灯塔工厂的关键技术与布局:迎接绿色制造

达成净零排放的关键除了能源转型，还包含减少产品「制造」，透过产品、零组件及材料循环运用，可以有效降低碳排，或者透过「提供服务」的方式创造产品价值。

联合国政府间气候变迁专门委员会（IPCC）公布的气候变迁报告（AR6）指出，全球约有33-36亿人生活在极易受气候变迁影响的环境中。温度上升摄氏2度，全球约30亿人将经历「长期缺水」，18%的陆地物种将面临灭绝风险；升温摄氏4度，约50%的物种生命将受威胁。第26届联合国气候变迁大会(COP26)强调，实现《巴黎气候协议》，守住升温临界值摄氏1.5度，有助减缓碳排量，不过，减缓碳排只能推迟气候变迁带来伤害，零碳排才是根本之道。

智能制造再升级，产线、营运都变绿了！
全球碳排量约55%来自能源生产及使用，45%来自工业、农业等制造加工过程。为响应《巴黎气候协议》，全球产业积极推动2030年及2025年净零碳排，如苹果(Apple)宣布，2030年起苹果供应链净零碳排到位，并已协助逾200家供应链业者改以再生能源运作，包含台湾的台积电、和硕、日月光、仁宝等业者；Google早在2007年已达成碳中和，2017年100%使用再生能源，2020年已抵销所有碳足迹，并承诺2030年全天候使用零排放能源（carbon-free energy）；半导体业者爱德华先进科技在2021年便积极设立SBTi目标，透过环境减排技术协助企业及客户减少碳排；亚马逊（Amazon）制定新计划，计划于2040年达成碳中和。


 
图1 : 康宁(Corning)运用Conetoe的太阳能装置产出清洁能源；右为奥勒冈州的Montague风电厂，是Apple迄今最大的再生能源项目之一。(Source：Apple官网)

除了电，制造业是温室气体产生的大宗，特别是钢材、混凝土及塑料等材料，约占总体的1/3。对于制造业来说，达成净零排放的关键除了能源转型，还包含减少产品「制造」，透过产品、零组件及材料循环运用，可以有效降低碳排，或者透过「提供服务」的方式创造产品价值，这两种方式对制造业来说都是从工业3.5到工业4.0的「绿色转型」。循环台湾基金会呼吁，「减少制造、提高资源循环运用」才是制造业因应 2050净零排放的关键策略，建议企业积极投入循环经济，发展低碳商业模式。

零碳排需要生产与供应链全面改造，不只苹果、Google，微软、Amazon、Meta等科技巨擘都陆续宣布加入碳中和与净零碳排行列，台湾业者也积极响应绿色转型，如台湾第四大碳排大户台积电宣布2050年内达成净零碳排，未来30年，每年减少1000万吨碳排；日月光、鸿海宣布2050年实现100%碳中和；台达电承诺100%使用再生能源，2030年推动碳中和；宏碁、华硕将在2035年达成碳中和。

全球产业加入碳中和、零碳排等「绿色转型」行列，「智能制造」与「智能工厂」蔚为风潮，「灯塔工厂」应运而生，台湾政府也将智慧机械列入五加二重点产业，推动智能制造转型。

绿色浪潮席卷制造业 灯塔工厂成标竿
「智慧工厂」是第四次工业革命(4IR)制造业转型的新产物，不少工业先进国家加速推动绿色制造，英国就将净零转型视为「绿色工业革命」。技术世界经济论坛与麦肯锡自2018年起评比全球智慧工厂，将表现最出色的智慧工厂评选为「全球灯塔工厂（Global Lighthouse Network）」，评选标准包含自动化、数字化、大数据分析、工业物联网、5G等数字科技建置以及运用成熟度，这些数字科技是工厂中广泛使用的工业4.0领先技术。

截至2021年，已有90家企业入选全球灯塔工厂，如2021年入选全球灯塔工厂的友达台中Fab 3厂、群创高雄8.5+8.6代厂，鸿海集团郑州厂区及武汉厂区也双双入选，是继深圳、成都厂区后入选的鸿海新厂区。值得一提的是，入选灯塔工厂的企业并非完全以机器取代人工，而是透过数字化技术带来创新，提高产能与效能，多数工厂不仅产量提升，也成功创造产品价值，找到新的营收来源。

以友达光电来说，自2015年启动智能制造2.0后，即针对智能制造、绿色制造和人才培育进行转型，并深化4IR技术，如运输自动化、机器学习与计算机视觉自动检查及维修产品、IoT架构结合自动清洁、AI应用程序整合系统等。为因应智慧工厂绿色转型，各厂区的管理模式也随之调整，结合场域知识与数据科学技术，从过去的反应式管理改变成预测式管理。2018至2020年三年内，灯塔工厂整体产能上升32%、先进制造良率提升60%。



 
图2 : 友达台中厂获选全球灯塔工厂;自行开发水电气实时监测模块。(Source：友达)

除了4IR技术，友达也透过AIoT企业策略结盟方式，与关企友达数字、友达智汇、友达宇沛等合作，提供专业顾问咨询服务，内容包含永续生产制造专业知识、软硬件解决方案、AI系统与场域应用相互结合的一体化解决方案等。

群创光电总经理杨柱祥指出，智能制造与智能营运势必同时并进，才能创造最有韧性的经营体质与核心竞争力，智能管理不仅可以强化精准设计、智?生产及智能检测，智能引擎还可以取代人工检核，改善工作环境与效率。

群创高雄厂区透过自动化、数据化及智能化，实现群创XYZ数字转型策略，该厂也投资自动化、物联网和分析技术以提升制程、质量和问题解决能力，产品最终不良率因此降低33%，利基产品比重则增加22%，质量侦查时间减少90%，总体产能增加10%，成功建立完整生态系，同时提升整体竞争力。

鸿海董事长刘扬伟则表示，数字转型是集团自「劳力密集」转型为「脑力密集」的重要阶段。截至2021年，鸿海集团约有20余座厂房符合灯塔工厂标准，其中有11座获选为「灯塔工厂」。在生产线流程优化方面，鸿海武汉厂区利用先进分析技术、柔性自动化技术重新设计制造系统，提高86%劳动生产率、减少38%质量缺陷，订单交货周期缩短29%(降至48小时)。

郑州厂区则提高102%劳动生产率，减少38%质量缺陷，整体设备效率提高27%。面对快速的业务需求但技术熟练工人不足等问题，鸿海采用混合实境、人工智能和物联网等技术，提高200%劳动效率，整体设备效率则提高17%。


 
图3 : 鸿海集团郑州厂区获选灯塔工厂。(Source：鸿海）

此外，鸿海「灯塔工厂」还积极对外赋能，推动产业数字化及数字产业化发展，如鸿海郑州厂区建立跨职能转型办公室，与德州、清华等10所大学合作研发、招募复合型人才，建立全球技术生态系统。鸿海集团规划2022年再打造20座「灯塔工厂」，改造模具生产、CNC加工、表面贴装、系统组装等场域，同时在厂房内导入自动化、数字化、智慧化等技术，同步提高产品力及管理质量。

支撑灯塔工厂的4IR关键技术
麦肯锡合伙人及制造工作(McKinsey & Company and Global Lead of its manufacturing work )全球负责人Enno de Boer表示，「灯塔」实现永续发展，并非完全以机器取代人工，而是透过数字化技术带来工作变革，提高效能。

4IR技术包含人工智能、机器人及物联网，这些技术有助加速永续发展，同时强化企业竞争力。灯塔工厂结合5G通讯、物联网(IoT)、云端与边缘运算等资通讯技术，搭配人工智能(AI)、大数据(Big Data)、预测、数字双生(Digital Twin)、AR与混合实境(MR)等新兴智慧科技，运用在感测、机器人、无人载具、积层制造等先进技术，发展出提升工厂与供应链营运绩效的数字化、智能化应用方案，创造价值成效。全球灯塔工厂的主要应用方案包含数字化组装与机械设备、数字化设备维护、数字化绩效管理、数字化质量管理，以及数字化永续发展。

TrendForce指出，2022年全球智能制造市场规模近3700亿美元，2019-2022年年复合成长率达10.7%。智能制造的核心在于数据与设备虚实整合后的实时反应，关键在于延迟性、安全性与运算能力，未来发展将以边缘运算及5G为主，如AR/VR、机器视觉、数字双生、预测性维护等技术支持及应用升级。

工研院产科国际所副组长熊治民表示，近年来，发展快速的智能制造相关技术与应用包含感测、智能机器人(特别是协作机器人与自主移动机器人AMR)、积层制造(3D打印)、人工智能(AI)、5G通讯、工业物联网与云端平台、数字仿真与分析，以及扩增实境(AR)等。在智慧工厂的技术应用上，2022年已经出现物联网结合5G、边缘运算、AI等工具打造的虚实整合系统（Cyber-Physical System；CPS），数字双生（Digital Twin）技术则被广泛运用于智能制造、智能城市等垂直领域。

随着环境、场域与设备间的交互影响愈来愈复杂，数字技术也扩大部署及运用范畴，如物联网技术搭配3D感测技术、VR、AR等远程作业，打造元宇宙（Metaverse）发展架构。推动净零碳排已成为制造业全球趋势，急需借助智慧感知、IoT、AI、数字双生，以及碳排放计算、能源与资源使用优化、供应链运作优化等技术，提供更多解决方案。

多数制造业都会朝自动化、数字化、智慧化运作发展，如基于云端平台的自动化与数字化工作流程、以机器人节省人力或补充生产能力、以远距工作模式克服市场营销与客户服务限制、透过人工智能预测原物料价格与供应链运作优化等。目前国际制造业者持续透过工业4.0、数字转型应用建立更大的智能制造体系。大型企业全面推动设备联网、智慧化产线与智慧工厂，导入5G、AI、AR、云端、协作机器人、无人搬运车(AGV)与自主移动机器人(AMR)等技术；中小型企业偏向设备联网、稼动率可视化、自慧化排程，以及结合AI的自动光学检测应用。

研究指出，芯片制造占电子设备碳排放的大宗，产业上游晶圆代工及封装测试、中游组装及下游品牌科技大厂纷纷提出碳中和时间表，如台积电、联电、台达电、鸿海、日月光、宏碁、华硕等。英特尔、台积电、联电、日月光投控等半导体大厂今年4月宣示，在全球营运范围内达成净零排放目标，除了扩大采用再生能源，也会在价值链中降低温室气体排放量，如英特尔承诺在2040年前，全球营运达净零排放目标，并在价值链中降低逾30%的温室气体排放量。

全球第一家RE100半导体企业台积电承诺100%使用再生能源，于2020年成立净零排放项目，为达成2050年净零排放目标，拟定减缓措施、强化绿色创新作为，积极采用再生能源，并持续寻找各种排碳减量机会；为达2050年净零碳排目标，联电推动「净零行动」三部曲：针对营运直接排放、能源使用间接排放及价值链产生的间接排放，落实低碳能源转型。


 
图4 : 台积电使用再生能源量与比例。(Source：台积电)

结语
智能制造与灯塔工厂的应用需要持续累积才能展现具体成效。目前国际制造业者持续透过推动工业4.0、数字转型应用建立更深化、范畴更大的智能制造体系。预期大型制造业者未来将结合内外部资源，建立规模化智能工厂，以提升产能、质量与接单弹性，带动台湾智能制造方案生态系发展，在大型企业带领下，再将中小型企业纳入智能制造生态系及产业链，逐步发挥「灯塔工厂」绿色制造的整合价值。