資策會產業情報研究所(MIC)研究指出，2023年全球5G智慧製造的應用服務市場達2.52億美元規模，隨著5G技術的逐漸成熟，預期2026年全球5G智慧製造應用服務市場規模將達400億美元。
IHS Markit的5G經濟(The 5G Economy)報告則指出，2035年由5G所帶動的工業物聯網相關產值將逾5.2兆美元，其中，製造業產值達3兆3,640億美元。另一方面，隨著5G技術的需求大增，帶動晶片、模組、系統整合、電信設備、電信服務等領域百花齊放。
5G加速智慧工廠實現 提高良率與產能
然而，雖然5G技術為製造及生產環境提供有力支援，目前多數工廠採用的無線通訊仍以Wi-Fi為主，傳輸品質、穩定度未臻理想，傳輸距離不夠長，4G LTE雖符合多方條件，速度與頻寬與5G相比仍居劣勢，僅限於少數應用場景。
工研院機械所所長饒達仁指出，目前Wi-Fi5傳輸距離短，缺乏穩定性與安全性，不適用於智慧工廠，加上智慧工廠網路無線化應用需求大，更需要5G技術的超高頻寬與高速、超高可靠度與低延遲、大規模通訊等特性強力助攻。
| 圖1 : 工研院機械所所長饒達仁。(Source：工研院) |
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工廠導入5G工業務聯網(IIoT)後，不僅有助蒐集、整合從設計端到服務流程的各類數據，還能透過即時與海量數據制定策略，即時支援，即時決策。舉例來說，5G通訊技術可以使工廠內的生產設備、機臺與運輸載具更智慧化，可以利用AI瑕疵檢測數據分析，再透過5G即時製程檢測的資料產生及傳送，加速遠端製程調整，提高生產檢測精準度，大幅增加產品良率與產能。
饒達仁進一步指出，5G具有超高頻寬與高速(eMBB)、超高可靠度與低延遲(uRLCC)、大規模通訊(mMTC)特性，被先進國家視為驅動工業4.0的關鍵技術，可提供奠基於工業物聯網(IIoT)的智慧工廠與物流系統所需之聯網通訊技術，以及具成本效益的解決方案，還可透過行動通訊技術建立專網，讓現有基礎設施快速上線，廠商因此可以將智慧製造系統近乎無縫整合至完整的生產線與供應鏈，如英國電信(BT)建置工業4.0的5G專網智慧工廠，工廠產量提升2%，同時可確實掌握生產現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年底於斯圖加特-費爾巴哈的工業 4.0示範工廠建立第一座5G廠域網路運轉，所有工廠生產環境均可流動、可相聯，生產機器、設備及運輸載具都因5G技術變得更智慧。博世全球工廠內已有超過12萬臺機器及25餘萬臺裝置完成互聯化，互聯化解決方案讓生產效率提升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家工廠中陸續導入5G技術。
| 圖2 : 博世集團工業4.0營收累計突破40億歐元。(Source：Bosch官網) |
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臺灣的5G智慧工廠也在全速前進，如全臺共有18座智慧工廠的半導體封測大廠日月光(高雄廠)早在2020年底與中華電信、高通聯手打造5G毫米波(mmWave)企業專網智慧工廠，在工廠產線導入AI+AGV智慧無人搬運車、AR遠端維護協作、AR教育館體驗等應用。
2021年9月，電子大廠臺達與遠傳電信、臺灣微軟(Microsoft)合作，於桃園一廠生產線導入5G專網、AMR自主移動機器人、AGV無人搬運車、AI瑕疵檢測數據分析、AI產線平衡、智慧監控、MR混合實境等應用。臺達側重於引進智慧設備、提升人力及轉型，以及提升每小時單位產能，5G商用生產線同時導入Microsoft HoloLens混合實境及物聯網數位雙生技術，落實5G MR遠距廠房管理、維修監控、遠端產線巡檢，大幅降低人工作業，單位面積產值提升75%，人均產值提升69%。
| 圖3 : 導入5G後，智慧無人搬運車裝設相機搭配AI及大數據分析，可進行產線自動巡檢(AI+AGV智慧無人搬運車)。(Source：日月光官網) |
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5G毫米波(mmWave)的優勢與劣勢
5G技術所以能夠驅動智慧工廠加速實現，主要在於5G毫米波運用於智慧工廠、智慧製造具有許多優劣。舉例來說，5G毫米波具有超高網速(最高10Gbps)、低延遲(0.125毫秒)、高頻寬(最大400MHz)等技術特性，應用於智慧工廠，可以結合全廠高清晰攝影，做到智慧監控、分析改善關鍵製程品質、提升產線員工精準度與效率、遠端機器人控制、AGV車精準定位與協調控制，還能結合AR輔助自動化生產組裝與排障。
不過，饒達仁不諱言，5G技術存在二項劣勢，一是訊號射程短(200-300公尺)，容易被建築物或工廠內大型機具阻擋而產生訊號衰退；二是覆蓋範圍有限，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的規定是，5G URLLC必須同時滿足兩個條件：32 bytes以上封包數據量成功傳輸率達99.999%以上，以及無線區間延遲達1毫秒以下，但實際應用時卻無法達此要求，特別是對延遲要求最為嚴格的「運動控制」。CC-Link IE標準化組織對於運動控制所要求的通訊延遲約是微秒（μs）等級，即便控制系統中的某些用途允許包含應用程式處理在內約1-10毫秒的延遲，技術難度仍相當高。
當產業進入5G增強型行動寬頻通訊(Enhanced Mobile Broadband；eMBB)商用階段，也就是2020年定義的3GPP Release-16(5G技術Phase 2規格)，超可靠度和低延遲通訊特性(Ultra-reliable and Low Latency Communications；URLLC)可以與工業4.0結合，加速產線導入智慧製造技術。未來，3GPP的R17版本還會持續針對IIoT技術進行優化，並加入更彈性的NR-Light標準，以滿足工業物聯網的多元應用需求，但是在技術優化的過程中，業界普遍對於5G公用網路存有極大的資安疑慮。
對此，饒達仁認為，電信公司提供5G企業專網服務有助5G專網獨立運作，不受通訊擁塞影響，但建置5G企業專網相關設備的投資成本過高，因此一般中小企業對於5G專網的導入意願並不高。
| 圖4 : 臺達桃園一廠的5G應用示範生產線。(Source：臺達官網) |
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簡單來說，未來5G技術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網路，仍有相當難度需克服。
(2)工廠欲達到無縫連續生產，最重要的環節是即時通訊，因此，時基誤差(Jitter)大小比低延遲更為重要。
(3)5G網路會產生更多互聯端點與邊緣運算裝置，裝置與系統間的相互通訊需打破傳統上下垂直的階層模式。為促成更多5G應用，網路勢必要對外開放，相對提高被駭客入侵的機會與風險，因此，資安防護的規劃佈署更顯重要。
5G與AIoT對於智慧製造的機會與挑戰
5G與AIoT對於智慧製造、智慧工廠可能帶來哪些機會與挑戰？饒達仁認為，全球5G商業化佈建持續進行中，已有超過70國推出5G服務。2022年已朝向5G獨立組網、網路切片、企業專網等垂直應用領域發展。西班牙2022年世界行動通訊大會(MWC 2022)展期中已出現不少元宇宙概念應用範例，但未來在應用上仍需仰賴更為強大的通訊基礎設施與技術支持。可預期的是，隨著數位內容不斷擴增，5G與下世代通訊將成為提升智慧製造、智慧工廠用戶體驗的重要關鍵。
另一方面，智慧製造、智慧工廠在AIoT智慧聯網的實際運用上除了可見5G身影，綠色製造與永續需求隨著2050年淨零碳排目標的逼近，5G技術結合綠色轉型也成為重要課題。從WEF評選的「全球燈塔工廠」不難看出此一趨勢，燈塔工廠就是結合工業物聯網 (IIoT)、AI、AIoT、數位化、大數據分析、5G等技術，表現優異的自動化智慧工廠，具有趨勢指標性。
目前全球燈塔工廠共有90座，多為廣泛使用工業4.0技術的全球領先製造業，以友達為例，除積極參與臺灣氣候聯盟外，也在廠內導入AI與智慧製造，創造節能減碳效益，如Carbon 2020減碳計畫，目標5年內減碳100萬公噸已提早達成，並透過AIoT數位化與資料科學技術，開發出智慧水電網系統(Smart Grid)，進一步成立製程水全回收技術的子公司友達宇沛，創造更多永續物流等外部與價值鏈夥伴。
面板大廠群創光電則積極響應聯合國永續發展目標SDG 12促進綠色經濟，確保永續消費及生產模式，例如開發廢液晶回收技術，成立全球首座全自動化萃取液晶工廠，並透過智慧製造與智慧營運，朝「資源可持續回復及循環再生」的目標推進。在創造產業經濟價值的同時，也致力推動循環經濟，提升ESG經營績效，再透過數位分身、AI檢測、公私混和雲數位平臺等技術，提升企業經營的敏捷性與永續性。
饒達仁認為，未來5G與AIoT對於智慧製造、智慧工廠的挑戰在於，通訊產業需積極開發基礎設施，同時尋找適用於營運過程的節能減碳方法。對供應鏈廠商而言，須關注產品設計是否符合環境永續要求，同時考量生產過程與使用下的碳排放、綠電憑證使用是否達標。隨著元宇宙題材、萬物連網大傳輸發酵，電信系統的效能將更仰賴AI/ML等管理軟體的輔助，才能達到降低能源耗損、節省成本增加收益，以及善盡ESG義務等目標，完成2030年減少碳排階段任務，最終實現2050年淨零碳排的終極目標。
| 圖5 : 採用微軟HoloLens應用場景。(Source：臺達官網) |
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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可以實現生產優化，讓生產週期更為順暢，同時減少廢棄物產出，極大化生產彈性，讓隨選式大量客製化製造成為可能，也有助工廠模組化。此外，5G優異的連線速度與網路連接密度可強化人機介面互動，提供各種行動數據與視覺化解決方案；密集的感測器配置有助監控設備狀況，緊急停機信號出現時可以更靈敏地做出反應，以及進行預測性維護，提升製造設備的安全性與執行效率。
雖然5G技術帶來許多可能，真正落實5G自動化並非易事，業者可能因為建置成本高昂、商業價值無法準確評估，或者對網路系統安全性懷有疑慮而延緩導入時程，這些都是未來5G導入智慧工廠過程中需要克服的挑戰。資誠（PwC Taiwan）建議，導入5G最好趁早開始，可以採取策略性角度審視5G的價值，檢視5G帶來的生產效益和強大的競爭優勢，與其他新興科技帶來的效益相比後，企業端可以更清楚地看到導入5G可能產生的價值。
饒達仁坦言，企業端普遍相信5G技術可以帶來重要的運營優勢，但因投資成本及潛在商業價值無法量化，加上全無線系統衍生的資安疑慮，導致企業無法在短時間內擁抱5G技術，投入智慧製造建置，但他樂觀預期，隨著5G技術愈來愈成熟，應用愈來愈廣泛，建置成本勢必會慢慢降低，5G技術全面驅動智慧工廠的時代不遠。
