資策會產(chǎn)業(yè)情報研究所(MIC)研究指出，2023年全球5G智能制造的應(yīng)用服務(wù)市場達(dá)2.52億美元規(guī)模，隨著5G技術(shù)的逐漸成熟，預(yù)期2026年全球5G智能制造應(yīng)用服務(wù)市場規(guī)模將達(dá)400億美元。

IHS Markit的5G經(jīng)濟(The 5G Economy)報告則指出，2035年由5G所帶動的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)值將逾5.2兆美元，其中，制造業(yè)產(chǎn)值達(dá)3兆3,640億美元。另一方面，隨著5G技術(shù)的需求大增，帶動芯片、模塊、系統(tǒng)整合、電信設(shè)備、電信服務(wù)等領(lǐng)域百花齊放。

5G加速智慧工廠實現(xiàn) 提高良率與產(chǎn)能
然而，雖然5G技術(shù)為制造及生產(chǎn)環(huán)境提供有力支持，目前多數(shù)工廠采用的無線通信仍以Wi-Fi為主，傳輸質(zhì)量、穩(wěn)定度未臻理想，傳輸距離不夠長，4G LTE雖符合多方條件，速度與帶寬與5G相比仍居劣勢，僅限于少數(shù)應(yīng)用場景。

工研院機械所所長饒達(dá)仁指出，目前Wi-Fi5傳輸距離短，缺乏穩(wěn)定性與安全性，不適用于智能工廠，加上智能工廠網(wǎng)絡(luò)無線化應(yīng)用需求大，更需要5G技術(shù)的超高帶寬與高速、超高可靠度與低延遲、大規(guī)模通訊等特性強力助攻。

工廠導(dǎo)入5G工業(yè)務(wù)聯(lián)網(wǎng)(IIoT)后，不僅有助搜集、整合從設(shè)計端到服務(wù)流程的各類數(shù)據(jù)，還能透過實時與海量數(shù)據(jù)制定策略，實時支持，實時決策。舉例來說，5G通訊技術(shù)可以使工廠內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備、機臺與運輸載具更智慧化，可以利用AI瑕疵檢測數(shù)據(jù)分析，再透過5G實時制程檢測的數(shù)據(jù)產(chǎn)生及傳送，加速遠(yuǎn)程制程調(diào)整，提高生產(chǎn)檢測精準(zhǔn)度，大幅增加產(chǎn)品良率與產(chǎn)能。

饒達(dá)仁進一步指出，5G具有超高帶寬與高速(eMBB)、超高可靠度與低延遲(uRLCC)、大規(guī)模通訊(mMTC)特性，被先進國家視為驅(qū)動工業(yè)4.0的關(guān)鍵技術(shù)，可提供奠基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)的智能工廠與物流系統(tǒng)所需之聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，以及具成本效益的解決方案，還可透過行動通訊技術(shù)建立專網(wǎng)，讓現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施快速上線，廠商因此可以將智能制造系統(tǒng)近乎無縫整合至完整的生產(chǎn)線與供應(yīng)鏈，如英國電信(BT)建置工業(yè)4.0的5G專網(wǎng)智慧工廠，工廠產(chǎn)量提升2%，同時可確實掌握生產(chǎn)現(xiàn)場各機械的運作狀況。

近年來已有不少5G在智慧工廠落地的案例，如德國博世(Bosch)與諾基亞(Nokia)合作，在2020年底于斯圖加特-費爾巴哈的工業(yè) 4.0示范工廠建立第一座5G廠域網(wǎng)絡(luò)運轉(zhuǎn)，所有工廠生產(chǎn)環(huán)境均可流動、可相聯(lián)，生產(chǎn)機器、設(shè)備及運輸載具都因5G技術(shù)變得更智慧。博世全球工廠內(nèi)已有超過12萬臺機器及25余萬臺裝置完成互聯(lián)化，互聯(lián)化解決方案讓生產(chǎn)效率提升25%，機器可用性提升15%，維護成本則降低了25%，未來博世將在全球250家工廠中陸續(xù)導(dǎo)入5G技術(shù)。



 
圖2 : 博世集團工業(yè)4.0營收累計突破40億歐元。(Source：Bosch官網(wǎng))

臺灣的5G智慧工廠也在全速前進，如全臺共有18座智慧工廠的半導(dǎo)體封測大廠日月光(高雄廠)早在2020年底與中華電信、高通連手打造5G毫米波(mmWave)企業(yè)專網(wǎng)智慧工廠，在工廠產(chǎn)線導(dǎo)入AI+AGV智慧無人搬運車、AR遠(yuǎn)程維護協(xié)作、AR教育館體驗等應(yīng)用。

2021年9月，電子大廠臺達(dá)與遠(yuǎn)傳電信、臺灣微軟(Microsoft)合作，于桃園一廠生產(chǎn)線導(dǎo)入5G專網(wǎng)、AMR自主移動機器人、AGV無人搬運車、AI瑕疵檢測數(shù)據(jù)分析、AI產(chǎn)線平衡、智能監(jiān)控、MR混合實境等應(yīng)用。臺達(dá)側(cè)重于引進智慧設(shè)備、提升人力及轉(zhuǎn)型，以及提升每小時單位產(chǎn)能，5G商用生產(chǎn)線同時導(dǎo)入Microsoft HoloLens混合實境及物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字雙生技術(shù)，落實5G MR遠(yuǎn)距廠房管理、維修監(jiān)控、遠(yuǎn)程產(chǎn)線巡檢，大幅降低人工操作，單位面積產(chǎn)值提升75%，人均產(chǎn)值提升69%。



 
圖3 : 導(dǎo)入5G后，智慧無人搬運車裝設(shè)相機搭配AI及大數(shù)據(jù)分析，可進行產(chǎn)線自動巡檢(AI+AGV智慧無人搬運車)。(Source：日月光官網(wǎng))

5G毫米波(mmWave)的優(yōu)勢與劣勢
5G技術(shù)所以能夠驅(qū)動智能工廠加速實現(xiàn)，主要在于5G毫米波運用于智能工廠、智能制造具有許多優(yōu)劣。舉例來說，5G毫米波具有超高網(wǎng)速(最高10Gbps)、低延遲(0.125毫秒)、高帶寬(最大400MHz)等技術(shù)特性，應(yīng)用于智慧工廠，可以結(jié)合全廠高清晰攝影，做到智慧監(jiān)控、分析改善關(guān)鍵制程質(zhì)量、提升產(chǎn)線員工精準(zhǔn)度與效率、遠(yuǎn)程機器人控制、AGV車精準(zhǔn)定位與協(xié)調(diào)控制，還能結(jié)合AR輔助自動化生產(chǎn)組裝與排障。

不過，饒達(dá)仁不諱言，5G技術(shù)存在二項劣勢，一是訊號射程短(200-300公尺)，容易被建筑物或工廠內(nèi)大型機具阻擋而產(chǎn)生訊號衰退；二是覆蓋范圍有限，必須建置許多基地臺來傳送訊號，如此勢必大幅增加5G建置費用。

此外，超低延遲與高可靠度雖是5G的強項，但不是沒有天花板。3GPP與ITU-R的規(guī)定是，5G URLLC必須同時滿足兩個條件：32 bytes以上封包數(shù)據(jù)量成功傳輸率達(dá)99.999%以上，以及無線區(qū)間延遲達(dá)1毫秒以下，但實際應(yīng)用時卻無法達(dá)此要求，特別是對延遲要求最為嚴(yán)格的「運動控制」。CC-Link IE標(biāo)準(zhǔn)化組織對于運動控制所要求的通訊延遲約是微秒（μs）等級，即便控制系統(tǒng)中的某些用途允許包含應(yīng)用程序處理在內(nèi)約1-10毫秒的延遲，技術(shù)難度仍相當(dāng)高。

當(dāng)產(chǎn)業(yè)進入5G增強型行動寬帶通訊(Enhanced Mobile Broadband；eMBB)商用階段，也就是2020年定義的3GPP Release-16(5G技術(shù)Phase 2規(guī)格)，超可靠度和低延遲通訊特性(Ultra-reliable and Low Latency Communications；URLLC)可以與工業(yè)4.0結(jié)合，加速產(chǎn)線導(dǎo)入智能制造技術(shù)。未來，3GPP的R17版本還會持續(xù)針對IIoT技術(shù)進行優(yōu)化，并加入更彈性的NR-Light標(biāo)準(zhǔn)，以滿足工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的多元應(yīng)用需求，但是在技術(shù)優(yōu)化的過程中，業(yè)界普遍對于5G公用網(wǎng)絡(luò)存有極大的資安疑慮。

對此，饒達(dá)仁認(rèn)為，電信公司提供5G企業(yè)專網(wǎng)服務(wù)有助5G專網(wǎng)獨立運作，不受通訊擁塞影響，但建置5G企業(yè)專網(wǎng)相關(guān)設(shè)備的投資成本過高，因此一般中小企業(yè)對于5G專網(wǎng)的導(dǎo)入意愿并不高。



 
圖4 : 臺達(dá)桃園一廠的5G應(yīng)用示范生產(chǎn)線。(Source：臺達(dá)官網(wǎng))

簡單來說，未來5G技術(shù)有待提升之處主要有三：

(1)一般運動控制的通訊延遲要求約為微秒(μs)等級，透過5G做到無線化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，仍有相當(dāng)難度需克服。

(2)工廠欲達(dá)到無縫連續(xù)生產(chǎn)，最重要的環(huán)節(jié)是實時通訊，因此，時基誤差(Jitter)大小比低延遲更為重要。

(3)5G網(wǎng)絡(luò)會產(chǎn)生更多互聯(lián)端點與邊緣運算裝置，裝置與系統(tǒng)間的相互通訊需打破傳統(tǒng)上下垂直的階層模式。為促成更多5G應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)勢必要對外開放，相對提高被黑客入侵的機會與風(fēng)險，因此，資安防護的規(guī)劃布署更顯重要。

5G與AIoT對于智能制造的機會與挑戰(zhàn)
5G與AIoT對于智能制造、智能工廠可能帶來哪些機會與挑戰(zhàn)？饒達(dá)仁認(rèn)為，全球5G商業(yè)化布建持續(xù)進行中，已有超過70國推出5G服務(wù)。2022年已朝向5G獨立組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)切片、企業(yè)專網(wǎng)等垂直應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。西班牙2022年世界行動通訊大會(MWC 2022)展期中已出現(xiàn)不少元宇宙概念應(yīng)用范例，但未來在應(yīng)用上仍需仰賴更為強大的通訊基礎(chǔ)設(shè)施與技術(shù)支持?？深A(yù)期的是，隨著數(shù)字內(nèi)容不斷擴增，5G與下世代通訊將成為提升智能制造、智能工廠用戶體驗的重要關(guān)鍵。

另一方面，智能制造、智能工廠在AIoT智慧聯(lián)網(wǎng)的實際運用上除了可見5G身影，綠色制造與永續(xù)需求隨著2050年凈零碳排目標(biāo)的逼近，5G技術(shù)結(jié)合綠色轉(zhuǎn)型也成為重要課題。從WEF評選的「全球燈塔工廠」不難看出此一趨勢，燈塔工廠就是結(jié)合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT)、AI、AIoT、數(shù)字化、大數(shù)據(jù)分析、5G等技術(shù)，表現(xiàn)優(yōu)異的自動化智慧工廠，具有趨勢指標(biāo)性。

目前全球燈塔工廠共有90座，多為廣泛使用工業(yè)4.0技術(shù)的全球領(lǐng)先制造業(yè)，以友達(dá)為例，除積極參與臺灣氣候聯(lián)盟外，也在廠內(nèi)導(dǎo)入AI與智能制造，創(chuàng)造節(jié)能減碳效益，如Carbon 2020減碳計劃，目標(biāo)5年內(nèi)減碳100萬公噸已提早達(dá)成，并透過AIoT數(shù)字化與數(shù)據(jù)科學(xué)技術(shù)，開發(fā)出智能水電網(wǎng)系統(tǒng)(Smart Grid)，進一步成立制程水全回收技術(shù)的子公司友達(dá)宇沛，創(chuàng)造更多永續(xù)物流等外部與價值鏈伙伴。

面板大廠群創(chuàng)光電則積極響應(yīng)聯(lián)合國永續(xù)發(fā)展目標(biāo)SDG 12促進綠色經(jīng)濟，確保永續(xù)消費及生產(chǎn)模式，例如開發(fā)廢液晶回收技術(shù)，成立全球首座全自動化萃取液晶工廠，并透過智能制造與智能營運，朝「資源可持續(xù)回復(fù)及循環(huán)再生」的目標(biāo)推進。在創(chuàng)造產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟價值的同時，也致力推動循環(huán)經(jīng)濟，提升ESG經(jīng)營績效，再透過數(shù)字分身、AI檢測、公私混和云數(shù)字平臺等技術(shù)，提升企業(yè)經(jīng)營的敏捷性與永續(xù)性。

饒達(dá)仁認(rèn)為，未來5G與AIoT對于智能制造、智能工廠的挑戰(zhàn)在于，通訊產(chǎn)業(yè)需積極開發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施，同時尋找適用于營運過程的節(jié)能減碳方法。對供應(yīng)鏈廠商而言，須關(guān)注產(chǎn)品設(shè)計是否符合環(huán)境永續(xù)要求，同時考慮生產(chǎn)過程與使用下的碳排放、綠電憑證使用是否達(dá)標(biāo)。隨著元宇宙題材、萬物連網(wǎng)大傳輸發(fā)酵，電信系統(tǒng)的效能將更仰賴AI/ML等管理軟件的輔助，才能達(dá)到降低能源耗損、節(jié)省成本增加收益，以及善盡ESG義務(wù)等目標(biāo)，完成2030年減少碳排階段任務(wù)，最終實現(xiàn)2050年凈零碳排的終極目標(biāo)。



 
圖5 : 采用微軟HoloLens應(yīng)用場景。(Source：臺達(dá)官網(wǎng))

建置5G智慧工廠的兩難：成本與安全性
資誠（PwC Taiwan）研究指出，5G可以實現(xiàn)生產(chǎn)優(yōu)化，讓生產(chǎn)周期更為順暢，同時減少廢棄物產(chǎn)出，極大化生產(chǎn)彈性，讓隨選式大量客制化制造成為可能，也有助工廠模塊化。此外，5G優(yōu)異的連接速度與網(wǎng)絡(luò)連接密度可強化人機接口互動，提供各種行動數(shù)據(jù)與可視化解決方案；密集的傳感器配置有助監(jiān)控設(shè)備狀況，緊急停機信號出現(xiàn)時可以更靈敏地做出反應(yīng)，以及進行預(yù)測性維護，提升制造設(shè)備的安全性與執(zhí)行效率。

雖然5G技術(shù)帶來許多可能，真正落實5G自動化并非易事，業(yè)者可能因為建置成本高昂、商業(yè)價值無法準(zhǔn)確評估，或者對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全性懷有疑慮而推遲導(dǎo)入時程，這些都是未來5G導(dǎo)入智慧工廠過程中需要克服的挑戰(zhàn)。資誠（PwC Taiwan）建議，導(dǎo)入5G最好趁早開始，可以采取策略性角度審視5G的價值，檢視5G帶來的生產(chǎn)效益和強大的競爭優(yōu)勢，與其他新興科技帶來的效益相比后，企業(yè)端可以更清楚地看到導(dǎo)入5G可能產(chǎn)生的價值。

饒達(dá)仁坦言，企業(yè)端普遍相信5G技術(shù)可以帶來重要的運營優(yōu)勢，但因投資成本及潛在商業(yè)價值無法量化，加上全無線系統(tǒng)衍生的資安疑慮，導(dǎo)致企業(yè)無法在短時間內(nèi)擁抱5G技術(shù)，投入智能制造建置，但他樂觀預(yù)期，隨著5G技術(shù)愈來愈成熟，應(yīng)用愈來愈廣泛，建置成本勢必會慢慢降低，5G技術(shù)全面驅(qū)動智能工廠的時代不遠(yuǎn)。