摘要:工业智能经历了萌芽期、渗透期和发展期三个阶段,实现了从以规则为基础的专家系统时代、基于统计的机器学习时代到基于复杂计算的深度学习时代的逐步发展。随着工业智能核心赋能技术与工程化关键技术的创新使能,制造业逐步成为工业智能的关键应用方向。
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工业智能的概念
工业智能是指将人工智能技术与工业各环节深化融合,贯穿于工业领域各环节,实现模仿或超越人类感知、学习、决策和分析等能力的技术、方法及应用系统。工业智能具有三大特点:一是聚焦于工业领域,二是以人工智能为基础,三是具有自感知、自学习、自执行、自决策、自适应等智能特征。工业智能的本质是通过人工智能与工业场景、机理等结合,实现资源配置优化、智能决策、工艺生产系统优化等创新应用,最终达到提升企业问题解决能力、优化生产效率和提高设备产品性能等目的。
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工业智能发展的背景
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工业智能发展的意义
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工业智能国内外发展情况
(一)国外发展情况
工业智能成为了主要发达国家和地区的战略决策重点之一,推动工业智能技术持续更新迭代成为全球共识。美国将工业智能纳入关键与新兴技术国家战略,基于信息技术领先优势,高度重视工业智能、先进制造业等领域,旨在通过发展工业智能抢占市场先机,主导未来产业;英国发布了《英国工业2050战略》和《国家人工智能战略》,重点提及智能制造和规划人工智能系统,支持向人工智能经济转型、确保英国对人工智能技术进行国家和国际治理三大目标;欧盟发布《2030数字罗盘:欧洲数字十年之路》,将工业智能纳入2030年数字罗盘战略,提出了在2030年实现75%的欧盟企业以上使用云计算服务、大数据和人工智能的目标;日本公布《AI战略2021》,是日本首个关于人工智能的战略文件,提出了构建“AI研究开发网络”的目标;韩国发布《基于数字的产业创新发展战略》,重点推动工业智能在各行业的应用,从而实现产品设计与研发、制造工艺创新、新型智能化产品与新概念服务等。
中国人工智能产业获得蓬勃发展,截至2022年底,我国人工智能核心产业规模已经超过4000亿元,企业数量接近4000家,智能芯片、开源框架等关键核心技术取得重要突破,智能传感器、智能网联汽车等标志性产品创新能力持续提升,智能化信息基础设施加快布局。
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工业智能的系统应用框架与技术架构
(二)关键技术框架
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制造业企业的应用场景和路径
工业智能是提升制造业整体竞争力的核心支撑,智能制造成为制造业转型升级的重要转型方向。目前,工业智能在制造业企业的主要应用场景如下:
(一)智能检测
基于自主判断、机器视觉、语音识别、图象识别和定位相关缺陷等智能手段,打造智能在线检测模式,提升产品的优良率。重庆英业达通过利用人工智能视觉硬件组件的设计搭建和图像识别算法开发,可实现对产品外观质量快速、准确的智能化检测。
(二)人机协同作业
基于对人类行为、语音和图像的复杂分析,进行机器人动力学建模、外界交互环境建模,机器人动力学建模、外界交互环境建模,提升控制人机交互水平。重庆华峰氨纶车间现场工人及系统控制人员负责人和智能生产设备之间的匹配和个别异常数据查看调整,通过人机交互界面,了解智能设备工作情况,实现工人和装备的衔接。在后台系统中,通过前端数据采集,能实时反馈各生产物料的存量、需求、在制品等数据。
(三)设备监测与故障维护
通过构建以设备运行/故障记录为核心,涵盖视觉图像、生产过程等各类数据的综合图谱,辅助处理质量管理、设备状态维护等一线问题。提取、组织和关联生产制造环境中的结构化和非结构化数据,基于知识图谱技术,构建领域知识模型,将碎片化知识变为支撑决策的依据,提升制造过程质量管理与设备状态维护效率。
(四)需求预测和供应链优化
基于知识图谱和深度学习,通过语义关联提升知识获取效率,建立精准的需求预测模型,实现企业的订单、维护、原料需求预测,做出以需求导向的决策。同时,通过深度挖掘企业外部信息,制定库存策略,进行上游供应商评估,优化供应链。
(五)智能决策
智能决策是人工智能和决策支持相结合,利用专家系统技术,使决策系统能够充分吸纳人类的知识。如重庆蓝黛动力传动机械股份有限公司使用机器学习算法,开发出针对设备运行效率、工业改进等应用的大数据决策支持模型和算法,开发出了设备监控与大数据分析系统软件,为车间、工厂智能化运行、管理提供决策支持。
(六)智能仓储
通过AI、射频识别、智能传感与仓储设备,仓储管控系统的融合,实现仓储的智能化管理,并在仓储过程中实现可视化管路和自适应优化。华邦制药全流程数字化工厂,在车间布局、生产全过程控制、仓储管理、设备互联等场景实现数字技术的在线应用。
(七)设备或制造工艺优化
设备或制造工艺优化主要是运用 GAs、CNN 等机器学习算法,优化和解释工艺参数与产品质量的关系,从众多工艺参数及组合中寻找最优的工艺参数集。从而能够提升生产效率,减少生产消耗和提高产品质量。
(八)风险管控
基于知识谱图的构建,通过企业语义关联提升知识获取效率,提供定制化知识服务,对供应链风险进行有效管控。在融资风险中,依靠知识图谱将各个对象进行关联和分析,打破信息孤立状态,识别融资过程中不可预见的风险,从而提高融资风险预测的准确率和便于进行有效管控。
(九)生产/制造管理
在缺陷监测/质量控制方面,运用ML算法处理传感器探测/捕获到的各类信号,进行异常信号识别、缺陷分类及缺陷追踪定位。在制造规划方面,利用ML技术预测产品的可制造性,辅助增材制造规划,提高成品率。
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工业智能应用过程中存在的问题
目前,工业领域的芯片终端等硬件种类多,现有计算机框架往往很难跟上工业芯片的发展,从而导致底层芯片和软件框架的不适配。目前仍然以人工调参、模型训练的模式为主,在应用开发/维护阶段仍离不开算法工程师的深度参与,从而增加了应用的开发周期。
(二)模型无法满足实时性需求
在特定的工业场景中,由于计算量大,计算复杂,模型无法满足现场计算更新实时性的需求。特别是在部分高节拍的生产流程过程中,对工业智能模型的推理及参数更新效率有相对较高的要求,但由于边缘设备算力有限,未经优化的原始模型往往无法满足其要求。
(三)深度学习的解释性不强
以深度学习为代表的“联结主义”算法是一个端到端的黑箱系统,模型对推理结果的解释效果较差,不能提供明确的原理解释。导致追本溯源、异常排查等变得十分困难,限制了核心环节和直接决策的应用。特别是在某些行业中,若希望通过数据技术解决面临的复杂问题时,那就需要对推理结果和背后机理做出明确的解释。
(四)模型与方案复制推广难,应用成本高
由于不同行业、不同产品、相关工艺等维度的差异性较大,算法模型与应用方法的复制推广存在一定的难度,导致工业智能面对的差异化的场景及其需求时,任务多样性明显增强,在不同行业、产品以及工艺中需要重新建模、训练和部署。同时由于工业智能技术投入的人力、物力较大,导致企业难以负担其应用成本。
(五)产业生态与保障机制亟需完善
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推动工业智能发展建议
人工智能正逐步深入到经济社会生活的各个领域,重庆需抓住人工智能与制造业融合发展变革的关键时点与历史性机遇,政府、企业和高校形成合力,积极推动人工智能与工业制造的融合创新,提升关键技术和产品的创新和应用,创新应用模式,推动产业链整体创新突破、价值链向高端水平跃升。
一是加大政策扶持力度。积极实行新建智能化项目享受智能化技改项目优惠政策。对新建项目,从源头上引导企业在工艺流程、装备购置上实施智能化高端建设,实行优先要素供给政策。对原有老企业,以智能化改革为抓手,通过正向激励、反向倒逼,引导企业开展智能化改造数字化转型。二是积极布局和完善重庆新型网络基础设施。积极践行国家相关政策,推动大数据、区块链、物联网、云计算等新型网络基础设施建设,在强化重庆主城新型网络基础设施的同时,统筹兼顾,布局重庆主城以外的新型网络基建,完善整个重庆的新型网络基础设施。三是搭建好服务平台。聚焦工业智能服务领域,培育和引进一批适应本地需求的工业智能服务平台,为工业企业智能制造提供智力支持。同时建立重庆市工业智能专项基金,积极引进社会资金注入其中,支撑技术攻关,为工业智能实现技术研发创新提供资金支持。
(二)加快数字化智能化融合培育新标杆
一是树立标杆应用。积极引导行业头部企业与互联网企业合力打造解决方案,打造一批行业工业人工智能标杆应用。同时培育新增一批重庆市级、区县级示范智能工厂、智能车间,引领、带动和整体促进全市产业智能化生产水平。二是建立智能化改造企业“培育库”。组织专家团队开展智能化诊断服务,“一企一策”制定智能化改造实施方案。充分运用物联网、大数据、5G网络赋能企业智能化改造,降低企业云上门槛。
(三)推动工业智能关键技术突破
一是推进工业智能关键技术研发突破。围绕工业智能的算法、硬件与系统,推动汽车、电子、装备、医疗、材料、消费品等行业龙头企业与科研院所加快关键技术突破。二是鼓励创新技术的成果转化。围绕工业智能技术的创新性要求,加强适配性芯片、框架、算法及产品的协调研发与实验测试,拓宽工业智能在制造业各环节的深入应用,推动重庆智能制造的发展。三是组建联合研发中心和孵化器、加速器等各类创新平台。积极组建工业智能联合研发中心,鼓励和支持企业与高校、院所对接合作,实现关键技术创新发展,有效提升企业核心竞争力。
(四)加强工业智能相关领域人才培养
一是智能化人才培养。坚持产业需求为指引,鼓励制造业企业与智能领域相关高等院校、科研院所共建实验室、研究院或实训基地,培养高素质应用型、复合型、创新型智能化领域技术技能人才,优化工业智能人才体系。二是加强专业领域人才引进。依托“重庆英才计划”、“鸿雁计划”等平台,加大政策协调和支持力度,围绕工业智能核心技术创新,集聚一批高层次人才,全面增强重庆工业智能发展源动力。三是积极开展人才培训活动。面向全市工业领域,组织行业专家学者、龙头企业信息部门负责人等,通过线上分享、现场调研等方式打造工业智能专题系列培训活动。
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校 审丨刘彦鹏
编 辑丨刘 洁
作 者丨徐嘉良