新一代人工智能技術(shù)引領(lǐng)下加快發(fā)展智能制造技術(shù)、產(chǎn)業(yè)與應(yīng)用

李伯虎，柴旭東，張霖，侯寶存，劉陽

（1. 中國航天科工集團(tuán)有限公司，北京 100048；2. 北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

一、前言

近年來，我國經(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，推動國民經(jīng)濟(jì)、國計(jì)民生和國家安全等各領(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）和人類社會發(fā)展的新目標(biāo)（如智能國民經(jīng)濟(jì)、智能國計(jì)民生、智能國防等）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)型升級的主要路徑。

二、新一代人工智能技術(shù)引領(lǐng)下的智能制造的內(nèi)涵

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。

（2）特征：對制造全系統(tǒng)、全生命周期活動（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、共享服務(wù)、跨界融合、自主智慧、萬眾創(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)）的市場競爭能力。

三、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)

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。

四、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

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)、平臺技術(shù)，以及制造生命周期活動的智能化技術(shù)[2,3]，如圖2所示。

五、新一代人工智能技術(shù)引領(lǐng)下的智能制造系統(tǒng)雛形初探

作者所在的團(tuán)隊(duì)，依托中國航天科工集團(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)中國國情以及信息化時(shí)代工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展大趨勢，所設(shè)計(jì)的中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。面向我國工業(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。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

（一）航天云網(wǎng)的體系架構(gòu)

航天云網(wǎng)的體系架構(gòu)，如圖3所示。

（二）基于大數(shù)據(jù)智能技術(shù)的應(yīng)用案例

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、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)倉庫（ETL）技術(shù)對設(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)庫和列式數(shù)據(jù)庫的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲，基于分布式數(shù)據(jù)庫的設(shè)備歷史數(shù)據(jù)存儲，基于文檔數(shù)據(jù)庫的企業(yè)管理數(shù)據(jù)存儲，對數(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、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，提升企業(yè)的市場競爭力。

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，以及智能制造云大數(shù)據(jù)綜合平臺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?；诤教煸凭W(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。

六、新一代人工智能技術(shù)引領(lǐng)下的智能制造系統(tǒng)發(fā)展方面的建議

通過對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)，在中國開放的市場和創(chuàng)新體制下，兼容各國、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。