產業脈動｜5G智慧製造應用案例解析與發展展望
摘要：企業導入智慧製造的關注重點在於提升員工生產力、優化設備運作效率以及打造智慧化與彈性的流程。5G行動通訊技術具備的大頻寬、廣連結及低時延的三大特性，再結合人工智慧、物聯網、大數據與雲端運算等技術，可望實現如邊緣運算、產線影像監控、AMR、AR/VR遠端協作、設備預防維護等智慧製造應用。臺灣資通訊業者以本身工廠作為試煉場域，積極開發5G智慧製造解決方案。臺灣資訊電子業，包括下游系統組裝的資通訊產業，以及上游零組件如半導體業、光電業、電子零組件業等，導入5G智慧製造的成功經驗，除可帶動資通訊產業開闢新市場，同時也能帶動其他產業邁出轉型的第一步。
Abstract：When enterprises introduce smart manufacturing, they focus on improving employee productivity, optimizing equipment operation efficiency, and building smart and flexible processes. 5G mobile communication technology has the three characteristics of larger bandwidth, wider connection and ultra-low latency, combined with artificial intelligence, Internet of Things, big data and cloud computing technologies, it is expected to realize edge computing, real-time monitoring of production line, AMR, AR/VR remote collaboration, predicative maintenance, etc. Taiwan's ICT industry companies use their own factories as trial sites to actively develop 5G smart manufacturing solutions. Taiwan's electronics industry can be described as including the ICT industry of downstream system assembly, as well as the upstream industry such as the semiconductor industry, optoelectronics industry, electronic component industry, etc. The successful 5G smart manufacturing experience of Taiwan's electronics industry, which can not only open up new markets for ICT industry, but also drive other industries to take the first step in transformation.
關鍵詞：5G應用、智慧製造、企業專網
Keywords：5G application, Smart manufacturing, Private mobile networks
前言
過去3年對全球製造業最大挑戰在於供應鏈變局，疫情催化各行業數位化需求；然隨之而來的長短料效應、供應鏈重組等議題，則增加供應鏈管理的複雜度；近期全球通膨效應帶動成本上升、市場需求疲弱不振，以及勞工短缺，讓經營者更加重視企業數位轉型的議題。企業數位轉型的基礎在於自動化與數位化，透過數位化讓營運數據得以儲存、分析、處理，減少人工謄寫與轉錄，讓數據分析結果產生洞察(insight)，提供經營團隊後續採取適當的管理作為。智慧製造屬於企業數位轉型的一環，側重於製造現場，包括人員管理、機器設備、流程的智慧化與聯網化。智慧製造是指在製造場域整合通訊、感測、運算等相關技術，藉以提升員工生產力、優化機器設備運作效率，同時讓流程更具彈性及智慧化。5G智慧製造則是利用5G的大頻寬、廣連結、低時延的特性，開發相關應用並提升網路安全性，讓工廠運作可突破傳統資通訊技術的限制。本文將先製造業目前面臨的難題切入，提出智慧製造可帶來的效益，接下來則論述智慧製造所關注的重點，以及涵蓋的技術。其次，本文將聚焦於5G在智慧製造扮演的角色，以及在不同的製造情境中，5G可發揮的特色。最後，本文將從幾個5G智慧製造案例來實際觀察企業導入情形。
製造業經營難題與智慧製造的潛在效益
近年來企業對於導入智慧製造的動機越來越強，主要來自於面臨的經營難題。對製造業而言，其所面臨的經營難題，如圖1所示，可從兩方面。從宏觀面來看，由於過去一年全球多數國家陸續出現通貨膨脹，企業經營成本隨之攀升，但在市場景氣不佳情況下，多數企業陷入成本提升卻營收成長停滯的窘境；其次，源自美中兩國間的競爭而擴大的地緣政治議題，導致全球供應鏈重組，生產據點從高度集中到更加分散，原本的製造系統要求更具彈性，且要快速因應上下游供應鏈夥伴的異動；第三則是淨零碳排的要求，再加上迫在眉睫的歐盟碳關稅(CBAM)以及美國清潔競爭法案(CCA)，製造體系首當其衝，如何運用通訊物聯網及人工智慧技術進行碳盤查與碳排管理將至為重要；最後一個宏觀面的難題則是勞工短缺，當前全球除少數新興市場人口仍成長外，其餘國家少子化現象趨明顯，此外，受過訓練的勞工難尋、經驗傳承不易，都是勞工短缺衍生而來的問題。
從營運面來看製造業面臨的難題，隨著製程複雜度提升及多樣化，對現場工作人員挑戰隨之提升，必須思考如何抑制現場的人為疏失；同樣地，包括場所以及人員在內的工廠安全，經營者更加體認到，除事後管理之外，更重要的是防患於未然，以降低工安意外造成的損失；第三，當業者實際導入科技應用到工廠時，往往發現既有的通訊技術效能及安全性未發揮，甚至成為瓶頸；最後，因應全球據點增加及工作彈性需求，製造業對如何實現遠端管理或異地協作，成為營運重要考量。
圖1 製造業面臨的經營難題
因此，企業對導入智慧製造的期待效益如圖2所示，在於降低營運成本、提高資產運作效率、以及還有更積極的效益-營收成長極大化。營運成本結構包括員工、物料、品質管理、管銷、供應鏈管理以及工安維護等面向，都是業者期待導入智慧製造能降低的部分。至於資產運作則包括資產利用率，如何縮短換線時間與減少換線成本也是業者期待科技可助力的方向，在業者最關心的庫存管理方面，尤其面對市場起伏不定，業者更希望透過如物聯網或人工智慧技術進行管理，在庫存與備料間取得平衡。除從成本面來看，業者也期待導入智慧製造能帶來營收成長，包括增加產出、提升服務水準、提高生產現場敏捷性、建構彈性化作業團隊。
圖2 企業導入智慧製造的潛在效益
智慧製造的關注重點
目前企業導入智慧製造的關注重點如圖3所示，可歸類三方面。首先是與「人」相關，主要著眼點在於提升員工生產力。例如教育訓練與工作指引，可透過運用企業累積的知識庫，讓新進員工快速上手，熟悉作業流程，同時也可透過數位化解決資深員工傳承的問題；除此之外，工廠現場的員工安全以及環境要求，也可透過物聯網與感測器以提升工安；更重要的是，運用5G與人工智慧，將可達成人機協作。
其次是與「物」相關，重點在於優化設備運作效率，例如整合感測器、物聯網與5G即時掌握工廠設備狀況，讓管理者可進行遠端監控；同時將收集到的設備數據透過機器學習建立模型，預測設備狀況以進行預防維修或保養，避免設備突然當機釀成更大損失；此外，透過5G與AR/VR，可真實呈現現場並共享給位於遠端的供應商或客戶，進行異地協同運作。
最後一項智慧製造應用的導入重點為「流程」，強調賦予智慧化及提升彈性。這部分主要是運用分布在工廠現場綿密的感測器與物聯網收集數據後，將這些數據轉化為有用的資訊，除展現於戰情室供管理者掌握生產狀況外，這些資訊也將與企業IT系統串接，讓產銷資訊無縫整合，提升企業運作智慧化與彈性。
圖3 智慧製造關注的重點
智慧製造中可能用到的無線通訊技術比較
在智慧製造應用方案中，為因應生產機台彈性配置，以及場域中移動的設備，無線通訊技術的導入比重越來越高。目前常見的無線通訊技術如圖4所示。從大頻寬傳輸角度來看，短距離情況下可使用藍牙，室內則以Wi-Fi系列為主，戶外或移動性頻繁情境則以LTE較為適合。WiGig也可在短距離提供大頻寬傳輸，但因運行於60 GHz高頻段，訊號容易衰減且易受屏蔽，以家用居多。工廠場域中的另一項應用則是感測或控制，強調低功耗與長待機，短距離情境以低功耗版本的藍牙技術無主；室內則以Zigbee居多，專屬技術Z-Wave也有人用；若是戶外大範圍的選項則有NB-IoT、LoRA或Sigfox。
根據ITU的定義，5G行動通訊技術具有三大特性，分別是增強型行動寬頻(enhanced Mobile Broad Band, eMBB)、大規模低功耗物聯網(massive Machine Type Communication, mMTC)、高可靠性、低時延聯網(ultra-Reliable and Low Latency Communication, uRLLC)。因此可同時涵蓋大頻寬傳輸與低功耗等2種情境。
eMBB主要訴求大頻寬應用，理論上可提供10~20 Gbps的傳輸速率，適用於頻寬需求高的應用，如高畫質影音傳流直播或AR/VR；mMTC則強調可容納大量裝置連網，且達到低功耗，主要應用如智慧電網、環境感知連網等；uRLLC則提供傳輸可靠性以及低時延，適用於即時性與正確性要求高的關鍵應用，如遠距醫療、自駕車、異地同步操控等應用。
圖4 無線通訊技術比較[1]
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