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陈志成博士:工业4.0时代的智能制造方案

2019-11-26 15:05编辑:admin人气:


  在工业4.0高峰论坛上,中国人工智能学会基础专业委员会常务委员、中国通信学会云计算专家委员会委员、北京格分维科技有限公司总经理陈志成博士做的演讲,以下是演讲内容。

  我原来在高校工作了一段时间,是教师,担任计算机学科方面的负责人,现在创办一个公司,做人工智能方面的工作。我从学校出来,有一些背景因素,很多教授、院士,他们做了很多很好的理论研究,但是我们的产学研做的并不是想象中的那么好,企业很难把人工智能中比较超前的理论运用起来。很多老师聊天说,人工智能是不是要死亡了,是不是真的不行了,没有什么用途了,离我们生活太遥远了。我创办企业的想法,是希望将课本上的一些理论,变成日常生活当中可以用的一些产品,不管是小的产品也好,大的产品也好。也许这也是一种情怀,大家都想做一些事情,而我想做人工智能。

  我的演讲分为四部分内容:第一,介绍工业4.0的本质,我认为工业4.0的本质是智能制造,目前对于工业4.0的理解各种各样,但是大体而言,还是依据德国的提法来理解。2011年至2013年,德国针对工业4.0给出了一些资料,总体思路还是智能制造的概念。前面说人工智能要死亡了,可是现在机会来了,人工智能可能会有大发展了。第二点介绍我们现在正在做的事情,就是制造企业的机联网,主要是指机器设备的联网,及其管理控制。第三点讲基于机联网之上的云计算服务,以及相关的研究课题。最后跟大家分享一个能源大数据系统的案例。

  工业4.0的本质是智能制造

  智能时代已经来临,五年之前,老师们在讨论人工智能怎么发展,原中国人工智能学会理事长钟义信老师、何华灿老师等也都在讨论。人类社会的发展经历了三个阶段,第一个阶段是农业社会,人类劳动工具以简单的镰刀、锄头为主。第二个阶段是工业社会,也就是动力机车时代,以蒸汽机、机床为代表的时代。第三个阶段是信息社会,网络时代到来了,电话、电灯、电视,现在的互联网、通信网,这就是目前的信息社会。

  我们来看看前面三个时代,从研究者角度来分析,看看它的工具水平、研究的科学问题、及核心基础理论。材料时代主要是简单的材料加工,用树枝就可以获取到一些食物类的东西;能源时代就是动力驱动,主要是蒸汽机为主的;信息时代是信息处理,这个地方加了一个管理,原来认为信息时代是智能工具,现在我们把智能单独拿出来了。到现在为止,我们开发了好多MIS、ERP之类的,但全都是企业信息化的管理系统,其中智能化的程度有没有?有,但确实不高。在这三个时代,从研究的科学问题来看,材料时代更多的是研究物质成分、化学变化及其结构的,认为其基础学科是化学。能源时代更多的是依赖物理,研究蒸汽机、能量的转化、运动状态等,是牛顿的那个时代。信息时代的基础学科是数学与计算科学。

  第四个时代,我们认为智能时代一定会来的,智能时代干什么,我们有大量的数据,需要进行决策、判断;我们现在有很多的个性化的东西,进行针对性的个性化服务;进行大数据挖掘,从而进行自动决策,这就是智能化的工具,很多工具是软件,但是也有很多是硬件。这个时代研究的科学问题实际上是网络问题,不管是局域网、还是广域网,或者通信网、还是互联网,目前来看已经进入到所谓的物联网时代。在复杂的网络系统中进行分析挖掘和逻辑推理,从而形成智能化的决策和判断,这个时代的核心基础理论是逻辑与网络。

  实际上,我们是做软件出身的,软件编程的发展也有几个阶段:面向机器、面向过程、面向结构程序化设计、面向对象、面向网络,我也在想是不是也有智能化的编程工具,安卓是智能手机的操作系统,为开发者提供了很好的编程环境,相信今后还有更加智能化的开发工具出现。

  在2009年7月7号,有一个理事长访谈,邀请中国人工智能学会的主要创始人:钟义信老师,涂序彦老师,何华灿老师。针对人工智能如何发展、人工智能如何产业化等话题进行探讨,钟老师坚定地认为五年后将迎来人工智能大发展,进入智能时代,现在来看刚好五年,智能时代确实已经来了。

  在高校学科划分中,人工智能属于计算机系的还是电子化系的还是自动化系的,各高校并不一致。2003年提出成立智能科学与技术专业,北京大学等几十所高校现在都在招生,近年来发展很快。无论是在人工智能理论、技术、教学、应用等方面,每年都有很多研讨会举行,从前几年的照片来看,老师们确实很早就在思考研究这方面的问题。

  在人工智能产业化方面,我们也想联合一些大学老师做一些事情,我们也提出了一个方案,当时是想做中国国产的人工智能计算平台AICP(ArtificialIntelligenceComputingPlatform)。提供一个智能运行环境的平台,其中把若干人工智能算法都实现为功能服务模块,对外提供调用接口。比如神经网络、遗传算法、语音识别、人脸识别等,包括人对着手机一讲话就可以翻页了,通过远程服务提供一些应用,机器人、智能安防,智能家居,智能办公等。

  我们当时想做的智能计算平台,包括:核心软件、专业软件、以及应用型软件,主要瞄准机器人、协同计算、自动控制、生产执行系统、智慧医疗、决策支持系统、自然语言翻译等,当时列了这些事情,现在不少公司也都在开发。

  智造企业机联网工程

  现在回过头来看,德国提出工业4.0,中国怎么办?工业4.0本身是智能制造,能自动焊接的机器人80年代就有了,哈工大的焊接是非常先进的。德国工业4.0的核心词主要是CPS(Cyber-PhysicalSystems),信息物理系统、或网络物理系统,认为CPS是实现工业4.0的基础。

  最近我们也还在想,把德国的东西是不是照搬引进来,如何消化吸收?目前主要体现在机器换人和设备机器联网方面,这是浙江省和广东省重点实施工程,在2013年的时候,浙江省明确下达文件,经信委、科技厅下达的文件,这里介绍其中与机联网相关的一些内容,供大家参考。

  机联网就是机器联网,指应用物联网、云计算、现代通信技术,对企业制造设备、工艺流程,空调、照明、仓储等辅助设备进行统一的改造升级管理,形成集中管理、资源共享的现代化智能制造模式,以提高生产效率,改善产品质量,促进节能减排,提高企业综合能力。机联网重要的实现途径是机器换人,江浙一带,长三角、珠三角,人力成本提高了,很多工厂倒闭了,这是现实情况,很多企业需要自动化升级改造。浙江省拿出五千个亿,五年之内每年支持五千个机器换人项目,实施企业的升级改造。

  机联网到底做哪些事情呢?第一点,还是要加强顶层设计,听起来有点虚,实际上因为中国,包括江浙一带和广东一带,尽管政府拿了很多钱做这件事情,但在很多方面还是不清楚的,需要专家们帮助他们做整体设计,到底国内国外有哪些自动化的设备,国外有哪些自动化设备可以引进,不少企业领导并不是很了解,必须要有专家帮他们进行具体分析,这样的设备,这样一个工艺流程,哪些是可以用机器代替人工的,帮他设计方案。从省里面的角度,国家战略层面的角度,也需要一些设计,这部分工作还是少不了。

  第二点,是推动机器联网,这是核心内容,企业(工厂)车间内外的机器设备都需要连接起来,实现远程统一的自动化管理控制。第三点,是系统集成,这里面包含了各种企业计划系统、信息管理系统、生产执行系统、产品生命周期管理系统等的集成。第四点,是加强技术创新,技术创新主要是电子设备和自动化传感器、以及平台软件等关键技术方面的创新,有些需要引进国外的,同时也需要国内的企业参与研发我们自己需要的设备。第五点,是标准化,标准化不可忽略,很重要,机联网也会涉及到若干标准。第六点,加强安全保障,这是重点提了,尤其是涉及国计民生的重点领域。我们想想,车间里面都是机器人,数据都是可以传到后台服务器上的,斯诺登对美国的监控事件曝光之后,中国很担忧。我们从日本引进来机器人以后,是不是通信协议是私有的,如果不公开,我们想修改就不行;从欧洲买来一个机器设备之后,数据传到哪些地方都不知道,甚至我们生产过程当中的数据、参数、故障,保存在机器里面,等维修的时候给我们取走了,我们也不知道。这需要我们现在制定这方面的安全许可,网络检测手段,包括现在的底层系统安全,进网入口安全,很可能以后买机器人不是像今天这样想买就能买了,以后可能像手机一样,需要入网许可,否则,你的设备就不能联网。

  机联网设备主要分四种类型:第一类是数控机床联网,这是众多工厂的设备;第二类是行业专用设备联网。义乌做服装和织布的厂,都有自动化生产线,跟他们进行交流,织布参数怎么检测,线断了之后能否自动接上,现在线断了就报警和停机,需要人工接上后再继续运行,是不是可以做一些自动化的设备来实现自动接线、取线轴等。第三类是工厂大型生产机器设备联网,这里面包括了户外的工程机械,挖掘机,也做一些GPS定位,故障检测。第四类是工厂辅助设备,空调和灯怎么节能。这四大类型设备都需要联网。

  机联网云服务解决方案

  如何把机联网具体实施起来?我们设计了一套云计算、云服务平台的解决方案,这个方案当中,跟通用物联网的方案基本差不多,但是细节不完全一样,内容也不完全一样,因为把物联网大概念具体化到工业4.0了。工业企业中的机器机床都要进行联网,这其中有些标准需要统一,有些新的传感器需要研发,有些新的网络协议需要制定;还有户外的挖掘机,其他的一些工程机械设备也需要联网,可能自己也有一些专用的传感器或者网关控制器;后台是云服务系统;最上面是应用终端设备,这是整体网络结构。

  在整个方案中,分成三层,物联网的底层是数据采集,这里具体化就是机联网层,是机器设备的联网,设备的联网细化到工业流程当中,也可能细化到机床设备当中的一个点上,包括了摄像头和各种传感器;也可能还有一些协议不是通用的,也可能利用WIFI,也可能是Zigbee,目前各种协议都有,这是机器联网中最复杂的一块。不同企业的协议不同,标准不同,基本处于混沌状态。我们需要做网关控制器,各个分厂区域中的数据采集出来之后,通过网关往上传,网关不是一般的家里上网那样简单的网关,后面可以看到有好几个功能。机联网层上面是云计算平台层,有些数据在机联网层直接处理了,还有一些数据到后台服务器上,进行数据分析、挖掘之后再处理。最后是应用,应用这一层大家比较容易理解,不多解释。

  云服务平台层,有很多工作需要做,这里面分了几大部分。一个是云基础设施服务,在相关的服装行业或者钢铁厂,可以统一建立一个大的云平台,这个服装厂那个服装厂的数据都会传到这里来,政府和企业拿钱建一个平台,也可能这个服装厂不想要服务器,就是远程服务,数据传过来就可以。广东省今年7月18号进行了一个能源管理系统的项目招标,就是全省的管控系统,各个能耗企业需要实时或定期上传相关数据。

  解决方案中,除了物联网的三层,还有两个循环控制:第一个是小循环,就是有些信息需要本地实时处理,比如说,车间设备出了故障,会立马进行反馈,反馈当场处理掉,不需要人工干预,比如说空调温度到26度以上,超出了节能控制阈值,控制器就可以自动降温,大型的生产设备当中,也是要进行设定它的一些阈值条件,基本上不需要人工。第二个是大的循环,实际上是大数据分析,当数据传到后台服务器,经过远程分析之后发现某一个流程有异常,比如特别耗能、或太耽误时间(耗时),这时就需要优化,要进行重新设计这个流程,提一些优化改进方案。如果数据显示,这个流程花一个小时,那个流程花三个小时,下一个工序等着上面的工序很久,这就需要优化。把数据统一传上来,采用大数据分析来实现的,这是流程的优化管控,这是大的循环。所以,该方案中分两级控制,很好地解决了实时监控和远程优化监控。

  在具体实施中,涉及到哪些研发内容呢?主要包含两个方案,一个是机联网方案,要有效连接机器设备;一个是云服务方案,可以与通用的IAAS、PAAS的云服务相结合,生产企业需要哪些内容,平台放哪些内容进去就可以提供服务。这里的关键技术,我们想来想去,机器设备联网协议,这可能是一个难题,我们经常讨论这个问题,很难有一个很好的解决方案。还有就是云计算技术、大数据技术、还有空间信息技术、多维呈现技术,移动终端技术等。比如车载设备都在移动,车上的人也在移动,怎么做一个移动终端,可能是手机,也可能配单独的终端设备,比如给医院医生配单独的Pad,上面有相应的软件,有一个传感器可以检测,不同岗位配不同的终端设备,如果能及时传到手机上更好,由于安全原因,手机平时是私人的,不能完全依赖,多数工厂可能需要给相关人员单独配备终端设备。

  在总体内容中,包含两个解决方案、七项关键技术、三项行业标准,这里有三方面的硬件开发,软件系统有六个。正如安司长讲的,这是一个大系统,是系统的系统,大系统包含若干子系统。

  硬件的开发包含三大部分。第一类硬件是新型传感器,根据某些行业的需求研发新型传感器,并不是一个摄像头就能解决,有些传感器,比如温度、湿度、压力传感等可能还有特殊的需求,现在已经碰到了这样的需求。

  第二类硬件是新型融合通信网关,这里的网关,与一般家庭里上网的路由器不太一样,我们列出了三大功能:第一是支持多重协议的网关,WIFI也好,RFID也好,红外也好,工业总线也好,有线无线等等都要支持,我们也在想是不是分开研发,这个盒子就是支持WIFI的,另外一个盒子就是支持Zigbee的,单独做不同的小盒子,但是我们分析之后发现成本并不低,因为设备里面可能放好几个盒子,所以最终很可能是融合通信的网关,需要同时支持多种连接方式,有好几份协议。第二是具备反馈控制的智能控制终端,不仅仅是路由器,还要反馈控制,需要有一套控制策略算法和操作系统的。第三是支持必要的本地化软件服务,实际上是指的前面讲的小循环的本地反馈控制,在大的循环没有的时候,在一定条件下,小循环可以提供监控服务。

  第三类硬件是云服务安全认证设备,云服务在提供服务的时候,需要根据工业4.0并结合企业、政府的要求,采用一些指纹等生物特征的识别技术,把可穿戴的技术加进去,提供一些远程服务或者远程的控制,比如说企业的领导,你在外面出差要查看一下公司的运行状况,车间运转是否正常,可能简单的一个密码就可以了;而针对有特殊安全要求场景,查看时则需要进行生物特征识别,这是才可以查看企业的信息。

  软件研发内容分为六大子系统:机联网管理控制子系统、云基础设施服务子系统、设备万滚落管理子系统、应用集成子系统、大数据分析子系统、终端服务子系统,主要有这六个方面的子系统。

  在标准方面,首先是机联网的协议,要求不同设备能进行统一的协作,需要有方案来实现设备的自识别、自适应。还要做一些数据传输的标准,这个数据怎么组织,怎么去访问,这块要进行考虑。省里面要求上报哪些数据,上报之后有哪些可以进行识别,数据怎么设计的,这方面有哪些标准也需要研究。还有云服务,为政府提供数据服务,政府怎么访问平台的接口,这块也需要制定标准。

  把这些问题都讨论清楚,我们可以给出技术路线和一些步骤来具体实施:先进行总体规划,然后研发关键技术和平台,最后集成应用。智造企业的机联网云服务方案,基本内容就这些,这是目前正在做的。通过这些工作,最终把机器设备连成一体,为智能制造奠定基础。

  能源大数据系统案例

  给大家分享一个案例,这是能源大数据管控的一个项目,是广东盈嘉公司承担的国家物联网专项课题,就是把中国移动机房里面的用电设备,包括主机服务器和辅助空调设备等进行监控管理起来,同时进行大数据分析。

  项目在相关设备中安装传感器,通过网关把数据传送上来,可以查看设备动态运行状况,实现了设备运行状态的多角度模拟展示。也可以通过大数据分析,实时或定期查看数据分析图表,并根据结果进行系统的管理控制、优化改进。

  除了电信领域之外,在高能耗的工业企业中,比如钢铁厂、水泥厂等,也都面临着升级改造的问题,基于物联网的能源大数据控制与管理系统,可谓是我们在工业4.0时代的一个先行示范。

  作为结束,在思考工业4.0的大产业中,我们具体能做些什么呢?大家关注的工业4.0,不管德国怎么做,中国作为生产制造大国,在这4.0时代还是想做点事的,不管是机联网还是其他项目,结合工业4.0,可能最终落地点还是三个方面:一是标准,包括政策规范、数据标准、服务标准等;二是技术,技术有很多,传感器、网络通信、数据分析等技术,都在快速发展;三是应用,企业最终关注的是应用,包括工厂内的应用、户外应用、移动监管应用、以及开放服务应用等,这些是我们大家也在做的。

(来源:未知)

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