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擴大5G智慧工廠新應用
垂直整合虛實數據加值
[作者 陳念舜]   2022年07月24日 星期日 瀏覽人次: [727]

自2018年美中貿易、科技戰後,固然促成各國積極追求在地生產,強化供應鏈韌性,卻苦於短期內擴增新建廠房及增聘人力不易,有賴無線連網來提升既有設備和產線彈性;加上2019年進入5G元年後,也促使電信營運商陸續布局垂直應用領域,加速整合虛實工廠數據加值,最快在今年專網管理辦法通過後,可望迎來5G技術擴大新應用。


回顧全球行動通訊網路產業發展幾乎每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,可突破傳統傳輸訊號限制,發揮更高效能。尤其是到了2019年被國際公認的「5G元年」之後,包括美、韓與歐洲的瑞士、英國、西班牙、義大利、芬蘭等國,皆於上半年完成了分配和拍賣5G頻譜,陸續進入5G商用發展時期。


但因為國際地緣政治影響下,美國基於抵制中國大陸華為、中興等品牌在5G專利、成本上的優勢,而鼓動盟邦推動政策支持的Open RAN市場效應益發明顯,雖然在個人手持裝置市場已見成效,卻在工廠商業化應用進度相對遲緩。


直到2020~2021年COVID-19爆發後出現轉機,加速企業遠距工作和數位轉型需求,台灣也開始有許多廠商、團隊積極投入布建5G專網。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裡,最受矚目的是在智慧城市及智慧邊緣等物聯網應用,更被期望的是車聯網應用。


製造業因為早有工業4.0涉及的機器人、3D printing、人工智慧AI、物聯網IoT、AR/VR、大數據資料分析等技術應用已相當成熟,若想再持續向智慧化精進的關鍵,便在於透過5G提升速度、穩定和自動化來布建更好的流量傳輸環境,加強整合跨域技術,以創造更優異的應用效能與效益。


因此有賴於業者視需求導入應用,來真正改善痛點。既可利用5G高可靠、低延遲、廣連結的技術優勢,提升底層連網環境的速度、更穩定傳輸資料,促成相關機台設備、營運管控、資源和IT系統整合。進而創造更多有利於生產管理的智慧化應用,促使生產流程可即時回應異常,並自動排除問題異常及降低成本,以引領製造業數位化轉型。


台灣機械業也從2015年來陸續推動智慧機械、智慧製造之後,經濟部技術處於2019~2020年間協助落實公有機械雲階段,便納入地端、雲端及雲地協作架構,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網路在虛擬化、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)
圖1 : 目前5G網路在虛擬化、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 協力打造5G智慧工廠

台灣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5G關鍵頻段硬體產品和應用,以協助產業節省配線衍生的碳足跡與成本。尤其5G企業專網更是產業轉型數位化的關鍵基石,成為業者擴大Big Data、AI、 Cloud營運分析應用的基礎,實現傳統4G和其他通訊技術沒辦法做到的事,包括在垂直應用領域裡占台灣GDP約30%的製造業,也有意導入5G多元應用帶來更好的體驗,又可將智慧製造專網應用概分為廠務環安、生產製造兩大管理領域。


前者包含能源管理(EMS)、無人機/機器人巡檢(Drone/Robot Patrol)、管理中心/戰情室(Control center)等,遠傳近期也發表與高通合作的「5G專網彈性製造解決方案」,展現MEC Edge AI的資安優化和即時AI運算優勢。可將IP CAM架設於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通訊回傳關鍵數據。


後者係將5G技術優先引進AGV、AI、MR等3大應用領域,擴大工業自動化垂直整合優勢,建構5G智慧工廠完整解決方案。藉以強化自主技術與創新能量,重塑產品、服務及商業模式,進而克服目前廠內少量多樣組裝高頻換線、AGV/AMR跨區連線不穩,無法即時遠端協助與保養等問題;甚至可經過M2M動態參數最佳化,複製整廠/線時不足的人力。


遠傳即曾協助客戶,以智能機台結合物聯網、5G、大數據、AI應用,規劃物流倉儲或打造自動化系統和智能化產線,得以縮短換線時間、工序,布建成本還可能低於WiFi,同時將多餘人力投入新設產線,提高生產效益。且因為經量身規劃設計客製化5G專網和網路環境,採取專屬基站,不必與公網其他設備分享網路資源,將5G低延遲特性用於關鍵服務;資料落地,還能在企業內部確保資料安全性。


進一步分析在彈性製造應用上,5G專網(Private Network)對比WiFi-6的優勢,包括:PN採用商業授權頻譜,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;支援戶外大範圍跨區移動性,優於WiFi離開室內小範圍及固定式設備聯網就會感覺中斷;且PN基地台比起單一WiFi AP,可支援更多設備同時聯網使用。


尤其是在資安要求上,PN搭配MEC方案能將資料直接落地客戶端,與企業IT直接連網,達到低時延效果;且循ITU & 3GPP SA3加密標準,確保資料傳輸安全性,並透過SIM卡認證把關。


遠傳指出,目前客戶採用專網+Wi Fi的Hybrid整合架構,只須在現有機台安裝5G Router,初期就能沿用既有投資,降低實現數位轉型的門檻,也不必擔心2~3年更換AP。至於5G專網服務訂價屬於客製化,將主要取決於3大因素:涵蓋面積、應用情境、內/外網不同,可帶來優勢包括共享透明化資訊、減省投入現場人力和網路佈線成本。



圖2 : 目前企業採用4G/5G專網架構,可帶來優勢包括:共享透明化資訊、減省投入現場人力和網路佈線成本。(source:遠傳電信)
圖2 : 目前企業採用4G/5G專網架構,可帶來優勢包括:共享透明化資訊、減省投入現場人力和網路佈線成本。(source:遠傳電信)

產業視需求導入5G專網 發揮最大應用效益

工研院產科國際所認為:「現今業界建置5G專網,除了可利用高畫質視訊和感測器數據在內的巨量資料,有效促進技術技能轉移,還能提升工廠製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。」另依使用者不同需求,分析目前5G在製造業主要應用機會,約可概分為:


1,高流量特性,協助人機介面、企業連接、遠端維護、供應鏈整合;


2.低延遲網路反應速度,提供模組化設備、行動機器人、廠域安全、工廠自動化場域;


3.廣連結大量設備的網路環境,用於生產優化、流程自動化、預防性維護、感測器網路等。


例如2021年日本富士通(Fujitsu)在其位於櫪木縣的小山工廠開始啟用5G專網,便基於成本及設計考量,由非獨立的4.7GHz頻段SA與獨立28GHz擴展頻段NSA組成。前者覆蓋範圍廣泛,較適用對於性能要求相對不高的一般例行性工作,與自動導引車(AGV)在運輸過程中進行即時通訊,以實現高精度位置測量和路線控制的自動化。


後者則特別適用於要求高度精準、自動化製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到邊緣運算環境,以AI即時分析影像,即時回饋操作者組裝動作是否正確,進而透過AR/MR等設備,提供現場工作培訓或遠程支援。


Benz則曾在德國Sindelfingen地區,打造符合工業4.0標準的新型態製造廠Factory 56,升級網路基礎建設,建置包含內部無線網路和廠外行動通訊網路的5G通信環境。甚至可導入VR視覺化模擬生產過程,蒐集從開發、設計到生產各階段供應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,供研發與生產部門經過VR優化生產過程。並經由預測性維護而避免工廠發生故障,將研究成果即時與產線整合,促使生產流程最佳化;讓員工可透過App彈性選擇工作時間,提升工作與生活品質。



圖3 : Benz也曾打造新型態製造廠Factory 56,蒐集從開發、設計到生產各階段供應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,供研發與生產部門優化生產過程。(source:nationaldailyng.com)
圖3 : Benz也曾打造新型態製造廠Factory 56,蒐集從開發、設計到生產各階段供應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,供研發與生產部門優化生產過程。(source:nationaldailyng.com)

達梭3DEXPERIENCE平台 整合虛實數據為5G加值

值得一提的是,根據愛立信最新發表報告中也預測無線連網技術將重塑企業設計、生產和提供產品的方式,因應即時需求將導致未來製造業發生根本上的變化,造成快閃工廠崛起,以服務當地即時的需求,已有超過5成的決策者預期2030年時快閃工廠將成為常態,而製造即服務也將越來越普遍。


目前也有專業軟體商已將品質監控和製程改善等目標同時導入智慧工廠的PLM(產品生命週期)、MOM(製造營運管理)系統,並透過5G連網即時改善,以提升其虛實數據價值!達梭系統(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製造企業資訊系統5層結構模型裡的3~5層,並透過平台介面向下整合MES常用系統,與IIoT設備串聯而打造彈性製造工廠。


包括將PLM視為虛擬世界的數位工廠,對應前端產品設計,建立數位分身(Digital twin)。因此將造成資料流量遞增,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進行現場調度派工、透明化管理,甚至成立視覺化及生產指揮中心來進行車間精益活動管理,通過IT和OT融合來達成全流程品質管理與追溯。


同時執行數位化工藝,加速培訓現場作業員;且過程中仍應確保精準物流配送,才能提高現場設備稼動率,構建彈性的自動化物流調度能力。藉此確保從業者前期物流模擬規劃,到建立下一代MOM系統等資訊,都能在同一平台交換而提高即時性,實現提效率、保品質、降成本目標。


進而建立核心模組及統一數位化監控平台,實現全生命週期過程中的可視、可控、可追溯,且由於此平台屬開放式,無論從IT或OT層面都能支援5G專網基礎建設,交換虛、實世界的龐大資料,不會被綁死在任何設備,還能發掘和輸出更有價值的數據用於分析、營運,讓3D模型更為精細,以免事倍功半,徒增初期布建5G專網成本;同時讓設備廠商、End user、系統整合商SI三方藉此平台,加速協同設計規劃。



圖4 : 達梭透過設備整合(MI)平台,同時整合虛實世界的數位化製造(DM)、製造營運管理(MOM)等龐大資料,並向下支援5G專網交換龐大流量資料,發掘和輸出更有價值的數據用於分析、營運。(source:達梭系統)
圖4 : 達梭透過設備整合(MI)平台,同時整合虛實世界的數位化製造(DM)、製造營運管理(MOM)等龐大資料,並向下支援5G專網交換龐大流量資料,發掘和輸出更有價值的數據用於分析、營運。(source:達梭系統)

恩智浦通過5G專網 可望滿足工廠無接觸需求

恩智浦半導體公司(NXP)表示:「現今工業4.0智慧工廠的概念,即是透過智慧技術和大規模的機器對機器(M2M)通訊,來實現有限人為干預的靈活工業環境。」例如,使用無人導引車(UGV)的現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代組裝線,兩者都可由5G專網來確保實現低延遲、高可靠度的連接性。


恩智浦現也觀察到因為疫情,讓人機互動的無觸碰替代方案成為必然的趨勢,藉以取代傳統按鈕或觸控螢幕控制。但一般語音助理應用的控制方式在高噪音的工廠、嘈雜的戶外環境或正在交談的人群中並不可靠,所以可將語音與手勢相結合,提供適應能力更強,且更紮實的多模態無觸碰介面。進而利用語音或視覺控制型系統,讓機器得以更快速且可靠地將真正的使用者指令,與隨機或意外輸入者加以區分。


舉例來說,一台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回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和製造環境中與機器互動的方式,促使現有硬體和軟體子模組可用於組建具備成本效益,且基於手勢的控制,確保其回應快速而可靠,開啟了無觸碰UI的新時代,將維持產業在新常態下蓬勃發展。



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和製造環境中與機器互動的方式,將維持產業在新常態下蓬勃發展。(source:images.ctfassets.net)
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和製造環境中與機器互動的方式,將維持產業在新常態下蓬勃發展。(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,製造業會是良好場域。依NCC統計目前台灣5G用戶數已突破550萬,普及率高達23.7%,於最新通過的《行動寬頻專用電信網路設置使用管理辦法》草案,決定釋出4.8~4.9GHz頻段共100MHz頻寬供企業或委託系統整合商(SI)、電信業者申設,最快將在今年Q4首度發放為期10年的5G專網執照;頻率使用費則將依照場域型態、場域面積、區域、網路用途、年度調整係數等參數進行調整,預期費用將會較低。


工研院產科國際所建議有意導入5G應用的台灣製造業,不僅可延續工廠自動化發展趨勢,邁入下一階段的數位轉型,若能結合5G本身低延遲、廣連結、高速傳輸等特色優勢,掌握人工智慧、邊緣運算和高速傳輸的聯網能力將是成功關鍵。包括先行導入技術已臻成熟的影像、XR應用,以爭取製造業智慧轉型機會;再根據廠區的地理環境、設備布置、應用目的適用性和效率,不以5G為唯一考量,而是部署可容許多元異質性網路技術並存,且能協同合作的聯網環境。


@刊頭圖(source:themanufacturer-cdn-1.s3.eu-west-2.amazonaws.com)


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