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擴大5G智慧工廠新應用

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)

[作者 陳念舜]

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。

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。

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2022.8月(第83期)5G智慧工廠
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