第一代物联网出现于2010年代，无所不在的运算与感测形成智能空间，各种智能应用开始出现；2020年开始，终端电子产品更加快速AI智能化。展望未来，5G+AI将引爆下一代超级物联网，智能机器与人工智能普及化，包含无人车、无人机、机器人等能自主判断、学习的机器，正式进入智能物联网AIoT时代。随着智能移动、智能医电、智能制造、智能生活四大AIoT新应用兴起，带动AIoT高速成长及相关发展趋势，以物联网降低成本、提高营运已经成为现在进行式，其中智能制造以5G导入无人工厂，带动边缘计算（Edge-computing）和AR/VR次系统发展。

图片来源：Pixabay

人工智能在制造领域的主要应用

台湾工研院产科国际所资深研究员范哲豪指出，AI技术的导入让工厂明确分野所谓的「自动化」与「智动化」，透过机器学习、深度学习以及机器视觉，结合AI的机台设备和工业机器人，不再只是单一执行预先设定好的程式进行工作，而是能自行因应所处环境下的各种非突发事件。范哲豪指出，人工智能作为工业物联网的核心大脑，而5G技术的导入就如同具有超宽管径的血管，以其宽广的频宽和即时（Real-Time）的方式，传输到中央或者终端装置。

人工智能驱动驱使智能工业物联网发展，AI在制造领域主要有以下几种应用类型：

• 产品设计：复杂结构物件之最佳化设计，例如配合层积制造；零组件或者材料组合之最佳化匹配；产品设计结果之评估。
• 设备控制：生产线之排程规划；生产设备之效能提升；自主式设备之控制，例如协同合作机器人、无人搬运车AGV等等；智能化人机介面，例如以语音控制机器设备。
• 质量良率：自动化品质检测，例如：结合自动化光学检测AOI；降低瑕疵误判率；品质瑕疵肇因分析；自动化品质预测。
• 设备维护：设备健康状态诊断；设备预测维护；设备故障原因分析；设备故障排除指引，例如配合扩增实境AR以及远距通讯。
• 供应链管理：市场需求预测；原物料供给与价格预测；采购规划；风险管理。
• 人员作业与安全：人员作业效能分析与最佳化；作业人员安全状态警示；制造场域安全监控与管理。

结合AI的新产品结构设计方法

相对于车铣、锻造、射出成型等传统的制造方法， 3D打印能实现更特殊、更复杂的结构，并已逐渐应用在轻量化的结构产品，例如飞机零组件。配合3D打印的产品结构相当复杂，已无法只依靠设计人员的技能，必须借助特殊的电脑辅助设计与分析软体来完成设计。范哲豪举例，美国设计软体与服务公司Autodesk透过结合AI的设计软体，以「生成式设计」（Generative Design）概念，让设计软体在设定的外型尺寸、材料、负载等条件下，自行衍生出设计结果。目前Autodesk公司的生成式设计应用软体，已被应用在Airbus、Under Armour等航太科技制造和球鞋鞋底抗震的品牌产品设计上。

图一、Autodesk和Airbus合作，以生成设3D打印的垂直尾翼。

图片来源：Autodesk官网

透过AI提高工具机加工精度

工具机在长时间连续运转后，会因为热涨冷缩而导致机台变形而产生位移，并对加工精度造成巨大的影响。全球工业机器人四大家族之一的日本大厂发那科（FANUC），成功的使用AI来进行工具机的温升补偿（Thermal Displacement Compensation，简称TDC），先搜集工具机内部温度、外界环境温度以及变位量资料，作为机器学习用的训练资料，再运用温升补偿模型建构软体，建立基于机械学习的温升补偿模型，应用在工具机实际的温升补偿上，以达到维持加工精度的目的。

以AI提升人员作业效率与安全

日本HITACHI公司与德国人工智能实验室（DFKI）透过AI技术及穿戴式感测器，即时获知工作人员身体的疲劳状态，透过AI演算量化人员工作的负荷以及疲劳程度，藉此找出人员不正确的动作姿势和不符合人体工学的运动模式，据此数据来改善员工工作时的姿势或动作，进而降低工作人员发生职业伤害的风险。另外，美国思科公司（CISCO）推出结合AI与边缘计算系统的人员安全监测方案，透过系统摄影机拍摄人员外观，再使用AI技术辨识人员是否正确穿戴安全帽与警示背心，并且以不同的颜色外框来标示不同人员的安全装备穿戴情形，都是利用AI提升工厂人员作业安全的应用实例。

5G发展工业物联网的优势

由于工业物联网大幅使用感测器搜集机台生产数据，并将之传输到云端做即时运算，或是作为机台间的沟通和协调，因此低延迟的数据传输和终端装置的广连结性，是5G相较于4G在发展工业物联网上的优势。而具备人工智能的工业机器人，将因5G技术更能彰显其在产业走向智能化生产的价值。范哲豪解释，过去传输延迟对于智能机器人发展一直是个巨大的束缚，为了达到无延迟的传输，必须使用有线网路的连接，而这大大限制了智能机器人的潜能。归功于5G技术的发展和成熟，与云端AI连结的机器人可作即时的机器学习，来因应生产环境下的任何非既定事件并做出决策，让智能型机器人得以达到最佳的生产效率。

瑞典通信技术大厂Ericsson公司位于爱沙尼亚Tallinn的工厂，主要产品为通讯设备电路板，而此类产品制造须仰赖大量的人力来确认产品缺陷位置，并且进行修补作业。Ericsson结合5G技术和AR的应用，让工厂相关技术人员配戴智能眼镜，云端上的产品缺陷讯息及修补作业指引资讯，会透过5G呈现在智能眼镜上，技术人员能透过迭加在产品影像上额外的数据资料，更快找出产品缺陷位置并加以修补；而技术人员的修补活动资料也会即时回传到云端资料库。拜5G传输的优势，这些资料能够与不同的生产站别共享，有助于提升下次修补效率。Ericsson在采用以上结合5G的AR应用后，成功将技术人员的工作效率提高20%。

图二、Ericsson将5G应用在AR上，确认产品的缺陷及修复指引。

图片来源：Ericsson官网

AT&T与三星电子在美国德州奥斯汀半导体厂设立5G创新区（5G Innovation Zone），展示5G应用于制造业的可能效益与影响，其中包含4K无线影机IoT感测器，透过5G传送高解析度实况视讯与各类感测资料加速，可实现大规模工厂自动化设备远端即时监测和预测性维护。范哲豪指出，5G结合健康与环境感测器，在紧急状况时能传送关键资料协助先遣应变人员，更快速进行需要被救援员工的定位和处置；而边缘计算搭配无线AR眼镜，让数百位制造业员工能同时进行教育训练，设备操作人员能获得即时的设备诊断与维修指导。

图三、AT&T与三星电子创建美国第一个以制造业为重点的5G创新区。

图片来源：SAMSUNG

人工智能、5G以及边缘计算已是未来技术发展的趋势，与此三项关键技术结合的智能工业物联网，能发挥这个世代万物互联最大的价值和效益。范哲豪认为，制造业未来势必走向客制化、多样化产品的销售模式，取代以往企业对企业的大量采购，并直接面对终端使用者的特殊需求，而结合此三者关键技术的智能工业物联网，才能真正帮助制造业突破现有的窠臼，走向制造服务业的新高度。

数据源：

1. 2021/9/1，「IisC创新产品与应用技术推广线上说明会」会议资料

好消息～北美智权报有微信公众号了！ 《北美智权报》内容涵盖世界各国的知识产权新闻、重要的侵权诉讼案例分析、法规解析，以及产业与技术新知等等。 立即关注北美智权微信公众号→ NAIP_IPServices ～欢迎读者分享与转发～