扩大5G智能工厂新应用 垂直整合虚实数据加值

自2018年美中贸易、科技战后，固然促成各国积极追求在地生产，强化供应链韧性，却苦于短期内扩增新建厂房及增聘人力不易，有赖无线连网来提升既有设备和产线弹性；加上2019年进入5G元年后，也促使电信营运商陆续布局垂直应用领域，加速整合虚实工厂数据加值，最快在今年专网管理办法通过后，可望迎来5G技术扩大新应用。

回顾全球行动通讯网络产业发展几乎每10年改朝换代一次，最新迎来的5G技术则因为具备高速、低延迟、广连结等特性，可突破传统传输讯号限制，发挥更高效能。尤其是到了2019年被国际公认的「5G元年」之后，包括美、韩与欧洲的瑞士、英国、西班牙、意大利、芬兰等国，皆于上半年完成了分配和拍卖5G频谱，陆续进入5G商用发展时期。

但因为国际地缘政治影响下，美国基于抵制华为、中兴等品牌在5G专利、成本上的优势，而鼓动盟邦推动政策支持的Open RAN市场效应益发明显，虽然在个人手持装置市场已见成效，却在工厂商业化应用进度相对迟缓。

直到2020~2021年COVID-19爆发后出现转机，加速企业远距工作和数字转型需求，台湾也开始有许多厂商、团队积极投入布建5G专网。尤其是目前在虚拟化、开放架构与高频毫米波技术等3大技术层面和4G差异最为明显，连带影响的应用领域里，最受瞩目的是在智能城市及智能边缘等物联网应用，更被期望的是车联网应用。

制造业因为早有工业4.0涉及的机器人、3D printing、人工智能AI、物联网IoT、AR/VR、大数据数据分析等技术应用已相当成熟，若想再持续向智慧化精进的关键，便在于透过5G提升速度、稳定和自动化来布建更好的流量传输环境，加强整合跨域技术，以创造更优异的应用效能与效益。

因此有赖于业者视需求导入应用，来真正改善痛点。既可利用5G高可靠、低延迟、广连结的技术优势，提升底层连网环境的速度、更稳定传输数据，促成相关机台设备、营运管控、资源和IT系统整合。进而创造更多有利于生产管理的智能化应用，促使生产流程可实时响应异常，并自动排除问题异常及降低成本，以引领制造业数字化转型。

台湾机械业也从2015年来陆续推动智能机械、智能制造之后，经济部技术处于2019~2020年间协助落实公有机械云阶段，便纳入地端、云端及云地协作架构，进而可望导入5G带动AI、AR/VR应用，扮演更重要角色。

 
图1 : 目前5G网络在虚拟化、开放架构与高频毫米波技术等3大技术层面和4G差异最为明显，连带影响关键技术与应用领域（source：工研院产科国际所）

电信商布局垂直应用　协力打造5G智能工厂
台湾3大电信营运商之一的远传电信也表示，目前全球正有超过300家以上电信营运商正投入开发5G关键频段硬件产品和应用，以协助产业节省配线衍生的碳足迹与成本。尤其5G企业专网更是产业转型数字化的关键基石，成为业者扩大Big Data、AI、 Cloud营运分析应用的基础，实现传统4G和其他通讯技术没办法做到的事，包括在垂直应用领域里占台湾GDP约30%的制造业，也有意导入5G多元应用带来更好的体验，又可将智能制造专网应用概分为厂务环安、生产制造两大管理领域。

前者包含能源管理（EMS）、无人机/机器人巡检（Drone/Robot Patrol）、管理中心/战情室（Control center）等，远传近期也发表与高通合作的「5G专网弹性制造解决方案」，展现MEC Edge AI的资安优化和实时AI运算优势。可将IP CAM架设于AGV上巡检，在影像辨识情境利用5G Edge AI进行运算，再仅以低时延特性的5G通讯回传关键数据。

后者系将5G技术优先引进AGV、AI、MR等3大应用领域，扩大工业自动化垂直整合优势，建构5G智能工厂完整解决方案。藉以强化自主技术与创新能量，重塑产品、服务及商业模式，进而克服目前厂内少量多样组装高频换线、AGV/AMR跨区联机不稳，无法实时远程协助与保养等问题；甚至可经过M2M动态参数优化，复制整厂/线时不足的人力。

远传即曾协助客户，以智能机台结合物联网、5G、大数据、AI应用，规划物流仓储或打造自动化系统和智能化产线，得以缩短换线时间、工序，布建成本还可能低于WiFi，同时将多余人力投入新设产线，提高生产效益。且因为经量身规划设计客制化5G专网和网络环境，采取专属基站，不必与公网其他设备分享网络资源，将5G低延迟特性用于关键服务；数据落地，还能在企业内部确保数据安全性。

进一步分析在弹性制造应用上，5G专网（Private Network）对比WiFi-6的优势，包括：PN采用商业授权频谱，可提供更多频段选择及CA组合而防止频谱干扰，不受金属影响穿透率，或马达一起动就失效；支持户外大范围跨区移动性，优于WiFi离开室内小范围及固定式设备联网就会感觉中断；且PN基地台比起单一WiFi AP，可支持更多设备同时联网使用。

尤其是在资安要求上，PN搭配MEC方案能将数据直接落地客户端，与企业IT直接连网，达到低时延效果；且循ITU & 3GPP SA3加密标准，确保数据传输安全性，并透过SIM卡认证把关。

远传指出，目前客户采用专网+Wi Fi的Hybrid整合架构，只须在现有机台安装5G Router，初期就能沿用既有投资，降低实现数字转型的门坎，也不必担心2~3年更换AP。至于5G专网服务订价属于客制化，将主要取决于3大因素：涵盖面积、应用情境、内/外网不同，可带来优势包括共享透明化信息、减省投入现场人力和网络布线成本。

 
图2 : 目前企业采用4G/5G专网架构，可带来优势包括：共享透明化信息、减省投入现场人力和网络布线成本。（source：远传电信）

产业视需求导入5G专网　发挥最大应用效益
工研院产科国际所认为：「现今业界建置5G专网，除了可利用高画质视讯和传感器数据在内的巨量数据，有效促进技术技能转移，还能提升工厂制造过程中精准操作与自动化程度，甚至将此整线/厂解决方案输出加值。」另依使用者不同需求，分析目前5G在制造业主要应用机会，约可概分为：
1,高流量特性，协助人机接口、企业连接、远程维护、供应链整合；
2.低延迟网络反应速度，提供模块化设备、行动机器人、厂域安全、工厂自动化场域；
3.广链接大量设备的网络环境，用于生产优化、流程自动化、预防性维护、传感器网络等。

例如2021年日本富士通（Fujitsu）在其位于枥木县的小山工厂开始启用5G专网，便基于成本及设计考虑，由非独立的4.7GHz频段SA与独立28GHz扩展频段NSA组成。前者覆盖范围广泛，较适用对于性能要求相对不高的一般例行性工作，与自动导引车（AGV）在运输过程中进行实时通讯，以实现高精度位置测量和路线控制的自动化。

后者则特别适用于要求高度精准、自动化制程的装配产线等场合，将安装在工厂的大量4K镜头拍摄的产品和工作过程图像高速传输到边缘运算环境，以AI实时分析影像，实时回馈操作者组装动作是否正确，进而透过AR/MR等设备，提供现场工作培训或远程支持。

Benz则曾在德国Sindelfingen地区，打造符合工业4.0标准的新型态制造厂Factory 56，升级网络基础建设，建置包含内部无线网络和厂外行动通讯网络的5G通信环境。甚至可导入VR可视化模拟生产过程，搜集从开发、设计到生产各阶段供货商和终端客户间的资料，在世界各地追踪料件物流状况、客户选配需求，供研发与生产部门经过VR优化生产过程。并经由预测性维护而避免工厂发生故障，将研究成果实时与产线整合，促使生产流程优化；让员工可透过App弹性选择工作时间，提升工作与生活质量。

 
图3 : Benz也曾打造新型态制造厂Factory 56，搜集从开发、设计到生产各阶段供货商和终端客户间的资料，在世界各地追踪料件物流状况、客户选配需求，供研发与生产部门优化生产过程。（source：nationaldailyng.com）

达梭3DEXPERIENCE平台　整合虚实数据为5G加值
值得一提的是，根据爱立信最新发表报告中也预测无线连网技术将重塑企业设计、生产和提供产品的方式，因应实时需求将导致未来制造业发生根本上的变化，造成快闪工厂崛起，以服务当地实时的需求，已有超过5成的决策者预期2030年时快闪工厂将成为常态，而制造即服务也将越来越普遍。

目前也有专业软件商已将质量监控和制程改善等目标同时导入智能工厂的PLM（产品生命周期）、MOM（制造营运管理）系统，并透过5G连网实时改善，以提升其虚实数据价值！达梭系统（Dassault Systemes）为了能更贴近客户生产及营销体系运作，将自身定位在ISA-95制造企业信息系统5层结构模型里的3~5层，并透过平台接口向下整合MES常用系统，与IIoT设备串联而打造弹性制造工厂。

包括将PLM视为虚拟世界的数字工厂，对应前端产品设计，建立数字分身（Digital twin）。因此将造成数据流量递增，难以仅用人力全面记录，达梭也建议客户在实体世界的智能工厂应落实MOM，透过IIoT进行现场调度派工、透明化管理，甚至成立可视化及生产指挥中心来进行车间精益活动管理，通过IT和OT融合来达成全流程质量管理与追溯。

同时执行数字化工艺，加速培训现场作业员；且过程中仍应确保精准物流配送，才能提高现场设备稼动率，构建弹性的自动化物流调度能力。藉此确保从业者前期物流模拟规划，到建立下一代MOM系统等信息，都能在同一平台交换而提高实时性，实现提效率、保质量、降成本目标。

进而建立核心模块及统一数字化监控平台，实现全生命周期过程中的可视、可控、可追溯，且由于此平台属开放式，无论从IT或OT层面都能支持5G专网基础建设，交换虚、实世界的庞大数据，不会被绑死在任何设备，还能发掘和输出更有价值的数据用于分析、营运，让3D模型更为精细，以免事倍功半，徒增初期布建5G专网成本；同时让设备厂商、End user、系统整合商SI三方藉此平台，加速协同设计规划。

 
图4 : 达梭透过设备整合（MI）平台，同时整合虚实世界的数字化制造（DM）、制造营运管理（MOM）等庞大数据，并向下支持5G专网交换庞大流量数据，发掘和输出更有价值的数据用于分析、营运。（source：达梭系统）

恩智浦通过5G专网　可望满足工厂无接触需求
恩智浦半导体公司（NXP）表示：「现今工业4.0智慧工厂的概念，即是透过智慧技术和大规模的机器对机器（M2M）通讯，来实现有限人为干预的灵活工业环境。」例如，使用无人导引车（UGV）的现代仓库或许不再是线性，而是在单元之间视需要排程操作的现代组装线，两者都可由5G专网来确保实现低延迟、高可靠度的连接性。

恩智浦现也观察到因为疫情，让人机互动的无触碰替代方案成为必然的趋势，藉以取代传统按钮或触控屏幕控制。但一般语音助理应用的控制方式在高噪音的工厂、嘈杂的户外环境或正在交谈的人群中并不可靠，所以可将语音与手势相结合，提供适应能力更强，且更扎实的多模态无触碰界面。进而利用语音或视觉控制型系统，让机器得以更快速且可靠地将真正的用户指令，与随机或意外输入者加以区分。

举例来说，一台机器应该只在使用者希望获得回应时才起动，而不是仅仅因为有人站在附近说话就起动。机器视觉系统则可以辨识手势，包括手和脚的移动、点头和手指指向等，透过解读肢体语言将可以成为机器响应人类操作员可见输入的一种更自然方式。

恩智浦强调，无触碰控制不仅能保证使用者的安全，还可以改善人类在工业和制造环境中与机器互动的方式，促使现有硬件和软件子模块可用于组建具备成本效益，且基于手势的控制，确保其响应快速而可靠，开启了无触碰UI的新时代，将维持产业在新常态下蓬勃发展。

 
图5 : 无触碰控制不仅能保证使用者的安全，还可以改善人类在工业和制造环境中与机器互动的方式，将维持产业在新常态下蓬勃发展。（source:images.ctfassets.net）

结语
即使目前导入5G布建成本仍然居高不下，但期望随着时间递减，制造业会是良好场域。依NCC统计目前台湾5G用户数已突破550万，普及率高达23.7%，于最新通过的《行动宽带专用电信网络设置使用管理办法》草案，决定释出4.8~4.9GHz频段共100MHz带宽供企业或委托系统整合商（SI）、电信业者申设，最快将在今年Q4首度发放为期10年的5G专网执照；频率使用费则将依照场域型态、场域面积、区域、网络用途、年度调整系数等参数进行调整，预期费用将会较低。

工研院产科国际所建议有意导入5G应用的台湾制造业，不仅可延续工厂自动化发展趋势，迈入下一阶段的数字转型，若能结合5G本身低延迟、广连结、高速传输等特色优势，掌握人工智能、边缘运算和高速传输的联网能力将是成功关键。包括先行导入技术已臻成熟的影像、XR应用，以争取制造业智能转型机会；再根据厂区的地理环境、设备布置、应用目的适用性和效率，不以5G为唯一考虑，而是部署可容许多元异质性网络技术并存，且能协同合作的联网环境。