李伯虎,柴旭東,張霖,侯寶存,劉陽(yáng)
(1. 中國(guó)航天科工集團(tuán)有限公司,北京 100048;2. 北京航空航天大學(xué),北京 100191)
近年來,我國(guó)經(jīng)濟(jì)已經(jīng)快速進(jìn)入高質(zhì)量的發(fā)展階段,隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G等技術(shù)的加速發(fā)展,大數(shù)據(jù)智能、人機(jī)混合智能、群體智能、跨媒體推理、自主智能[1]等新一代人工智能技術(shù)的不斷突破,制造技術(shù)與新一代智能科學(xué)技術(shù)及新信息通信技術(shù)的深度融合,正在引發(fā)制造業(yè)從發(fā)展理念到制造模式、手段和業(yè)態(tài)等方方面面重大而深刻的變革,推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)計(jì)民生和國(guó)家安全等各領(lǐng)域創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享發(fā)展。
重大變革的信息新環(huán)境(如泛在網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)涌現(xiàn)等)、新技術(shù)(如高性能計(jì)算能力大幅提升、人工智能模型與算法的突破等)和人類社會(huì)發(fā)展的新目標(biāo)(如智能國(guó)民經(jīng)濟(jì)、智能國(guó)計(jì)民生、智能國(guó)防等)正催生智能制造技術(shù)與應(yīng)用正在加速進(jìn)入一個(gè)全新的“新互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)+人工智能+”的時(shí)代。面對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)烈需求,發(fā)展“新互聯(lián)網(wǎng)+新智能制造資源/能力/產(chǎn)品”的人/機(jī)/物/環(huán)境/信息新型智能互聯(lián)制造系統(tǒng),成為推進(jìn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要路徑。
從技術(shù)手段、特征、實(shí)施內(nèi)容、模式、業(yè)態(tài)、目標(biāo)等方面對(duì)新一代人工智能技術(shù)引領(lǐng)下的智能制造的內(nèi)涵做如下解讀[2,3]。
(1)技術(shù)手段:基于泛在網(wǎng),借助新興的制造科學(xué)技術(shù)、信息科學(xué)技術(shù)、智能科學(xué)技術(shù)及制造應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)等深度融合的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化(互聯(lián)化) 、智能化技術(shù)工具,構(gòu)成以用戶為中心,統(tǒng)一經(jīng)營(yíng)的智慧制造資源、產(chǎn)品與能力的服務(wù)云(互聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)),使用戶通過智慧終端及智慧云制造服務(wù)平臺(tái)便能隨時(shí)隨地按需獲取智慧制造資源、產(chǎn)品與能力服務(wù),進(jìn)而優(yōu)質(zhì)地完成制造全生命周期的活動(dòng)。
(2)特征:對(duì)制造全系統(tǒng)、全生命周期活動(dòng)(產(chǎn)業(yè)鏈)中的人、機(jī)、物、環(huán)境、信息進(jìn)行自主智能地感知、互聯(lián)、協(xié)同、學(xué)習(xí)、分析、認(rèn)知、決策、控制與執(zhí)行。
(3)實(shí)施內(nèi)容:促使制造全系統(tǒng)及全生命周期活動(dòng)中的人、技術(shù)/設(shè)備、管理、數(shù)據(jù)、材料、資金(六要素)及人流、技術(shù)流、管理流、數(shù)據(jù)流、物流、資金流(六流)集成優(yōu)化。
(4)模式:以用戶為中心,人/機(jī)/物/環(huán)境/信息融合,互聯(lián)化(協(xié)同化)、服務(wù)化、個(gè)性化(定制化)、柔性化、社會(huì)化、智能化的智慧制造新模式。
(5)業(yè)態(tài):泛在互聯(lián)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、共享服務(wù)、跨界融合、自主智慧、萬(wàn)眾創(chuàng)新。
(6)目標(biāo):實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)省、綠色、柔性地制造產(chǎn)品和服務(wù)用戶,提高企業(yè)(或集團(tuán))的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
新一代人工智能技術(shù)引領(lǐng)下的智能制造系統(tǒng)就是按新一代人工智能技術(shù)引領(lǐng)下的智能制造內(nèi)涵構(gòu)建的智能制造系統(tǒng)。新一代人工智能技術(shù)引領(lǐng)下的智能制造系統(tǒng)的體系架構(gòu)[2,4]主要包括新智能資源/能力/產(chǎn)品層、新智能感知/接入/通信層、新智能制造云服務(wù)平臺(tái)層、新智能制造云服務(wù)應(yīng)用層、新人/組織層等五個(gè)層次,如圖1所示。
新一代人工智能技術(shù)引領(lǐng)下的智能制造系統(tǒng)的技術(shù)體系主要包括涵蓋新一代人工智能技術(shù)引領(lǐng)下的智能制造的總體技術(shù)、平臺(tái)技術(shù),以及制造生命周期活動(dòng)的智能化技術(shù)[2,3],如圖2所示。
作者所在的團(tuán)隊(duì),依托中國(guó)航天科工集團(tuán)在制造業(yè)的雄厚實(shí)力和在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的先行先試經(jīng)驗(yàn),基于新一代人工智能技術(shù)引領(lǐng)下的智能制造系統(tǒng)內(nèi)涵、體系架構(gòu)與技術(shù)體系,研發(fā)成功世界首批、中國(guó)首個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)——航天云網(wǎng)[5,6],它是根據(jù)中國(guó)國(guó)情以及信息化時(shí)代工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展大趨勢(shì),所設(shè)計(jì)的中國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。面向我國(guó)工業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)薄弱,工業(yè)發(fā)展面臨1.0/2.0/3.0并存的局面,航天云網(wǎng)正在實(shí)踐“并聯(lián)式”發(fā)展,并行推進(jìn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化制造,來全面促進(jìn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。本文側(cè)重介紹航天云網(wǎng)的體系架構(gòu)、基于航天云網(wǎng)的平臺(tái)開發(fā)的工業(yè)大數(shù)據(jù)/人工智能子系統(tǒng),以及大數(shù)據(jù)智能技術(shù)方面的應(yīng)用案例及其成效。
圖1 新一代人工智能技術(shù)引領(lǐng)下的智能制造系統(tǒng)的體系架構(gòu)
圖2 新一代人工智能技術(shù)引領(lǐng)下的智能制造系統(tǒng)的技術(shù)體系
航天云網(wǎng)的體系架構(gòu),如圖3所示。
1. 航天云網(wǎng)的工業(yè)大數(shù)據(jù)/人工智能子系統(tǒng)
基于航天云網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用大數(shù)據(jù)智能技術(shù),構(gòu)建了工業(yè)大數(shù)據(jù)/人工智能子系統(tǒng),系統(tǒng)架構(gòu)圖,如圖4所示。
圖3 航天云網(wǎng)的體系架構(gòu)
圖4 航天云網(wǎng)的工業(yè)大數(shù)據(jù)/人工智能子系統(tǒng)
2. 航天云網(wǎng)的大數(shù)據(jù)智能關(guān)鍵技術(shù)
圍繞航天云網(wǎng)的工業(yè)大數(shù)據(jù)/人工智能子系統(tǒng)的需求,重點(diǎn)研究大數(shù)據(jù)獲取、存儲(chǔ)、管理、分析、應(yīng)用技術(shù)以及確保大數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量和安全等關(guān)鍵技術(shù)。
通過開展大數(shù)據(jù)集成與清洗技術(shù)研究,基于數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)(ETL)技術(shù)對(duì)設(shè)備運(yùn)行的冗余和臟數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)有效接入。研究基于時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)和列式數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ),基于分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)備歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ),基于文檔數(shù)據(jù)庫(kù)的企業(yè)管理數(shù)據(jù)存儲(chǔ),對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行治理和監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)企業(yè)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。研究基于Hadoop的設(shè)備綜合效率(OEE)、預(yù)防性維修等離線分析和挖掘,基于Storm的設(shè)備運(yùn)行工況、故障診斷等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。研究基于數(shù)據(jù)可視化建模和商業(yè)智能(BI)技術(shù),實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)可視化建模。研究大數(shù)據(jù)安全技術(shù),研究大數(shù)據(jù)的加密存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)訪問權(quán)限的認(rèn)證等。應(yīng)用以上大數(shù)據(jù)智能技術(shù),實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息化數(shù)據(jù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及跨界數(shù)據(jù)的智能化應(yīng)用,優(yōu)化現(xiàn)有業(yè)務(wù),促進(jìn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí),提升企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
3. 基于大數(shù)據(jù)智能技術(shù)的智能制造應(yīng)用案例
目前,航天云網(wǎng)的工業(yè)大數(shù)據(jù)/人工智能子系統(tǒng)在基于大數(shù)據(jù)的研發(fā)、基于大數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、基于大數(shù)據(jù)的運(yùn)維檢測(cè),以及智能制造云大數(shù)據(jù)綜合平臺(tái)等方面取得一定的成效。例如,在航天電纜數(shù)據(jù)化設(shè)計(jì)過程中,基于航天產(chǎn)品機(jī)上電纜設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)大數(shù)據(jù)和綜合飛行性能數(shù)據(jù),建立航天電纜設(shè)計(jì)工具E3,實(shí)現(xiàn)機(jī)上電纜數(shù)字化設(shè)計(jì)生產(chǎn)一體化,節(jié)約六成以上的研制時(shí)間并有效改善產(chǎn)品性能。基于航天云網(wǎng)的工業(yè)大數(shù)據(jù)/人工智能子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)航天制造云排產(chǎn),針對(duì)航天產(chǎn)品的多單位大協(xié)同需求,通過云生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(MES)對(duì)多個(gè)企業(yè)生產(chǎn)加工中心數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與監(jiān)控,基于云排產(chǎn)算法實(shí)現(xiàn)異地跨企業(yè)生產(chǎn)資源的協(xié)同排產(chǎn)與優(yōu)化調(diào)度。
通過對(duì)新一代人工智能技術(shù)引領(lǐng)下的智能制造系統(tǒng)的研究和初步實(shí)踐,我們認(rèn)為新一代人工智能技術(shù)引領(lǐng)下的智能制造系統(tǒng)是加快發(fā)展智能制造的一種新技術(shù)路線,從模式、手段、業(yè)態(tài)上體現(xiàn)了“新互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)+人工智能+”時(shí)代特征。
在創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)和工業(yè)化與信息化深度融合的步調(diào)下,堅(jiān)持技術(shù)、應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)的一體化協(xié)調(diào)發(fā)展,推動(dòng)新一代人工智能技術(shù)引領(lǐng)下的智能制造系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)進(jìn)發(fā)展。同時(shí),在中國(guó)開放的市場(chǎng)和創(chuàng)新體制下,兼容各國(guó)、各行業(yè)、各企業(yè)的特色,共同推進(jìn)新一代人工智能技術(shù)引領(lǐng)下的智能制造系統(tǒng)的發(fā)展與實(shí)施。