第一代物聯網出現於2010年代，無所不在的運算與感測形成智慧空間，各種智慧應用開始出現；2020年開始，終端電子產品更加快速AI智慧化。展望未來，5G+AI將引爆下一代超級物聯網，智慧機器與人工智慧普及化，包含無人車、無人機、機器人等能自主判斷、學習的機器，正式進入智慧物聯網AIoT時代。隨著智慧移動、智慧醫電、智慧製造、智慧生活四大AIoT新應用興起，帶動AIoT高速成長及相關發展趨勢，以物聯網降低成本、提高營運已經成為現在進行式，其中智慧製造以5G導入無人工廠，帶動邊緣運算（Edge-computing）和AR/VR次系統發展。

圖片來源：Pixabay

人工智慧在製造領域的主要應用

工研院產科國際所資深研究員范哲豪指出，AI技術的導入讓工廠明確分野所謂的「自動化」與「智動化」，透過機器學習、深度學習以及機器視覺，結合AI的機台設備和工業機器人，不再只是單一執行預先設定好的程式進行工作，而是能自行因應所處環境下的各種非突發事件。范哲豪指出，人工智慧作為工業物聯網的核心大腦，而5G技術的導入就如同具有超寬管徑的血管，以其寬廣的頻寬和即時（Real-Time）的方式，傳輸到中央或者終端裝置。

人工智慧驅動驅使智慧工業物聯網發展，AI在製造領域主要有以下幾種應用類型：

• 產品設計：複雜結構物件之最佳化設計，例如配合層積製造；零組件或者材料組合之最佳化匹配；產品設計結果之評估。
• 設備控制：生產線之排程規劃；生產設備之效能提升；自主式設備之控制，例如協同合作機器人、無人搬運車AGV等等；智慧化人機介面，例如以語音控制機器設備。
• 品質良率：自動化品質檢測，例如：結合自動化光學檢測AOI；降低瑕疵誤判率；品質瑕疵肇因分析；自動化品質預測。
• 設備維護：設備健康狀態診斷；設備預測維護；設備故障原因分析；設備故障排除指引，例如配合擴增實境AR以及遠距通訊。
• 供應鏈管理：市場需求預測；原物料供給與價格預測；採購規劃；風險管理。
• 人員作業與安全：人員作業效能分析與最佳化；作業人員安全狀態警示；製造場域安全監控與管理。

結合AI的新產品結構設計方法

相對於車銑、鍛造、射出成型等傳統的製造方法， 3D列印能實現更特殊、更複雜的結構，並已逐漸應用在輕量化的結構產品，例如飛機零組件。配合3D列印的產品結構相當複雜，已無法只依靠設計人員的技能，必須借助特殊的電腦輔助設計與分析軟體來完成設計。范哲豪舉例，美國設計軟體與服務公司Autodesk透過結合AI的設計軟體，以「生成設計」（Generative Design）概念，讓設計軟體在設定的外型尺寸、材料、負載等條件下，自行衍生出設計結果。目前Autodesk公司的生成設計應用軟體，已被應用在Airbus、Under Armour等航太科技製造和球鞋鞋底抗震的品牌產品設計上。

圖一、Autodesk和Airbus合作，以生成設3D列印的垂直尾翼。

圖片來源：Autodesk官網

透過AI提高工具機加工精度

工具機在長時間連續運轉後，會因為熱漲冷縮而導致機台變形而產生位移，並對加工精度造成巨大的影響。全球工業機器人四大家族之一的日本大廠發那科（FANUC），成功的使用AI來進行工具機的溫升補償（Thermal Displacement Compensation，簡稱TDC），先蒐集工具機內部溫度、外界環境溫度以及變位量資料，作為機器學習用的訓練資料，再運用溫升補償模型建構軟體，建立基於機械學習的溫升補償模型，應用在工具機實際的溫升補償上，以達到維持加工精度的目的。

以AI提升人員作業效率與安全

日本HITACHI公司與德國人工智慧實驗室（DFKI）透過AI技術及穿戴式感測器，即時獲知工作人員身體的疲勞狀態，透過AI演算量化人員工作的負荷以及疲勞程度，藉此找出人員不正確的動作姿勢和不符合人體工學的運動模式，據此數據來改善員工工作時的姿勢或動作，進而降低工作人員發生職業傷害的風險。另外，美國思科公司（CISCO）推出結合AI與邊緣運算系統的人員安全監測方案，透過系統攝影機拍攝人員外觀，再使用AI技術辨識人員是否正確穿戴安全帽與警示背心，並且以不同的顏色外框來標示不同人員的安全裝備穿戴情形，都是利用AI提升工廠人員作業安全的應用實例。

5G發展工業物聯網的優勢

由於工業物聯網大幅使用感測器蒐集機台生產數據，並將之傳輸到雲端做即時運算，或是作為機台間的溝通和協調，因此低延遲的數據傳輸和終端裝置的廣連結性，是5G相較於4G在發展工業物聯網上的優勢。而具備人工智慧的工業機器人，將因5G技術更能彰顯其在產業走向智慧化生產的價值。范哲豪解釋，過去傳輸延遲對於智慧機器人發展一直是個巨大的束縛，為了達到無延遲的傳輸，必須使用有線網路的連接，而這大大限制了智慧機器人的潛能。歸功於5G技術的發展和成熟，與雲端AI連結的機器人可作即時的機器學習，來因應生產環境下的任何非既定事件並做出決策，讓智慧型機器人得以達到最佳的生產效率。

瑞典通信技術大廠Ericsson公司位於愛沙尼亞Tallinn的工廠，主要產品為通訊設備電路板，而此類產品製造須仰賴大量的人力來確認產品缺陷位置，並且進行修補作業。Ericsson結合5G技術和AR的應用，讓工廠相關技術人員配戴智慧眼鏡，雲端上的產品缺陷訊息及修補作業指引資訊，會透過5G呈現在智慧眼鏡上，技術人員能透過疊加在產品影像上額外的數據資料，更快找出產品缺陷位置並加以修補；而技術人員的修補活動資料也會即時回傳到雲端資料庫。拜5G傳輸的優勢，這些資料能夠與不同的生產站別共享，有助於提升下次修補效率。Ericsson在採用以上結合5G的AR應用後，成功將技術人員的工作效率提高20%。

圖二、Ericsson將5G應用在AR上，確認產品的缺陷及修復指引。

圖片來源：Ericsson官網

AT&T與三星電子在美國德州奥斯汀半導體廠設立5G創新區（5G Innovation Zone），展示5G應用於製造業的可能效益與影響，其中包含4K無線影機IoT感測器，透過5G傳送高解析度實況視訊與各類感測資料加速，可實現大規模工廠自動化設備遠端即時監測和預測性維護。范哲豪指出，5G結合健康與環境感測器，在緊急狀況時能傳送關鍵資料協助先遣應變人員，更快速進行需要被救援員工的定位和處置；而邊緣運算搭配無線AR眼鏡，讓數百位製造業員工能同時進行教育訓練，設備操作人員能獲得即時的設備診斷與維修指導。

圖三、AT&T與三星電子創建美國第一個以製造業為重點的5G創新區。

圖片來源：SAMSUNG

人工智慧、5G以及邊緣運算已是未來技術發展的趨勢，與此三項關鍵技術結合的智慧工業物聯網，能發揮這個世代萬物互聯最大的價值和效益。范哲豪認為，對台灣的製造業來說，未來勢必走向客製化、多樣化產品的銷售模式，取代以往企業對企業的大量採購，並直接面對終端使用者的特殊需求，而結合此三者關鍵技術的智慧工業物聯網，才能真正幫助製造業突破現有的窠臼，走向製造服務業的新高度。

參考資料：

1. 2021/9/1，IisC創新產品與應用技術推廣線上說明會，范哲豪簡報資料

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