擴大5G智能工廠新應用 垂直整合虛實數(shù)據(jù)加值

自2018年美中貿易、科技戰(zhàn)后，固然促成各國積極追求在地生產，強化供應鏈韌性，卻苦于短期內擴增新建廠房及增聘人力不易，有賴無線連網(wǎng)來提升既有設備和產線彈性；加上2019年進入5G元年后，也促使電信營運商陸續(xù)布局垂直應用領域，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技術擴大新應用。

回顧全球行動通訊網(wǎng)絡產業(yè)發(fā)展幾乎每10年改朝換代一次，最新迎來的5G技術則因為具備高速、低延遲、廣連結等特性，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)化應用進度相對遲緩。

直到2020~2021年COVID-19爆發(fā)后出現(xiàn)轉機，加速企業(yè)遠距工作和數(shù)字轉型需求，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、開放架構與高頻毫米波技術等3大技術層面和4G差異最為明顯，連帶影響的應用領域里，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(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分析等技術應用已相當成熟，若想再持續(xù)向智慧化精進的關鍵，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，以創(chuàng)造更優(yōu)異的應用效能與效益。

因此有賴于業(yè)者視需求導入應用，來真正改善痛點。既可利用5G高可靠、低延遲、廣連結的技術優(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)，促成相關機臺設備、營運管控、資源和IT系統(tǒng)整合。進而創(chuàng)造更多有利于生產管理的智能化應用，促使生產流程可實時響應異常，并自動排除問題異常及降低成本，以引領制造業(yè)數(shù)字化轉型。

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，經濟部技術處于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，進而可望導入5G帶動AI、AR/VR應用，扮演更重要角色。

 
圖1 : 目前5G網(wǎng)絡在虛擬化、開放架構與高頻毫米波技術等3大技術層面和4G差異最為明顯，連帶影響關鍵技術與應用領域（source：工研院產科國際所）

電信商布局垂直應用　協(xié)力打造5G智能工廠
臺灣3大電信營運商之一的遠傳電信也表示，目前全球正有超過300家以上電信營運商正投入開發(fā)5G關鍵頻段硬件產品和應用，以協(xié)助產業(yè)節(jié)省配線衍生的碳足跡與成本。尤其5G企業(yè)專網(wǎng)更是產業(yè)轉型數(shù)字化的關鍵基石，成為業(yè)者擴大Big Data、AI、 Cloud營運分析應用的基礎，實現(xiàn)傳統(tǒng)4G和其他通訊技術沒辦法做到的事，包括在垂直應用領域里占臺灣GDP約30%的制造業(yè)，也有意導入5G多元應用帶來更好的體驗，又可將智能制造專網(wǎng)應用概分為廠務環(huán)安、生產制造兩大管理領域。

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架設于AGV上巡檢，在影像辨識情境利用5G Edge AI進行運算，再僅以低時延特性的5G通訊回傳關鍵數(shù)據(jù)。

后者系將5G技術優(yōu)先引進AGV、AI、MR等3大應用領域，擴大工業(yè)自動化垂直整合優(yōu)勢，建構5G智能工廠完整解決方案。藉以強化自主技術與創(chuàng)新能量，重塑產品、服務及商業(yè)模式，進而克服目前廠內少量多樣組裝高頻換線、AGV/AMR跨區(qū)聯(lián)機不穩(wěn)，無法實時遠程協(xié)助與保養(yǎng)等問題；甚至可經過M2M動態(tài)參數(shù)優(yōu)化，復制整廠/線時不足的人力。

遠傳即曾協(xié)助客戶，以智能機臺結合物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、AI應用，規(guī)劃物流倉儲或打造自動化系統(tǒng)和智能化產線，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產線，提高生產效益。且因為經量身規(guī)劃設計客制化5G專網(wǎng)和網(wǎng)絡環(huán)境，采取專屬基站，不必與公網(wǎng)其他設備分享網(wǎng)絡資源，將5G低延遲特性用于關鍵服務；數(shù)據(jù)落地，還能在企業(yè)內部確保數(shù)據(jù)安全性。

進一步分析在彈性制造應用上，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，或馬達一起動就失效；支持戶外大范圍跨區(qū)移動性，優(yōu)于WiFi離開室內小范圍及固定式設備聯(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)，達到低時延效果；且循ITU & 3GPP SA3加密標準，確保數(shù)據(jù)傳輸安全性，并透過SIM卡認證把關。

遠傳指出，目前客戶采用專網(wǎng)+Wi Fi的Hybrid整合架構，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)字轉型的門坎，也不必擔心2~3年更換AP。至于5G專網(wǎng)服務訂價屬于客制化，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)絡布線成本。

 
圖2 : 目前企業(yè)采用4G/5G專網(wǎng)架構，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)絡布線成本。（source：遠傳電信）

產業(yè)視需求導入5G專網(wǎng)　發(fā)揮最大應用效益
工研院產科國際所認為：「現(xiàn)今業(yè)界建置5G專網(wǎng)，除了可利用高畫質視訊和傳感器數(shù)據(jù)在內的巨量數(shù)據(jù)，有效促進技術技能轉移，還能提升工廠制造過程中精準操作與自動化程度，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、遠程維護、供應鏈整合；
2.低延遲網(wǎng)絡反應速度，提供模塊化設備、行動機器人、廠域安全、工廠自動化場域；
3.廣鏈接大量設備的網(wǎng)絡環(huán)境，用于生產優(yōu)化、流程自動化、預防性維護、傳感器網(wǎng)絡等。

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，與自動導引車（AGV）在運輸過程中進行實時通訊，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、自動化制程的裝配產線等場合，將安裝在工廠的大量4K鏡頭拍攝的產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，進而透過AR/MR等設備，提供現(xiàn)場工作培訓或遠程支持。

Benz則曾在德國Sindelfingen地區(qū)，打造符合工業(yè)4.0標準的新型態(tài)制造廠Factory 56，升級網(wǎng)絡基礎建設，建置包含內部無線網(wǎng)絡和廠外行動通訊網(wǎng)絡的5G通信環(huán)境。甚至可導入VR可視化模擬生產過程，搜集從開發(fā)、設計到生產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)與生產部門經過VR優(yōu)化生產過程。并經由預測性維護而避免工廠發(fā)生故障，將研究成果實時與產線整合，促使生產流程優(yōu)化；讓員工可透過App彈性選擇工作時間，提升工作與生活質量。

 
圖3 : Benz也曾打造新型態(tài)制造廠Factory 56，搜集從開發(fā)、設計到生產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)與生產部門優(yōu)化生產過程。（source：nationaldailyng.com）

達梭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)表報告中也預測無線連網(wǎng)技術將重塑企業(yè)設計、生產和提供產品的方式，因應實時需求將導致未來制造業(yè)發(fā)生根本上的變化，造成快閃工廠崛起，以服務當?shù)貙崟r的需求，已有超過5成的決策者預期2030年時快閃工廠將成為常態(tài)，而制造即服務也將越來越普遍。

目前也有專業(yè)軟件商已將質量監(jiān)控和制程改善等目標同時導入智能工廠的PLM（產品生命周期）、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！達梭系統(tǒng)（Dassault Systemes）為了能更貼近客戶生產及營銷體系運作，將自身定位在ISA-95制造企業(yè)信息系統(tǒng)5層結構模型里的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，對應前端產品設計，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，達梭也建議客戶在實體世界的智能工廠應落實MOM，透過IIoT進行現(xiàn)場調度派工、透明化管理，甚至成立可視化及生產指揮中心來進行車間精益活動管理，通過IT和OT融合來達成全流程質量管理與追溯。

同時執(zhí)行數(shù)字化工藝，加速培訓現(xiàn)場作業(yè)員；且過程中仍應確保精準物流配送，才能提高現(xiàn)場設備稼動率，構建彈性的自動化物流調度能力。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、保質量、降成本目標。

進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)基礎建設，交換虛、實世界的龐大數(shù)據(jù)，不會被綁死在任何設備，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，以免事倍功半，徒增初期布建5G專網(wǎng)成本；同時讓設備廠商、End user、系統(tǒng)整合商SI三方藉此平臺，加速協(xié)同設計規(guī)劃。

 
圖4 : 達梭透過設備整合（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，即是透過智慧技術和大規(guī)模的機器對機器（M2M）通訊，來實現(xiàn)有限人為干預的靈活工業(yè)環(huán)境。」例如，使用無人導引車（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合，提供適應能力更強，且更扎實的多模態(tài)無觸碰界面。進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，一臺機器應該只在使用者希望獲得回應時才起動，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人類操作員可見輸入的一種更自然方式。

恩智浦強調，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，確保其響應快速而可靠，開啟了無觸碰UI的新時代，將維持產業(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，將維持產業(yè)在新常態(tài)下蓬勃發(fā)展。（source:images.ctfassets.net）

結語
即使目前導入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23.7%，于最新通過的《行動寬帶專用電信網(wǎng)絡設置使用管理辦法》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(tǒng)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)絡用途、年度調整系數(shù)等參數(shù)進行調整，預期費用將會較低。

工研院產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(xù)工廠自動化發(fā)展趨勢，邁入下一階段的數(shù)字轉型，若能結合5G本身低延遲、廣連結、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)能力將是成功關鍵。包括先行導入技術已臻成熟的影像、XR應用，以爭取制造業(yè)智能轉型機會；再根據(jù)廠區(qū)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性網(wǎng)絡技術并存，且能協(xié)同合作的聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。