燈塔工廠的關鍵技術與布局:迎接綠色制造

達成凈零排放的關鍵除了能源轉型，還包含減少產(chǎn)品「制造」，透過產(chǎn)品、零組件及材料循環(huán)運用，可以有效降低碳排，或者透過「提供服務」的方式創(chuàng)造產(chǎn)品價值。

聯(lián)合國政府間氣候變遷專門委員會（IPCC）公布的氣候變遷報告（AR6）指出，全球約有33-36億人生活在極易受氣候變遷影響的環(huán)境中。溫度上升攝氏2度，全球約30億人將經(jīng)歷「長期缺水」，18%的陸地物種將面臨滅絕風險；升溫攝氏4度，約50%的物種生命將受威脅。第26屆聯(lián)合國氣候變遷大會(COP26)強調(diào)，實現(xiàn)《巴黎氣候協(xié)議》，守住升溫臨界值攝氏1.5度，有助減緩碳排量，不過，減緩碳排只能推遲氣候變遷帶來傷害，零碳排才是根本之道。

智能制造再升級，產(chǎn)線、營運都變綠了！
全球碳排量約55%來自能源生產(chǎn)及使用，45%來自工業(yè)、農(nóng)業(yè)等制造加工過程。為響應《巴黎氣候協(xié)議》，全球產(chǎn)業(yè)積極推動2030年及2025年凈零碳排，如蘋果(Apple)宣布，2030年起蘋果供應鏈凈零碳排到位，并已協(xié)助逾200家供應鏈業(yè)者改以再生能源運作，包含臺灣的臺積電、和碩、日月光、仁寶等業(yè)者；Google早在2007年已達成碳中和，2017年100%使用再生能源，2020年已抵銷所有碳足跡，并承諾2030年全天候使用零排放能源（carbon-free energy）；半導體業(yè)者愛德華先進科技在2021年便積極設立SBTi目標，透過環(huán)境減排技術協(xié)助企業(yè)及客戶減少碳排；亞馬遜（Amazon）制定新計劃，計劃于2040年達成碳中和。


 
圖1 : 康寧(Corning)運用Conetoe的太陽能裝置產(chǎn)出清潔能源；右為奧勒岡州的Montague風電廠，是Apple迄今最大的再生能源項目之一。(Source：Apple官網(wǎng))

除了電，制造業(yè)是溫室氣體產(chǎn)生的大宗，特別是鋼材、混凝土及塑料等材料，約占總體的1/3。對于制造業(yè)來說，達成凈零排放的關鍵除了能源轉型，還包含減少產(chǎn)品「制造」，透過產(chǎn)品、零組件及材料循環(huán)運用，可以有效降低碳排，或者透過「提供服務」的方式創(chuàng)造產(chǎn)品價值，這兩種方式對制造業(yè)來說都是從工業(yè)3.5到工業(yè)4.0的「綠色轉型」。循環(huán)臺灣基金會呼吁，「減少制造、提高資源循環(huán)運用」才是制造業(yè)因應 2050凈零排放的關鍵策略，建議企業(yè)積極投入循環(huán)經(jīng)濟，發(fā)展低碳商業(yè)模式。

零碳排需要生產(chǎn)與供應鏈全面改造，不只蘋果、Google，微軟、Amazon、Meta等科技巨擘都陸續(xù)宣布加入碳中和與凈零碳排行列，臺灣業(yè)者也積極響應綠色轉型，如臺灣第四大碳排大戶臺積電宣布2050年內(nèi)達成凈零碳排，未來30年，每年減少1000萬噸碳排；日月光、鴻海宣布2050年實現(xiàn)100%碳中和；臺達電承諾100%使用再生能源，2030年推動碳中和；宏碁、華碩將在2035年達成碳中和。

全球產(chǎn)業(yè)加入碳中和、零碳排等「綠色轉型」行列，「智能制造」與「智能工廠」蔚為風潮，「燈塔工廠」應運而生，臺灣政府也將智慧機械列入五加二重點產(chǎn)業(yè)，推動智能制造轉型。

綠色浪潮席卷制造業(yè) 燈塔工廠成標竿
「智慧工廠」是第四次工業(yè)革命(4IR)制造業(yè)轉型的新產(chǎn)物，不少工業(yè)先進國家加速推動綠色制造，英國就將凈零轉型視為「綠色工業(yè)革命」。技術世界經(jīng)濟論壇與麥肯錫自2018年起評比全球智慧工廠，將表現(xiàn)最出色的智慧工廠評選為「全球燈塔工廠（Global Lighthouse Network）」，評選標準包含自動化、數(shù)字化、大數(shù)據(jù)分析、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、5G等數(shù)字科技建置以及運用成熟度，這些數(shù)字科技是工廠中廣泛使用的工業(yè)4.0領先技術。

截至2021年，已有90家企業(yè)入選全球燈塔工廠，如2021年入選全球燈塔工廠的友達臺中Fab 3廠、群創(chuàng)高雄8.5+8.6代廠，鴻海集團鄭州廠區(qū)及武漢廠區(qū)也雙雙入選，是繼深圳、成都廠區(qū)后入選的鴻海新廠區(qū)。值得一提的是，入選燈塔工廠的企業(yè)并非完全以機器取代人工，而是透過數(shù)字化技術帶來創(chuàng)新，提高產(chǎn)能與效能，多數(shù)工廠不僅產(chǎn)量提升，也成功創(chuàng)造產(chǎn)品價值，找到新的營收來源。

以友達光電來說，自2015年啟動智能制造2.0后，即針對智能制造、綠色制造和人才培育進行轉型，并深化4IR技術，如運輸自動化、機器學習與計算機視覺自動檢查及維修產(chǎn)品、IoT架構結合自動清潔、AI應用程序整合系統(tǒng)等。為因應智慧工廠綠色轉型，各廠區(qū)的管理模式也隨之調(diào)整，結合場域知識與數(shù)據(jù)科學技術，從過去的反應式管理改變成預測式管理。2018至2020年三年內(nèi)，燈塔工廠整體產(chǎn)能上升32%、先進制造良率提升60%。



 
圖2 : 友達臺中廠獲選全球燈塔工廠;自行開發(fā)水電氣實時監(jiān)測模塊。(Source：友達)

除了4IR技術，友達也透過AIoT企業(yè)策略結盟方式，與關企友達數(shù)字、友達智匯、友達宇沛等合作，提供專業(yè)顧問咨詢服務，內(nèi)容包含永續(xù)生產(chǎn)制造專業(yè)知識、軟硬件解決方案、AI系統(tǒng)與場域應用相互結合的一體化解決方案等。

群創(chuàng)光電總經(jīng)理楊柱祥指出，智能制造與智能營運勢必同時并進，才能創(chuàng)造最有韌性的經(jīng)營體質(zhì)與核心競爭力，智能管理不僅可以強化精準設計、智?生產(chǎn)及智能檢測，智能引擎還可以取代人工檢核，改善工作環(huán)境與效率。

群創(chuàng)高雄廠區(qū)透過自動化、數(shù)據(jù)化及智能化，實現(xiàn)群創(chuàng)XYZ數(shù)字轉型策略，該廠也投資自動化、物聯(lián)網(wǎng)和分析技術以提升制程、質(zhì)量和問題解決能力，產(chǎn)品最終不良率因此降低33%，利基產(chǎn)品比重則增加22%，質(zhì)量偵查時間減少90%，總體產(chǎn)能增加10%，成功建立完整生態(tài)系，同時提升整體競爭力。

鴻海董事長劉揚偉則表示，數(shù)字轉型是集團自「勞力密集」轉型為「腦力密集」的重要階段。截至2021年，鴻海集團約有20余座廠房符合燈塔工廠標準，其中有11座獲選為「燈塔工廠」。在生產(chǎn)線流程優(yōu)化方面，鴻海武漢廠區(qū)利用先進分析技術、柔性自動化技術重新設計制造系統(tǒng)，提高86%勞動生產(chǎn)率、減少38%質(zhì)量缺陷，訂單交貨周期縮短29%(降至48小時)。

鄭州廠區(qū)則提高102%勞動生產(chǎn)率，減少38%質(zhì)量缺陷，整體設備效率提高27%。面對快速的業(yè)務需求但技術熟練工人不足等問題，鴻海采用混合實境、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等技術，提高200%勞動效率，整體設備效率則提高17%。


 
圖3 : 鴻海集團鄭州廠區(qū)獲選燈塔工廠。(Source：鴻海）

此外，鴻?！笩羲S」還積極對外賦能，推動產(chǎn)業(yè)數(shù)字化及數(shù)字產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，如鴻海鄭州廠區(qū)建立跨職能轉型辦公室，與德州、清華等10所大學合作研發(fā)、招募復合型人才，建立全球技術生態(tài)系統(tǒng)。鴻海集團規(guī)劃2022年再打造20座「燈塔工廠」，改造模具生產(chǎn)、CNC加工、表面貼裝、系統(tǒng)組裝等場域，同時在廠房內(nèi)導入自動化、數(shù)字化、智慧化等技術，同步提高產(chǎn)品力及管理質(zhì)量。

支撐燈塔工廠的4IR關鍵技術
麥肯錫合伙人及制造工作(McKinsey & Company and Global Lead of its manufacturing work )全球負責人Enno de Boer表示，「燈塔」實現(xiàn)永續(xù)發(fā)展，并非完全以機器取代人工，而是透過數(shù)字化技術帶來工作變革，提高效能。

4IR技術包含人工智能、機器人及物聯(lián)網(wǎng)，這些技術有助加速永續(xù)發(fā)展，同時強化企業(yè)競爭力。燈塔工廠結合5G通訊、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、云端與邊緣運算等資通訊技術，搭配人工智能(AI)、大數(shù)據(jù)(Big Data)、預測、數(shù)字雙生(Digital Twin)、AR與混合實境(MR)等新興智慧科技，運用在感測、機器人、無人載具、積層制造等先進技術，發(fā)展出提升工廠與供應鏈營運績效的數(shù)字化、智能化應用方案，創(chuàng)造價值成效。全球燈塔工廠的主要應用方案包含數(shù)字化組裝與機械設備、數(shù)字化設備維護、數(shù)字化績效管理、數(shù)字化質(zhì)量管理，以及數(shù)字化永續(xù)發(fā)展。

TrendForce指出，2022年全球智能制造市場規(guī)模近3700億美元，2019-2022年年復合成長率達10.7%。智能制造的核心在于數(shù)據(jù)與設備虛實整合后的實時反應，關鍵在于延遲性、安全性與運算能力，未來發(fā)展將以邊緣運算及5G為主，如AR/VR、機器視覺、數(shù)字雙生、預測性維護等技術支持及應用升級。

工研院產(chǎn)科國際所副組長熊治民表示，近年來，發(fā)展快速的智能制造相關技術與應用包含感測、智能機器人(特別是協(xié)作機器人與自主移動機器人AMR)、積層制造(3D打印)、人工智能(AI)、5G通訊、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與云端平臺、數(shù)字仿真與分析，以及擴增實境(AR)等。在智慧工廠的技術應用上，2022年已經(jīng)出現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)結合5G、邊緣運算、AI等工具打造的虛實整合系統(tǒng)（Cyber-Physical System；CPS），數(shù)字雙生（Digital Twin）技術則被廣泛運用于智能制造、智能城市等垂直領域。

隨著環(huán)境、場域與設備間的交互影響愈來愈復雜，數(shù)字技術也擴大部署及運用范疇，如物聯(lián)網(wǎng)技術搭配3D感測技術、VR、AR等遠程作業(yè)，打造元宇宙（Metaverse）發(fā)展架構。推動凈零碳排已成為制造業(yè)全球趨勢，急需借助智慧感知、IoT、AI、數(shù)字雙生，以及碳排放計算、能源與資源使用優(yōu)化、供應鏈運作優(yōu)化等技術，提供更多解決方案。

多數(shù)制造業(yè)都會朝自動化、數(shù)字化、智慧化運作發(fā)展，如基于云端平臺的自動化與數(shù)字化工作流程、以機器人節(jié)省人力或補充生產(chǎn)能力、以遠距工作模式克服市場營銷與客戶服務限制、透過人工智能預測原物料價格與供應鏈運作優(yōu)化等。目前國際制造業(yè)者持續(xù)透過工業(yè)4.0、數(shù)字轉型應用建立更大的智能制造體系。大型企業(yè)全面推動設備聯(lián)網(wǎng)、智慧化產(chǎn)線與智慧工廠，導入5G、AI、AR、云端、協(xié)作機器人、無人搬運車(AGV)與自主移動機器人(AMR)等技術；中小型企業(yè)偏向設備聯(lián)網(wǎng)、稼動率可視化、自慧化排程，以及結合AI的自動光學檢測應用。

研究指出，芯片制造占電子設備碳排放的大宗，產(chǎn)業(yè)上游晶圓代工及封裝測試、中游組裝及下游品牌科技大廠紛紛提出碳中和時間表，如臺積電、聯(lián)電、臺達電、鴻海、日月光、宏碁、華碩等。英特爾、臺積電、聯(lián)電、日月光投控等半導體大廠今年4月宣示，在全球營運范圍內(nèi)達成凈零排放目標，除了擴大采用再生能源，也會在價值鏈中降低溫室氣體排放量，如英特爾承諾在2040年前，全球營運達凈零排放目標，并在價值鏈中降低逾30%的溫室氣體排放量。

全球第一家RE100半導體企業(yè)臺積電承諾100%使用再生能源，于2020年成立凈零排放項目，為達成2050年凈零排放目標，擬定減緩措施、強化綠色創(chuàng)新作為，積極采用再生能源，并持續(xù)尋找各種排碳減量機會；為達2050年凈零碳排目標，聯(lián)電推動「凈零行動」三部曲：針對營運直接排放、能源使用間接排放及價值鏈產(chǎn)生的間接排放，落實低碳能源轉型。


 
圖4 : 臺積電使用再生能源量與比例。(Source：臺積電)

結語
智能制造與燈塔工廠的應用需要持續(xù)累積才能展現(xiàn)具體成效。目前國際制造業(yè)者持續(xù)透過推動工業(yè)4.0、數(shù)字轉型應用建立更深化、范疇更大的智能制造體系。預期大型制造業(yè)者未來將結合內(nèi)外部資源，建立規(guī)模化智能工廠，以提升產(chǎn)能、質(zhì)量與接單彈性，帶動臺灣智能制造方案生態(tài)系發(fā)展，在大型企業(yè)帶領下，再將中小型企業(yè)納入智能制造生態(tài)系及產(chǎn)業(yè)鏈，逐步發(fā)揮「燈塔工廠」綠色制造的整合價值。