擴大5G智能工廠新應(yīng)用 垂直整合虛實數(shù)據(jù)加值

自2018年美中貿(mào)易、科技戰(zhàn)后，固然促成各國積極追求在地生產(chǎn)，強化供應(yīng)鏈韌性，卻苦于短期內(nèi)擴增新建廠房及增聘人力不易，有賴無線連網(wǎng)來提升既有設(shè)備和產(chǎn)線彈性；加上2019年進(jìn)入5G元年后，也促使電信營運商陸續(xù)布局垂直應(yīng)用領(lǐng)域，加速整合虛實工廠數(shù)據(jù)加值，最快在今年專網(wǎng)管理辦法通過后，可望迎來5G技術(shù)擴大新應(yīng)用。

回顧全球行動通訊網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)發(fā)展幾乎每10年改朝換代一次，最新迎來的5G技術(shù)則因為具備高速、低延遲、廣連結(jié)等特性，可突破傳統(tǒng)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(rèn)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5G頻譜，陸續(xù)進(jìn)入5G商用發(fā)展時期。

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專利、成本上的優(yōu)勢，而鼓動盟邦推動政策支持的Open RAN市場效應(yīng)益發(fā)明顯，雖然在個人手持裝置市場已見成效，卻在工廠商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)度相對遲緩。

直到2020~2021年COVID-19爆發(fā)后出現(xiàn)轉(zhuǎn)機，加速企業(yè)遠(yuǎn)距工作和數(shù)字轉(zhuǎn)型需求，臺灣也開始有許多廠商、團隊積極投入布建5G專網(wǎng)。尤其是目前在虛擬化、開放架構(gòu)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(yīng)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(yīng)用，更被期望的是車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分析等技術(shù)應(yīng)用已相當(dāng)成熟，若想再持續(xù)向智慧化精進(jìn)的關(guān)鍵，便在于透過5G提升速度、穩(wěn)定和自動化來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(yīng)用效能與效益。

因此有賴于業(yè)者視需求導(dǎo)入應(yīng)用，來真正改善痛點。既可利用5G高可靠、低延遲、廣連結(jié)的技術(shù)優(yōu)勢，提升底層連網(wǎng)環(huán)境的速度、更穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，促成相關(guān)機臺設(shè)備、營運管控、資源和IT系統(tǒng)整合。進(jìn)而創(chuàng)造更多有利于生產(chǎn)管理的智能化應(yīng)用，促使生產(chǎn)流程可實時響應(yīng)異常，并自動排除問題異常及降低成本，以引領(lǐng)制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

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

 
圖1 : 目前5G網(wǎng)絡(luò)在虛擬化、開放架構(gòu)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(yīng)用領(lǐng)域（source：工研院產(chǎn)科國際所）

電信商布局垂直應(yīng)用　協(xié)力打造5G智能工廠
臺灣3大電信營運商之一的遠(yuǎn)傳電信也表示，目前全球正有超過300家以上電信營運商正投入開發(fā)5G關(guān)鍵頻段硬件產(chǎn)品和應(yīng)用，以協(xié)助產(chǎn)業(yè)節(jié)省配線衍生的碳足跡與成本。尤其5G企業(yè)專網(wǎng)更是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型數(shù)字化的關(guān)鍵基石，成為業(yè)者擴大Big Data、AI、 Cloud營運分析應(yīng)用的基礎(chǔ)，實現(xiàn)傳統(tǒng)4G和其他通訊技術(shù)沒辦法做到的事，包括在垂直應(yīng)用領(lǐng)域里占臺灣GDP約30%的制造業(yè)，也有意導(dǎo)入5G多元應(yīng)用帶來更好的體驗，又可將智能制造專網(wǎng)應(yīng)用概分為廠務(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）、無人機/機器人巡檢（Drone/Robot Patrol）、管理中心/戰(zhàn)情室（Control center）等，遠(yuǎn)傳近期也發(fā)表與高通合作的「5G專網(wǎng)彈性制造解決方案」，展現(xiàn)MEC Edge AI的資安優(yōu)化和實時AI運算優(yōu)勢?？蓪P CAM架設(shè)于AGV上巡檢，在影像辨識情境利用5G Edge AI進(jìn)行運算，再僅以低時延特性的5G通訊回傳關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

后者系將5G技術(shù)優(yōu)先引進(jìn)AGV、AI、MR等3大應(yīng)用領(lǐng)域，擴大工業(yè)自動化垂直整合優(yōu)勢，建構(gòu)5G智能工廠完整解決方案。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)而克服目前廠內(nèi)少量多樣組裝高頻換線、AGV/AMR跨區(qū)聯(lián)機不穩(wěn)，無法實時遠(yuǎn)程協(xié)助與保養(yǎng)等問題；甚至可經(jīng)過M2M動態(tài)參數(shù)優(yōu)化，復(fù)制整廠/線時不足的人力。

遠(yuǎn)傳即曾協(xié)助客戶，以智能機臺結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、AI應(yīng)用，規(guī)劃物流倉儲或打造自動化系統(tǒng)和智能化產(chǎn)線，得以縮短換線時間、工序，布建成本還可能低于WiFi，同時將多余人力投入新設(shè)產(chǎn)線，提高生產(chǎn)效益。且因為經(jīng)量身規(guī)劃設(shè)計客制化5G專網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，采取專屬基站，不必與公網(wǎng)其他設(shè)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(shù)據(jù)落地，還能在企業(yè)內(nèi)部確保數(shù)據(jù)安全性。

進(jìn)一步分析在彈性制造應(yīng)用上，5G專網(wǎng)（Private Network）對比WiFi-6的優(yōu)勢，包括：PN采用商業(yè)授權(quán)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(dá)一起動就失效；支持戶外大范圍跨區(qū)移動性，優(yōu)于WiFi離開室內(nèi)小范圍及固定式設(shè)備聯(lián)網(wǎng)就會感覺中斷；且PN基地臺比起單一WiFi AP，可支持更多設(shè)備同時聯(lián)網(wǎng)使用。

尤其是在資安要求上，PN搭配MEC方案能將數(shù)據(jù)直接落地客戶端，與企業(yè)IT直接連網(wǎng)，達(dá)到低時延效果；且循ITU & 3GPP SA3加密標(biāo)準(zhǔn)，確保數(shù)據(jù)傳輸安全性，并透過SIM卡認(rèn)證把關(guān)。

遠(yuǎn)傳指出，目前客戶采用專網(wǎng)+Wi Fi的Hybrid整合架構(gòu)，只須在現(xiàn)有機臺安裝5G Router，初期就能沿用既有投資，降低實現(xiàn)數(shù)字轉(zhuǎn)型的門坎，也不必?fù)?dān)心2~3年更換AP。至于5G專網(wǎng)服務(wù)訂價屬于客制化，將主要取決于3大因素：涵蓋面積、應(yīng)用情境、內(nèi)/外網(wǎng)不同，可帶來優(yōu)勢包括共享透明化信息、減省投入現(xiàn)場人力和網(wǎng)絡(luò)布線成本。

 
圖2 : 目前企業(yè)采用4G/5G專網(wǎng)架構(gòu)，可帶來優(yōu)勢包括：共享透明化信息、減省投入現(xiàn)場人力和網(wǎng)絡(luò)布線成本。（source：遠(yuǎn)傳電信）

產(chǎn)業(yè)視需求導(dǎo)入5G專網(wǎng)　發(fā)揮最大應(yīng)用效益
工研院產(chǎn)科國際所認(rèn)為：「現(xiàn)今業(yè)界建置5G專網(wǎng)，除了可利用高畫質(zhì)視訊和傳感器數(shù)據(jù)在內(nèi)的巨量數(shù)據(jù)，有效促進(jìn)技術(shù)技能轉(zhuǎn)移，還能提升工廠制造過程中精準(zhǔn)操作與自動化程度，甚至將此整線/廠解決方案輸出加值?！沽硪朗褂谜卟煌枨螅治瞿壳?G在制造業(yè)主要應(yīng)用機會，約可概分為：
1,高流量特性，協(xié)助人機接口、企業(yè)連接、遠(yuǎn)程維護、供應(yīng)鏈整合；
2.低延遲網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)速度，提供模塊化設(shè)備、行動機器人、廠域安全、工廠自動化場域；
3.廣鏈接大量設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，用于生產(chǎn)優(yōu)化、流程自動化、預(yù)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開始啟用5G專網(wǎng)，便基于成本及設(shè)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，與自動導(dǎo)引車（AGV）在運輸過程中進(jìn)行實時通訊，以實現(xiàn)高精度位置測量和路線控制的自動化。

后者則特別適用于要求高度精準(zhǔn)、自動化制程的裝配產(chǎn)線等場合，將安裝在工廠的大量4K鏡頭拍攝的產(chǎn)品和工作過程圖像高速傳輸?shù)竭吘夁\算環(huán)境，以AI實時分析影像，實時回饋操作者組裝動作是否正確，進(jìn)而透過AR/MR等設(shè)備，提供現(xiàn)場工作培訓(xùn)或遠(yuǎn)程支持。

Benz則曾在德國Sindelfingen地區(qū)，打造符合工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)的新型態(tài)制造廠Factory 56，升級網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)，建置包含內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)和廠外行動通訊網(wǎng)絡(luò)的5G通信環(huán)境。甚至可導(dǎo)入VR可視化模擬生產(chǎn)過程，搜集從開發(fā)、設(shè)計到生產(chǎn)各階段供貨商和終端客戶間的資料，在世界各地追蹤料件物流狀況、客戶選配需求，供研發(fā)與生產(chǎn)部門經(jīng)過VR優(yōu)化生產(chǎn)過程。并經(jīng)由預(yù)測性維護而避免工廠發(fā)生故障，將研究成果實時與產(chǎn)線整合，促使生產(chǎn)流程優(yōu)化；讓員工可透過App彈性選擇工作時間，提升工作與生活質(zhì)量。

 
圖3 : Benz也曾打造新型態(tài)制造廠Factory 56，搜集從開發(fā)、設(shè)計到生產(chǎn)各階段供貨商和終端客戶間的資料，在世界各地追蹤料件物流狀況、客戶選配需求，供研發(fā)與生產(chǎn)部門優(yōu)化生產(chǎn)過程。（source：nationaldailyng.com）

達(dá)梭3DEXPERIENCE平臺　整合虛實數(shù)據(jù)為5G加值
值得一提的是，根據(jù)愛立信最新發(fā)表報告中也預(yù)測無線連網(wǎng)技術(shù)將重塑企業(yè)設(shè)計、生產(chǎn)和提供產(chǎn)品的方式，因應(yīng)實時需求將導(dǎo)致未來制造業(yè)發(fā)生根本上的變化，造成快閃工廠崛起，以服務(wù)當(dāng)?shù)貙崟r的需求，已有超過5成的決策者預(yù)期2030年時快閃工廠將成為常態(tài)，而制造即服務(wù)也將越來越普遍。

目前也有專業(yè)軟件商已將質(zhì)量監(jiān)控和制程改善等目標(biāo)同時導(dǎo)入智能工廠的PLM（產(chǎn)品生命周期）、MOM（制造營運管理）系統(tǒng)，并透過5G連網(wǎng)實時改善，以提升其虛實數(shù)據(jù)價值！達(dá)梭系統(tǒng)（Dassault Systemes）為了能更貼近客戶生產(chǎn)及營銷體系運作，將自身定位在ISA-95制造企業(yè)信息系統(tǒng)5層結(jié)構(gòu)模型里的3~5層，并透過平臺接口向下整合MES常用系統(tǒng)，與IIoT設(shè)備串聯(lián)而打造彈性制造工廠。

包括將PLM視為虛擬世界的數(shù)字工廠，對應(yīng)前端產(chǎn)品設(shè)計，建立數(shù)字分身（Digital twin）。因此將造成數(shù)據(jù)流量遞增，難以僅用人力全面記錄，達(dá)梭也建議客戶在實體世界的智能工廠應(yīng)落實MOM，透過IIoT進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)度派工、透明化管理，甚至成立可視化及生產(chǎn)指揮中心來進(jìn)行車間精益活動管理，通過IT和OT融合來達(dá)成全流程質(zhì)量管理與追溯。

同時執(zhí)行數(shù)字化工藝，加速培訓(xùn)現(xiàn)場作業(yè)員；且過程中仍應(yīng)確保精準(zhǔn)物流配送，才能提高現(xiàn)場設(shè)備稼動率，構(gòu)建彈性的自動化物流調(diào)度能力。藉此確保從業(yè)者前期物流模擬規(guī)劃，到建立下一代MOM系統(tǒng)等信息，都能在同一平臺交換而提高實時性，實現(xiàn)提效率、保質(zhì)量、降成本目標(biāo)。

進(jìn)而建立核心模塊及統(tǒng)一數(shù)字化監(jiān)控平臺，實現(xiàn)全生命周期過程中的可視、可控、可追溯，且由于此平臺屬開放式，無論從IT或OT層面都能支持5G專網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)，交換虛、實世界的龐大數(shù)據(jù)，不會被綁死在任何設(shè)備，還能發(fā)掘和輸出更有價值的數(shù)據(jù)用于分析、營運，讓3D模型更為精細(xì)，以免事倍功半，徒增初期布建5G專網(wǎng)成本；同時讓設(shè)備廠商、End user、系統(tǒng)整合商SI三方藉此平臺，加速協(xié)同設(shè)計規(guī)劃。

 
圖4 : 達(dá)梭透過設(shè)備整合（MI）平臺，同時整合虛實世界的數(shù)字化制造（DM）、制造營運管理（MOM）等龐大數(shù)據(jù)，并向下支持5G專網(wǎng)交換龐大流量數(shù)據(jù)，發(fā)掘和輸出更有價值的數(shù)據(jù)用于分析、營運。（source：達(dá)梭系統(tǒng)）

恩智浦通過5G專網(wǎng)　可望滿足工廠無接觸需求
恩智浦半導(dǎo)體公司（NXP）表示：「現(xiàn)今工業(yè)4.0智慧工廠的概念，即是透過智慧技術(shù)和大規(guī)模的機器對機器（M2M）通訊，來實現(xiàn)有限人為干預(yù)的靈活工業(yè)環(huán)境?！估纾褂脽o人導(dǎo)引車（UGV）的現(xiàn)代倉庫或許不再是線性，而是在單元之間視需要排程操作的現(xiàn)代組裝線，兩者都可由5G專網(wǎng)來確保實現(xiàn)低延遲、高可靠度的連接性。

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

舉例來說，一臺機器應(yīng)該只在使用者希望獲得回應(yīng)時才起動，而不是僅僅因為有人站在附近說話就起動。機器視覺系統(tǒng)則可以辨識手勢，包括手和腳的移動、點頭和手指指向等，透過解讀肢體語言將可以成為機器響應(yīng)人類操作員可見輸入的一種更自然方式。

恩智浦強調(diào)，無觸碰控制不僅能保證使用者的安全，還可以改善人類在工業(yè)和制造環(huán)境中與機器互動的方式，促使現(xiàn)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(yīng)快速而可靠，開啟了無觸碰UI的新時代，將維持產(chǎn)業(yè)在新常態(tài)下蓬勃發(fā)展。

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

結(jié)語
即使目前導(dǎo)入5G布建成本仍然居高不下，但期望隨著時間遞減，制造業(yè)會是良好場域。依NCC統(tǒng)計目前臺灣5G用戶數(shù)已突破550萬，普及率高達(dá)23.7%，于最新通過的《行動寬帶專用電信網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(tǒng)整合商（SI）、電信業(yè)者申設(shè)，最快將在今年Q4首度發(fā)放為期10年的5G專網(wǎng)執(zhí)照；頻率使用費則將依照場域型態(tài)、場域面積、區(qū)域、網(wǎng)絡(luò)用途、年度調(diào)整系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，預(yù)期費用將會較低。

工研院產(chǎn)科國際所建議有意導(dǎo)入5G應(yīng)用的臺灣制造業(yè)，不僅可延續(xù)工廠自動化發(fā)展趨勢，邁入下一階段的數(shù)字轉(zhuǎn)型，若能結(jié)合5G本身低延遲、廣連結(jié)、高速傳輸?shù)忍厣珒?yōu)勢，掌握人工智能、邊緣運算和高速傳輸?shù)穆?lián)網(wǎng)能力將是成功關(guān)鍵。包括先行導(dǎo)入技術(shù)已臻成熟的影像、XR應(yīng)用，以爭取制造業(yè)智能轉(zhuǎn)型機會；再根據(jù)廠區(qū)的地理環(huán)境、設(shè)備布置、應(yīng)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。