)SIM卡認證把關(guān)。

遠傳指出，目前客戶(hù)采用專(zhuān)網(wǎng)+Wi Fi的Hybrid整合架構，只須在現有機臺安裝5G Router，初期就能沿用既有投資，降低實(shí)現數字轉型的門(mén)坎，也不必擔心2~3年更換AP。至于5G專(zhuān)網(wǎng)服務(wù)訂價(jià)屬于客制化，將主要取決于3大因素：涵蓋面積、應用情境、內/外網(wǎng)不同，可帶來(lái)優(yōu)勢包括共享透明化信息、減省投入現場(chǎng)人力和網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)成本。

 
圖2 : 目前企業(yè)采用4G/5G專(zhuān)網(wǎng)架構，可帶來(lái)優(yōu)勢包括：共享透明化信息、減省投入現場(chǎng)人力和網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)成本。（source：遠傳電信）

產(chǎn)業(yè)視需求導入5G專(zhuān)網(wǎng)　發(fā)揮最大應用效益
工研院產(chǎn)科國際所認為：「現今業(yè)界建置5G專(zhuān)網(wǎng)，除了可利用高畫(huà)質(zhì)視訊和傳感器數據在內的巨量數據，有效促進(jìn)技術(shù)技能轉移，還能提升工廠(chǎng)制造過(guò)程中精準操作與自動(dòng)化程度，甚至將此整線(xiàn)/廠(chǎng)解決方案輸出加值?！沽硪朗褂谜卟煌枨?，分析目前5G在制造業(yè)主要應用機會(huì )，約可概分為：
1,高流量特性，協(xié)助人機接口、企業(yè)連接、遠程維護、供應鏈整合；
2.低延遲網(wǎng)絡(luò )反應速度，提供模塊化設備、行動(dòng)機器人、廠(chǎng)域安全、工廠(chǎng)自動(dòng)化場(chǎng)域；
3.廣鏈接大量設備的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，用于生產(chǎn)優(yōu)化、流程自動(dòng)化、預防性維護、傳感器網(wǎng)絡(luò )等。

例如2021年日本富士通（Fujitsu）在其位于櫪木縣的小山工廠(chǎng)開(kāi)始啟用5G專(zhuān)網(wǎng)，便基于成本及設計考慮，由非獨立的4.7GHz頻段SA與獨立28GHz擴展頻段NSA組成。前者覆蓋范圍廣泛，較適用對于性能要求相對不高的一般例行性工作，與自動(dòng)導引車(chē)（AGV）在運輸過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，以實(shí)現高精度位置測量和路線(xiàn)控制的自動(dòng)化。

后者則特別適用于要求高度精準、自動(dòng)化制程的裝配產(chǎn)線(xiàn)等場(chǎng)合，將安裝在工廠(chǎng)的大量4K鏡頭拍攝的產(chǎn)品和工作過(guò)程圖像高速傳輸到邊緣運算環(huán)境，以AI實(shí)時(shí)分析影像，實(shí)時(shí)回饋操作者組裝動(dòng)作是否正確，進(jìn)而透過(guò)AR/MR等設備，提供現場(chǎng)工作培訓或遠程支持。

Benz則曾在德國Sindelfingen地區，打造符合工業(yè)4.0標準的新型態(tài)制造廠(chǎng)Factory 56，升級網(wǎng)絡(luò )基礎建設，建置包含內部無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和廠(chǎng)外行動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò )的5G通信環(huán)境。甚至可導入VR可視化模擬生產(chǎn)過(guò)程，搜集從開(kāi)發(fā)、設計到生產(chǎn)各階段供貨商和終端客戶(hù)間的資料，在世界各地追蹤料件物流狀況、客戶(hù)選配需求，供研發(fā)與生產(chǎn)部門(mén)經(jīng)過(guò)VR優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程。并經(jīng)由預測性維護而避免工廠(chǎng)發(fā)生故障，將研究成果實(shí)時(shí)與產(chǎn)線(xiàn)整合，促使生產(chǎn)流程優(yōu)化；讓員工可透過(guò)App彈性選擇工作時(shí)間，提升工作與生活質(zhì)量。

 
圖3 : Benz也曾打造新型態(tài)制造廠(chǎng)Factory 56，搜集從開(kāi)發(fā)、設計到生產(chǎn)各階段供貨商和終端客戶(hù)間的資料，在世界各地追蹤料件物流狀況、客戶(hù)選配需求，供研發(fā)與生產(chǎn)部門(mén)優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程。（source：nationaldailyng.com）

達梭3DEXPERIENCE平臺　整合虛實(shí)數據為5G加值
值得一提的是，根據愛(ài)立信最新發(fā)表報告中也預測無(wú)線(xiàn)連網(wǎng)技術(shù)將重塑企業(yè)設計、生產(chǎn)和提供產(chǎn)品的方式，因應實(shí)時(shí)需求將導致未來(lái)制造業(yè)發(fā)生根本上的變化，造成快閃工廠(chǎng)崛起，以服務(wù)當地實(shí)時(shí)的需求，已有超過(guò)5成的決策者預期2030年時(shí)快閃工廠(chǎng)將成為常態(tài)，而制造即服務(wù)也將越來(lái)越普遍。

目前也有專(zhuān)業(yè)軟件商已將質(zhì)量監控和制程改善等目標同時(shí)導入智能工廠(chǎng)的PLM（產(chǎn)品生命周期）、MOM（制造營(yíng)運管理）系統，并透過(guò)5G連網(wǎng)實(shí)時(shí)改善，以提升其虛實(shí)數據價(jià)值！達梭系統（Dassault Systemes）為了能更貼近客戶(hù)生產(chǎn)及營(yíng)銷(xiāo)體系運作，將自身定位在ISA-95制造企業(yè)信息系統5層結構模型里的3~5層，并透過(guò)平臺接口向下整合MES常用系統，與IIoT設備串聯(lián)而打造彈性制造工廠(chǎng)。

包括將PLM視為虛擬世界的數字工廠(chǎng)，對應前端產(chǎn)品設計，建立數字分身（Digital twin）。因此將造成數據流量遞增，難以?xún)H用人力全面記錄，達梭也建議客戶(hù)在實(shí)體世界的智能工廠(chǎng)應落實(shí)MOM，透過(guò)IIoT進(jìn)行現場(chǎng)調度派工、透明化管理，甚至成立可視化及生產(chǎn)指揮中心來(lái)進(jìn)行車(chē)間精益活動(dòng)管理，通過(guò)IT和OT融合來(lái)達成全流程質(zhì)量管理與追溯。

同時(shí)執行數字化工藝，加速培訓現場(chǎng)作業(yè)員；且過(guò)程中仍應確保精準物流配送，才能提高現場(chǎng)設備稼動(dòng)率，構建彈性的自動(dòng)化物流調度能力。藉此確保從業(yè)者前期物流模擬規劃，到建立下一代MOM系統等信息，都能在同一平臺交換而提高實(shí)時(shí)性，實(shí)現提效率、保質(zhì)量、降成本目標。

進(jìn)而建立核心模塊及統一數字化監控平臺，實(shí)現全生命周期過(guò)程中的可視、可控、可追溯，且由于此平臺屬開(kāi)放式，無(wú)論從IT或OT層面都能支持5G專(zhuān)網(wǎng)基礎建設，交換虛、實(shí)世界的龐大數據，不會(huì )被綁死在任何設備，還能發(fā)掘和輸出更有價(jià)值的數據用于分析、營(yíng)運，讓3D模型更為精細，以免事倍功半，徒增初期布建5G專(zhuān)網(wǎng)成本；同時(shí)讓設備廠(chǎng)商、End user、系統整合商SI三方藉此平臺，加速協(xié)同設計規劃。

 
圖4 : 達梭透過(guò)設備整合（MI）平臺，同時(shí)整合虛實(shí)世界的數字化制造（DM）、制造營(yíng)運管理（MOM）等龐大數據，并向下支持5G專(zhuān)網(wǎng)交換龐大流量數據，發(fā)掘和輸出更有價(jià)值的數據用于分析、營(yíng)運。（source：達梭系統）

恩智浦通過(guò)5G專(zhuān)網(wǎng)　可望滿(mǎn)足工廠(chǎng)無(wú)接觸需求
恩智浦半導體公司（NXP）表示：「現今工業(yè)4.0智慧工廠(chǎng)的概念，即是透過(guò)智慧技術(shù)和大規模的機器對機器（M2M）通訊，來(lái)實(shí)現有限人為干預的靈活工業(yè)環(huán)境?！估?，使用無(wú)人導引車(chē)（UGV）的現代倉庫或許不再是線(xiàn)性，而是在單元之間視需要排程操作的現代組裝線(xiàn)，兩者都可由5G專(zhuān)網(wǎng)來(lái)確保實(shí)現低延遲、高可靠度的連接性。

恩智浦現也觀(guān)察到因為疫情，讓人機互動(dòng)的無(wú)觸碰替代方案成為必然的趨勢，藉以取代傳統按鈕或觸控屏幕控制。但一般語(yǔ)音助理應用的控制方式在高噪音的工廠(chǎng)、嘈雜的戶(hù)外環(huán)境或正在交談的人群中并不可靠，所以可將語(yǔ)音與手勢相結合，提供適應能力更強，且更扎實(shí)的多模態(tài)無(wú)觸碰界面。進(jìn)而利用語(yǔ)音或視覺(jué)控制型系統，讓機器得以更快速且可靠地將真正的用戶(hù)指令，與隨機或意外輸入者加以區分。

舉例來(lái)說(shuō)，一臺機器應該只在使用者希望獲得回應時(shí)才起動(dòng)，而不是僅僅因為有人站在附近說(shuō)話(huà)就起動(dòng)。機器視覺(jué)系統則可以辨識手勢，包括手和腳的移動(dòng)、點(diǎn)頭和手指指向等，透過(guò)解讀肢體語(yǔ)言將可以成為機器響應人類(lèi)操作員可見(jiàn)輸入的一種更自然方式。

恩智浦強調，無(wú)觸碰控制不僅能保證使用者的安全，還可以改善人類(lèi)在工業(yè)和制造環(huán)境中與機器互動(dòng)的方式，促使現有硬件和軟件子模塊可用于組建具備成本效益，且基于手勢的控制，確保其響應快速而可靠，開(kāi)啟了無(wú)觸碰UI的新時(shí)代，將維持產(chǎn)業(yè)在新常態(tài)下蓬勃發(fā)展。

 
圖5 : 無(wú)觸碰控制不僅能保證使用者的安全，還可以改善人類(lèi)在工業(yè)和制造環(huán)境中與機器互動(dòng)的方式，將維持產(chǎn)業(yè)在新常態(tài)下蓬勃發(fā)展。（source:images.ctfassets.net）

結語(yǔ)
即使目前導入5G布建成本仍然居高不下，但期望隨著(zhù)時(shí)間遞減，制造業(yè)會(huì )是良好場(chǎng)域。依NCC統計目前臺灣5G用戶(hù)數已突破550萬(wàn)，普及率高達23.7%，于最新通過(guò)的《行動(dòng)寬帶專(zhuān)用電信網(wǎng)絡(luò )設置使用管理辦法》草案，決定釋出4.8~4.9GHz頻段共100MHz帶寬供企業(yè)或委托系統整合商（SI）、電信業(yè)者申設，最快將在今年Q4首度發(fā)放為期10年的5G專(zhuān)網(wǎng)執照；頻率使用費則將依照場(chǎng)域型態(tài)、場(chǎng)域面積、區域、網(wǎng)絡(luò )用途、年度調整系數等參數進(jìn)行調整，預期費用將會(huì )較低。

工研院產(chǎn)科國際所建議有意導入5G應用的臺灣制造業(yè)，不僅可延續工廠(chǎng)自動(dòng)化發(fā)展趨勢，邁入下一階段的數字轉型，若能結合5G本身低延遲、廣連結、高速傳輸等特色優(yōu)勢，掌握人工智能、邊緣運算和高速傳輸的聯(lián)網(wǎng)能力將是成功關(guān)鍵。包括先行導入技術(shù)已臻成熟的影像、XR應用，以爭取制造業(yè)智能轉型機會(huì )；再根據廠(chǎng)區的地理環(huán)境、設備布置、應用目的適用性和效率，不以5G為唯一考慮，而是部署可容許多元異質(zhì)性網(wǎng)絡(luò )技術(shù)并存，且能協(xié)同合作的聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。