以5G技术全面驱动智能工厂

资策会产业情报研究所(MIC)研究指出，2023年全球5G智能制造的应用服务市场达2.52亿美元规模，随着5G技术的逐渐成熟，预期2026年全球5G智能制造应用服务市场规模将达400亿美元。

IHS Markit的5G经济(The 5G Economy)报告则指出，2035年由5G所带动的工业物联网相关产值将逾5.2兆美元，其中，制造业产值达3兆3,640亿美元。另一方面，随着5G技术的需求大增，带动芯片、模块、系统整合、电信设备、电信服务等领域百花齐放。

5G加速智慧工厂实现 提高良率与产能
然而，虽然5G技术为制造及生产环境提供有力支持，目前多数工厂采用的无线通信仍以Wi-Fi为主，传输质量、稳定度未臻理想，传输距离不够长，4G LTE虽符合多方条件，速度与带宽与5G相比仍居劣势，仅限于少数应用场景。

工研院机械所所长饶达仁指出，目前Wi-Fi5传输距离短，缺乏稳定性与安全性，不适用于智能工厂，加上智能工厂网络无线化应用需求大，更需要5G技术的超高带宽与高速、超高可靠度与低延迟、大规模通讯等特性强力助攻。

工厂导入5G工业务联网(IIoT)后，不仅有助搜集、整合从设计端到服务流程的各类数据，还能透过实时与海量数据制定策略，实时支持，实时决策。举例来说，5G通讯技术可以使工厂内的生产设备、机台与运输载具更智慧化，可以利用AI瑕疵检测数据分析，再透过5G实时制程检测的数据产生及传送，加速远程制程调整，提高生产检测精准度，大幅增加产品良率与产能。

饶达仁进一步指出，5G具有超高带宽与高速(eMBB)、超高可靠度与低延迟(uRLCC)、大规模通讯(mMTC)特性，被先进国家视为驱动工业4.0的关键技术，可提供奠基于工业物联网(IIoT)的智能工厂与物流系统所需之联网通讯技术，以及具成本效益的解决方案，还可透过行动通讯技术建立专网，让现有基础设施快速上线，厂商因此可以将智能制造系统近乎无缝整合至完整的生产线与供应链，如英国电信(BT)建置工业4.0的5G专网智慧工厂，工厂产量提升2%，同时可确实掌握生产现场各机械的运作状况。

近年来已有不少5G在智慧工厂落地的案例，如德国博世(Bosch)与诺基亚(Nokia)合作，在2020年底于斯图加特-费尔巴哈的工业 4.0示范工厂建立第一座5G厂域网络运转，所有工厂生产环境均可流动、可相联，生产机器、设备及运输载具都因5G技术变得更智慧。博世全球工厂内已有超过12万台机器及25余万台装置完成互联化，互联化解决方案让生产效率提升25%，机器可用性提升15%，维护成本则降低了25%，未来博世将在全球250家工厂中陆续导入5G技术。



 
图2 : 博世集团工业4.0营收累计突破40亿欧元。(Source：Bosch官网)

台湾的5G智慧工厂也在全速前进，如全台共有18座智慧工厂的半导体封测大厂日月光(高雄厂)早在2020年底与中华电信、高通连手打造5G毫米波(mmWave)企业专网智慧工厂，在工厂产线导入AI+AGV智慧无人搬运车、AR远程维护协作、AR教育馆体验等应用。

2021年9月，电子大厂台达与远传电信、台湾微软(Microsoft)合作，于桃园一厂生产线导入5G专网、AMR自主移动机器人、AGV无人搬运车、AI瑕疵检测数据分析、AI产线平衡、智能监控、MR混合实境等应用。台达侧重于引进智慧设备、提升人力及转型，以及提升每小时单位产能，5G商用生产线同时导入Microsoft HoloLens混合实境及物联网数字双生技术，落实5G MR远距厂房管理、维修监控、远程产线巡检，大幅降低人工操作，单位面积产值提升75%，人均产值提升69%。



 
图3 : 导入5G后，智慧无人搬运车装设相机搭配AI及大数据分析，可进行产线自动巡检(AI+AGV智慧无人搬运车)。(Source：日月光官网)

5G毫米波(mmWave)的优势与劣势
5G技术所以能够驱动智能工厂加速实现，主要在于5G毫米波运用于智能工厂、智能制造具有许多优劣。举例来说，5G毫米波具有超高网速(最高10Gbps)、低延迟(0.125毫秒)、高带宽(最大400MHz)等技术特性，应用于智慧工厂，可以结合全厂高清晰摄影，做到智慧监控、分析改善关键制程质量、提升产线员工精准度与效率、远程机器人控制、AGV车精准定位与协调控制，还能结合AR辅助自动化生产组装与排障。

不过，饶达仁不讳言，5G技术存在二项劣势，一是讯号射程短(200-300公尺)，容易被建筑物或工厂内大型机具阻挡而产生讯号衰退；二是覆盖范围有限，必须建置许多基地台来传送讯号，如此势必大幅增加5G建置费用。

此外，超低延迟与高可靠度虽是5G的强项，但不是没有天花板。3GPP与ITU-R的规定是，5G URLLC必须同时满足两个条件：32 bytes以上封包数据量成功传输率达99.999%以上，以及无线区间延迟达1毫秒以下，但实际应用时却无法达此要求，特别是对延迟要求最为严格的「运动控制」。CC-Link IE标准化组织对于运动控制所要求的通讯延迟约是微秒（μs）等级，即便控制系统中的某些用途允许包含应用程序处理在内约1-10毫秒的延迟，技术难度仍相当高。

当产业进入5G增强型行动宽带通讯(Enhanced Mobile Broadband；eMBB)商用阶段，也就是2020年定义的3GPP Release-16(5G技术Phase 2规格)，超可靠度和低延迟通讯特性(Ultra-reliable and Low Latency Communications；URLLC)可以与工业4.0结合，加速产线导入智能制造技术。未来，3GPP的R17版本还会持续针对IIoT技术进行优化，并加入更弹性的NR-Light标准，以满足工业物联网的多元应用需求，但是在技术优化的过程中，业界普遍对于5G公用网络存有极大的资安疑虑。

对此，饶达仁认为，电信公司提供5G企业专网服务有助5G专网独立运作，不受通讯拥塞影响，但建置5G企业专网相关设备的投资成本过高，因此一般中小企业对于5G专网的导入意愿并不高。



 
图4 : 台达桃园一厂的5G应用示范生产线。(Source：台达官网)

简单来说，未来5G技术有待提升之处主要有三：

(1)一般运动控制的通讯延迟要求约为微秒(μs)等级，透过5G做到无线化控制系统网络，仍有相当难度需克服。

(2)工厂欲达到无缝连续生产，最重要的环节是实时通讯，因此，时基误差(Jitter)大小比低延迟更为重要。

(3)5G网络会产生更多互联端点与边缘运算装置，装置与系统间的相互通讯需打破传统上下垂直的阶层模式。为促成更多5G应用，网络势必要对外开放，相对提高被黑客入侵的机会与风险，因此，资安防护的规划布署更显重要。

5G与AIoT对于智能制造的机会与挑战
5G与AIoT对于智能制造、智能工厂可能带来哪些机会与挑战？饶达仁认为，全球5G商业化布建持续进行中，已有超过70国推出5G服务。2022年已朝向5G独立组网、网络切片、企业专网等垂直应用领域发展。西班牙2022年世界行动通讯大会(MWC 2022)展期中已出现不少元宇宙概念应用范例，但未来在应用上仍需仰赖更为强大的通讯基础设施与技术支持。可预期的是，随着数字内容不断扩增，5G与下世代通讯将成为提升智能制造、智能工厂用户体验的重要关键。

另一方面，智能制造、智能工厂在AIoT智慧联网的实际运用上除了可见5G身影，绿色制造与永续需求随着2050年净零碳排目标的逼近，5G技术结合绿色转型也成为重要课题。从WEF评选的「全球灯塔工厂」不难看出此一趋势，灯塔工厂就是结合工业物联网 (IIoT)、AI、AIoT、数字化、大数据分析、5G等技术，表现优异的自动化智慧工厂，具有趋势指标性。

目前全球灯塔工厂共有90座，多为广泛使用工业4.0技术的全球领先制造业，以友达为例，除积极参与台湾气候联盟外，也在厂内导入AI与智能制造，创造节能减碳效益，如Carbon 2020减碳计划，目标5年内减碳100万公吨已提早达成，并透过AIoT数字化与数据科学技术，开发出智能水电网系统(Smart Grid)，进一步成立制程水全回收技术的子公司友达宇沛，创造更多永续物流等外部与价值链伙伴。

面板大厂群创光电则积极响应联合国永续发展目标SDG 12促进绿色经济，确保永续消费及生产模式，例如开发废液晶回收技术，成立全球首座全自动化萃取液晶工厂，并透过智能制造与智能营运，朝「资源可持续回复及循环再生」的目标推进。在创造产业经济价值的同时，也致力推动循环经济，提升ESG经营绩效，再透过数字分身、AI检测、公私混和云数字平台等技术，提升企业经营的敏捷性与永续性。

饶达仁认为，未来5G与AIoT对于智能制造、智能工厂的挑战在于，通讯产业需积极开发基础设施，同时寻找适用于营运过程的节能减碳方法。对供应链厂商而言，须关注产品设计是否符合环境永续要求，同时考虑生产过程与使用下的碳排放、绿电凭证使用是否达标。随着元宇宙题材、万物连网大传输发酵，电信系统的效能将更仰赖AI/ML等管理软件的辅助，才能达到降低能源耗损、节省成本增加收益，以及善尽ESG义务等目标，完成2030年减少碳排阶段任务，最终实现2050年净零碳排的终极目标。



 
图5 : 采用微软HoloLens应用场景。(Source：台达官网)

建置5G智慧工厂的两难：成本与安全性
资诚（PwC Taiwan）研究指出，5G可以实现生产优化，让生产周期更为顺畅，同时减少废弃物产出，极大化生产弹性，让随选式大量客制化制造成为可能，也有助工厂模块化。此外，5G优异的连接速度与网络连接密度可强化人机接口互动，提供各种行动数据与可视化解决方案；密集的传感器配置有助监控设备状况，紧急停机信号出现时可以更灵敏地做出反应，以及进行预测性维护，提升制造设备的安全性与执行效率。

虽然5G技术带来许多可能，真正落实5G自动化并非易事，业者可能因为建置成本高昂、商业价值无法准确评估，或者对网络系统安全性怀有疑虑而推迟导入时程，这些都是未来5G导入智慧工厂过程中需要克服的挑战。资诚（PwC Taiwan）建议，导入5G最好趁早开始，可以采取策略性角度审视5G的价值，检视5G带来的生产效益和强大的竞争优势，与其他新兴科技带来的效益相比后，企业端可以更清楚地看到导入5G可能产生的价值。

饶达仁坦言，企业端普遍相信5G技术可以带来重要的运营优势，但因投资成本及潜在商业价值无法量化，加上全无线系统衍生的资安疑虑，导致企业无法在短时间内拥抱5G技术，投入智能制造建置，但他乐观预期，随着5G技术愈来愈成熟，应用愈来愈广泛，建置成本势必会慢慢降低，5G技术全面驱动智能工厂的时代不远。