文｜戴昊彤
編輯｜彭孝秋
盡管工業(yè)4.0被提起過無數(shù)次，但對于AI在里面起到的作用一直討論不多。同樣對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，落實到智能制造中的真實場景改造有哪些一樣容易忽略？
作為香港中文大學(xué)終身教授兼思謀科技董事長/創(chuàng)始人的賈佳亞，近日在《智能制造中的核心AI技術(shù)》主題分享中給出了一些啟發(fā)。
在他看來，4.0時代是以智能為核心的一個時代，這個時代開始不僅僅具備網(wǎng)絡(luò)、電力，還有計算。計算不再是一種非常奢侈的輔助設(shè)備，相反地，計算變成一種基礎(chǔ)能源。當(dāng)電力被計算提純以后，計算的可利用性和資源強(qiáng)化性將變得非常巨大，技術(shù)特點就是永不間斷的學(xué)習(xí)。
也就是說，要想完成工業(yè)4.0，必須要重視工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的無線通信作用，更要重視AI作用。
無線通信在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中至關(guān)重要
自2012年通用電氣提出了AIOT（人工智能物聯(lián)網(wǎng)）概念后，通過新一代的信息通信技術(shù)，將關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施與新型應(yīng)用模式建立起連接工業(yè)全要素，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集和精確分析和智能反饋就越來越普遍。因此，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的布局與通信息息相關(guān)。
在過去，工業(yè)通信系統(tǒng)的特征表現(xiàn)為多領(lǐng)域融合，包括傳感、通信、計算機(jī)和自動控制等。對于通信的要求也非常嚴(yán)格，比如要求高實時性、確定性和可靠性，但部署的環(huán)境又很復(fù)雜。
“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，開始成為未來智能制造發(fā)展的方向之一”，北京郵電大學(xué)教授、IEEE Fellow、中國工程院院士張平表示。
隨著無線通信的發(fā)展以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念的提出，科研人員開始考慮用無線通信來解決工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)。無線通信優(yōu)勢表現(xiàn)在：其結(jié)構(gòu)精簡、數(shù)據(jù)采集和傳輸受設(shè)備影響比較小，可靈活采用工業(yè)數(shù)據(jù)，國內(nèi)外發(fā)展路徑也非常清晰。
盡管無線通信成為智能工廠的核心部分，但目前其投入使用的比例較低，不到6%。因為柔性制造對于
對無線網(wǎng)絡(luò)，或者5G的需求非常高。這是由于這是一個閉環(huán)系統(tǒng)，不僅要解決信息從A地到B地不確定性的問題，而是要對這些不確定性問題產(chǎn)生決策，最后對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生效應(yīng)，因此，這就要求具備高安全性、高可靠性。
張平指出，“目前，國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)由消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，一方面，其發(fā)展對算力提出了新要求，另一方面，也對密集型，時延敏感性提出了新的挑戰(zhàn)，在這樣的情況下，急需考慮云、邊、端的算力資源的自治或者自洽，以高效處理數(shù)據(jù)。而面向海量業(yè)務(wù)差異化的上云需求，當(dāng)前被廣泛使用且依賴專家的人工式解決方案，難以滿足業(yè)務(wù)種類、規(guī)模增長的需求，比如業(yè)務(wù)獲取、業(yè)務(wù)分析轉(zhuǎn)譯、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知、策略下發(fā)等。因為未來需要實現(xiàn)邊緣云、通信云與網(wǎng)絡(luò)資源的協(xié)同一體。”
同時，國內(nèi)科研人員也在編程語言NPL上實現(xiàn)對用戶需求的精確感知，從高級語言轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，還有對網(wǎng)絡(luò)專發(fā)2節(jié)點逐跳進(jìn)行信息的采集和報告，實現(xiàn)隊列、緩存、延時等精確感知，為網(wǎng)絡(luò)自治提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支撐。對數(shù)據(jù)流量歷史及寬帶的特征進(jìn)行分析，挖掘網(wǎng)絡(luò)空間特征，以實現(xiàn)寬帶流量自由化。
在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，目前出現(xiàn)最為棘手的問題在于：工廠里機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行會產(chǎn)生電磁干擾，尤其是傳統(tǒng)的信道建模工廠車間，會影響電子器件的正常通信。因此，為了保證無線干擾傳輸可靠性，電磁噪聲的建模起到至關(guān)重要的作用。
為了解決干擾通信的問題，張平提出，未來需要根據(jù)車間業(yè)務(wù)特點來定制合理的設(shè)備，接入功率控制策略，避免減少同頻干擾，盡可能減少設(shè)備空口干擾的影響。
面臨這樣的挑戰(zhàn)，未來無線通信技術(shù)的發(fā)展有以下急需突破的方向：
首先，在過去，網(wǎng)絡(luò)是以人為信息作為接收主體構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，而未來面向機(jī)器的網(wǎng)絡(luò)是自主感知的閉環(huán)智能機(jī)器網(wǎng)絡(luò)，因此這兩者存在很大差異。過去，面向人與人之間通信來設(shè)計的“TCP IP”可歸納“為三部曲”：發(fā)一個請求——回答請求——建立鏈路。因此，這種模式無法適用于機(jī)器與機(jī)器之間的通信。因此，未來迫切需要變革面向人的無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，以及研究出面向閉環(huán)信息流的、系統(tǒng)級的信息理論。
其次是搭建感知、傳輸、計算及使用一體化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以及可靈活適配的可信交互協(xié)議，以滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)持續(xù)可信的通信需求。如今，5G技術(shù)已經(jīng)把人與人之間的通信擴(kuò)展到機(jī)器與機(jī)器之間的通信，同時也增加了一個維度。在這種情況下，未來科研人員可使用很多方法、算法以及算力，來提升其性能。但這需要一個長期準(zhǔn)備階段才能實現(xiàn)。
除了無線通信，AI也無比重要
雖說在工業(yè)4.0時代，智能制造意味著制造業(yè)進(jìn)入一個新的發(fā)展階段，人類需要創(chuàng)造一個智能制造的大腦，讓它能思考。智能化也更像是代替人類生產(chǎn)的“手臂”，通過智能化控制生產(chǎn)來提高更多效率。
“但是，智能制造是一個非常復(fù)雜龐大的工程，包括產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)服務(wù)以及對客戶交互等環(huán)節(jié)。智能制造的目的則是要實現(xiàn)所有全鏈條環(huán)節(jié)都由機(jī)器完成，達(dá)到自主決策、自主執(zhí)行及自主適應(yīng)。”賈佳亞說道。
為了達(dá)到這一目的，在智能制造領(lǐng)域中，實現(xiàn)跨行業(yè)的工業(yè)AI落地，是目前科研界面臨的一大難題。
比如在手機(jī)質(zhì)量檢測任務(wù)中，實現(xiàn)機(jī)器自主檢測。假設(shè)一款手機(jī)大概有400個供應(yīng)商，所有供應(yīng)商有5個制程，每個制程有25條產(chǎn)線。在生產(chǎn)手機(jī)過程中，科研人員要去做所有零件管控和質(zhì)量評審，則需要做出近3萬種（400×75）算法，才能保證手機(jī)擺脫人為因素的干擾，自動判別質(zhì)量，實現(xiàn)高管控率。如果把范圍放縮小至全球排名前5的手機(jī)品牌，每個品牌每年約推出6款不同型號，第一年科研人員需要寫出90萬種算法，但目前沒有一個團(tuán)隊可以完成如此繁重的任務(wù)。
因此，只有當(dāng)系統(tǒng)能夠自動實現(xiàn)算法組合和部署，人類只需要少量定制化算法，才有可能實現(xiàn)AI的跨領(lǐng)域規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，這是一個巨大的命題。而如何能實現(xiàn)自動的算法組合和部署，則是一個系統(tǒng)工程。
智能制造有三個核心原則，首先，智能制造一定要具備普適性，不管是應(yīng)用在汽車、飛機(jī)等行業(yè)，還是半導(dǎo)體、晶圓和3C產(chǎn)業(yè)等，都要具備該特質(zhì)；第二，制造的核心原則是以計算為先，不依賴于電力和其他的基礎(chǔ)能源；除此，實現(xiàn)智能制造，還需要滿足兩大條件，分別是AI系統(tǒng)設(shè)計的自動化以及AI系統(tǒng)部署的自動化。只有當(dāng)這些條件得到滿足之后，將會迎來新一代的智能產(chǎn)業(yè)變革。
未來10年是新一輪工業(yè)制造革命的關(guān)鍵時間窗口，也是全球各國將高精尖制造業(yè)全面升級成為智能制造的核心階段，目前智能制造依然面臨著場景需求復(fù)雜、設(shè)備連接力不足、跨行業(yè)跨領(lǐng)域能力薄弱、數(shù)據(jù)分析能力不足等挑戰(zhàn)，而唯有用AI破局，才能激活制造業(yè)的增長潛力。
AI的關(guān)鍵在于機(jī)器視覺
機(jī)器視覺被稱為“工業(yè)之眼”，是實現(xiàn)智能制造必不可少的一環(huán)。目前，機(jī)器視覺被廣泛應(yīng)用在消費(fèi)電子3C制造中。
與其他行業(yè)相比，消費(fèi)電子行業(yè)具備“多、變、快、全”這四大明顯特征。換而言之，就是產(chǎn)品種類多、生命周期短、更新迭代快、品控嚴(yán)格。同時，生產(chǎn)制造需要不斷適應(yīng)形態(tài)及工藝的變化，快速切換生產(chǎn)線。高標(biāo)準(zhǔn)、高要求的品質(zhì)管控也導(dǎo)致消費(fèi)電子行業(yè)對成本非常敏感。因此，在品控與成本之間做好平衡，提升利潤空間成為制造環(huán)節(jié)中的一大挑戰(zhàn)。
進(jìn)一步來看，在成本方面，人力成本攀升、工人流動性強(qiáng)、工人狀態(tài)會影響良率性等問題，已成為該行業(yè)主要痛點。為了解決這些問題，機(jī)器視覺的應(yīng)用優(yōu)勢得到體現(xiàn)。
在國內(nèi)，運(yùn)用機(jī)器視覺技術(shù)投入智能制造的公司多數(shù)屬于消費(fèi)電子領(lǐng)域。
針對機(jī)器視覺的特點，聞泰科技副總裁、自動化研究院院長郭洪濤表示，首先，機(jī)器視覺具備柔性化優(yōu)勢，機(jī)器視覺基本上相當(dāng)于一個標(biāo)準(zhǔn)品，用一個相機(jī)再加上鏡頭及光源，就能實現(xiàn)拍照功能，再通過圖像處理方式去完成檢測，并可適用于不同產(chǎn)品，柔性化程度較強(qiáng)。
其次是無接觸；最后一點是實現(xiàn)信息化，用圖像處理方式再通過算法把數(shù)據(jù)檢測和識別出來，同時將相應(yīng)信息寫入系統(tǒng)，為迭代算法及優(yōu)化工藝等打下良好基礎(chǔ)，因此，機(jī)器視覺在消費(fèi)電子領(lǐng)域應(yīng)用得越來越廣泛。
在手機(jī)生產(chǎn)制造中，機(jī)器視覺應(yīng)用得最多的環(huán)節(jié)包括尺寸測量、貼物料、精確識別等。以貼物料為例，手機(jī)由不同零部件組合而成，但不同批次生產(chǎn)的不同構(gòu)件存在一定公差，機(jī)器視覺可通過測量及優(yōu)化的算法找到零部件之間的最優(yōu)匹配。
不過，值得一提的是，所有技術(shù)都具備一定局限性，且技術(shù)落地還需要與相應(yīng)場景特點相結(jié)合。機(jī)器視覺在消費(fèi)電子制造的應(yīng)用過程中，也存在各種挑戰(zhàn)。
舉個例子，外觀檢測是機(jī)器視覺應(yīng)用領(lǐng)域的一大難題，但一旦突破就會變得非常有價值。其難點在于污點、缺陷及形態(tài)隨機(jī)出現(xiàn)在不同位置，對于設(shè)備來說很難進(jìn)行直接的量化定義。因此，需要基于AI算法做一些數(shù)據(jù)收集及分析，但依然會受到其他外界因素不同程度的干擾。
從機(jī)器視覺在智能制造落地應(yīng)用的趨勢來看，其發(fā)展空間會越來越廣。郭洪濤指出，由于具備算法的支撐，機(jī)器視覺能夠不斷迭代成長。再加上它具有無接觸的特點，令它在各種應(yīng)用場景都能得到發(fā)揮及應(yīng)用。
在未來的發(fā)展路徑上，機(jī)器視覺可與光學(xué)設(shè)計進(jìn)行緊密結(jié)合，通過更優(yōu)化的光學(xué)設(shè)計來實現(xiàn)更好的成相。在具備成像的基礎(chǔ)上再加入算法，有利于提高生產(chǎn)效率。其次，通過AI的加持，傳統(tǒng)算法能解決智能制造中90%的問題。最后，再將2D與3D進(jìn)行互補(bǔ)便有望解決以往無法攻破的難題。
由此可見，機(jī)器視覺未來的應(yīng)用前景廣闊，也成為智能工廠重要的組成部分。
