以5G技術全面驅動智能工廠

資策會產業(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市場達2.52億美元規(guī)模，隨著5G技術的逐漸成熟，預期2026年全球5G智能制造應用服務市場規(guī)模將達400億美元。

IHS Markit的5G經濟(The 5G Economy)報告則指出，2035年由5G所帶動的工業(yè)物聯(lián)網相關產值將逾5.2兆美元，其中，制造業(yè)產值達3兆3,640億美元。另一方面，隨著5G技術的需求大增，帶動芯片、模塊、系統(tǒng)整合、電信設備、電信服務等領域百花齊放。

5G加速智慧工廠實現(xiàn) 提高良率與產能
然而，雖然5G技術為制造及生產環(huán)境提供有力支持，目前多數工廠采用的無線通信仍以Wi-Fi為主，傳輸質量、穩(wěn)定度未臻理想，傳輸距離不夠長，4G LTE雖符合多方條件，速度與帶寬與5G相比仍居劣勢，僅限于少數應用場景。

工研院機械所所長饒達仁指出，目前Wi-Fi5傳輸距離短，缺乏穩(wěn)定性與安全性，不適用于智能工廠，加上智能工廠網絡無線化應用需求大，更需要5G技術的超高帶寬與高速、超高可靠度與低延遲、大規(guī)模通訊等特性強力助攻。

工廠導入5G工業(yè)務聯(lián)網(IIoT)后，不僅有助搜集、整合從設計端到服務流程的各類數據，還能透過實時與海量數據制定策略，實時支持，實時決策。舉例來說，5G通訊技術可以使工廠內的生產設備、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5G實時制程檢測的數據產生及傳送，加速遠程制程調整，提高生產檢測精準度，大幅增加產品良率與產能。

饒達仁進一步指出，5G具有超高帶寬與高速(eMBB)、超高可靠度與低延遲(uRLCC)、大規(guī)模通訊(mMTC)特性，被先進國家視為驅動工業(yè)4.0的關鍵技術，可提供奠基于工業(yè)物聯(lián)網(IIoT)的智能工廠與物流系統(tǒng)所需之聯(lián)網通訊技術，以及具成本效益的解決方案，還可透過行動通訊技術建立專網，讓現(xiàn)有基礎設施快速上線，廠商因此可以將智能制造系統(tǒng)近乎無縫整合至完整的生產線與供應鏈，如英國電信(BT)建置工業(yè)4.0的5G專網智慧工廠，工廠產量提升2%，同時可確實掌握生產現(xiàn)場各機械的運作狀況。

近年來已有不少5G在智慧工廠落地的案例，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示范工廠建立第一座5G廠域網絡運轉，所有工廠生產環(huán)境均可流動、可相聯(lián)，生產機器、設備及運輸載具都因5G技術變得更智慧。博世全球工廠內已有超過12萬臺機器及25余萬臺裝置完成互聯(lián)化，互聯(lián)化解決方案讓生產效率提升25%，機器可用性提升15%，維護成本則降低了25%，未來博世將在全球250家工廠中陸續(xù)導入5G技術。



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

臺灣的5G智慧工廠也在全速前進，如全臺共有18座智慧工廠的半導體封測大廠日月光(高雄廠)早在2020年底與中華電信、高通連手打造5G毫米波(mmWave)企業(yè)專網智慧工廠，在工廠產線導入AI+AGV智慧無人搬運車、AR遠程維護協(xié)作、AR教育館體驗等應用。

2021年9月，電子大廠臺達與遠傳電信、臺灣微軟(Microsoft)合作，于桃園一廠生產線導入5G專網、AMR自主移動機器人、AGV無人搬運車、AI瑕疵檢測數據分析、AI產線平衡、智能監(jiān)控、MR混合實境等應用。臺達側重于引進智慧設備、提升人力及轉型，以及提升每小時單位產能，5G商用生產線同時導入Microsoft HoloLens混合實境及物聯(lián)網數字雙生技術，落實5G MR遠距廠房管理、維修監(jiān)控、遠程產線巡檢，大幅降低人工操作，單位面積產值提升75%，人均產值提升69%。



 
圖3 : 導入5G后，智慧無人搬運車裝設相機搭配AI及大數據分析，可進行產線自動巡檢(AI+AGV智慧無人搬運車)。(Source：日月光官網)

5G毫米波(mmWave)的優(yōu)勢與劣勢
5G技術所以能夠驅動智能工廠加速實現(xiàn)，主要在于5G毫米波運用于智能工廠、智能制造具有許多優(yōu)劣。舉例來說，5G毫米波具有超高網速(最高10Gbps)、低延遲(0.125毫秒)、高帶寬(最大400MHz)等技術特性，應用于智慧工廠，可以結合全廠高清晰攝影，做到智慧監(jiān)控、分析改善關鍵制程質量、提升產線員工精準度與效率、遠程機器人控制、AGV車精準定位與協(xié)調控制，還能結合AR輔助自動化生產組裝與排障。

不過，饒達仁不諱言，5G技術存在二項劣勢，一是訊號射程短(200-300公尺)，容易被建筑物或工廠內大型機具阻擋而產生訊號衰退；二是覆蓋范圍有限，必須建置許多基地臺來傳送訊號，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，但不是沒有天花板。3GPP與ITU-R的規(guī)定是，5G URLLC必須同時滿足兩個條件：32 bytes以上封包數據量成功傳輸率達99.999%以上，以及無線區(qū)間延遲達1毫秒以下，但實際應用時卻無法達此要求，特別是對延遲要求最為嚴格的「運動控制」。CC-Link IE標準化組織對于運動控制所要求的通訊延遲約是微秒（μs）等級，即便控制系統(tǒng)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，技術難度仍相當高。

當產業(yè)進入5G增強型行動寬帶通訊(Enhanced Mobile Broadband；eMBB)商用階段，也就是2020年定義的3GPP Release-16(5G技術Phase 2規(guī)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，加速產線導入智能制造技術。未來，3GPP的R17版本還會持續(xù)針對IIoT技術進行優(yōu)化，并加入更彈性的NR-Light標準，以滿足工業(yè)物聯(lián)網的多元應用需求，但是在技術優(yōu)化的過程中，業(yè)界普遍對于5G公用網絡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)專網服務有助5G專網獨立運作，不受通訊擁塞影響，但建置5G企業(yè)專網相關設備的投資成本過高，因此一般中小企業(yè)對于5G專網的導入意愿并不高。



 
圖4 : 臺達桃園一廠的5G應用示范生產線。(Source：臺達官網)

簡單來說，未來5G技術有待提升之處主要有三：

(1)一般運動控制的通訊延遲要求約為微秒(μs)等級，透過5G做到無線化控制系統(tǒng)網絡，仍有相當難度需克服。

(2)工廠欲達到無縫連續(xù)生產，最重要的環(huán)節(jié)是實時通訊，因此，時基誤差(Jitter)大小比低延遲更為重要。

(3)5G網絡會產生更多互聯(lián)端點與邊緣運算裝置，裝置與系統(tǒng)間的相互通訊需打破傳統(tǒng)上下垂直的階層模式。為促成更多5G應用，網絡勢必要對外開放，相對提高被黑客入侵的機會與風險，因此，資安防護的規(guī)劃布署更顯重要。

5G與AIoT對于智能制造的機會與挑戰(zhàn)
5G與AIoT對于智能制造、智能工廠可能帶來哪些機會與挑戰(zhàn)？饒達仁認為，全球5G商業(yè)化布建持續(xù)進行中，已有超過70國推出5G服務。2022年已朝向5G獨立組網、網絡切片、企業(yè)專網等垂直應用領域發(fā)展。西班牙2022年世界行動通訊大會(MWC 2022)展期中已出現(xiàn)不少元宇宙概念應用范例，但未來在應用上仍需仰賴更為強大的通訊基礎設施與技術支持?？深A期的是，隨著數字內容不斷擴增，5G與下世代通訊將成為提升智能制造、智能工廠用戶體驗的重要關鍵。

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

目前全球燈塔工廠共有90座，多為廣泛使用工業(yè)4.0技術的全球領先制造業(yè)，以友達為例，除積極參與臺灣氣候聯(lián)盟外，也在廠內導入AI與智能制造，創(chuàng)造節(jié)能減碳效益，如Carbon 2020減碳計劃，目標5年內減碳100萬公噸已提早達成，并透過AIoT數字化與數據科學技術，開發(fā)出智能水電網系統(tǒng)(Smart Grid)，進一步成立制程水全回收技術的子公司友達宇沛，創(chuàng)造更多永續(xù)物流等外部與價值鏈伙伴。

面板大廠群創(chuàng)光電則積極響應聯(lián)合國永續(xù)發(fā)展目標SDG 12促進綠色經濟，確保永續(xù)消費及生產模式，例如開發(fā)廢液晶回收技術，成立全球首座全自動化萃取液晶工廠，并透過智能制造與智能營運，朝「資源可持續(xù)回復及循環(huán)再生」的目標推進。在創(chuàng)造產業(yè)經濟價值的同時，也致力推動循環(huán)經濟，提升ESG經營績效，再透過數字分身、AI檢測、公私混和云數字平臺等技術，提升企業(yè)經營的敏捷性與永續(xù)性。

饒達仁認為，未來5G與AIoT對于智能制造、智能工廠的挑戰(zhàn)在于，通訊產業(yè)需積極開發(fā)基礎設施，同時尋找適用于營運過程的節(jié)能減碳方法。對供應鏈廠商而言，須關注產品設計是否符合環(huán)境永續(xù)要求，同時考慮生產過程與使用下的碳排放、綠電憑證使用是否達標。隨著元宇宙題材、萬物連網大傳輸發(fā)酵，電信系統(tǒng)的效能將更仰賴AI/ML等管理軟件的輔助，才能達到降低能源耗損、節(jié)省成本增加收益，以及善盡ESG義務等目標，完成2030年減少碳排階段任務，最終實現(xiàn)2050年凈零碳排的終極目標。



 
圖5 : 采用微軟HoloLens應用場景。(Source：臺達官網)

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

雖然5G技術帶來許多可能，真正落實5G自動化并非易事，業(yè)者可能因為建置成本高昂、商業(yè)價值無法準確評估，或者對網絡系統(tǒng)安全性懷有疑慮而推遲導入時程，這些都是未來5G導入智慧工廠過程中需要克服的挑戰(zhàn)。資誠（PwC Taiwan）建議，導入5G最好趁早開始，可以采取策略性角度審視5G的價值，檢視5G帶來的生產效益和強大的競爭優(yōu)勢，與其他新興科技帶來的效益相比后，企業(yè)端可以更清楚地看到導入5G可能產生的價值。

饒達仁坦言，企業(yè)端普遍相信5G技術可以帶來重要的運營優(yōu)勢，但因投資成本及潛在商業(yè)價值無法量化，加上全無線系統(tǒng)衍生的資安疑慮，導致企業(yè)無法在短時間內擁抱5G技術，投入智能制造建置，但他樂觀預期，隨著5G技術愈來愈成熟，應用愈來愈廣泛，建置成本勢必會慢慢降低，5G技術全面驅動智能工廠的時代不遠。